虚拟存储技术及其应用

虚拟存储技术及其应用

摘要：本文首先分析了存域网(SAN)技术的不足，介绍了新一代虚拟存储技术的相关概念及其优势。重点分析了虚拟存储技术的三种实现方法：在服务器端的虚拟存储、在存储设备端实现虚拟存储及在网络设备端实现虚拟存储。最后介绍了基于虚拟存储技术的两种应用实例：基于通道内虚拟存储技术的SDD和基于通道外虚拟存储技术的VSM，并对它们作了简要比较。

关键词：存域网(SAN)SDDVSM

1引言

当前，伴随着电视台的数字化进程，很多电视台已逐步建立起非线性后期制作网、数字新闻制播网及硬盘播出系统，台内大量音视频资料的存储与共享是亟待解决的问题，其关键是海量数据（TB级）的存储、共享、发布和管理问题。网络存储技术无疑为我们提供了一个很好的选择。

存域网（StorageAreaNetwork，SAN）是一种以Gbit/s带宽实现计算机和存储器之间的通讯，结合了I/O通道技术、LAN模型、大容量存储器特点的新型网络结构。SAN和传统计算机网络的根本区别在于SAN消除了服务器吞吐能力的瓶颈，当前，SAN已成为数字视频网络事实上的标准。SAN采用光纤通道（FibreChannel，FC）技术作为协议标准，FC侧重于数据快速可靠传输，同时兼容各种网络协议，以最大带宽实现传输。在数字视频领域，SAN不但承担着视频数据的存储、交换、共享、转移，而且控制着网络设备的登记、查询、维护、删除等。

SAN是电视台视频网络的主干，处于整个视频网络的核心地位。

第一代SAN系统出现之初，的确为我们解决了视频数据存储与共享问题。但其仍采用传统网络结构进行存储操作，网络结构主要由交换机与集线器构成；将传统规范的硬件应用于新的存储结构中；应用传统的网络管理技术进行存储管理。基于上述特点，当存储数据达到TB级，网络站点（视频工作站）很多时将会出现以下问题：

1）带宽处理能力小且分散，无法满足更多站点的访问。

2）扩展性、升级能力差。

3）稳定性、安全性差。

为解决上述问题，人们开发了一项新技术——虚拟存储（VirtualSrorage）技术，并已经在存储网络中获得了应用。

2虚拟存储技术概述

虚拟存储技术是随着计算机技术的发展而发展起来的。早在20世纪70年代，为了克服内存容量小成本高而不适应大型程序应用需要的矛盾，人们开发了虚拟内存技术。随着计算机技术及相关信息处理技术的不断发展，人们对存储的需求越来越大，单个大容量磁盘已不能适应应用的需要，虚拟存储技术又有进一步的发展，如在操作系统下将一组硬盘捆绑成带区集（STRIP）作为单个逻辑存储单元供主机访问；磁盘冗余阵列（RAID）技术将多个物理磁盘通过一定的逻辑关系集合起来，成为一个大容量的虚拟磁盘。从某种意义上讲，SAN本身也是虚拟存储技术的应用。

21虚拟存储技术的概念

所谓虚拟存储技术，是指把多个物理上独立存在的存储体通过软件或硬件的手段集中管理起来，形成一个逻辑上的虚拟存储单元供主机访问。这个虚拟逻辑单元的存储容量是它所集中管理的各物理存储体的存储容量之和，而它的访问带宽则在一定程度上接近各个物理存储体的访问带宽之和。虚拟存储实际上是逻辑存储，是一种智能、有效地管理存储数据的方式。虚拟存储克服了物理存储的局限，它可以把物理设备变成完全不同的逻辑镜像，呈现给用户，既充分利用了物理设备的优势，如高性能、高可用，又打破了物理设备本身不可克服的局限性。从用户角度看，使用存储空间而不是使用物理存储硬件，管理存储空间而不是管理物理存储部件，这就是虚拟存储的概念。

22虚拟存储技术的优势

虚拟存储技术不仅可以提高主机访问存储设备的性能，同时对于存储容量的扩展是非常方便的，可以保护原有投资，实现不影响正常数据访问的前提下的动态扩容。虚拟存储技术为实际应用带来的好处主要体现在以下几个方面：

1）虚拟存储技术使网络系统存储部分的重要指标——单个逻辑单元的存储容量和访问带宽相对单个物理存储体大大提高，适应了网络应用特别是视频网络应用的需要。

2）在虚拟存储环境下，无论后端物理存储体是什么设备，服务器及其应用系统看到的都是其熟悉的存储设备的逻辑镜像。即使物理存储体发生变化，其逻辑镜像也不发生变化，应用系统无需关心后端存储，只需专注于管理存储空间，使得存储管理变得轻松简单，便于灵活配置。

3）虚拟存储是一种智能化的系统，它允许客户以透明有效的方式在磁盘或磁带上存储数据，使客户的存储系统容纳更多的数据，也使更多的用户可以共享同一个系统。

3虚拟存储技术的实现方式

随着越来越多的厂商发展各自的技术，虚拟存储技术在视频网络的各个环节中都有所应用，目前，实现虚拟存储主要有如下几种方式。

31在服务器端的虚拟存储

这是虚拟存储技术的一种相对简单的实现形式，是用软件手段实现的，如图1所示。这类虚拟存储的Management，VSM），其工作原理如图6所示。其虚拟存储控制设备像网络中一台普通主机一样接入FC交换机，主机通过FC交换机向存储设备传输数据。内嵌于虚拟存储控制设备中的管理软件对物理硬盘以RAID组为单位进行条带化，即把一组RAID硬盘组虚拟为一个逻辑存储单元，并将虚拟化信息在系统中每台主机开机时传给它们。每台主机根据它从虚拟存储控制设备中得到的虚拟化配置信息直接对虚拟逻辑单元进行访问。各个主机在访问存储系统时，不再经过虚拟存储控制设备，而是直接使所有存储设备并发工作，从而扩大了访问带宽。在整个数据传输过程中，主机无需虚拟存储控制设备的服务，直至下一次启动。

43两种结构的比较

431带宽

在SDD方式中，由虚拟存储控制设备HSTD对物理存储体进行RAID处理，而VSM方式中，虚拟存储控制器仅对物理存储体进行物理配置，RAID处理由物理存储体自身完成。SDD所能提供的单个虚拟存储单元的最大访问带宽约为350MB/s，VSM所能提供的相应带宽为200MB/s左右。

432扩展性能

在网络扩展方面，SDD方式在系统规模较小时比较方便，只需增加主机、硬盘阵列和交换机；当网络规模较大时，除增加主机、硬盘阵列和交换机外，还应增加虚拟控制设备以保证带宽或增加大容量存储阵列以保证存储容量的要求。而VSM方式则表现出线性增长的形式，随着存储容量和主机数量的增加，只需线性地增加主机、硬盘阵列、交换机和虚拟控制设备的数量。

在系统升级方面，因SDD方式采用软硬结合的方式进行虚拟控制，集成度较高，升级相对困难；VSM方式采用软件方式进行虚拟控制，系统开放性好，升级相对简单。

433安全性

SDD的RAID是在盘塔之间做RAID，这样当一个盘塔发生故障，整个RAID也不会出问题，大大提高了存储系统的容错能力。而VSM只是对物理存储体在RAID组一级进行配置，存储体的安全性能没有提高。▲

参考文献

［1］王爱英·计算机组成与结构·清华大学出版社，北京，1995年

［2］胡道元·计算机局域网·清华大学出版社，北京，1996年