探析網(wǎng)絡(luò )存儲技術(shù)研究論文

　　0引言

　　云計算浪潮席卷全球，推動(dòng)著(zhù)社會(huì )信息基礎設施的重大變革。以虛擬化為代表的新技術(shù)已經(jīng)成為數據中心的基本組織方式，商業(yè)產(chǎn)品如VMware和開(kāi)源產(chǎn)品如KVM、Xen已得到普及使用。統計數據顯示，至2012年底已有超過(guò)一半的x86服務(wù)器使用了虛擬化，至2014年這一比例將擴大到700%。

　　雖然虛擬化技術(shù)獲得快速發(fā)展，但在面向云計算數據中心的存儲系統設計仍然而臨諸多挑戰和困惑。人們目前對虛擬機環(huán)境下的文件系統I/O特征還缺乏深入認識和理解，在虛擬機環(huán)境下存儲技術(shù)路線(xiàn)的選擇方而缺乏理論與實(shí)驗數據支撐的有效指導。在云計算數據中心中，一類(lèi)重要的存儲需求是為每個(gè)虛擬機提供一個(gè)虛擬磁盤(pán)映像。該應用需要存儲系統具有良好的可擴展性，支持為任意數量的虛擬機提供磁盤(pán)映像，并支持高性能訪(fǎng)問(wèn);可以支持磁盤(pán)映像的快照與克隆、遷移、動(dòng)態(tài)擴展等高級特性。

　　NAS和SAN是目前數據中心所使用的主要存儲設備形式，NAS存儲可以支持數據共享，具有更好的可擴展性、可管理性和可用性;SAN在大多數傳統應用場(chǎng)景中具有更好的性能，但配置和管理較為復雜。在功能上，NAS和SAN都可以作為虛擬機的磁盤(pán)映像存儲設備，虛擬磁盤(pán)映像既可以對應到SAN設備的一個(gè)邏輯卷，也可以映射到NAS的一個(gè)或多個(gè)文件。

　　本文將簡(jiǎn)要分析NAS和SAN的工作原理，探討虛擬化環(huán)境下的存儲系統架構和I/O訪(fǎng)問(wèn)路徑，然后模擬數據中心的虛擬化環(huán)境對NAS和SAN的性能進(jìn)行測試，對測試的結果進(jìn)行分析探討，在此基礎上提出而向數據中心的存儲方案實(shí)施建議。

　　1網(wǎng)絡(luò )存儲系統的類(lèi)型

　　NAS和SAN是目前云計算數據中心所使用的兩類(lèi)主要存儲設備，本節簡(jiǎn)要分析其工作原理并比較其差異。

　　1.1 NAS

　　NAS(Network Attachment Storage)存儲系統上運行有文件系統，對外部提供文件和目錄、元數據的數據視圖。其中目錄和文件的內容稱(chēng)為文件系統的數據，而把用于描述和實(shí)現文件系統所用到的數據稱(chēng)為元數據(Metadata)，如文件大小、修改日期、以及訪(fǎng)問(wèn)控制等。目前使用比較廣泛的NAS訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議有NFSv3, NFSv4和CIFS。其中UNIX/Linux環(huán)境使用NFS協(xié)議，而windows系統使用CIFS協(xié)議。

　　NAS可以支持多個(gè)程序對文件的`共享和并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)，并采取較為嚴格的一致性語(yǔ)義。如NFSv3規定對元數據的訪(fǎng)問(wèn)使用同步操作;客戶(hù)端在打開(kāi)文件時(shí)根據文件的最后修改時(shí)間對已緩沖文件數據的有效性進(jìn)行檢查;對寫(xiě)入的文件數據的緩存也有時(shí)間限制。

　　1.2 SAN

　　SAN (Storage Area Network)提供的數據視圖和磁盤(pán)完全相同。根據通信網(wǎng)絡(luò )的不同，SAN分為光纖通道( FC-SAN)和基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò )的IP-SAN(通信協(xié)議為iSCSI)�？傮w來(lái)看，FC-SAN性能表現更加穩定，但iSCSI具有顯著(zhù)性?xún)r(jià)比優(yōu)勢，iSCSI在應用普及程度方而已經(jīng)遠遠超過(guò)FC-SAN;隨著(zhù)萬(wàn)兆以太網(wǎng)的普及，有理由相信iSCSI將會(huì )在性能方而追趕上FC-SAN。

　　需要指出的是，在功能上SAN設備只提供了最基本的塊存儲功能，只能被動(dòng)的接受讀寫(xiě)命令;由于SAN設備上無(wú)文件系統，因此，不具有存儲空間和數據管理能力;其配置和管理也更加復雜。

