TVDSM:支持透明計算的虛擬磁盤存儲模型*

王 斌，郝鵬飛，吳加躍，胡義香

中南大學 信息科學與工程學院，長沙 410083

1 引言

隨著計算機及網絡技術的發展，計算模式逐漸從資源共享向服務共享的模式發展[1]。透明服務平臺基于透明計算[2-4]思想，通過對系統、應用軟件及用戶個性化資源的統一管理以及分配，為企事業單位及個人提供無處不在的服務。為了實現終端遠程加載啟動操作系統，平臺服務端存儲了所有終端用戶的虛擬磁盤數據。但是現有虛擬磁盤鏡像存儲存在諸多不足之處，主要體現在當前存儲模型不適合用戶數量較多的虛擬磁盤存儲，數據共享實現程度不高，導致存儲系統中出現大量冗余數據。

目前主流的虛擬磁盤存儲結構主要來自各大虛擬主機所支持的鏡像結構，其中raw結構的虛擬磁盤具有較好的數據訪問性能，通常是鏡像模板的首選結構類型。其他類型，如qcow2[5]、qed[6]、vmdk[7]等，都能基于COW（copy-on-write）技術實現數據的增量存儲，且都是采用多級查詢機制進行數據訪問[8]。但它們被設計的出發點并不是針對特定平臺下多用戶的數據共享存儲，沒有考慮到多用戶對虛擬磁盤的數據改寫特性，也沒有考慮到終端系統啟動過程中的數據查詢效率；另一方面，由于每次保存終端發送來的改寫數據時都要對原有數據進行復制，采用寫時復制技術實現對修改數據的存儲并不適用于透明服務平臺。

本文提出的存儲模型主要針對學校、企業等具有批量分組人員的透明計算應用場景，由于其終端硬件配置基本一致，使得終端設備能夠加載運行相同類型的操作系統以及應用程序[9-11]；同組的終端用戶選擇使用的操作系統類型基本固定，同時會出現許多用戶使用相同應用程序頻率較高的現象。由于運行在相同操作系統平臺下，不僅終端用戶使用的系統數據具有很高的相似度，而且終端用戶使用同一應用程序所關聯的數據也基本類似，可將系統數據與應用程序數據放入共享虛擬磁盤，不同用戶的虛擬磁盤鏡像相對于共享虛擬磁盤，只有少量的數據修改，且發生修改的位置具有很高的相似度。因此，針對透明計算應用場景中的這些特點，本文提出了一種樹狀虛擬磁盤存儲模型（tree virtual disk storage model，TVDSM），它能將共享數據統一管理，并為每個用戶創建虛擬磁盤來保存用戶私有數據與個性化配置信息，將很大程度地節省存儲空間。

2 虛擬磁盤存儲模型

虛擬磁盤中的數據資源按共享程度及性質可劃分成以下3類。

（1）系統共享資源：主要指操作系統以及相關數據，包括各種支撐軟件及管理工具。該類資源共享程度最高，基本能被所有用戶共享。由系統共享資源構成的鏡像稱之為系統虛擬磁盤鏡像（system virtual disk image，S_VDI）。

（2）應用軟件群組資源：主要指各種相關的應用軟件數據組成的集合，例如辦公軟件群組可包含Word、Excel、Powerpoint等軟件資源，而Java開發群組可包含Eclipse、Mysql、Tomcat等軟件資源。該類資源的共享度次之，主要被同一個群組下的用戶共享。由應用軟件群組的資源構成的鏡像稱之為群組虛擬磁盤鏡像（group virtual disk image，G_VDI）。

（3）用戶個性化資源：主要指用戶區別于其他用戶的數據資源，一般包括用戶私有數據文件或者操作系統、應用軟件的個性化配置信息。該資源共享度最低，只能提供給自身用戶訪問。由用戶個性化資源構成的鏡像稱之為用戶虛擬磁盤鏡像（user virtual disk image，U_VDI）。

