虚拟存储技术概述

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1、学院：信息工程与自动化专业：计算机科学与技术班级：学号：姓名：报告题目：虚拟存储技术概述虚虚拟拟存存储储技技术术概述概述一、虚拟存储技术的定义 所谓虚拟存储，就是把多个存储介质模块（如硬盘、RAID）通过一定的手 段集中管理起来，所有的存储模块在一个存储池（Storage Pool）中得到统一 管理，从主机和工作站的角度，看到就不是多个硬盘，而是一个分区或者卷， 就好象是一个超大容量（如 1T 以上）的硬盘。这种可以将多种、多个存储设备 统一管理起来，为使用者提供大容量、高数据传输性能的存储系统，即把内存 与外存有机的结合起来使用，从而得到一个容量很大的“内存” ，也指把多个物 理上独立存在的

2、存储体通过软件或硬件的手段集中管理起来，形成一个逻辑上 的虚拟存储单元供主机访问。这个虚拟逻辑单元的存储容量是它所集中管理的 各物理存储体的存储容量之和，而它的访问带宽则在一定程度上接近各个物理 存储体的访问带宽之和。虚拟存储实际上是逻辑存储，是一种智能、有效地管 理存储数据的方式。虚拟存储克服了物理存储的局限，它可以把物理设备变成 完全不同的逻辑镜像，呈现给用户，既充分利用了物理设备的优势，如高性能、 高可用，又打破了物理设备本身不可克服的局限性。从用户角度看，使用存储 空间而不是使用物理存储硬件，管理存储空间而不是管理物理存储部件，这就 是虚拟存储的概念。可以说虚拟存储是将不同类型的存储物

3、理媒介和不同层面 的存储子系统通过软硬件技术转化到统一的用户存储应用界面的技术，后台存 储设备的变更以及数据的迁移不会对前台用户应用造成影响。二、虚拟存储技术的发展历程 虚拟存储技术并不是一件很新的技术，它的发展，应该说是随着计算机 技术的发展而发展起来的，最早是始于70 年代。由于当时的存储容量，特 别是内存容量成本非常高、容量也很小，对于大型应用程序或多程序应用就 受到了很大的限制。为了克服这样的限制，人们就采用了虚拟存储的技术， 最典型的应用就是虚拟内存技术。随着计算机技术以及相关信息处理技术的 不断发展，人们对存储的需求越来越大。这样的需求刺激了各种新技术的出 现，比如磁盘性能越来越好

4、、容量越来越大。但是在大量的大中型信息处理 系统中，单个磁盘是不能满足需要，这样的情况下存储虚拟化技术就发展起 来了。在这个发展过程中也由几个阶段和几种应用。首先是磁盘条带集 （RAID，可带容错）技术，将多个物理磁盘通过一定的逻辑关系集合起来， 成为一个大容量的虚拟磁盘。而随着数据量不断增加和对数据可用性要求的 不断提高，又一种新的存储技术应运而生，那就是存储区域网络（SAN）技 术。SAN 的广域化则旨在将存储设备实现成为一种公用设施，任何人员、任 何主机都可以随时随地获取各自想要的数据。目前讨论比较多的包括 iSCSI、FC Over IP 等技术，由于一些相关的标准还没有最终确定，但是

5、存 储设备公用化、存储网络广域化是一个不可逆转的潮流。三、虚拟存储技术原理当进程运行时，先将一部分程序装入内存，另一部分暂时留在外存，当 要执行的指令不在内存时，由系统自动完成将它们从外存调入内存工作。 虚拟存储器是根据程序的逻辑地址转换来的，也称线性地址空间。一般每个进 程，甚至每个段都有一个，以 32 位为例，则每个最大可达 4G。而主存目前一 般为百 M。因此程序中所指的存储单元并不能都放到主存中，也就是并不是每 个程序所用的存储单元，都有具体的物理的存储器单元与之对应，但由于程序 的两个局部性原理，在一个时刻，程序只在一个比较小的范围内运行，所以我 们把程序可能用到的整个存储空间分成一

6、个个相同大小的页(按页管理硬件上容 易实现)，只把其中的一些页放在主存中，而其它的页则等需要时再建，或放在 辅存(磁盘)中。同时建立一个页表，对应于每一页，如果该页在主存中，则页 表记录它在主存中的地址；如果不在主存中，则在页表上作不在主存的标记。 这样，当程序需要调用某个存储单元的内容时，先根据它的线性地址，算出其 所在的页。查页表，看是不是在主存中？如果在，则直接存取。如果查到页表 上是不在的标记，那就是一个 page fault。要把主存中的某一页(LRU 策略)换 到磁盘上，把要访问的那个单元所在的页调入主存，再进行存取。四、虚拟存储技术实例 实例一：虚拟存储在数字视频网络中的应用 数

