基于VMware技術的軟件定義的存儲方案研究

袁瑛++沈平

摘 要：隨著服務器虛擬化技術的廣泛應用，服務器提供的存儲體系結構卻未能同步，不能應對虛擬化應用和新型工作負載過高的狀況，云端服務的出現以及新應用的快速開發和部署使終端用戶對容量、性能和敏捷性的期望越來越高。本文介紹了虛擬化技術發展現狀、VMware技術的相關知識，闡述了基于VMware技術的虛擬化系統構建的想法。并針對傳統存儲的缺點和不足，建議使用VMware[1，2]技術中的Virtual SAN[3]構建的軟件定義的存儲系統，使存儲方式更高速、敏捷、經濟。

關鍵詞：虛擬化；VMware技術；存儲定義

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A

Abstract：With the wide application of server virtualization technology，storage architecture provided by the server failed to synchronize，unable to cope with the virtualization application and new work load too high，and the rapid development of cloud services appear new application and deployment of the end user expectations of performance and capacity，more and more high agility.This paper introduces the development of virtualization technology，VMware technology，and describes the idea of building a virtual system based on VMware technology.In view of the shortcomings and deficiencies of the traditional storage，it is recommended to use the software defined storage system of Virtual SAN in the VMware technology，which can make the storage way more rapid，agile and economical.The software defined storage system constructed by Virtual SAN in VMware technology can not solve the problems of the traditional storage and virtualization，the storage expansion is expensive，and the application efficiency is not high.

Keywords：virtualization；VMware technology；storage definition

1 引言（Introduction）

數據存儲已成為學校IT部門需要應對的最棘手的難題之一。隨著大數據、云計算的推廣應用，存儲容量將以每年41%的速度不斷增長，IT管理員將無法存儲、編目并隨時提供此類數據。在數據存儲方面，盡管傳統的外部網絡存儲系統較為成熟，但其中仍存在不少難題：資金開銷較高、擴展方面面臨著挑戰、運維復雜性較高，且難以滿足SLA要求；IDC的數據顯示，最后一項是目前最為緊迫的問題。

2 傳統存儲的缺點與不足（Shortcomings and

deficiencies of traditional storage）

當下的數據中心存儲體系結構在很大程度上均由硬件驅動和定義，無法滿足這些新型的存儲需求。傳統的存儲資源調配和維護方式已不足以實現業務目標。雖然我們可以進一步增加傳統存儲系統的容量，也可以引入性能更高的新系統，但以硬件為中心的方法仍然面臨著一些本質上的挑戰，這種方法非常復雜、極不靈活且效率低下。

雖然新式存儲陣列可以提供強大的數據存儲、管理和保護功能，但它們并未考慮到不斷變化的應用要求，往往無法快速應對變化。

（1）滿足存儲SLA要求并根據業務需求進行調整的過程非常繁瑣。

傳統存儲的調配和日常管理流程極不靈活，很難支持不斷變化的應用服務級別。我們需要進行大量前期規劃，才能創建具有預定義性能設置和特定數據服務集且獨立于應用的預配置靜態容量池。這種自下而上、以硬件為中心的方法會導致調配效率低下。應用需要映射到這些固定的容量池，以便確定“最符合”要求的容量。當應用發生變化時，存儲要求會隨之改變，這時，虛擬機需要遷移到新的LUN或卷中。此外，性能的擴展不夠細致，這就需要我們費時費力開展規劃工作并投入大量的資金。由于從虛擬層到存儲層缺乏端到端可見性，因此，我們很難對每臺虛擬機進行故障排除并監控性能問題。總之，由于存儲系統無法支持應用，目前的運維模式也無法快速適應變化。

（2）CAPEX過高，擴展很昂貴

現有的存儲環境極不靈活，同時復雜性較高，會導致存儲利用率和ROI較低。為降低存儲調配的復雜性并減少延遲，各個組織通常會部署超出實際需要的存儲量。這種超額配置會導致實際分配的存儲資源得不到充分的使用。同時，由于存儲資源未經過虛擬化，閑置的存儲無法輕松進行重新分配或共享，因此，組織需要更頻繁地購買存儲。最終，存儲系統會占用很大一部分IT預算。同時，組織還必須大規模擴展存儲資源，要么是支付昂貴的升級費用，要么是徹底更換現有硬件，其結果就是在不斷重復購買高昂的新存儲基礎設施。

