虛擬化中存儲性能瓶頸研究

何鵬

摘 要：隨著信息技術的發展，越來越多的行業都向信息化、智能化發展，隨之而來，業務系統也不斷增多，那么就需要更多的服務器，更多的存儲空間來滿足業務系統日益增多的需求，傳統的增加物理服務器方式難以滿足日益擴增的數據存儲需求，數據存儲也逐漸由單一的硬盤管理向數據中心發展，虛擬化技術的誕生對IT行業產生了重大的影響，也對存儲性能提出了更高的要求，尤其是大量并發用戶在同時訪問數據中心時，更是要求存儲具有較高性能，虛擬環境下面臨著各種各樣的難題，其中最主要的就是存儲性能瓶頸。

關鍵詞：虛擬化；數據存儲；性能瓶頸；數據中心

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A

Abstract：With the development of information technology，more and more industries are developing towards information and intelligence.As a result，more servers and storage space are needed to satisfy the requirements of the increasing business systems.However，the traditional way of adding physical servers is difficult to meet the ever-increasing demand for data storage.Data storage has gradually evolved from a single hard disk management to a data center.The birth of virtualization technology has had a major impact on the IT industry，imposing higher requirements for storage performance.Especially，when a large number of concurrent users access the data center at the same time，the storage is required to have higher performance，and the virtual environment is faced with various problems，the most important of which is the storage performance bottleneck.

Keywords：virtualization；storage；performance bottleneck；data center

1 引言（Introduction）

近年來，虛擬化技術得到普遍應用，由此也開啟了存儲的任意門，面對不斷增長的業務系統和龐大的數據量，普通的單塊或多塊物理硬盤，已經不再能滿足需求，由此必須不斷擴充存儲空間，但同時還需要兼顧不影響業務的正常運作，尤其是大量并發用戶在同時訪問數據中心時，對存儲性能更是提出了新的挑戰。因此存儲架構也需要隨機應變，存儲虛擬化技術中，有多種架構，每種架構都有其獨特的優勢，但也存在一定的局限性。

本文的研究內容主要基于VMware vSphere虛擬化方式，首先簡要介紹了虛擬化和存儲虛擬化的基本概念，研究了虛擬化中數據的存儲實現方式，其次分別剖析了虛擬化技術在服務器虛擬化、桌面虛擬化，以及應用虛擬化幾種虛擬化壞境下，遇到的存儲性能方面的瓶頸，最后得出結論，要想突破此性能瓶頸，必須同時滿足高讀、寫IOPS，高吞吐量，低延遲，以及更快部署和簡單的網絡架構。

2 虛擬化簡介（Virtualization profile）

什么是虛擬化，通俗的講，虛擬化就是將一臺物理計算機分割成多臺邏輯計算機。實質上虛擬化是指計算機元件在虛擬的基礎上而不是真實的基礎上運行，它是一個為了簡化管理，優化資源的解決方案[1]。CPU的虛擬化技術可以單CPU模擬多CPU并行，允許一個平臺同時運行多個操作系統，并且應用程序都可以在相互獨立的空間內運行而互不影響，從而顯著提高計算機的工作效率。虛擬化技術可以擴大硬件的容量，簡化軟件的重新配置過程。計算機中，Virtualization是一種資源管理技術，是將計算機的各種實體資源，如服務器、網絡、內存及存儲等，予以抽象、轉換后呈現出來，打破實體結構間的不可切割的障礙，使用戶可以比原本的組態更好的方式來應用這些資源。這些資源的新虛擬部分是不受現有資源的架設方式，地域或物理組態所限制。一般所指的虛擬化資源包括計算能力和資料存儲。

實際生產環境中，虛擬化技術主要用來解決高性能的物理硬件產能過剩的老的舊的硬件產能過低的重組重用，透明化底層物理硬件，從而最大化的利用物理硬件。

虛擬化技術中，可以同時運行多個操作系統，而且每一個操作系統中都有多個程序運行，每一個操作系統都運行在一個虛擬的CPU或者是虛擬主機上。

虛擬化技術也與VMware Workstation等同樣能達到虛擬效果的軟件不同，是一個巨大的技術進步，具體表現在減少軟件虛擬機相關開銷和支持更廣泛的操作系統方面。

3 存儲虛擬化（Storage virtualization）

存儲虛擬化[2]是通過虛擬卷映射、流數據定位、數據快照、虛擬機等技術實現異構存儲設備的統一管理，以及存儲位置無關性而提出的，目的在于屏蔽存儲管理中的一系列復雜問題而向用戶提供簡單透明統一的存儲訪問模式。簡單來說，就是對物理硬盤等存儲資源進行抽象化表示，即將實體存儲空間（如硬盤）分隔成多個不同的邏輯存儲空間。具體來講，就是將可用的物理硬盤等存儲空間分成幾個或若干個虛擬的卷，使得這些磁盤卷不再受磁盤陣列，磁盤驅動器等實際存儲元件的物理布局或拓撲結構的限制。通常情況下，虛擬的磁盤卷展現在操作系統面前的是一種物理磁盤的抽象，使操作系統像使用硬盤一樣使用。圖1就是存儲虛擬化示意圖。不同的應用系統使用邏輯上不同的存儲空間（虛擬磁盤），但是實質上都是使用的一個物理存儲空間，即一塊或多塊物理硬盤構成的同一存儲池。