如圖1所示，TVDSM是一種樹狀結構的按共享程度劃分層次的存儲模型。這種模型不需為每個終端用戶配備封裝了所有數據的虛擬磁盤鏡像。其中樹的最頂層為共享度最高的系統虛擬磁盤，它能被每個終端用戶共享，存儲了支持操作系統啟動所必須加載的數據。在樹的次層，針對每個不同的用戶群組，配置了不同的群組虛擬磁盤，群組虛擬磁盤中存儲了相關的軟件資源，能被群組中的用戶共享。而在樹的最低層，為每個終端用戶配置了專用于存儲私有數據和修改數據的用戶虛擬磁盤鏡像。不同終端用戶只會修改少量系統數據和應用數據，因此針對每個用戶虛擬磁盤，只需要分配少量的存儲空間。該存儲模型對用戶是透明的，用戶所獨占的一個包括操作系統、應用軟件、個人私有數據的本地磁盤在服務端被劃分成多個部分。

Fig.1 Virtual disk storage model tree structure圖1 樹狀結構的虛擬磁盤存儲模型

系統虛擬磁盤鏡像和群組虛擬磁盤鏡像部署于服務端，被多個透明終端共享。當多個終端加載同一個操作系統或者同一個應用軟件時，可能發生數據一致性問題，導致某些用戶無法正常使用操作系統或應用軟件。為了解決上述問題，將ROW（redirecton-write）機制應用于透明計算虛擬磁盤存儲模型。具體做法是：將系統虛擬磁盤鏡像S_VDI和群組虛擬磁盤鏡像G_VDI以只讀的方式存儲于服務端，共享給多個終端用戶；采用ROW寫時重定向機制將終端用戶對共享的虛擬磁盤鏡像S_VDI和G_VDI的改寫塊保存于與用戶對應的用戶虛擬磁盤鏡像U_VDI中，并采用Bitmap來標記各個改寫塊的位置，從而實現了多個終端用戶對共享數據的共同讀寫。改進后基于ROW機制的虛擬磁盤訪問模式如圖2所示。

Fig.2 Virtual disk storage model for transparent service platform圖2 透明服務平臺中虛擬磁盤存儲模型

圖2描述了在ROW機制下終端用戶i及用戶k分別寫數據塊9后再讀取數據塊7至9的數據訪問流程。以用戶i為例，在用戶i寫數據塊9時，由數據服務中間件直接重定向將數據寫入至該用戶對應的U_VDI，并且在位圖索引中修改相應的bit位。用戶i在之后的數據訪問過程中如果再次修改數據塊9中的數據，則直接覆蓋U_VDI中數據塊9的舊數據，而不用對位圖進行修改。當用戶i請求訪問第7號至第9號的數據塊時，用戶對應的U_VDI中存儲了數據塊7和9的改寫塊，因此對7號塊和9號塊的數據訪問讀請求被定位到用戶對應的U_VDI，而數據塊8在U_VDI和G_VDI的位圖中都沒有改寫標記，因此其請求定位到了S_VDI，最后將所有讀取到的數據塊重新排序組合后返回給終端用戶。

在基于ROW機制的虛擬磁盤存儲模型中，每個終端用戶感知自身獨占整個S_VDI，而實際上S_VDI是被多個用戶共享的，用戶的私有化數據存儲于用戶的U_VDI中。S_VDI、G_VDI的創建一般是在管理員對整個透明服務平臺環境進行準備時配置的，也可以在平臺運行過程中動態添加或修改，而U_VDI的創建是在用戶申請時動態生成的，用戶申請鏡像時，可以選擇U_VDI所屬的操作系統類型及應用群組，從而共享所選擇群組下的系統數據和應用數據。

3 虛擬磁盤鏡像存儲結構

TVDSM能解決多用戶虛擬磁盤數據共享的數據一致性問題，但它需要一種合適的虛擬磁盤存儲結構的支撐，以實現透明計算系統中數據的高效共享與訪問。本文提出的虛擬磁盤鏡像存儲結構基于位圖索引技術[12]，支持用戶能夠在較小的粒度下獲得較高的數據訪問效率。

3.1 虛擬磁盤鏡像存儲結構

它主要由Header、Bitmap、Q_table、Data四部分組成。其中Header、Bitmap、Q_table構成元數據文件，Data部分構成數據文件，元數據文件和數據文件可連續存儲也可分離存儲。為了實現數據的快速定位，針對Data區域按兩種不同粒度分塊劃分，得到兩種類型序列。

定義 1Block序列（block sequence，BS）：BS={B1,B2,…,Bn}，它由大小相同的連續Block組成，每塊大小為B_unit，是虛擬磁盤的共享粒度和改寫粒度。

