虛擬化改變了計(jì)算機(jī)使用存儲(chǔ)的方式。就像物理機(jī)器抽象成虛擬機(jī)（VM：Virtual Machine）一樣，物理存儲(chǔ)設(shè)備也被抽象成虛擬磁盤（Virtual Disk）。今天我們就來(lái)聊聊虛擬化存儲(chǔ)（Storage Virtualization）技術(shù)，究竟虛擬磁盤是怎樣實(shí)現(xiàn)的？

虛擬磁盤的實(shí)現(xiàn)

我們知道，服務(wù)器擴(kuò)展存儲(chǔ)的手段主要有直連存儲(chǔ)（DAS）、存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SAN）和網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)（NAS）這三種類型。那么哪種存儲(chǔ)類型可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬磁盤呢？

在虛擬化環(huán)境中，類似VMWare這樣的虛擬機(jī)管理程序hypervisor，要同時(shí)給很多VM分配存儲(chǔ)空間。這個(gè)過(guò)程中，我們需要先把物理存儲(chǔ)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(chǔ)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(diǎn)，虛擬磁盤對(duì)于眾多的VM來(lái)說(shuō)是共享的，因?yàn)閂M需要隨時(shí)創(chuàng)建、刪除或者遷移，在遷移VM的時(shí)候就需要共享存儲(chǔ)，只有這樣原來(lái)的數(shù)據(jù)才不會(huì)丟失。無(wú)論DAS還是SAN，都不適合共享存儲(chǔ)。

考慮到資源分配以及共享的問(wèn)題，hypervisor采用NAS的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬磁盤。VMware通常采用VMFS（Virtual Machine File System）或NFS協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬磁盤，VMFS是專門針對(duì)虛擬機(jī)環(huán)境的文件系統(tǒng)協(xié)議。

每個(gè)虛擬機(jī)的數(shù)據(jù)實(shí)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(dāng)于swap）、非易失性內(nèi)存文件（nvram相當(dāng)于bios）等。每個(gè)VM對(duì)虛擬磁盤的IO操作，實(shí)際上是對(duì)這個(gè)虛擬磁盤文件的讀寫。

VMFS的設(shè)計(jì)、構(gòu)建和優(yōu)化針對(duì)虛擬服務(wù)器環(huán)境，可讓多個(gè)虛擬機(jī)共同訪問(wèn)一個(gè)整合的群集式存儲(chǔ)池，從而顯著提高了資源利用率。采用 VMFS 可實(shí)現(xiàn)資源共享，使管理員輕松地從更高效率和存儲(chǔ)利用率中直接獲益。

那么我們?nèi)绾卧?a target="_blank">云計(jì)算中使用虛擬磁盤呢？

實(shí)例存儲(chǔ)

最主要的一種使用虛擬磁盤的方式就是實(shí)例存儲(chǔ)，每一個(gè)VM就是一個(gè)虛擬機(jī)實(shí)例，hypervisor在每個(gè)實(shí)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(jī)實(shí)例的一部分，就像物理世界一樣。VM刪除后，虛擬磁盤也會(huì)被刪除。

這種實(shí)例存儲(chǔ)模型中，虛擬磁盤與虛擬機(jī)之間的存儲(chǔ)關(guān)系，實(shí)際上是DAS存儲(chǔ)。但虛擬磁盤的底層實(shí)現(xiàn)，上面我們說(shuō)了，是用NAS方式實(shí)現(xiàn)的。而hypervisor的作用就是把VM層的存儲(chǔ)模型，與虛擬機(jī)下層的實(shí)現(xiàn)協(xié)議（VMFS或NFS）分離開(kāi)了。

VMFS協(xié)議實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)資源的虛擬化，再分配各VMs

卷存儲(chǔ)

