華中科技大學虛擬化降低數據中心存儲系統運維復雜度

文/吳馳 龍濤 于俊清

為了滿足各類信息系統日益增長的IT資源需求，降低架構及管理復雜度并實現IT資源的快速交付和彈性分配，基于虛擬化技術建設云數據中心已成為當前高校信息化部門的首選。然而，從大多數高校數據中心的建設實踐看，虛擬化技術在計算、網絡和存儲這三大體系上的應用程度并不均衡，尤其是存儲虛擬化并未引起足夠的重視，已成為高校數據中心建設的短板。

數據中心存儲系統面臨的問題

高校應用系統類型復雜，數量繁多。在建設和運行過程中，其存儲容量需求往往呈現螺旋上升趨勢。數據中心建設時，往往由于對存儲容量需求無法準確預估，項目預算或建設周期限制等原因，存儲擴容成為常態。在擴容過程中，往往由于技術發展，采購限制等種種原因，不得不放棄在原有設備上進行擴容或采購相同設備的方案，而采購新的異構存儲設備。隨著存儲系統規模的不斷擴大，以下問題便凸顯出來：

1.管理復雜度急劇增加

由于不同廠商的存儲設備底層架構、管理界面和軟件功能都有較大的差別，在異構存儲環境下，配置和管理的復雜度無疑會大大增加。不同設備間的數據復制、遷移等操作需要較高的成本。

2.存儲資源利用率無法有效提升

在異構存儲環境下，各存儲設備往往會形成容量壁壘，無法實現統一的資源調度，資源利用率無法有效提高。

3.存儲系統高可用實現困難

異構存儲環境下，增加設備、架構調整或者數據遷移都往往需要對存儲設備進行離線操作，這樣無疑會降低存儲系統的可用性。而實現高可用的技術手段，如存儲鏡像等，又會由于異構存儲間的技術壁壘無法順利實現。

存儲虛擬化技術及其實現方式

根據SNIA（存儲網絡工業協會）的定義，存儲虛擬化是指“通過將存儲系統/子系統的內部功能從應用程序、服務器、網絡資源中進行抽象、隱藏或隔離，實現獨立于應用程序、網絡的存儲與數據管理”。簡單來說，存儲虛擬化技術能夠通過屏蔽具體物理設備的物理特征，將各類存儲設備資源進行整合，為上層服務器提供一個能夠統一配置管理的邏輯存儲資源池，從而有效地解決了異構存儲架構帶來的種種問題。

存儲虛擬化技術有多種實現方式和途徑。一般情況下，根據虛擬化在I/O路徑中不同的實現位置，可分為基于主機的虛擬化、基于存儲設備的虛擬化和基于存儲網絡的虛擬化。

1.基于主機的虛擬化

基于主機的虛擬存儲依賴于代理或管理軟件，它們安裝在一個或多個主機上，實現存儲虛擬化的控制和管理。由于控制軟件是運行在主機上，會占用主機資源且存在不同操作系統間的兼容性問題。因此，這種方法的可擴展性較差，實際運行的性能不是很好。

基于主機的方法也有可能影響到系統的穩定性和安全性，因為有可能導致不經意間越權訪問到受保護的數據。這種方法要求在主機上安裝適當的控制軟件，因此一個主機的故障可能影響整個SAN系統中數據的完整性。軟件控制的存儲虛擬化還可能由于不同存儲廠商軟硬件的差異而帶來不必要的互操作性開銷，所以這種方法的靈活性也比較差。但是，因為不需要任何附加硬件，基于主機的虛擬化方法最容易實現，其設備成本也最低。

2.基于存儲設備的虛擬化

基于存儲設備的虛擬化依賴于存儲設備的控制器軟件功能模塊，這種虛擬化技術往往只能解決同一廠商系列設備的虛擬化問題，無法支持包含多個廠商設備的復雜存儲系統的虛擬化。依賴于存儲供應商的虛擬化功能模塊將會在系統中排斥簡單的硬盤組和簡單存儲設備的使用，因為這些設備并沒有提供存儲虛擬化的功能。采用該存儲虛擬化技術也會導致存儲系統在建設過程中的品牌唯一問題。當然，對于已經采用同一廠商不同系列存儲設備的數據中心來說，該方案能夠較容易地實現存儲資源的虛擬化和統一管理。

3.基于存儲網絡的虛擬化

基于存儲網絡的虛擬化是指在存儲系統的SAN網絡設備上實現存儲虛擬化功能。根據其數據路徑和控制路徑的耦合情況，可分為對稱虛擬化和非對稱虛擬化兩種。對稱虛擬化是指數據路徑與控制路徑重合，在數據讀寫的過程中，在主機到存儲設備的路徑上實現虛擬存儲。具體實現時，實現虛擬化功能的設備安裝在主機和存儲設備的數據通道內，所有控制及數據訪問都必須通過該設備。該實現方式無需對現有SAN架構進行任何更改，也無需占用任何的主機資源。