　　2虛擬機環(huán)境下的存儲架構

　　虛擬機上運行有文件系統，當應用程序訪(fǎng)問(wèn)文件時(shí)，文件系統將其轉換為對磁盤(pán)設備的請求，這些請求以模擬磁盤(pán)方式或準虛擬化方式發(fā)送到虛擬機監視器(Hypervisor)。虛擬機監視器判斷后端存儲設備的類(lèi)型，如果為NAS，則將對磁盤(pán)的請求轉換為文件操作，發(fā)送請求給NAS服務(wù)器;如果后端存儲設備為SAN，則將磁盤(pán)塊訪(fǎng)問(wèn)請求發(fā)送給SAN設備。

　　如果后端存儲設備為NAS, VM所訪(fǎng)問(wèn)的虛擬磁盤(pán)實(shí)際為NAS存儲系統中的文件。這種模式下Hypervisor訪(fǎng)問(wèn)存儲設備的I/O模式與傳統應用自接訪(fǎng)問(wèn)NAS設備有很大不同。在傳統應用中，元數據操作高達I/O操作總數的70%，而在虛擬化環(huán)境下，所有元數據操作都轉換為對文件數據的操作，因此，元數據操作數量將顯著(zhù)減少，與此同時(shí)，文件數據訪(fǎng)問(wèn)呈現出更多的隨機訪(fǎng)問(wèn)特征。

　　3虛擬機環(huán)境下NAS與SAN的性能測試

　　本節將測試虛擬機環(huán)境下NAS和SAN的性能。使用一個(gè)計算機作為存儲服務(wù)器，其CPU為Pentium(R) Dual-CoreE5300 2.60GHz,配置有8GB內存和2塊2TB SATA硬盤(pán)，配置有1塊千兆以太網(wǎng)卡，操作系統為CentOS6.4;在其上運行有NFS服務(wù)器和ISCSI軟件，可同時(shí)作為NAS和SAN存儲設備;另有一臺計算機作為虛擬機服務(wù)器，CPU為Pentium(R) Dual-Core E5300 2.60GHz，內存為8GB ,配置有1個(gè)千兆以太網(wǎng)卡，操作系統均為Ubuntu 12.04;創(chuàng )建2個(gè)虛擬機，每個(gè)虛擬機內存大小限制為2GB，虛擬機磁盤(pán)大小為30GB 。

　　測試文件設定為4GB，為虛擬機內存大小的2倍，以盡量消除虛擬機內存cache對讀寫(xiě)性能的影響。

　　從測試結果可以看出，NAS的read. reread性能稍高于SAN，其原因在于NAS端的文件系統執行了預讀策略;而在random-read測試中，NAS的性能要低于SAN，則是由于在隨機讀情況下，NAS的預讀策略失效;在虛擬機環(huán)境下NAS和SAN的write . rewrite性能基本持平，而在randrom-write測試中，NAS的性能要稍高于SAN，這是由于NAS端的文件系統具有緩沖功能，可以將隨機寫(xiě)入的數據進(jìn)行緩沖，并在此基礎上進(jìn)行I/O的優(yōu)化。

　　虛擬機數量對測試性能有顯著(zhù)影響。虛擬機數量增加時(shí)，性能有明顯下降。這是由于當只有一個(gè)虛擬機訪(fǎng)問(wèn)存儲設備時(shí)，讀寫(xiě)操作均為順序訪(fǎng)問(wèn);而當多個(gè)虛擬機并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)存儲系統時(shí)，不同虛擬機的請求交替到達，總體上在存儲設備端表現為隨機訪(fǎng)問(wèn)，造成額外的磁頭移動(dòng)，從而導致性能下降。

　　上述測試顯示了與傳統非虛擬化環(huán)境完全不同的結果。在傳統非虛擬化環(huán)境中，SAN的性能要顯著(zhù)高于NAS，尤其在元數據密集型操作中SAN的性能高達NAS的3倍，究其原因，在于SAN的客戶(hù)端可以采取有效的緩沖策略，減少與存儲設備端的交互;而NAS由于數據一致性的要求客戶(hù)端需要及時(shí)將新的數據提交到存儲服務(wù)器，從而導致大量通信開(kāi)銷(xiāo)。在虛擬機應用環(huán)境中，虛擬機上運行有文件系統，可以對數據采取有效的緩存策略，有效減少了和后端存儲設備的通信開(kāi)銷(xiāo);與此同時(shí)，所有在虛擬機上的文件系統中產(chǎn)生的元數據操作，都被轉換為針對NAS存儲系統中文件數據的操作，因此可以采用異步方式寫(xiě)入NAS存儲設備，也進(jìn)一步有效減少了通信開(kāi)銷(xiāo)。

　　4總結

　　現代云計算數據中心需要為虛擬機提供可擴展、易于管理、支持快照和克隆等高級特性、并具有高性能的虛擬機映像存儲方案。本文的研究結果揭示出，雖然在傳統應用場(chǎng)景中SAN和NAS的性能有顯著(zhù)差異，但這一性能差異已在虛擬機應用環(huán)境中得以消除。由于NAS存儲具有更好的可擴展性和易管理性，我們有理由相信NAS存儲是數據中心虛擬機映象存儲的更好選擇。

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