广域网络存储虚拟化技术研究

发布时间：2020-07-13 16:18

【摘要】：随着大规模存储系统的应用越来越广泛，复杂性随着信息资源的爆炸式增长而与日俱增，信息资源的远程共享也日渐重要。当前的趋势是将分布于广域范围的存储资源互联起来，使用网络存储虚拟化来屏蔽具体存储设备的物理细节，将系统中各种异构的存储设备映射为单一的存储映像，增强互操作性以达到对用户完全透明的目的，为管理员提供统一集中的存储管理功能。但是如何协调各种异构存储设备和存储中间件形成整体，在不稳定的底层网络上达到高可用性，在相对较窄的带宽上提高数据访问的速率，在资源共享的同时保持一定程度的自治并在给予时获得期望回报，是非常值得研究的课题。本文围绕这些问题开展了一些有意义的研究工作。本文首先构建了基于异构底层非对称虚拟化的卷管理系统SVVMS，作为研究的基础平台。它将原来用于单机和局域网环境的卷管理器扩展到广域网络上，将各种底层存储网络如SAN、NAS、JBOD等纳入框架，使用网络非对称虚拟化形成一个具有单一I／O空间的虚拟存储池供上层应用使用。将存储资源的元数据分开单独由存储资源信息服务器SRIS处理，和严格的分层所有权控制，使SVVMS能够具备比现有卷管理器更为广泛的适应性。随后，在对分布式网络RAID进行分析研究的基础上，本文设计了一种基于广域网络的热度动态迁移多副本分片策略MCSP。它对RAID 5进行扩展，将数据分片分散存储在网络中的各节点，并针对不稳定的广域网络使用多副本，以获得期望的可用性。副本根据被访问的时空局部性和阈值在节点之间迁移，以达到在多副本改善效率和一致性维护增加开销之间的折中。实验表明，它能够很好地将副本数量约束在既满足期望的系统可用性又不为系统增加太多开销之间，使得数据的访问速率达到尽可能最优。接着，本文研究了广域网络存储虚拟化形成的拓扑结构，指出现有简单层次模型的不足，提出了层次式存储网络拓扑模型HSNT用以发现网络拓扑并设计Fabric。在发现中，结合存储网络的实际特点提出IP路径合并算法，并进行拓扑结构规整。Fabric的设计是NP问题，本文采用Prufer编码生成随机拓扑，使用基于遗传的启发式算法求解拓扑最优解，并给出用于Fabric自动设计的模拟器。在前面MCSP和HSNT的基础上，本文进一步提出层次式统一内存Cache管理策略HUMC，将协作式Cache的思想扩展到层次式广域存储网络上，将远程计算机的内存统一成系统的全局Cache，作为本地磁盘的Cache以存储数据副本，实验表明可以取得良好加速效果。在使用层次式读写令牌的派生机制保持Cache一致性的同时，达到了尽量将跨广域网络的流量变成本地存储网络域中内部流量的目的，使得大部分的数据访问无需在延迟大、带宽窄的WAN上耗费时间，实验表明可以有效改善对速率不匀的底层存储进行广域网络虚拟化所带来的响应时间不确定问题。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：TP333
【图文】：

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机、操作系统、应用和存储设备，具体而言有对称和非对称两种方式。，.2.3.1基于网络的对称存储虚拟化对称虚拟化存储结构如图1.3所示。虚拟存储服务器位于主机和存储网络之间，由它来管理和配置所有的存储设备，组成一个大型的存储池。在这种方式中所有的主机都是等价的，即对称的。另外，虚拟化功能都在数据通道中实现，也称为带内(in一bnad)虚拟化。以ootHillAxis和nataeoresANsymphony为代表。存储服务器可以使用多个数据通道与存储设备连接，多个存储设备并发工作，发挥这些设备的性能优势。主机不需要直接访问存储设备，从而屏蔽了不同种类存储设备之间的差异性，而呈现给主机一个统一的存储界面，即存储设备对主机是透明的。所有的物理存储设备通过存储网络连接到存储服务器上，从而便于管理。另外，在主机上也不必增加额外的驱动程序。第7页

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荷随之加重，系统的可扩展性有限。1.2.3.2基于网络的非对称存储虚拟化非对称虚拟存储如图1.4所示。在主机与存储设备之间正常的数据访问传输通道之外，再配置一个控制通道来实现虚拟化处理。由存储服务器负责文件系统的元数据(mctadata)，其他主机不能直接控制元数据。每台主机上需要安装对应的驱动程序，在需要存储磁盘阵列中的文件时，主机先通过通信网络从存储服务器获得元数据，再根据元数据进行转换运算获得文件在存储网络的地址，最后从数据通道得到数据。从过程上看，虚拟存储服务器类似于文件系统重定向器(rdeireetor)。图1.4基于网络的非对称存储虚拟化在存储服务器中，还可以加入存储域控制器(StoasreDomainContorller)功能。服务器保存一张主机和存储设备的访问控制表(ACL)，操作系统上层、文件系统以及应用程序只能访问由域控制器分配的存储设备。对于不在此列表中的存储设备

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广域存储虚拟化工作。1.3.，基于广域存储虚拟化的卷管理系统传统的SAN虽然可以提供高性能的存储系统，但是用户能够以虚拟化方式利用的存储资源只是在局域网范围内，在广域网上还有大量存储资源可供使用。和虚拟存储池相比，广域网上的信息存储资源显得非常繁杂，用户使用很不方便，而且因为缺少统一的管理，无法实现高速数据共享，存储资源存在很大的冗余，利用率不高。广域存储资源虚拟化一般通过存储服务代理(storagesevrieeAgent，ssA)实现[，4]。对存储用户而言，SSA提供了简明友好的界面，将广域范围的存储资源构成一个虚拟存储池供用户方便使用，使用户避免了同各种繁杂的存储设备和软硬件系统进行直接接触，存储操作和管理对用户完全透明。在基于网络的非对称虚拟化中，SSA为各种存储资源提供了统一的管理，能实现高速的数据共享，降低冗余数据量，提高资源利用率，而且这种统一管理能够方便地提供容灾抗毁和系统扩展能力。SSA可以位于使用广域存储资源的用户端，也可以位于提供存储资源的服务器端，还可以使用独立的SSA服务器(如图1.5所示)。

【引证文献】