實(shí)例存儲(chǔ)有它的限制，開(kāi)發(fā)者一般希望把實(shí)例數(shù)據(jù)（比如OS以及安裝的一些服務(wù)器應(yīng)用軟件）和用戶數(shù)據(jù)分開(kāi)，這樣重建VM的時(shí)候可以保留用戶的數(shù)據(jù)。

這個(gè)需求衍生出另外一種存儲(chǔ)模型：卷存儲(chǔ)。卷是存儲(chǔ)的主要單位，相當(dāng)于一個(gè)虛擬的磁盤分區(qū)。不屬于虛擬機(jī)實(shí)例的一部分，可以認(rèn)為是虛擬機(jī)的外置存儲(chǔ)設(shè)備。

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

除了實(shí)例存儲(chǔ)和卷存儲(chǔ)，最后我們?cè)僬f(shuō)一說(shuō)另外一種比較特殊的虛擬化存儲(chǔ)：對(duì)象存儲(chǔ)。

對(duì)象存儲(chǔ)

很多云應(yīng)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(gè)數(shù)據(jù)中心，對(duì)象存儲(chǔ)可以解決這個(gè)問(wèn)題。在前文《云計(jì)算IaaS管理平臺(tái)的基本功能有哪些？》中曾經(jīng)提到過(guò)對(duì)象存儲(chǔ)。

在對(duì)象存儲(chǔ)模型中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)段（bucket）中，按字面意思bucket也可以被稱為“桶“。我們可以用硬盤進(jìn)行類比，對(duì)象就好比文件，存儲(chǔ)段就像是文件夾（或目錄）。對(duì)象和存儲(chǔ)段可以通過(guò)統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)符（URI： Uniform Resource Identifier）查找。

對(duì)象存儲(chǔ)的核心設(shè)計(jì)思想其實(shí)也是虛擬化，具體說(shuō)來(lái)，就是把文件的物理存儲(chǔ)位置，比如卷、目錄、磁盤等，虛擬化為bucket，把文件虛擬化為對(duì)象。對(duì)應(yīng)用層來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)化了對(duì)數(shù)據(jù)的存取訪問(wèn)，屏蔽了底層存儲(chǔ)技術(shù)的異構(gòu)性和復(fù)雜性。

對(duì)象存儲(chǔ)模型

NAS與對(duì)象存儲(chǔ)各有所長(zhǎng)

當(dāng)然你也許會(huì)問(wèn)，NAS存儲(chǔ)技術(shù)不是也可以解決數(shù)據(jù)共享的問(wèn)題嗎？由于對(duì)象存儲(chǔ)的規(guī)模優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)，很多云環(huán)境采用對(duì)象存儲(chǔ)來(lái)代替NAS。

由于對(duì)象存儲(chǔ)將遍布于很多節(jié)點(diǎn)且最新的數(shù)據(jù)并非總是可用， 所以對(duì)象存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)一致性不強(qiáng)。如果對(duì)強(qiáng)一致性有要求，那么可以使用NAS。目前在云計(jì)算環(huán)境下，NAS和對(duì)象存儲(chǔ)是共存的關(guān)系。

和NAS一樣，對(duì)象存儲(chǔ)也是軟件架構(gòu)，不是硬件架構(gòu)。應(yīng)用直接通過(guò)REST API來(lái)訪問(wèn)對(duì)象存儲(chǔ)。常用的對(duì)象存儲(chǔ)包括：Amazon的S3和OpenStack的Swift。

結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際的云平臺(tái)應(yīng)用中，我們需要根據(jù)自己的實(shí)際情況來(lái)合理運(yùn)用不同的虛擬化存儲(chǔ)技術(shù)。

對(duì)于非結(jié)構(gòu)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(duì)象存儲(chǔ)。

對(duì)于系統(tǒng)鏡像以及應(yīng)用程序，我們需要使用云主機(jī)實(shí)例存儲(chǔ)或者卷存儲(chǔ)。

對(duì)于應(yīng)用產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，我們一般還需要利用云數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

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