云存儲的核心技術 虛擬化存儲

虛擬化改變了計算機使用存儲的方式。就像物理機器抽象成虛擬機（VM：Virtual Machine）一樣，物理存儲設備也被抽象成虛擬磁盤（Virtual Disk）。今天我們就來聊聊虛擬化存儲（Storage Virtualization）技術，究竟虛擬磁盤是怎樣實現(xiàn)的？

虛擬磁盤的實現(xiàn)

我們知道，服務器擴展存儲的手段主要有直連存儲（DAS）、存儲區(qū)域網(wǎng)絡（SAN）和網(wǎng)絡附加存儲（NAS）這三種類型。那么哪種存儲類型可以用來實現(xiàn)虛擬磁盤呢？

在虛擬化環(huán)境中，類似VMWare這樣的虛擬機管理程序hypervisor，要同時給很多VM分配存儲空間。這個過程中，我們需要先把物理存儲資源重新劃分成虛擬磁盤，然后再分配給VM.

顯然我們不能用DAS方式把物理磁盤直連到VM上，如果這樣，需要的物理磁盤就太多了。SAN是以邏輯單元（LUN：Logic Unit）的形式提供存儲資源，但虛擬環(huán)境下的VM數(shù)量很大，LUN的數(shù)量也不足以支撐這么多虛擬磁盤。

更重要的一點，虛擬磁盤對于眾多的VM來說是共享的，因為VM需要隨時創(chuàng)建、刪除或者遷移，在遷移VM的時候就需要共享存儲，只有這樣原來的數(shù)據(jù)才不會丟失。無論DAS還是SAN，都不適合共享存儲。

考慮到資源分配以及共享的問題，hypervisor采用NAS的方式來實現(xiàn)虛擬磁盤。VMware通常采用VMFS（Virtual Machine File System）或NFS協(xié)議來實現(xiàn)虛擬磁盤，VMFS是專門針對虛擬機環(huán)境的文件系統(tǒng)協(xié)議。

每個虛擬機的數(shù)據(jù)實際上就是一堆文件，最主要的文件就是虛擬磁盤文件（VMDK文件），此外還有交換分區(qū)文件（vswp文件，相當于swap）、非易失性內(nèi)存文件（nvram相當于bios）等。每個VM對虛擬磁盤的IO操作，實際上是對這個虛擬磁盤文件的讀寫。

VMFS的設計、構建和優(yōu)化針對虛擬服務器環(huán)境，可讓多個虛擬機共同訪問一個整合的群集式存儲池，從而顯著提高了資源利用率。采用 VMFS 可實現(xiàn)資源共享，使管理員輕松地從更高效率和存儲利用率中直接獲益。

那么我們?nèi)绾卧?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/475/" target="_blank">云計算中使用虛擬磁盤呢？

實例存儲

最主要的一種使用虛擬磁盤的方式就是實例存儲，每一個VM就是一個虛擬機實例，hypervisor在每個實例中提供仿真的硬件環(huán)境，包括CPU、內(nèi)存和磁盤。這種方式，使得虛擬磁盤成為虛擬機實例的一部分，就像物理世界一樣。VM刪除后，虛擬磁盤也會被刪除。

這種實例存儲模型中，虛擬磁盤與虛擬機之間的存儲關系，實際上是DAS存儲。但虛擬磁盤的底層實現(xiàn)，上面我們說了，是用NAS方式實現(xiàn)的。而hypervisor的作用就是把VM層的存儲模型，與虛擬機下層的實現(xiàn)協(xié)議（VMFS或NFS）分離開了。

卷存儲

實例存儲有它的限制，開發(fā)者一般希望把實例數(shù)據(jù)（比如OS以及安裝的一些服務器應用軟件）和用戶數(shù)據(jù)分開，這樣重建VM的時候可以保留用戶的數(shù)據(jù)。

這個需求衍生出另外一種存儲模型：卷存儲。卷是存儲的主要單位，相當于一個虛擬的磁盤分區(qū)。不屬于虛擬機實例的一部分，可以認為是虛擬機的外置存儲設備。

卷可以從一個VM卸下，然后附加給另外一個VM.這樣我們就實現(xiàn)了實例數(shù)據(jù)與用戶數(shù)據(jù)的分離。OpenStack的Cinder就是一個卷存儲的實現(xiàn)。

除了實例存儲和卷存儲，最后我們再說一說另外一種比較特殊的虛擬化存儲：對象存儲。

對象存儲

很多云應用需要在不同的VM之間共享數(shù)據(jù)，經(jīng)常需要跨越多個數(shù)據(jù)中心，對象存儲可以解決這個問題。在前文《云計算IaaS管理平臺的基本功能有哪些？》中曾經(jīng)提到過對象存儲。

在對象存儲模型中，數(shù)據(jù)存儲在存儲段（bucket）中，按字面意思bucket也可以被稱為“桶”。我們可以用硬盤進行類比，對象就好比文件，存儲段就像是文件夾（或目錄）。對象和存儲段可以通過統(tǒng)一資源標識符（URI： Uniform Resource Identifier）查找。

對象存儲的核心設計思想其實也是虛擬化，具體說來，就是把文件的物理存儲位置，比如卷、目錄、磁盤等，虛擬化為bucket，把文件虛擬化為對象。對應用層來說，簡化了對數(shù)據(jù)的存取訪問，屏蔽了底層存儲技術的異構性和復雜性。

對象存儲模型

NAS與對象存儲各有所長

當然你也許會問，NAS存儲技術不是也可以解決數(shù)據(jù)共享的問題嗎？由于對象存儲的規(guī)模優(yōu)勢和成本優(yōu)勢，很多云環(huán)境采用對象存儲來代替NAS.

由于對象存儲將遍布于很多節(jié)點且最新的數(shù)據(jù)并非總是可用， 所以對象存儲的數(shù)據(jù)一致性不強。如果對強一致性有要求，那么可以使用NAS.目前在云計算環(huán)境下，NAS和對象存儲是共存的關系。

和NAS一樣，對象存儲也是軟件架構，不是硬件架構。應用直接通過REST API來訪問對象存儲。常用的對象存儲包括：Amazon的S3和OpenStack的Swift.

結語

在實際的云平臺應用中，我們需要根據(jù)自己的實際情況來合理運用不同的虛擬化存儲技術。

對于非結構化的靜態(tài)數(shù)據(jù)文件，如音視頻、圖片等，我們一般使用對象存儲。

對于系統(tǒng)鏡像以及應用程序，我們需要使用云主機實例存儲或者卷存儲。

對于應用產(chǎn)生的動態(tài)數(shù)據(jù)，我們一般還需要利用云數(shù)據(jù)庫來對數(shù)據(jù)進行管理。