7、字视频网打破了以往一台录像机、一个编辑系统、一套播出系统的传 统结构，而代之以上载工作站、编辑制作工作站、播出工作站及节目存储工 作站的流程，便于操作和管理。节目上载、节目编辑、节目播出在不同功能 的工作站上完成，可成倍提高工作效率。同时，由于采用非线性编辑系统， 除了采集时的压缩损失外。信号在制作、播出过程中不再有任何损失，节目 的技术质量将大大提高。 在单机应用时，为了保证一台编辑站点有足够的数据带宽，SCSI 技术、 本地独立磁盘冗余阵例 RAID（Redundant Array of Independent Disks） 技术（包括软件和硬件）被广泛应用，它通过把若干个SCSI 硬盘加

8、上控制 器组成一个大容量，快速响应，高可靠性的存储子系统，从用户看可作为一 个逻辑盘或者虚拟盘，从而大大提高了数据传输率和存储容量，同时利用纠 错技术提高了存储的可靠性，并可满足带宽要求。 随着节目制作需求的发展，要求 23 台站点共享编辑数据。这时可利 用 SCSI 网络技术实现这一要求。几台编辑站点均配置高性能的SCSI 适配 器，连接至共享的 SCSI 磁盘阵列，既可以实现几个站点共享数据，又可以 保证每一台单机的工作带宽。 光纤通道技术的成熟应用使视频网络的发展具有里程碑的意义，从此主 机与共享存储设备之间的连接距离限制从几米、十几米，扩展到几百米、几 千米，再配合光纤通道交换设备，网

9、络规模得到几倍、十几倍的扩充。这时 候的 FC（Fibre Channel 光纤通道）磁盘阵列 RAID 容错技术、相对 SCSI 的高带宽、大容量，成为视频网络中的核心存储设备。 随着电视台规模的发展，全台级大规模视频网络的应用被提出。在这种 需求下，就必须将更先进的存储技术与产品引入视频领域。存储区域网 （SAN）的发展目前正处于全速上升期，各种概念层出不穷。其中具有划时 代意义的是虚拟存储概念的提出。相对于传统的交换机加RAID 阵列，主机 通过硬件层直接访问阵列中的硬盘的SAN 结构，虚拟存储的定位是将数据 存储功能从实际的、物理的数据存取过程中抽象出来，使普通用户在访问数 据时不必关

10、心具体的存储设备的配置参数、物理位置及容量，从而简化用户 和系统管理人员的工作难度。 在设计一个视频网络系统的时候，对存储系统的选用，主要考虑总体 带宽性能、可管理性，安全性、可扩展性和系统成本五个因素，这五个 因 素之间有时是相互制约的，特别是系统成本与性能和安全性的关系，如何 在这些因素之间寻求合理的、实用的、经济的配合，是一个需要解决的课题。 虚拟存储技术的出现，为我们在构建视频网络系统时提供了一个切实可行的 高性能价格比的解决方案。从拓扑结构来讲，对称式的方案具有更高的带宽 性能，更好的安全特性，因此比较适合大规模视频网络应用。非对称式方案 由于采用了虚拟文件原理，因此更适合普通局域网

11、（如办公网）的应用。 虚拟存储技术实现形式的多样性为我们构建视频网络时提供了更多的选择， 不管采用何种虚拟存储技术，我们的目标都是构建一个高性能、稳定可靠、可 扩展的存储网络平台。基于服务器的虚拟存储技术局限性十分明显:效率较低， 系统安全性差，其在视频网络中已不再使用。基于存储设备的虚拟存储技术其 提供的访问带宽与基于网络设备的虚拟存储技术相比有一定差距，系统开放性 较差，对于异构存储系统和操作系统而言，系统的运行效果不是很好。此外， 目前这种方式应用实例不多，有待进一步的市场检验。基于网络设备的虚拟存 储技术介于两者之间，它的实施既不是在服务器端，也不是在存储设备端，而 是介于两个环境之间