3 VMware技術的軟件存儲定義的工作（VMware

software defined storage work）

基于VMware技術的存儲模式將存儲領域帶來服務器虛擬化[4]之于計算領域的同等高效的運維模式。這種全新的模式將改變存儲的調配和管理方式，它由軟件（而非硬件）定義。而且，此模式應從應用入手，而非存儲陣列。軟件定義的存儲和軟件定義的數據中心可實現更加敏捷高效的環境，并提供高速度、簡便性以及經濟高效的解決方案。

軟件定義的工作原理，就是軟件定義的存儲依賴虛擬化管理程序，以及兩種新的體系結構元素，即虛擬數據層和策略驅動的控制層。

虛擬數據層，對物理資源進行虛擬化，將其抽象化為以虛擬機為中心、可靈活使用和管理的邏輯容量池。VMware在這方面的實施包括基于SAN/NAS設備的vSphere Virtual VolumesTM，以及基于x86服務器存儲的VMware Virtual SANTM[5]。

策略驅動的控制層，充當應用與基礎架構之間的橋梁，通過策略驅動且以虛擬機為中心的自動化功能，可跨不同的存儲層進行通用管理，并對存儲服務級別進行動態控制。VMware在這方面的實施是基于存儲策略的管理[6]。

（1）虛擬數據層

這是一個全新的抽象層，用于將存儲池化為以虛擬機為中心的靈活虛擬數據存儲，在這里，虛擬磁盤均以原生形式呈現在底層物理基礎架構上。借助Virtual Volumes和Virtual SAN，存儲基礎架構可在虛擬數據層提供可用的功能（性能和數據服務），從而通過編程API自動調配并動態控制存儲服務級別。

與此相對，傳統存儲環境基于極不靈活且以基礎架構為中心的LUN（邏輯單元）或存儲卷，它們本質上都會采用靜態方式分配存儲服務級別（容量、性能和數據服務）。在這種情況下，存儲資源的調配取決于可用的硬件，而資源將根據“最適合”的方案嚴格分配給應用，極度缺乏靈活性或變化空間。

（2）策略驅動的控制層

這個全新的管理層可在外部陣列、x86服務器或云端存儲的所有存儲層之間提供通用的編排和自動化功能。與傳統的控制層不同，這個策略驅動的控制層使用策略來定義不同的存儲類別，并自動組合大量存儲服務，同時支持在虛擬機級別進行調整。當應用要求發生變化時，策略會隨之更新，虛擬化管理程序會利用虛擬數據層和虛擬數據存儲以無中斷的方式自動調配新的存儲資源。可通過公共API（用于通過腳本編寫工具和云計算自動化工具使用并控制策略）對控制層進行編程，進而實現以自助方式使用存儲[7]。具體的軟件定義的存儲體系結構如圖1所示。

（3）虛擬化管理程序的作用

作為位于應用和基礎架構交匯處的抽象層，虛擬化管理程序在IT體系中占據首要位置，它可平衡應用所需的全部IT資源，包含計算、內存、存儲和網絡連接。虛擬化管理程序本身就支持應用，能夠直接了解各個應用（如虛擬機和虛擬磁盤）及其要求。現在，有了虛擬數據層和基于策略的管理，虛擬化管理程序就能以與計算資源類似的方式調配存儲資源，具體而言，它可提供以下功能：

a.通過全新的控制層向應用自動交付存儲級別（容量、性能）和數據服務。

b.將存儲基礎架構抽象化為靈活的容量池，在這里，存儲級別和數據服務可交付至單獨的虛擬機。

c.通過基于存儲策略的管理模板，可以更加精確、高效地對存儲進行管理和動態調配。

4 讓軟件定義的存儲的實現途徑（Ways to enable

software defined storage）

VMware軟件定義的存儲轉變了存儲的運維模式：從當前自下而上、以陣列為中心的存儲方法轉變為自上而下、以虛擬機為中心的模式。因此，存儲服務可自動根據應用的要求進行調整，從而幫助您節省時間和資金。

