云存储的核心技术：虚拟化存储

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导语


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，但虚拟环境下的VM数量很大，LUN的数量也不足以支撑这么多虚拟磁盘。
更重要的一点，虚拟磁盘对于众多的VM来说是共享的，因为VM需要随时创建、删除或者迁移，在迁移VM的时候就需要共享存储，只有这样原来的数据才不会丢失。无论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，hypervisor采用NAS的方式来实现虚拟磁盘。VMware通常采用VMFS（Virtual Machine File System）或NFS协议来实现虚拟磁盘，VMFS是专门针对虚拟机环境的文件系统协议。
每个虚拟机的数据实际上就是一堆文件，最主要的文件就是虚拟磁盘文件（VMDK文件），此外还有交换分区文件（vswp文件，相当于swap）、非易失性内存文件（nvram相当于bios）等。每个VM对虚拟磁盘的IO操作，实际上是对这个虚拟磁盘文件的读写。

VMFS的设计、构建和优化针对虚拟服务器环境，可让多个虚拟机共同访问一个整合的群集式存储池，从而显著提高了资源利用率。采用 VMFS 可实现资源共享，使管理员轻松地从更高效率和存储利用率中直接获益。

VMFS协议实现了存储资源的虚拟化，再分配各VMs

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，每一个VM就是一个虚拟机实例，hypervisor在每个实例中提供仿真的硬件环境，包括CPU、内存和磁盘。这种方式，使得虚拟磁盘成为虚拟机实例的一部分，就像物理世界一样。VM删除后，虚拟磁盘也会被删除。
这种实例存储模型中，虚拟磁盘与虚拟机之间的存储关系，实际上是DAS存储。但虚拟磁盘的底层实现，上面我们说了，是用NAS方式实现的。而hypervisor的作用就是把VM层的存储模型，与虚拟机下层的实现协议（VMFS或NFS）分离开了。卷存储


实例存储有它的限制，开发者一般希望把实例数据（比如OS以及安装的一些服务器应用软件）和用户数据分开，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。卷是存储的主要单位，相当于一个虚拟的磁盘分区。不属于虚拟机实例的一部分，可以认为是虚拟机的外置存储设备。
卷可以从一个VM卸下，然后附加给另外一个VM。这样我们就实现了实例数据与用户数据的分离。OpenStack的Cinder就是一个卷存储的实现。
除了实例存储和卷存储，最后我们再说一说另外一种比较特殊的虚拟化存储：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，经常需要跨越多个数据中心，对象存储可以解决这个问题。在前文《云计算IaaS管理平台的基本功能有哪些？》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，按字面意思bucket也可以被称为“桶“。我们可以用硬盘进行类比，对象就好比文件，存储段就像是文件夹（或目录）。对象和存储段可以通过统一资源标识符（URI: Uniform Resource Identifier）查找。
对象存储的核心设计思想其实也是虚拟化，具体说来，就是把文件的物理存储位置，比如卷、目录、磁盘等，虚拟化为bucket，把文件虚拟化为对象。对应用层来说，简化了对数据的存取访问，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存储技术不是也可以解决数据共享的问题吗？由于对象存储的规模优势和成本优势，很多云环境采用对象存储来代替NAS。
由于对象存储将遍布于很多节点且最新的数据并非总是可用, 所以对象存储的数据一致性不强。如果对强一致性有要求，那么可以使用NAS。目前在云计算环境下，NAS和对象存储是共存的关系。
和NAS一样，对象存储也是软件架构，不是硬件架构。应用直接通过REST API来访问对象存储。常用的对象存储包括：Amazon的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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