12、，是开放的虚拟实施环境，其可能支持任何类型的服务器、 操作系统、应用和存储设备，同时可获得很好的可扩充性，这也是它目前在视 频网络中获得广泛应用的原因。 实例二：虚拟存储技术在容灾系统中的应用 基于对虚拟存储技术及其在容灾系统中应用现状的分析而设计出适用于容灾系统的虚拟文件系统，该系统基于 Windows 平台，通过在 Windows 存储栈的 层次式结构中添加过滤驱动层来实现上层文件系统与下层卷管理器的隔离，在 过滤驱动层中结合虚拟内存的映射原理和容灾系统的应用需求实现用于容灾系 统的虚拟存储映射机制。将虚拟化存储技术应用于容灾系统目前处于初级阶段， 其主要作用是将设备级虚拟化产品应用于容灾

13、系统，从而提高数据的迁移速度。 例如，HP Storage Workshop EVA 企业虚拟阵列存储系统是设备级虚拟化产品 在容灾系统中应用的典范，它的引入可以有效提高数据的复制和恢复速度。从 理论上讲，将虚拟存储技术应用到容灾系统可以在不中断应用的情况下，在线 增加存储容量，进行存储设备的更换，实现数据的透明备份、恢复、迁移等， 从而极大提高了容灾的有效性和灵活性。但现阶段基于这种设备级虚拟存储技 术的应用仍具有一定的局限性，无法满足容灾系统中高强度数据迁移要求，而 且也未能实现真正意义上容灾系统的透明化管理。 在存储栈中，下层驱动程序为上层驱动程序提供了虚拟化接口，从而屏蔽 底层特性。虚

14、拟文件系统便是在文件系统驱动程序和卷管理器磁盘驱动程序之 间插入一层文件系统过滤驱动程序虚拟卷处理程序，通过创建虚拟卷来对 下层卷管理器提供的数据块进行重新映射，从而屏蔽下层实际的分卷及数据分 布情况，而对于提供给上层文件系统的接口完全模拟卷管理器所提供的接口， 从而使文件系统感觉不到差异。 虚拟文件系统实现于容灾服务器端，客户端通过 Windows 远程文件系统访 问服务器，但客户端只能看到系统为用户创建的一个自定义大小的虚拟卷，在 该虚拟卷上存放着用户的备份数据，其他用户的备份数据对该用户是透明的， 这样就保证了各个用户备份数据的独立性，保障了数据安全。文件系统只与虚 拟卷进行通信，实现文

15、件与虚拟块间的连接，而虚拟块与物理块间的连接对文 件系统而言是透明的，因此可以修改虚拟块与物理块间的映射关系而对文件系 统不产生影响。在用户创建虚拟卷时，将虚拟存储映射表、容灾策略等元数据 在其他容灾服务器上进行多副本备份，并且每执行一次备份都更新相关副本， 当磁盘损坏后可轻松进行数据重构。基于 Windows 存储栈的虚拟文件系统体系 虚拟存储映射关系虚拟存储映射过程采用虚拟内存映射页表的设计方式构建虚拟存储映射表，通过构建虚拟映射表实现虚拟化存储 五、总结 虚拟存储技术是一种实现对逻辑环境进行简单管理的有效手段，通过虚拟 存储，用户将摆脱底层物理环境的复杂性，充分利用基于异构平台的存储空间

16、， 在开放的基础上实现对资源的有效规划。虚拟存储使用户能在一个域中使用在 物理上分散存在的所有存储资源，以便跨地区管理不可预测的事件，如业务不 连续性、对容量需求的调整、员工的变化等。而无论这些存储资源所处的存储 域的位置、大小、类型和制造商如何，都将被从单一逻辑视图中进行管理。虚 拟存储提供了一个大容量存储系统集中管理的手段，由网络中的一个环节 （如服务器）进行统一管理，避免了由于存储设备扩充所带来的管理方面的 麻烦。例如，使用一般存储系统，当增加新的存储设备时，整个系统（包括 网络中的诸多用户设备）都需要重新进行繁琐的配置工作，才可以使这个 “新成员”加入到存储系统之中。而使用虚拟存储技术，增加新的存储设备 时，只需要网络管理员对存储系统进行较为简单的系统配置更改，客户端无 需任何操作，感觉上只是存储系统的容量增大了。虚拟存储对于视频网络系 统最有价值的特点是可以大大提高存储系统整体访问带宽。存储系统是由多 个存储模块组成，而虚拟存储系统可以很好地进行负载平衡，把每一次数据 访问所需的带宽合理地分配到各个