非對稱虛擬化是指數據路徑與控制路徑不重合，在主機到存儲設備的路徑外實現虛擬存儲。非對稱存儲虛擬化設備位于主機和存儲之間的數據通道之外，通過其他的網絡連接方式與主機系統通信，因而在主機中需要安裝專門的客戶端軟件，所面臨的問題與基于主機的存儲虛擬化類似。

存儲虛擬化技術應用實例分析

華中科技大學從2012年開始啟動數據中心建設，根據需求，采用了分級建設的模式，建成了面向學校人事、學工、設備等重要應用的核心數據中心（如圖1）及滿足學校各二級單位網站、信息系統建設需求的二級數據中心（如圖2）。

圖1 核心數據中心架構

圖2 二級數據中心架構

可以看出，在兩級數據中心的架構中，均采用了接入SAN網絡的存儲虛擬化控制器設備實現了基于存儲網絡的對稱存儲虛擬化。在這種架構下，虛擬化控制器將異構的存儲設備虛擬化為一個統一的存儲資源池，服務器不再直接訪問任何的存儲設備，而是通過存儲虛擬化控制器構造的存儲虛擬化層進行數據讀寫。

從應用實踐看，存儲虛擬化的實施為數據中心的建設和運維帶來了以下幾點好處。

1.降低了存儲系統建設和管理的復雜度

由于采用了存儲虛擬化技術，數據中心的運維人員在日常管理與維護中通常無需對單一存儲設備進行操作，而是通過存儲虛擬化控制器提供的統一界面，對存儲資源進行管理。對存儲系統擴容時，可以靈活地根據需求、成本、項目預算等因素考慮采用利舊，對原有設備擴容及采購異構存儲等多種方案。學校兩級數據中心自2012年起的多次擴容中，先后采購了三個廠商的多臺存儲設備并利舊使用一臺存儲設備。由于采用了存儲虛擬化技術，所有擴容實施均實現了業務的不中斷操作。

2.實現了存儲資源的有效利用

與傳統存儲配置方式相比，基于虛擬存儲的自動精簡配置技術可以實現存儲資源的有效利用，能夠有效地避免物理存儲空間因超量分配導致的閑置。同時，存儲虛擬化技術通過構造存儲資源池，突破了單一設備的容量壁壘，實現了設備的容量整合。

3.存儲系統的高可用易于實現

通過存儲虛擬化控制器能夠非常容易在不同存儲設備上定義和實現存儲同步鏡像及雙活且對主機透明，當單一存儲設備因故障、檢修等原因需要停機時，不會影響相關業務的運行。2015年，學校核心數據中心中一臺主存儲由于電源發生故障須停機維修，因為采用了存儲虛擬化技術，所以維修過程中也實現了業務的不中斷運行。

4.可實現存儲資源的服務質量管理

通過存儲虛擬化技術，可以實現存儲系統中異構存儲的差異化管理。通過配置不同服務級別的存儲資源池，可以將不同性能的存儲設備分類管理并分配給對應需求的應用系統。例如，可以把高端的存儲資源集中分配給關鍵應用，而把較低端的存儲資源分配給非關鍵應用。

和所有技術相同，存儲虛擬化技術在帶來以上便捷性的同時，也存在著一些弊端和問題。主要體現在以下幾點：

1.性能瓶頸及單點故障風險

在某些存儲虛擬化實現方式下，例如對稱存儲網絡虛擬化時，由于所有主機對存儲設備的訪問均通過存儲虛擬化設備，其設備性能就成為了整個存儲系統的性能瓶頸，并帶來了單點故障風險。雖然存儲虛擬化設備廠商均采用了大容量Cache等技術應對性能瓶頸，但對于一些高性能存儲設備而言，采用對稱存儲網絡虛擬化設備時，仍無疑會出現“小馬拉大車”的情況。對于單點故障風險，存儲虛擬化設備廠商在設計中也進行了充分考慮，采用了物理冗余等一系列措施進行保障。

2.廠商綁定風險

雖然存儲虛擬化技術實現了異構存儲的統一管理，但就存儲虛擬化設備而言，仍只能進行單一選擇。這就意味著，一旦選擇了某個廠商的存儲虛擬化設備，在擴容中，則必須選擇該設備所兼容的存儲設備。所以在存儲虛擬化設備選擇前，須充分了解該設備的兼容性列表。

所以，存儲虛擬化技術能夠方便地實現存儲設備的統一管理及存儲資源的整合，有效地提高存儲系統資源利用率、可用性及可擴展性，并大大降低管理復雜度和成本。

高校在數據中心規劃和建設過程中應當充分重視和研究存儲虛擬化技術，根據自身需求和特點靈活使用，以提升數據中心存儲服務的質量。