虛擬化連接存儲方式[3]多種多樣，實現方式不同，性能也不盡相同，比如有基于iscsi的，有基于NFS的，有基于NAS網絡的，有基于光纖通道（FC）的等，如圖2存儲虛擬化實現方式所示。

雖然隨著計算機的普及，虛擬化技術的出現，顛覆了IT的傳統架構，使得桌面、應用、數據快速的轉移到數據中心，讓IT變得更加高效、便捷、可擴展、易維護，同時降低了IT建設的成本。然而，在虛擬化技術大幅提升服務器CPU利用率的同時，傳統服務器存儲受其機械原理的局限，無法滿足虛擬化環境下的共享存儲資源的性能要求。存儲成為制約服務器整體效率的瓶頸。傳統改善的方式，依靠擴展SAN、NAS等網絡存儲，一方面部署成本高昂，另一方面使得IT架構和維護變得更加復雜，且最終也無法較好的解決性能瓶頸問題。

4 服務器虛擬化的困境（The plight of server

virtualization）

服務器虛擬化[4]是將服務器物理資源抽象成一種邏輯資源，使得傳統的服務器變成幾個或者是幾十個邏輯上相互隔離的虛擬服務器，使得系統資源不再受到服務器物理上的限制。把CPU、內存、硬盤、I/O等硬件集中起來變成可以動態調配和管理的統一資源，并將“資源池”中的資源動態分配給需要工作的負載，實現服務器的整合，達到充分利用服務器硬件資源，提升其利用率的目的。

隨著信息技術的發展和學校信息化建設的步伐，我校已經初步實現服務器虛擬化。服務器虛擬化的部署大大提升了服務器CPU、內存等核心資源的利用率，Windows Server或者Linux Server等虛擬機可以動態的共享服務器的核心資源，確保資源利用最大化的同時，減少服務器的采購、維護及各種電力開銷等成本。服務器虛擬化將服務器CPU的平均利用率從15%提升到75%左右，而存儲性能的低下及用戶并發、業務、數據的爆發增長，不得不使用RAID或網絡存儲的方式來緩解，這使得服務器虛擬化整體擁有成本（TCO）依舊保留在一個較高的水平。運行在服務器上的虛擬機，部署著企業的眾多關鍵應用或服務，如數據庫系統、郵件系統、網站系統、共享下載業務等。這些應用與服務大部分都是用戶并發量多的IO密集型業務，因此在小塊數據隨機寫、大塊順序讀，或者混合讀寫等方面，對存儲性能提出了更高的要求，而存儲系統本身在虛擬化前僅能夠滿足單系統應用的小并發需求。在虛擬化后，不同虛擬機及虛擬機上應用系統對存儲的性能爭用，當前業務、數據并發的爆發性增長，都使得原有的存儲系統無法滿足服務器虛擬化對存儲性能的需求。

而簡單的磁盤陣列方式的本地存儲擴展，或者NAS、SAN的網絡存儲擴展，在耗費大量的IT成本支出的同時，只能很有限的緩解服務器虛擬化對存儲性能帶來的挑戰，無法從根本上解決虛擬化后存儲的性能瓶頸，也無法全面提升服務器虛擬化的整體效率。

5 桌面虛擬化的挑戰（Desktop virtualization

challenges）

VDI[5]英文全稱Virtual Desktop Infrastructure，即虛擬桌面基礎架構，是近年來虛擬化技術由服務器虛擬化向桌面虛擬化延伸的一個技術名稱。虛擬桌面基礎架構采用“集中計算，分布顯示”的原則，通過虛擬化技術，將所有客戶端的運算合為一體，在企業數據中心內進行集中處理，而桌面用戶僅負責輸入輸出與界面顯示，不參與任何計算和應用。VDI（虛擬桌面基礎架構），帶來了IT桌面交付的巨大變革，在降低IT成本的同時，帶來了更大的靈活性，然而也帶來了全新的挑戰，它依托于服務器虛擬化技術，將用戶桌面遷移到數據中心，提升了服務器的利用率，降低終端設備成本，同時在IT管控（桌面及應用管理、病毒防護、補丁升級、數據安全等）及IT維護（終端采購、故障處理、系統部署等）方面，帶來突破性的變革，在企業桌面、應用快速增長時，確保IT可以高速及高效的運轉。

