數據資源存儲高可用建設研究與實踐*

韓吉義

（內蒙古師范大學圖書館，呼和浩特 010022）

隨著信息時代的不斷發展，各種數據資源數字化程度越來越高，數字資源所占的比例不斷提高，用戶也越來越習慣于使用電子資源。特別是數據資源管理部門，數據結構的開放性和內容多樣性，以及信息快速發展和大數據化，都對數據存儲設備提出了更高的要求：大容量、高性能、高可用性、安全性。

1 數據資源存儲現面臨問題

一是為了滿足日益增長的信息要求，各單位不斷引進各種相關數據庫，購買專業資源庫，使得本地數字資源呈井噴式增長，數據增長量之快導致原有的存儲容量已經不能滿足擴充的需求。

二是近年來，各單位注重本地數據資源數字化建設，自建一些數據庫，為當地社會經濟文化發展服務，特別是那些重點部門和重大科研項目的數據庫建設，這些資源的數字化，極大地豐富了本地資源庫，同時也必將對存儲容量產生巨大的壓力，許多地方文獻都是以圖片、音視頻為載體，所占空間較大。

三是為了滿足不斷地增加的數據量，各單位只能不斷地購買存儲設備，增加存儲容量，導致經費緊張，存儲數據的成本在不斷地增加。

四是各單位在數字化建設發展過程中不斷增添存儲設備，不同品牌的存儲產品，復雜的存儲基礎架構，導致異構存儲設備大量存在，存儲空間利用率不高，對日常存儲管理也帶來很多不利，數據遷移、容量擴充都要停止服務后才能進行，當一個目錄下存放的資源超過一定數量后，很可能會導致文件查找效率下降，影響到上級存儲中結構化數據響應時間和運行效率，而且很難進行數據維護。

五是面對復雜的存儲環境，對數據資源管理人員也提出了更高的要求，為了有效管理這些設備，需要具有強大的技術儲備，需要更多的熟悉各種廠商產品才能維持系統的正常運行，運行維護的人力成本顯著增加。

六是越來越多的數據資源放在復雜的存儲環境中，同時還需要不間斷提供服務，對數據的高可用性及安全性也是一種挑戰，一旦因存儲設備問題導致數據出錯、丟失或設備宕機，將會產生不可估量的損失。

2 存儲虛擬化

存儲虛擬化是將多個存儲設備抽象為一個存儲資源池，通過將一個或多個目標服務與功能，與其他附加功能實現集成，實現全面功能服務的提供。通常來說，存儲區域網絡SAN（Storage AreaNetwork），在實現虛擬化存儲后會被視作服務器操作的一個子系統，從而實現集中管理和統一部署[1]。

存儲虛擬化是一種貫穿于整個IT 環境、用于簡化本來可能會相對復雜的底層基礎架構的技術，它能將資源的邏輯映像與物理存儲分開，根據具體的需求把存儲資源動態地分配給各個應用。在存儲虛擬化條件下，可以通過磁盤陣列模擬存儲池，為應用提供速度像磁盤一樣快、容量卻像存儲池一樣大的存儲資源[1]。

通俗理解，將已有的存儲資源虛擬成一個“存儲池”，把許多零散的存儲資源放在一起并有效地整合起來，采取集中化管理，并根據具體的需求把存儲資源動態地分配給各個應用服務。管理人員操作時不需要了解具體的分區位置、磁盤驅動器等信息，根據應用服務的需求從存儲池中劃分出相應的空間即可，可以人工管理，也可以通過第三方程序自動進行識別、部署和管理。虛擬化隱藏了物理層的存儲結構，降低了系統管理復雜性，而且虛擬化還可以提高存儲整理利用率，減少宕機時間的概率。

為保證磁翻板液位計的穩定運行，深圳計為自動化技術有限公司(以下稱“計為”)將磁翻板液位計防護等級的最低出廠標準定為IP65。至此，計為旗下所有系列磁翻板液位計的防護等級均高于國家行業標準規定的防護等級IP54，能夠更好地滿足不同用戶不同工況下的使用要求。

