雲存儲的核心技術：虛擬化存儲

導語

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碟（Virtual Disk）。今天我們就來聊聊虛擬化存儲（Storage Virtualization）技術，究竟虛擬磁碟是怎樣實現的？

虛擬磁碟的實現

我們知道，伺服器擴展存儲的手段主要有直連存儲（DAS）、存儲區域網路（SAN）和網路附加存儲（NAS）這三種類型。那麼哪種存儲類型可以用來實現虛擬磁碟呢？

在虛擬化環境中，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碟，然後再分配給VM。

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

更重要的一點，虛擬磁碟對於眾多的VM來說是共享的，因為VM需要隨時創建、刪除或者遷移，在遷移VM的時候就需要共享存儲，只有這樣原來的數據才不會丟失。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採用NAS的方式來實現虛擬磁碟。VMware通常採用VMFS（Virtual Machine File System）或NFS協議來實現虛擬磁碟，VMFS是專門針對虛擬機環境的文件系統協議。

每個虛擬機的數據實際上就是一堆文件，最主要的文件就是虛擬磁碟文件（VMDK文件），此外還有交換分區文件（vswp文件，相當於swap）、非易失性內存文件（nvram相當於bios）等。每個VM對虛擬磁碟的IO操作，實際上是對這個虛擬磁碟文件的讀寫。

VMFS的設計、構建和優化針對虛擬伺服器環境，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。採用 VMFS 可實現資源共享，使管理員輕鬆地從更高效率和存儲利用率中直接獲益。

那麼我們如何在雲計算中使用虛擬磁碟呢？

實例存儲

最主要的一種使用虛擬磁碟的方式就是實例存儲，每一個VM就是一個虛擬機實例，hypervisor在每個實例中提供模擬的硬體環境，包括CPU、內存和磁碟。這種方式，使得虛擬磁碟成為虛擬機實例的一部分，就像物理世界一樣。VM刪除後，虛擬磁碟也會被刪除。

這種實例存儲模型中，虛擬磁碟與虛擬機之間的存儲關係，實際上是DAS存儲。但虛擬磁碟的底層實現，上面我們說了，是用NAS方式實現的。而hypervisor的作用就是把VM層的存儲模型，與虛擬機下層的實現協議（VMFS或NFS）分離開了。

VMFS協議實現了存儲資源的虛擬化，再分配各VMs

卷存儲

實例存儲有它的限制，開發者一般希望把實例數據（比如OS以及安裝的一些伺服器應用軟體）和用戶數據分開，這樣重建VM的時候可以保留用戶的數據。

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，相當於一個虛擬的磁碟分區。不屬於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，然後附加給另外一個VM。這樣我們就實現了實例數據與用戶數據的分離。OpenStack的Cinder就是一個卷存儲的實現。

除了實例存儲和卷存儲，最後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

很多雲應用需要在不同的VM之間共享數據，經常需要跨越多個數據中心，對象存儲可以解決這個問題。在前文《雲計算IaaS管理平台的基本功能有哪些？》中曾經提到過對象存儲。

在對象存儲模型中，數據存儲在存儲段（bucket）中，按字面意思bucket也可以被稱為「桶「。我們可以用硬碟進行類比，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、磁碟等，虛擬化為bucket，把文件虛擬化為對象。對應用層來說，簡化了對數據的存取訪問，屏蔽了底層存儲技術的異構性和複雜性。

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據共享的問題嗎？由於對象存儲的規模優勢和成本優勢，很多雲環境採用對象存儲來代替NAS。

由於對象存儲將遍佈於很多節點且最新的數據並非總是可用, 所以對象存儲的數據一致性不強。如果對強一致性有要求，那麼可以使用NAS。目前在雲計算環境下，NAS和對象存儲是共存的關係。

和NAS一樣，對象存儲也是軟體架構，不是硬體架構。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

在實際的雲平台應用中，我們需要根據自己的實際情況來合理運用不同的虛擬化存儲技術。

對於非結構化的靜態數據文件，如音視頻、圖片等，我們一般使用對象存儲。

對於系統鏡像以及應用程序，我們需要使用雲主機實例存儲或者卷存儲。

對於應用產生的動態數據，我們一般還需要利用雲資料庫來對數據進行管理。

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