定義2Chunk序列（chunk sequence，CS）：CS={C1,C2,…,Cn}，同樣由大小相同的連續Chunk組成，且每個Chunk都是固定長度的BS序列，即Ci={Bj,Bj+1,…,Bj+k}，CS的劃分粒度為C_unit，它是數據查找的基本單位。

本文提出的虛擬磁盤存儲結構如圖3所示。

Fig.3 Virtual disk storage structure圖3 虛擬磁盤存儲結構

（1）頭部（Header）

Header區域處于虛擬磁盤鏡像的開始部分，它記錄整個虛擬磁盤鏡像的基礎信息，其中：

①vid：64位整型唯一標識一個虛擬磁盤鏡像節點，用于區別其他節點。

②type：表示節點類型，共包含4種類型，系統類型、群組類型、用戶類型、快照類型。

③f_ptr：指向父節點鏡像的指針，當某節點指向父節點時，可共享父節點鏡像中的數據，并且只保留對父節點數據修改的部分。系統類型節點的f_ptr為空。

④size：表示鏡像節點大小，即Bitmap所能表示的磁盤總大小，單位為Byte。

⑤M_offset：表示Bitmap區域相對于鏡像起始位置的偏移量，位圖區域緊隨Header區域，而Header大小固定，因此該值是個固定值。

⑥Q_offset：表示Q_table區域相對于鏡像起始位置的偏移量，通過它能快速定位到Q_table。

⑦D_offset：表示Data區域相對于鏡像起始位置的偏移量，通過D_offset和數據塊號可計算訪問數據的具體位置。

⑧B_unit：劃分Block的基本單位。

⑨C_unit：劃分Chunk的基本單位，C_unit=n×B_unit，其中n為整數。

⑩ heads、cylinders、sectors：分別表示虛擬磁盤的磁頭數、柱面數和扇區數，是虛擬出來的物理參數。

?其他成員：主要包含虛擬磁盤所屬用戶的信息，操作系統版本信息、虛擬磁盤操作權限等。例如，其中操作權限主要包括虛擬磁盤鏡像是否可寫，鏡像節點是否允許生成子節點。

（2）位圖（Bitmap）

位圖用于記錄修改塊的位置。具體做法是，鏡像節點初始化過程中，在位圖區域開辟Bitmap_size大小的空間，且初始化全為0，位圖中每個bit位都與虛擬磁盤BS序列中的每個Block一一對應，式（1）為Bitmap_size計算方法。在此后數據訪問過程中，若對父節點Block序列發生修改時，需要將對應bit位的值設置為1。

（3）查找表（Q_table）

查找表將發生改寫Chunk的索引號與該Chunk在Data區域偏移量的位置相互映射，從而加快查詢速度。它的大小是可變的，只有發生改寫的Chunk才會被記錄于表中，查找表的大小可依據數據改寫量而動態調整。

（4）數據區域（Data）

數據區域用于存儲每個節點相對于父節點所修改的數據，更新后的數據保存在此以區別于父節點的共享數據。當存儲節點為S_VDI節點時，則終端虛擬磁盤中數據存儲的順序就是S_VDI節點Data區域中數據存儲順序。

3.2 寫重定向與查詢定位分離

透明終端數據訪問過程中，如何快速定位數據是要解決的關鍵問題。上文提出的虛擬磁盤存儲結構能夠很好地支持以寫重定向與查詢定位分離的方式進行數據交互，進行寫重定向時以B_unit為操作粒度，該粒度也是多用戶對虛擬磁盤數據的共享粒度，而進行查詢定位時，查找數據的基本單位為C_unit，且C_unit=n×B_unit，其中n為整數。ROW與查詢定位分開實現帶來了不少優點，其中最重要一點是加快數據的查詢速度。下文分析對比了兩者分開實現與否對系統性能的影響。

假設ROW與查詢定位統一實現，使用相同粒度的B_unit實現數據改寫和數據查詢定位。當某節點相對于上層節點修改了n塊Block，查找表必須生成n個表項，若每個表項占用存儲空間為m，那么查找表需要m×n的存儲空間，且查找數據的平均查找長度為為了加快查詢速度，常用方法是將改寫塊的查找表緩存于內存中，針對查找表每個用戶將占用m×n的服務器內存空間，當系統中用戶數量增多或用戶修改數據增多時，這種級別的內存開銷將嚴重影響其他服務質量。