VDI（虛擬桌面基礎架構）雖然存在巨大的優勢，但同時也引入全新的挑戰，除了對網絡的依賴及遠程顯示協議固有缺陷之外，還有其他問題：如啟動、關閉風暴，當有大量并發用戶同時登錄、啟動或者關閉虛擬桌面時，對存儲性能進行爭搶，又比如殺毒風暴，當多個虛擬機桌面用戶同時間進行并發殺毒或者掃描漏洞等，也會造成存儲性能的爭搶，還有一種最常見的就是更新風暴，Windows系統補丁集中進行更新等，這些問題都會給部分用戶帶來啟動桌面數分鐘，甚至幾十分鐘的延遲，桌面操作卡頓，極大的降低了用戶體驗，原因說到底就是我們的存儲性能低下，讀、寫速度低所致。虛擬桌面通過部署SAN或NAS來試圖解決以上問題，卻又帶來新的挑戰，比如IT架構改造，無法利用現有服務器環境部虛擬桌面，需要重新架構網絡和存儲，又比如整體成本提升，需要額外眾多光纖或以太存儲及交換設備。

6 應用虛擬化的難題（Problems in applying

virtualization）

至今為止，大家對應用虛擬化[6]的解釋都不盡相同。其中Vmware的解釋是通過應用虛擬化技術，可以將應用軟件的部署、執行、升級等操作均在一個隔離環境中進行，避免了對本地操作系統配置的更改，確保了本地操作系統和其他應用軟件的完整性。由此應用虛擬化帶來了很多有利的價值，諸如可以讓用戶不再需要在本地下載，安裝應用，用戶可以通過共享應用的方式，簡化應用的部署和使用，而企業也可以更好的來管控用戶在企業內部對應用的使用權限，提升IT安全。

在應用虛擬化的場景中，客戶端無需部署和安裝應用程序，通過遠程共享應用模式，即眾多的用戶通過網絡遠程共享服務器上的同一應用。這一應用虛擬化方式給部署應用的服務器帶來了極大的IO考驗。眾多并發的應用訪問使得傳統的存儲IO難以應對，IT不得不拆分并發量、同時部署額外的服務器來滿足這一需求。

而另一種應用虛擬化場景，是通過沙盒應用的模式，將應用程序沙盒化，存儲于共享應用服務器，用戶在有授權，有需要或者登錄時刻，前往共享應用服務器下載應用，在用戶終端本地或者虛擬桌面無需安裝即可使用這些應用程序。這一場景對存儲系統的吞吐量或者帶寬提出了更大的需求，不得不增加部署共享服務器，以滿足峰值或者大并發時刻的存儲帶寬需求。

應用虛擬化的出現，顛覆了應用的使用方式，同時也給企業對提升IT安全管控帶來了新思路。應用虛擬化技術可有效解決應用軟件數量增多帶來的管理壓力、應用軟件配置沖突、部署困難等問題，然而虛擬化應用的最終載體—存儲系統如何去滿足大并發的存儲帶寬及高IOPS需求，卻是一個很大的難題。

7 結論（Conclusion）

那么，我們究竟如何解決遇到的這些問題呢？各種虛擬化方式及應用都給用戶帶來了各種便利和價值，然后存儲性能低下、擴展代價高卻成為制約虛擬化發展的瓶頸。要想突破各種虛擬化方式和應用虛擬化的存儲性能瓶頸，我們就必須要突破虛擬化在存儲系統性能方面的瓶頸，必須同時滿足高讀、寫IOPS，高吞吐量，低延遲，以及更快部署和簡單的架構。在此基礎之上，我們才可以進行深層次的虛擬化性能優化，全面的提升單虛擬機/桌面的IOPS和吞吐量，在不改變用戶當前虛擬化架構，以及不進行存儲的復雜擴展的基礎上，徹底解決虛擬化在存儲方面的性能瓶頸，獲得最佳用戶體驗，同時整體降低用戶虛擬化部署的成本。

參考文獻（References）

[1] 邱震，賀春林，王洪靜.存儲虛擬化技術研究[J].軟件導刊，2013

（01）：35-39.

[2] 譚生龍.存儲虛擬化技術的研究[J].微計算機應用，2010（01）：

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[3] 常征.存儲虛擬化技術的研究與比較[Z].2011年安徽省智能電網技術論壇，2011（16）：142-144.

[4] 楊照巖，滕紅麗，谷小青，等.服務器虛擬化技術在高校數據中心建設中的應用[J].農業網絡信息，2013（11）：107-109.

[5] 張慶萍.虛擬桌面基礎架構（VDI）安全研究[J].計算機安全，2011（04）：72-74.

[6] 陳靖，黃聰會，孫璐，等.應用虛擬化技術研究進展[J].空軍工程大學學報（自然科學版），2013，14（06）：53-58.

作者簡介：

何 鵬（1986-），男，碩士，助教.研究領域：計算機網絡，虛擬化方向，大數據.