考慮到現在面臨的問題及未來的發展趨勢，也為了提升信息設施管理水平，可以采用存儲虛擬化來解決：即采用虛擬化技術，通過多個服務器和存儲，實現存儲資源的整合和統一管理，來滿足各種類型的系統和網絡的要求。

2.1 高可用性

虛擬化可以在不中斷的情況下進行數據遷移、軟硬件升級、備份和還原操作，提升數據可用性，同時，不用對服務器和網絡進行設置，容量按需分配，這樣可以提高存儲數據高可用性和工作效率，保障業務連續性，還可以幫助降低設備購買成本和安裝復雜性，提升基礎架構的靈活性和可用性。

2.2 靈活性

隨時根據服務需求更改存儲容量，靈活分配滿足服務要求的若干子存儲空間。從虛擬存儲池創建一個邏輯卷分配給前端應用使用時，可以指定該邏輯卷是創建在虛擬存儲池里一個存儲邏輯單元上還是創建在多個邏輯單元上，或者指定的某幾個邏輯單元上，其分布靈活，給操作人員提供了多種靈活使用的措施，便于對邏輯卷的性能進行優化設計。

2.3 兼容性

利用存儲網關對原有不同品牌的存儲進行整合，將以前不同時間購買的存儲組成一個存儲池，用網關對其進行異構整合，優化數據存儲環境，統一管理。管理人員無須為將來是否可以采用異構存儲而煩心，只需要考慮將來什么存儲設備更適合自身的應用即可，簡化存儲設計的復雜程度，強化存儲的管理。

2.4 動態分配性

虛擬化可以實現動態資源調整，對存儲資源進行管理，也可以根據制定策略進行管理。這使得在不斷變化的工作負載中也能實現平穩發展，實現存儲使用率實現最大化。當一個邏輯卷創建完成，在使用的過程中，可以根據實際需求動態調整；數據增長量不大，分配空間過剩，或數據增長過快，導致其很快接近飽和時，都可以在線對該邏輯進行減容或擴容。

2.5 便利性

虛擬化可以減少管理多個設備接口的必要性，也無須花更多時間來管理和跨SAN 服務級別的需要。這將有助于減少設備管理的時間和成本支出。

2.6 保護性

實現數據冗余，提高數據安全性，對數據提供有效保護。利用虛擬技術可以在存儲池中劃分相應的鏡像數據；生產數據的備份，通過相關技術使得鏡像數據始終與生產數據隨時同步，一旦生產數據損壞或丟失，鏡像數據可以轉換為生產數據繼續服務。虛擬化實現數據冗余，保證了數據的安全性，使得有效數據在不同情況下依然提供服務。

借助虛擬存儲將復雜的存儲虛擬化環境簡單化，讓存儲真正實現按需分配，基于存儲的虛擬化手段，目的就是面向用戶的應用進行優化，存儲虛擬化可以解決異構平臺的數據管理問題，存儲虛擬化可以把用戶不同的存儲系統融合成單一的平臺，解決數據管理問題，并通過分級存儲實現信息的生命周期管理，從而進一步優化應用環境。

3 數據資源存儲虛擬化實踐

3.1 方案設計

以內蒙古師范大學圖書館存儲建設為例，采用存儲虛擬化建設。內蒙古師范大學圖書館先前已經做了服務器虛擬化建設，根據目前存儲虛擬化的研究及應用效果，結合圖書館現有的技術環境條件，業務工作的實際需求，設計了“2+1”式解決方案（圖1）。運用虛擬化技術，利用存儲網關，實現雙存儲系統運行+一個容災中心。這個方案可以兼容異構存儲，同時具備完整數據保護和管理功能，為虛擬環境提供必要的存儲功能支持，幫助虛擬化主機輕松實現各種針對存儲的管理工作，實現虛擬化服務器應用級數據自動漂移及容災，虛擬化服務器自動備份與恢復，利用可靠的技術手段有效提升圖書館原有系統對各類型災難的防御能力。