如果將ROW與存儲定位分開實現，查找表的每項就記錄了一個改寫Chunk的地址索引，每個Chunk由x塊連續的Block構成。通過透明服務平臺實驗分析可知，虛擬磁盤具有在多用戶終端啟動同一操作系統的過程中，對系統虛擬磁盤鏡像的修改在整體上是離散的，但在局部經常出現連續被修改的數據塊的磁盤訪問特性[13-14]，因此被多次改寫的連續數據塊可以合并成一個Chunk，這樣只需要在查找表中增加一條記錄，而不是增加多條記錄。這種方式下查找表占用磁盤空間大約為，相比之下可以較為輕松地將查找表緩存于內存中，加快查詢速度。同時，查找每個修改塊所用的時間也將減少，平均查找長度約為

圖4描述了ROW與查詢定位分離機制實現的部分細節。在該例中C_unit=4×B_unit，當某用戶對Block 6發生改寫操作時，除了需要將更新后數據寫入用戶Data區域，還需要更新用戶節點的Bitmap以及Q_table；而后用戶改寫的Block 7和改寫過的Block 6屬于同一個Chunk，因此不用在Q_table中增加新表項。當用戶進行查詢定位時，需要先通過Bitmap判斷數據是否在當前節點，如果數據在當前節點則通過Q_table查找該數據所屬Chunk的起始位置，通過該位置計算并讀取所需訪問的數據。

Fig.4 ROW and query location separation diagram圖4 ROW與查詢定位分離實現示意圖

通過對本文方案的系統遠程啟動過程中的數據請求進行統計分析，發現B_unit選取為4 KB最為合理，這也是操作系統訪問頁的大小。如果B_unit設置過大，就會增大虛擬磁盤存儲系統中“假”共享發生的概率，“假”共享是指多個用戶共享數據塊時，真正共享其中小部分而不是共享整塊數據；同時還會降低訪問效率，并且易產生內存碎片，因為訪問過程中往往需要將整個Block載入內存，再對其做出裁剪，而不能直接返回給終端。而B_unit設置過小，訪問數據過程中需要讀取多個Block，同樣降低了訪問效率。

C_unit同樣不適合設置過大或過小。假如C_unit值過大，且大于大部分連續修改數據的總長度，將導致用戶節點Data區域的空間嚴重浪費。而C_unit值設置過小，雖然用戶節點Data區域存儲空間能夠得到較為充分的利用，但查找表條目會增多，導致查找速度過慢。因此，需要進行相應實驗并綜合參考這兩個指標選取合適的C_unit值。

4 實驗驗證

4.1 實驗環境

實驗中，透明終端和服務端工作在同一局域網，它們之間通過路由器相互連接[15]。在服務端，部署了兩種類型的服務器，一種是為用戶提供數據服務的Initiator服務器，另一種是用于存儲虛擬磁盤鏡像的Target服務器。在Initiator服務器中部署了數據服務中間件，為透明終端遠程加載操作系統以及其他各種操作提供數據服務。透明終端則部署了一些基本的系統引導程序，而沒有預裝操作系統和其他任何工具軟件。終端類型分為兩種，一種使用的是x86結構的移動終端，另一種使用的是PC終端。其中移動終端使用的是無線網絡，PC終端使用的是有線網絡。透明終端和服務端配置信息如表1和表2所示。

Table 1 Terminal configuration table表1 終端配置表

4.2 多用戶磁盤空間占用分析

本節實驗對象采用了CentOS操作系統，它的系統鏡像大小為9.8 GB。之后為其制作了兩種類型的群組鏡像，分別是辦公群組和娛樂群組，每個群組安裝若干應用的軟件；在每個系統類型下添加5個用戶。然后，用戶通過透明終端產生若干個性化數據，記錄并統計在對虛擬磁盤存儲優化前以及優化后選取不同Chunk大小時服務端磁盤空間的占用量，詳細結果如表3所示，隨用戶數量增加服務端磁盤開銷走勢如圖5所示。

Table 2 Server configuration table表2 服務器配置表

Table 3 Effect of Chunk on multi user disk space occupied表3 不同Chunk時多用戶磁盤空間占用

從表3中可以看出，當平臺中只有一個用戶時，優化后的模式反而比優化前多占用部分存儲空間，但隨著用戶數量不斷增加，優化前的磁盤空間占用與用戶數量呈現正比關系，而優化后鏡像資源占用磁盤空間的增長速率緩慢。這是由于在優化后的初始化過程中，為系統配置了不同的群組鏡像，導致用戶數量為1時，反而占用更多的磁盤空間；然而隨著管理員添加更多的用戶鏡像，各用戶節點Data只需存儲修改的數據內容，因此表現出磁盤空間增長速度緩慢。

