探析網(wǎng)絡存儲技術研究論文
0引言
云計算浪潮席卷全球，推動著社會信息基礎設施的重大變革。以虛擬化為代表的新技術已經(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)計數(shù)據(jù)顯示，至2012年底已有超過一半的x86服務器使用了虛擬化，至2014年這一比例將擴大到700%。
雖然虛擬化技術獲得快速發(fā)展，但在面向云計算數(shù)據(jù)中心的存儲系統(tǒng)設計仍然而臨諸多挑戰(zhàn)和困惑。人們目前對虛擬機環(huán)境下的文件系統(tǒng)I/O特征還缺乏深入認識和理解，在虛擬機環(huán)境下存儲技術路線的選擇方而缺乏理論與實驗數(shù)據(jù)支撐的有效指導。在云計算數(shù)據(jù)中心中，一類重要的存儲需求是為每個虛擬機提供一個虛擬磁盤映像。該應用需要存儲系統(tǒng)具有良好的可擴展性，支持為任意數(shù)量的虛擬機提供磁盤映像，并支持高性能訪問;可以支持磁盤映像的快照與克隆、遷移、動態(tài)擴展等高級特性。
NAS和SAN是目前數(shù)據(jù)中心所使用的主要存儲設備形式，NAS存儲可以支持數(shù)據(jù)共享，具有更好的可擴展性、可管理性和可用性;SAN在大多數(shù)傳統(tǒng)應用場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映像存儲設備，虛擬磁盤映像既可以對應到SAN設備的一個邏輯卷，也可以映射到NAS的一個或多個文件。
本文將簡要分析NAS和SAN的工作原理，探討虛擬化環(huán)境下的存儲系統(tǒng)架構和I/O訪問路徑，然后模擬數(shù)據(jù)中心的虛擬化環(huán)境對NAS和SAN的性能進行測試，對測試的結果進行分析探討，在此基礎上提出而向數(shù)據(jù)中心的存儲方案實施建議。
1網(wǎng)絡存儲系統(tǒng)的類型
NAS和SAN是目前云計算數(shù)據(jù)中心所使用的兩類主要存儲設備，本節(jié)簡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(tǒng)上運行有文件系統(tǒng)，對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可以支持多個程序對文件的`共享和并發(fā)訪問，并采取較為嚴格的一致性語義。如NFSv3規(guī)定對元數(shù)據(jù)的訪問使用同步操作;客戶端在打開文件時根據(jù)文件的最后修改時間對已緩沖文件數(shù)據(jù)的有效性進行檢查;對寫入的文件數(shù)據(jù)的緩存也有時間限制。
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)絡的不同，SAN分為光纖通道( FC-SAN)和基于TCP/IP網(wǎng)絡的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具有顯著性價比優(yōu)勢，iSCSI在應用普及程度方而已經(jīng)遠遠超過FC-SAN;隨著萬兆以太網(wǎng)的普及，有理由相信iSCSI將會在性能方而追趕上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，只能被動的接受讀寫命令;由于SAN設備上無文件系統(tǒng)，因此，不具有存儲空間和數(shù)據(jù)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(tǒng)，當應用程序訪問文件時，文件系統(tǒng)將其轉換為對磁盤設備的請求，這些請求以模擬磁盤方式或準虛擬化方式發(fā)送到虛擬機監(jiān)視器(Hypervisor)。虛擬機監(jiān)視器判斷后端存儲設備的類型，如果為NAS，則將對磁盤的請求轉換為文件操作，發(fā)送請求給NAS服務器;如果后端存儲設備為SAN，則將磁盤塊訪問請求發(fā)送給SAN設備。
如果后端存儲設備為NAS, VM所訪問的虛擬磁盤實際為NAS存儲系統(tǒng)中的文件。這種模式下Hypervisor訪問存儲設備的I/O模式與傳統(tǒng)應用自接訪問NAS設備有很大不同。在傳統(tǒng)應用中，元數(shù)據(jù)操作高達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)操作都轉換為對文件數(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，文件數(shù)據(jù)訪問呈現(xiàn)出更多的隨機訪問特征。
3虛擬機環(huán)境下NAS與SAN的性能測試
本節(jié)將測試虛擬機環(huán)境下NAS和SAN的性能。使用一個計算機作為存儲服務器，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;在其上運行有NFS服務器和ISCSI軟件，可同時作為NAS和SAN存儲設備;另有一臺計算機作為虛擬機服務器，CPU為Pentium(R) Dual-Core E5300 2.60GHz，內(nèi)存為8GB ,配置有1個千兆以太網(wǎng)卡，操作系統(tǒng)均為Ubuntu 12.04;創(chuàng)建2個虛擬機，每個虛擬機內(nèi)存大小限制為2GB，虛擬機磁盤大小為30GB 。
測試文件設定為4GB，為虛擬機內(nèi)存大小的2倍，以盡量消除虛擬機內(nèi)存cache對讀寫性能的影響。
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(tǒng)執(zhí)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(tǒng)具有緩沖功能，可以將隨機寫入的數(shù)據(jù)進行緩沖，并在此基礎上進行I/O的優(yōu)化。
虛擬機數(shù)量對測試性能有顯著影響。虛擬機數(shù)量增加時，性能有明顯下降。這是由于當只有一個虛擬機訪問存儲設備時，讀寫操作均為順序訪問;而當多個虛擬機并發(fā)訪問存儲系統(tǒng)時，不同虛擬機的請求交替到達，總體上在存儲設備端表現(xiàn)為隨機訪問，造成額外的磁頭移動，從而導致性能下降。
上述測試顯示了與傳統(tǒng)非虛擬化環(huán)境完全不同的結果。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，減少與存儲設備端的交互;而NAS由于數(shù)據(jù)一致性的要求客戶端需要及時將新的數(shù)據(jù)提交到存儲服務器，從而導致大量通信開銷。在虛擬機應用環(huán)境中，虛擬機上運行有文件系統(tǒng)，可以對數(shù)據(jù)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銷;與此同時，所有在虛擬機上的文件系統(tǒng)中產(chǎn)生的元數(shù)據(jù)操作，都被轉換為針對NAS存儲系統(tǒng)中文件數(shù)據(jù)的操作，因此可以采用異步方式寫入NAS存儲設備，也進一步有效減少了通信開銷。
4總結
現(xiàn)代云計算數(shù)據(jù)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(tǒng)應用場景中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(shù)據(jù)中心虛擬機映象存儲的更好選擇。
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