圖1 存儲虛擬化設計

存儲網關的就是虛擬化存儲的管理設備，在主機端和存儲端之間部署一套虛擬化網關，該網關能夠虛擬一層文件系統，使連接在網關上的后端存儲具有相同的文件模式。它主要就是進行存儲異構整合，統一管理存儲空間，保存本地存儲鏡像，同時，還可以提供遠程容災等全面數據保護功能。為用戶提供高度整合、高度可靠的擴展性存儲基礎架構，以更低成本獲得更高響應速度，滿足快速增長的業務需求。

這個方案中關鍵是“2”即雙存儲系統運行（圖2）。利用虛擬化技術整合存儲，形成存儲資源池，由存儲網關進行控制管理，在存儲資源所在數據層形成兩套數據，即生產數據和鏡像數據。鏡像數據是通過虛擬卷產生的生產數據備份，實時同步且它們的內容一模一樣，雙存儲系統運行即存儲系統和鏡像存儲系統同時工作，通過SAN 給管理層應用提供數據服務，一旦其中一個因故障停止，另一個可以無縫持續提供服務。

圖2 雙存儲系統示意圖

通過存儲虛擬化管理系統，能實現將數據從一臺存儲設備上整體遷移到另一臺存儲設備上，也可以支持從一臺存儲設備上部分數據遷移到另一臺存儲設備上，也支持一臺存儲設備內部數據遷移，存儲設備之間遷移可以支持異構存儲和通過不同存儲通信協議之間切換，并且可以實現在數據遷移完成后，將遷移后的存儲設備作為主存儲設備，整個數據切換過程對于應用層是無縫切換，不會被應用層感知，嚴格控制了數據遷移中產生的風險。

采用雙存儲系統同時運行就是避免單點故障，為用戶提供了高可靠性、高安全性的存儲架構，有效地減少了宕機概率和停止服務事件的發生。利用前端服務器冗余、后端存儲虛擬化及鏈路冗余等技術手段，來實現服務器、存儲等硬件設備故障的快速轉移，在無人值守狀態下自動切換，保障業務的連續運行，實現雙數據中心的存儲系統冗余雙活高可用，實現應用級容災。

“1”是指建立一個異地容災中心。圖書館最關鍵的內容是各種數據資源，這些數據是圖書館建設多年的積累，也是關鍵知識的收藏保護和再利用，一旦丟失，損失慘重，增加異地容災中心就是為了更好地保護這些數據。

“2”和“1”之間通過存儲網關和網絡進行聯系。當業務正常運轉時，兩地存儲虛擬化網關之間網絡連接暢通，能夠通過統一管理界面同時管理兩地存儲虛擬化網關，并為兩端的存儲池配置相同的權限。確定需要進行復制的主磁盤，復制功能要求主磁盤必須配置快照資源，提前為快照資源規劃合理的存儲空間，確定作為復制目標的副本磁盤資源，如復制到已有邏輯資源，要求與主磁盤同等大小；如在復制配置過程中新建副本磁盤資源，要求預留與主磁盤同等大小的磁盤空間。結合主磁盤數據變化量，可用于復制的網絡帶寬，規劃合理的復制間隔或者復制策略（連續或者增量方式）。當主中心發生故障時，異地可以保證數據副本可以在主數據中心故障解除后進行數據回滾。

3.2 方案實施

在賽罕校區和盛樂校區中心機房各部署1 套存儲虛擬網關系統來分別管理兩校區的存儲設備，并且這兩個網關之間也建立通信機制，在賽罕校區實現雙存儲系統運行，盛樂校區建設容災中心。

賽罕校區通過網關虛擬化整合原有存儲設備，將不同時期購買的存儲設備統一管理，不同類型的存儲設備只需將其RAID 初始化后的所有存儲空間全部分配網關，提供統一的存儲資源池，以后的管理維護已經和具體是哪家廠商的什么型號和什么類型存儲已經無關，只需要從網關的存儲虛擬化管理界面里就可以進行統一規劃管理和分配使用，通過簡單的圖形管理界面即可完成所有規劃，降低管理使用的復雜程度。

