探析網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)研究論文
0引言
云計(jì)算浪潮席卷全球，推動(dòng)著社會(huì)信息基礎(chǔ)設(shè)施的重大變革。以虛擬化為代表的新技術(shù)已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心的基本組織方式，商業(yè)產(chǎn)品如VMware和開源產(chǎn)品如KVM、Xen已得到普及使用。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，至2012年底已有超過一半的x86服務(wù)器使用了虛擬化，至2014年這一比例將擴(kuò)大到700%。
雖然虛擬化技術(shù)獲得快速發(fā)展，但在面向云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍然而臨諸多挑戰(zhàn)和困惑。人們目前對(duì)虛擬機(jī)環(huán)境下的文件系統(tǒng)I/O特征還缺乏深入認(rèn)識(shí)和理解，在虛擬機(jī)環(huán)境下存儲(chǔ)技術(shù)路線的選擇方而缺乏理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐的有效指導(dǎo)。在云計(jì)算數(shù)據(jù)中心中，一類重要的存儲(chǔ)需求是為每個(gè)虛擬機(jī)提供一個(gè)虛擬磁盤映像。該應(yīng)用需要存儲(chǔ)系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性，支持為任意數(shù)量的虛擬機(jī)提供磁盤映像，并支持高性能訪問;可以支持磁盤映像的快照與克隆、遷移、動(dòng)態(tài)擴(kuò)展等高級(jí)特性。
NAS和SAN是目前數(shù)據(jù)中心所使用的主要存儲(chǔ)設(shè)備形式，NAS存儲(chǔ)可以支持?jǐn)?shù)據(jù)共享，具有更好的可擴(kuò)展性、可管理性和可用性;SAN在大多數(shù)傳統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景中具有更好的性能，但配置和管理較為復(fù)雜。在功能上，NAS和SAN都可以作為虛擬機(jī)的磁盤映像存儲(chǔ)設(shè)備，虛擬磁盤映像既可以對(duì)應(yīng)到SAN設(shè)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(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)和I/O訪問路徑，然后模擬數(shù)據(jù)中心的虛擬化環(huán)境對(duì)NAS和SAN的性能進(jìn)行測(cè)試，對(duì)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行分析探討，在此基礎(chǔ)上提出而向數(shù)據(jù)中心的存儲(chǔ)方案實(shí)施建議。
1網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)的類型
NAS和SAN是目前云計(jì)算數(shù)據(jù)中心所使用的兩類主要存儲(chǔ)設(shè)備，本節(jié)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(chǔ)系統(tǒng)上運(yùn)行有文件系統(tǒng)，對(duì)外部提供文件和目錄、元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)視圖。其中目錄和文件的內(nèi)容稱為文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，而把用于描述和實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)所用到的數(shù)據(jù)稱為元數(shù)據(jù)(Metadata)，如文件大小、修改日期、以及訪問控制等。目前使用比較廣泛的NAS訪問協(xié)議有NFSv3, NFSv4和CIFS。其中UNIX/Linux環(huán)境使用NFS協(xié)議，而windows系統(tǒng)使用CIFS協(xié)議。
NAS可以支持多個(gè)程序?qū)ξ募腵共享和并發(fā)訪問，并采取較為嚴(yán)格的一致性語義。如NFSv3規(guī)定對(duì)元數(shù)據(jù)的訪問使用同步操作;客戶端在打開文件時(shí)根據(jù)文件的最后修改時(shí)間對(duì)已緩沖文件數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行檢查;對(duì)寫入的文件數(shù)據(jù)的緩存也有時(shí)間限制。
1.2 SAN
SAN (Storage Area Network)提供的數(shù)據(jù)視圖和磁盤完全相同。根據(jù)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)。總體來看，F(xiàn)C-SAN性能表現(xiàn)更加穩(wěn)定，但iSCSI具有顯著性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，iSCSI在應(yīng)用普及程度方而已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過FC-SAN;隨著萬兆以太網(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(shè)備只提供了最基本的塊存儲(chǔ)功能，只能被動(dòng)的接受讀寫命令;由于SAN設(shè)備上無文件系統(tǒng)，因此，不具有存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)管理能力;其配置和管理也更加復(fù)雜。
2虛擬機(jī)環(huán)境下的存儲(chǔ)架構(gòu)