VMware Virtual SAN，要實施軟件定義的存儲，首先需要部署VMware Virtual SAN，它可以為虛擬環境提供融合了虛擬化管理程序的極其簡單的存儲[8]。Virtual SAN能夠為所有虛擬化應用（包括關鍵業務應用）提供企業級高性能存儲。這種獨立于硬件的橫向擴展體系結構采用了x86服務器，可顯著降低存儲的總體擁有成本，同時支持以可預測的方式靈活進行線性擴展。通過池化與服務器連接的基于閃存的存儲（位于全閃存或混合SSD/HDD體系結構中），Virtual SAN可以確保較高的性能和可預測的響應時間。它采用以虛擬機為中心的管理方法，并且與VMware vSphere和整個VMware產品體系無縫集成，因此是最簡單的虛擬機存儲平臺。

Virtual SAN可配置為混合存儲，也可配置為全閃存存儲。在混合存儲體系結構中，Virtual SAN會池化與服務器連接的HDD和SSD，以創建一個分布式共享數據存儲，用于對存儲硬件進行抽象化，并為虛擬機提供軟件定義的存儲層。閃存將用作讀緩存/寫緩沖區，從而提高性能；磁盤用于提供數據持久性存儲。另外，Virtual SAN還可部署為全閃存存儲體系結構，其中，閃存僅以智能方式用作寫緩存，而SSD則用于提供具有較高耐久性的數據持久性存儲[9]。

VMware vSphere Virtual Volumes，通過將軟件定義的存儲模式延展到現有存儲投資上，IT經理能夠體驗到在整個數據中心內部署靈活的存儲基礎架構的各種優勢。vSphere Virtual Volumes是VMware提供的集成框架，用于將現有SAN和NAS系統抽象化和池化為虛擬數據層。Virtual Volumes定義了一種獨立于底層物理存儲表示形式（LUN、文件系統、對象等）的全新虛擬磁盤容器（虛擬卷）。借助Virtual Volumes，虛擬磁盤可成為陣列級別數據管理的主要單元。這會將虛擬數據存儲轉換為以虛擬機為中心的容量池，它支持由特定于應用的要求來推動存儲調配決策的制定，并能利用現有存儲陣列提供的各項功能。借助Virtual Volumes，IT經理能夠繼續從當前的存儲系統中獲得好處，同時還可采用軟件定義的存儲這一全新的運維模式。

基于存儲策略的管理，Virtual Volumes和Virtual SAN均依靠VMware基于存儲策略的管理（SPBM）運維模式[10，11]。SPBM是一種通用的存儲策略框架，可跨Virtual SAN控制并自動執行以虛擬機為中心的存儲策略，并通過Virtual Volumes管理外部存儲。

SPBM采用與虛擬機相關的邏輯模板（策略）形式捕獲存儲服務級別的要求（容量、性能和可用性等）。

SPBM能夠通過確定符合策略要求的可用數據存儲來自動放置虛擬機，并支持虛擬化管理程序以動態方式對所需的數據服務進行實例化。通過實施策略，SPBM還能夠在虛擬機的整個生命周期內自動監控服務級別和合規狀態。當應用的存儲要求發生變化時，策略會隨之更新，并且這些更改會立即自動部署[12]。

5 結論（Conclusion）

軟件定義的存儲提供了高速、敏捷、經濟有效的存儲解決方案。軟件定義的存儲，是將存儲的演變服務器虛擬化得到了廣泛的采用，但提供支持的存儲體系結構卻未能保持同樣的步調。這是因為服務器虛擬化對存儲提出了新的要求，也就是提高了對存儲系統的要求，即能夠應對虛擬化應用和新型工作負載（如VDI）的I/O極其缺乏規則且始終處于峰值的狀況。

目前，在虛擬化領域內，存儲基礎架構面臨的壓力與日俱增，要從容應對這種壓力，我們有必要采用一種全新的存儲方法是軟件定義的存儲，它可實現從根本上解決虛擬化帶來對存儲最根本的挑戰。借助軟件定義的存儲，可以提供當下的虛擬環境需要的敏捷性、高速度，以及經濟高效的存儲解決方案。

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[12] 張輝.軟件定義存儲的應用與分析[J].廣播電視信息，2015

（11）：107-108.

作者簡介：

袁 瑛（1977-），女，碩士，講師.研究領域：軟件工程，數據分析與處理，信息系統.

沈 平（1974-），男，碩士，副教授.研究領域：網絡安全，數據挖掘.