在創建好虛擬存儲池的基礎上，提前規劃好的應用，分別從對應的虛擬存儲池中分割其所需大小的特定邏輯空間給前臺應用。如果某一個存儲空間使用一段時間后，其所剩容量不足以為下一個應用再次進行存儲空間分配時，可以采用擴充原有的存儲設備容量或者采購新的存儲設備容量，將該擴充容量在線地加入到該存儲池中，進行在線擴容。如果有的存儲池容量分配過多，有的存儲池容量使用增長過快導致容量接近飽和，可以在線確認，如果存儲容量分配過多的存儲池里有沒有使用過的存儲空間，可以將該沒有使用過存儲空間調配到容量不足的存儲池里。用戶可以自行定義某一個存儲池只完成某些高級存儲功能，也可以定義其完成所有存儲高級功能，這些都可以根據用戶的實際需求，來進行合理使用規劃，根據自己的業務運行靈活選擇的存儲空間。

通過虛擬網關存儲系統的鏡像功能，將來自多陣列的兩組LUN 虛擬為一組鏡像卷為主機提供數據服務保證兩個存儲陣列之間數據的實時同步。在實現數據冗余的同時，有效地實現了主機層和陣列層的隔離，主機只能“看到”虛擬化智能存儲設備提供的一組鏡像卷，陣列層的故障切換對主機層透明。當其中一臺存儲陣列故障時，另一臺存儲陣列自動無縫接管業務，提供不間斷的數據訪問能力。

為保證異構存儲之間的數據傳輸，增加光纖交換機，異構存儲之間使用光纖進行數據傳輸，提高存儲池內部傳輸速度。

在盛樂中心機房部署一套存儲系統，作為異地容災中心。接入SAN 網絡中，存儲系配置雙控制器，采用SAS 磁盤和NL-SAS 磁盤，同時配置自動分層功能，將經常被訪問的數據自動遷移到高性能的固態存儲器中，將數據量大且訪問頻率不高的數據放在大容量NL-SAS 中，從而提高數據訪問利用效率。將已保護的數據通過遠程復制功能軟件，按照設定好的復制策略，通過網絡依次將數據傳輸到對端的存儲系統上。復制策略根據實際的數據增量和傳輸帶寬靈活制定。利用存儲系統精簡復制技術，可以實現連續傳輸的模式，將數據丟失量降到最低。

目前，內蒙古師范大學圖書館存儲虛擬化建設已經運行相當長時間了，取得了較好的效果。根據需求設計了5 個存儲池：SYSTEM OS、DATA24、DATA27、DATA30、DATA50。面對新增的操作系統、不斷增長的數據量、不斷擴充的存儲空間，該套系統可以快速處理數據，在不停機的情況下能夠按需求添加存儲和性能修改，同時兼顧各項業務自動化的正常運行。數字資源的有效利用率、訪問響應率、穩定服務率都有較大提升，加上制定的存儲數據的安全容災策略，數據資源的安全性也有了保證，基本解決了之前存在的問題，為將來圖書館進一步數字化建設奠定了夯實的基礎。

4 小結

使用存儲虛擬化解決了當下存儲設備一些迫在眉睫的問題，存儲設備的建設中，可以兼容不同品牌的產品，在同一基礎架構下，使得異構存儲設備共同存在，提高了存儲空間利用率，在數據遷移、容量擴充等日常存儲管理方面更加方便快捷等。但是使用過程中也發現了一些新的問題，例如數據備份策略還不是很合理、存儲網關之間的數據傳遞對網絡帶寬要求高影響其他業務等問題，這些問題有待進一步解決。

存儲虛擬化技術不是萬能的，不一定對所有數據類型和系統都合適，但是存儲虛擬化是數字化建設的大勢所趨。管理人員需要把自己現有的存儲資源、存儲技術和存儲虛擬化相關聯，找到最適合自己的存儲方案才是最為重要的。