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云存储核心技术:虚拟化存储是如何形成的?

2020-01-22 14:03:22 来源 : 百家号

虚拟化改变了计算机使用存储的方式。就像物理机器抽象成虚拟机(VM:Virtual Machine)一样,物理存储设备也被抽象成虚拟磁盘(Virtual Disk)。今天我们就来聊聊虚拟化存储(Storage Virtualization)技术,究竟虚拟磁盘是怎样实现的?

虚拟磁盘的实现

我们知道,服务器扩展存储的手段主要有直连存储(DAS)、存储区域网络(SAN)和网络附加存储(NAS)这三种类型。那么哪种存储类型可以用来实现虚拟磁盘呢?

在虚拟化环境中,类似VMWare这样的虚拟机管理程序hypervisor,要同时给很多VM分配存储空间。这个过程中,我们需要先把物理存储资源重新划分成虚拟磁盘,然后再分配给VM。

显然我们不能用DAS方式把物理磁盘直连到VM上,如果这样,需要的物理磁盘就太多了。SAN是以逻辑单元(LUN:Logic Unit)的形式提供存储资源,但是虚拟环境中VM的数量是很大的,而且伦的数量不足以支持这么多虚拟磁盘。

更重要的是,虚拟磁盘是为大量VM共享的,由于VM需要随时创建、删除或迁移,所以需要在迁移VM时共享存储空间,只有原始数据不会丢失。DAS还是SAN,都不适合共享存储。

考虑到资源分配以及共享的问题,虚拟机管理程序以NAS的方式实现虚拟磁盘。VMware通常使用VMFS(虚拟机文件系统)或NFS协议实现虚拟磁盘,VMFS文件系统是专门针对虚拟机环境协议。

每一个虚拟机的数据实际上是一堆文件,及最重要的文件的虚拟磁盘文件(VMDK文件),也有交换分区文件(VSWP文件,等价交换),非易失性存储器(NVRAM的文件相当于BIOS),等等。每个VM对虚拟磁盘的IO操作实际上是对虚拟磁盘文件的读写操作。

设计、施工、和虚拟服务器环境和优化,允许多个虚拟机访问集成的集群存储池,从而大大提高了资源的利用率。使用和实现资源共享,管理员可以直接从更高的效率和存储利用率中获益。

那么我们如何在云计算中使用虚拟磁盘呢?

实例存储

最主要的一种使用虚拟磁盘的方式就是实例存储,每个VM都是虚拟机的一个实例,虚拟机管理程序在每个实例中提供一个仿真硬件环境,它包括CPU、内存和磁盘。这样,虚拟磁盘就是虚拟机实例的一部分,就像物质世界。删除VM后,虚拟磁盘也将被删除。

在这个实例存储模型中,虚拟磁盘与虚拟机之间的存储关系,事实上,它是DAS存储。但是虚拟磁盘的底层实现,我们说,它是以NAS的方式实现的。虚拟机管理程序的作用是存储VM层的存储模型,这是从实施协议分离(VMFS或NFS)的虚拟机的低层。

VMFS协议实现了存储资源的虚拟化,再分配各VMs

卷存储

实例存储有它的限制,开发人员通常希望分离实例数据,例如OS和安装的一些服务器应用程序和用户数据,这样重建VM的时候可以保留用户的数据。

这个需求衍生出另外一种存储模型:卷存储。卷是存储的主要单元,相当于虚拟磁盘分区。它不是虚拟机实例的一部分,它可以被认为是虚拟机的外部存储设备。

该卷可以从一个VM卸载,然后附加到另一个VM。通过这种方式,我们实现了实例数据与用户数据的分离。OpenStack的煤渣是一个体积存储的实现。

除了实例存储和卷存储之外,最后我们还提到另一种特殊的虚拟存储:对象存储。

对象存储

很多云应用需要在不同的VM之间共享数据,它常常需要跨越多个数据中心,而对象存储可以解决这个问题。在前一篇文章中的云计算IaaS管理平台的基本功能是什么?》中曾经提到过对象存储。

在对象存储模型中,数据存储在存储段(bucket)中,桶也可以被称为“水桶”,因为它字面意思。我们可以用硬盘来类推,对象像一个文件,而存储段就像一个文件夹(或目录)。可以通过统一资源标识符(URI:统一资源标识符)找到对象和存储段。

对象存储的核心设计思想实际上是虚拟化,它是文件的物理存储位置,如卷、目录、磁盘等,虚拟化是木桶,它将文件虚拟化为对象。对于应用层,简化了对数据访问的访问,屏蔽了底层存储技术的异构性和复杂性。

对象存储模型

NAS与对象存储各有所长

当然你也许会问,NAS存储技术也是一个可以解决数据共享的问题吗?由于对象存储的大小和成本优势,许多云环境使用对象存储而不是NAS。

因为对象存储将跨多个节点传播,最新数据并不总是可用的 因此,对象存储的数据一致性不强。如果有强一致性的要求,然后你可以使用NAS。目前,在云计算环境中,NAS和对象存储是共存的。

和NAS一样,对象存储也是软件体系结构,而不是硬件体系结构。应用程序通过REST API直接访问对象存储。公共对象存储包括:Amazon S3和OpenStack的Swift。

结语

在实际的云平台应用中,我们需要根据自己的实际情况来合理运用不同的虚拟化存储技术。

对于非结构化的静态数据文件,如音视频、图片等,我们一般使用对象存储。

对于系统镜像以及应用程序,我们需要使用云主机实例存储或者卷存储。

对于应用产生的动态数据,我们一般还需要利用云数据库来对数据进行管理。

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