虛擬機(jī)上運(yùn)行有文件系統(tǒng)，當(dāng)應(yīng)用程序訪問文件時(shí)，文件系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)換為對(duì)磁盤設(shè)備的請(qǐng)求，這些請(qǐng)求以模擬磁盤方式或準(zhǔn)虛擬化方式發(fā)送到虛擬機(jī)監(jiān)視器(Hypervisor)。虛擬機(jī)監(jiān)視器判斷后端存儲(chǔ)設(shè)備的類型，如果為NAS，則將對(duì)磁盤的請(qǐng)求轉(zhuǎn)換為文件操作，發(fā)送請(qǐng)求給NAS服務(wù)器;如果后端存儲(chǔ)設(shè)備為SAN，則將磁盤塊訪問請(qǐng)求發(fā)送給SAN設(shè)備。
如果后端存儲(chǔ)設(shè)備為NAS, VM所訪問的虛擬磁盤實(shí)際為NAS存儲(chǔ)系統(tǒng)中的文件。這種模式下Hypervisor訪問存儲(chǔ)設(shè)備的I/O模式與傳統(tǒng)應(yīng)用自接訪問NAS設(shè)備有很大不同。在傳統(tǒng)應(yīng)用中，元數(shù)據(jù)操作高達(dá)I/O操作總數(shù)的70%，而在虛擬化環(huán)境下，所有元數(shù)據(jù)操作都轉(zhuǎn)換為對(duì)文件數(shù)據(jù)的操作，因此，元數(shù)據(jù)操作數(shù)量將顯著減少，與此同時(shí)，文件數(shù)據(jù)訪問呈現(xiàn)出更多的隨機(jī)訪問特征。
3虛擬機(jī)環(huán)境下NAS與SAN的性能測(cè)試
本節(jié)將測(cè)試虛擬機(jī)環(huán)境下NAS和SAN的性能。使用一個(gè)計(jì)算機(jī)作為存儲(chǔ)服務(wù)器，其CPU為Pentium(R) Dual-CoreE5300 2.60GHz,配置有8GB內(nèi)存和2塊2TB SATA硬盤，配置有1塊千兆以太網(wǎng)卡，操作系統(tǒng)為CentOS6.4;在其上運(yùn)行有NFS服務(wù)器和ISCSI軟件，可同時(shí)作為NAS和SAN存儲(chǔ)設(shè)備;另有一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為虛擬機(jī)服務(wù)器，CPU為Pentium(R) Dual-Core E5300 2.60GHz，內(nèi)存為8GB ,配置有1個(gè)千兆以太網(wǎng)卡，操作系統(tǒng)均為Ubuntu 12.04;創(chuàng)建2個(gè)虛擬機(jī)，每個(gè)虛擬機(jī)內(nèi)存大小限制為2GB，虛擬機(jī)磁盤大小為30GB 。
測(cè)試文件設(shè)定為4GB，為虛擬機(jī)內(nèi)存大小的2倍，以盡量消除虛擬機(jī)內(nèi)存cache對(duì)讀寫性能的影響。
從測(cè)試結(jié)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(tǒng)執(zhí)行了預(yù)讀策略;而在random-read測(cè)試中，NAS的性能要低于SAN，則是由于在隨機(jī)讀情況下，NAS的預(yù)讀策略失效;在虛擬機(jī)環(huán)境下NAS和SAN的write . rewrite性能基本持平，而在randrom-write測(cè)試中，NAS的性能要稍高于SAN，這是由于NAS端的文件系統(tǒng)具有緩沖功能，可以將隨機(jī)寫入的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行I/O的優(yōu)化。
虛擬機(jī)數(shù)量對(duì)測(cè)試性能有顯著影響。虛擬機(jī)數(shù)量增加時(shí)，性能有明顯下降。這是由于當(dāng)只有一個(gè)虛擬機(jī)訪問存儲(chǔ)設(shè)備時(shí)，讀寫操作均為順序訪問;而當(dāng)多個(gè)虛擬機(jī)并發(fā)訪問存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí)，不同虛擬機(jī)的請(qǐng)求交替到達(dá)，總體上在存儲(chǔ)設(shè)備端表現(xiàn)為隨機(jī)訪問，造成額外的磁頭移動(dòng)，從而導(dǎo)致性能下降。
上述測(cè)試顯示了與傳統(tǒng)非虛擬化環(huán)境完全不同的結(jié)果。在傳統(tǒng)非虛擬化環(huán)境中，SAN的性能要顯著高于NAS，尤其在元數(shù)據(jù)密集型操作中SAN的性能高達(dá)NAS的3倍，究其原因，在于SAN的客戶端可以采取有效的緩沖策略，減少與存儲(chǔ)設(shè)備端的交互;而NAS由于數(shù)據(jù)一致性的要求客戶端需要及時(shí)將新的數(shù)據(jù)提交到存儲(chǔ)服務(wù)器，從而導(dǎo)致大量通信開銷。在虛擬機(jī)應(yīng)用環(huán)境中，虛擬機(jī)上運(yùn)行有文件系統(tǒng)，可以對(duì)數(shù)據(jù)采取有效的緩存策略，有效減少了和后端存儲(chǔ)設(shè)備的通信開銷;與此同時(shí)，所有在虛擬機(jī)上的文件系統(tǒng)中產(chǎn)生的元數(shù)據(jù)操作，都被轉(zhuǎn)換為針對(duì)NAS存儲(chǔ)系統(tǒng)中文件數(shù)據(jù)的操作，因此可以采用異步方式寫入NAS存儲(chǔ)設(shè)備，也進(jìn)一步有效減少了通信開銷。
4總結(jié)
現(xiàn)代云計(jì)算數(shù)據(jù)中心需要為虛擬機(jī)提供可擴(kuò)展、易于管理、支持快照和克隆等高級(jí)特性、并具有高性能的虛擬機(jī)映像存儲(chǔ)方案。本文的研究結(jié)果揭示出，雖然在傳統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景中SAN和NAS的性能有顯著差異，但這一性能差異已在虛擬機(jī)應(yīng)用環(huán)境中得以消除。由于NAS存儲(chǔ)具有更好的可擴(kuò)展性和易管理性，我們有理由相信NAS存儲(chǔ)是數(shù)據(jù)中心虛擬機(jī)映象存儲(chǔ)的更好選擇。
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