Fig.5 Effect of Chunk on multi user disk space occupied圖5 不同Chunk時多用戶磁盤空間占用

結合圖5可知，Chunk大小將影響磁盤空間占用量。隨著Chunk大小的增長，服務端的磁盤開銷呈現出增長趨勢。但不難發現，Chunk大小在不超過512 KB階段，不同Chunk值對磁盤空間總量的影響較小；而Chunk大小達到1 MB時，磁盤空間總量增長比較明顯，對系統磁盤開銷造成一定影響。

4.3 數據訪問性能分析

虛擬磁盤讀寫性能也是衡量存儲結構優劣的重要指標，本文分別在大小不同的Chunk情況下，通過終端向虛擬磁盤讀寫各種大小的文件，記錄它們在不同Chunk大小和終端類型情況下的數據讀寫速度。終端類型分為移動終端和PC終端兩種，移動終端使用的是無線網絡，PC終端使用的是有線網絡，有線網絡比較于無線網絡具有更高且更穩定的傳輸速率，這會對實驗結果造成一定影響。具體實驗方法是用CentOS系統自帶的磁盤工具進行測試。測試讀取速率指令是dd if=/dev/sda of=/dev/null bs=1M count=x，測試寫入速率指令是dd if=/dev/zero of=/test.img bs=1M count=x。命令中bs=1M表示數據塊大小為1 MB，count=x表示總共讀取x塊數據。針對每種不同環境進行多次測試并計算平均值，測試結果如表4所示。

Table 4 Virtual disk data read/write rate表4 虛擬磁盤數據讀寫速率

通過表4可以看出，受到無線網絡不穩定等因素的影響，PC終端表現出數據讀寫性能高于移動終端。并且在Chunk大小與終端設備都保持一致時，寫入速率明顯高于讀取速率，這是虛擬磁盤延遲寫的機制所產生的作用，大幅度提高了數據寫入速率。但隨著寫入數據的增多，寫入速度出現一定幅度下降，這是由于延遲寫緩沖區空間不足，寫操作進入等待隊列而得不到及時響應所導致的。

另外，可以發現不同的Chunk大小和終端類型與虛擬磁盤讀寫速率是相關的。在同類型終端讀寫速率對比時發現，Chunk大小為1 MB時讀寫性能表現最優。但同時考慮到4.2節所述實驗中Chunk設置為1 MB造成磁盤開銷過大，因此可選取512 KB作為Chunk序列劃分單位。結合表3及表4可以得出，Chunk大小為512 KB時，存儲系統在磁盤開銷和數據訪問性能方面都表現出色。

為了驗證本文提出的虛擬磁盤存儲結構能否滿足透明計算訪問性能的要求，通過如下實驗對比了虛擬磁盤和普通磁盤的數據訪問速率。其中影響虛擬磁盤訪問速率的參數Chunk大小設置為512 KB，且終端類型采取有線傳輸類型，保證數據傳送可靠性。普通磁盤選用的是型號為Lenovo E49AL的筆記本電腦中自帶的磁盤，性能參數為5 400 r/min。實驗工具為Centos自帶的獲取硬盤參數工具hdparm，它能實時獲取磁盤相關性能參數，具體指令為hdparmt/dev/sdb1。測試結果如表5所示。

Table 5 Speed comparison of virtual disk and disk表5 虛擬磁盤與普通磁盤速率對比

從表5中可以分析得出：雖然透明計算虛擬磁盤訪問速度較明顯低于傳統磁盤，但虛擬磁盤速率仍保持在傳統磁盤速率70%以上并且穩定，這對用戶的數據訪問并沒有太大影響。終端用戶可通過透明終端完成編輯、查看文件以及觀看視頻等基本操作。因此本文提出的TVDSM應用于透明服務平臺既保障了數據服務質量，又節省了磁盤空間。

5 結束語

由實驗結果可知，面向透明計算模式的TVDSM以及鏡像存儲結構能夠支持多用戶的鏡像數據共享，同時又能保證數據的訪問效率。它將數據共享粒度和數據查詢粒度以不同粒度分開實現，提高了系統的共享性和訪問效率，可以很好地支持多用戶同時遠程加載操作系統，支持透明計算模式。

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