系统存储服务器

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收稿日期:修返日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目!
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作者简介:刘海洋(&+)+%),男,湖北随州人,硕士研究生,主要研究方向为网络存储(,-.
/01-23452426);孟晓烜(&+7#%),男,江苏南京人,博士研究生,主要研究方向为虚拟存储;许鲁(&+$"%),男,北京人,研究员,博导,主要研究方向为操作系统、体系结构和网络存储;库依楠(&+)+%),男,宁夏银川人,工程师,硕士,主要研究方向为网络存储4基于存储和计算分离的!
"#系统!
刘海洋&,",孟晓烜&,",许!
鲁&,库依楠&(&8中国科学院计算技术研究所,北京&###7#;"8中国科学院研究生院,北京&###'+)摘!
要:介绍的9:;(9@:5A;-B@)系统,在计算资源和存储资源物理分离的基础上,根据不同应用的需求,通过在客户端提供的一种特殊硬件设备将两者动态重组以构建新的计算机系统.
这样形成的计算环境具有动态性、个性化和便于管理等特点.
关键词:网络硬盘;存储和计算分离;动态计算环境中图分类号:CD(文献标志码:E!
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文章编号:("##))9:;:F0B36F6J5KGI.
353->6MNO:5-%056K&,",PQ9RS-5>%T.
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3-6K6G@:5A;-B@)系统,在存储和计算分离的基础上,通过专用硬件设备将存储子系统与计算子系统之间的物理总线连接转换为网络交互连接,并根据不同应用的需求动态构建新的计算机系统.
由此所形成的计算环境具有动态性、个性化和易于管理等优点.
这里的动态性是指通过计算资源和存储资源的动态重组,构成新的计算机系统来满足不同应用所需要的计算环境.
个性化是指允许用户在公共计算环境中拥有属于自己定制的计算环境,并且通过用户与计算机分开管理的方式便于用户使用.
此外,9:;系统在集中存储的基础上,提供基于[6\XL>GI.
3,4"',9>4'EI-,"##)算资源都可以绑定某一个系统数据,从而构成具有特定功能的计算环境,通过分别绑定!
个不同的系统数据,就可以构成!
个不同的计算环境.
这种计算资源与系统数据之间的自由组合方式为构建动态和个性化的计算环境创造了条件.
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7N3系统的体系结构#"!
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7N3系统整体框架基于上述理论模型,#$%系统由以下五部分组成(图&):!
客户机0,*1),本地没有任何存储资源,既可以是供用户使用的个人计算机,也可以是提供某种服务的服务器;"内置客户机的嵌入式#$%卡连接客户机和网络存储设备,为每一个客户机提供虚拟磁盘空间;#存储服务器在集中的物理存储资源虚拟多个磁盘供用户使用;$管理服务器管理客户机与虚拟磁盘之间的映射关系,并提供基于2*3管理界面,方便对客户机、用户和存储资源进行管理;%高速互联网络,将上述四种功能实体紧密地连接在一起从而构成一个完整的应用系统.
概要地说,#$%系统将所有存储资源集中存储在存储服务器端并由管理服务器统一配置,通过专用#$%卡为每一台客户机提供虚拟磁盘映像.
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嵌入式7N3卡在介绍#$%卡之前,笔者首先对传统计算机系统中计算资源与存储资源之间的数据存储通路进行分析.
如图4所示,在这条数据通路中,主机处理器和存储设备分别处于存储通路的两端,相当于通信系统中的信源和信宿,而位于两者之间的系统软件层、适配器层和存储设备控制器层相当于通信系统中的信道.
通过对该信道中某一层次的层间接口进行功能模拟,就可以获取对数据的控制权.
功能模拟越靠近处理器端,对数据的控制能力越强,功能实现越灵活,但对系统软件依赖性也就越强;相反,越靠近存储设备端,通用性和兼容性越好,对系统软件依赖性也就越弱.
如果在系统软件或适配器层进行功能模拟,需要系统软件提供支持,而目前除了5)+06,大多数主流操作系统的源码是不公开的.
出于对通用性和兼容性的考虑,#$%系统选择在存储设备控制器层进行功能模拟.
基于上述分析,#$%卡从功能的角度可以分为三个部分,即前端功能模拟接口、后端功能模拟接口和动态连接支持模块,如图7所示.
前端功能模拟接口对数据存储通路上存储设备控制器的时序逻辑进行模拟,从而为适配器层提供标准的存储设备数据访问接口.
通过对目前各种主流存储设备控制器的接口进行比较,#$%系统选择8%9磁盘控制器接口,其主要优点在于硬件和软件两方面都可以获得广泛支持,而且它还是绝大多数计算机主板支持的启动设备类型.
后端功能模拟接口通过网络来访问实际的物理存储设备.
显然这需要某种数据传输协议来实现两者之间的数据通信.
在#$%系统中采用基于:';'>8),它所带来的协议开销更小,且由于实现简单而具有更好的可移植性.
动态连接支持模块一方面连接前存储服务器的公共虚拟启动盘(客户端系统登录程序)建立#=%连接.
(&)客户机运行客户端系统登录程序,等待用户输入登录信息并通过#$%卡将用户输入的信息发送至管理服务器,由后者进行验证.
(4)若合法,管理服务器将返回与用户相关的配置信息;#$%卡根据配置信息与存储设备上该用户所对应的虚拟磁盘建立新的#=%连接.
(7)启动虚拟磁盘映像上的系统数据(操作系统).
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存储服务器#$%系统中的存储管理采用虚拟共享卷管理技术[&],其在卷管理方面的功能与5CD类似.
将给定物理存储资源划分为多个虚拟存储设备(即虚拟磁盘),然后通过#=%服务提供给客户机使用.
下面简要介绍一下存储服务器的工作原理.
当从管理服务器接收到配置命令后,存储服务器根据配置要求创建相应的虚拟磁盘.
为了有效利用物理存储资源,#$%系统预先为每种主流操作系统创建相应的虚拟磁盘,这里称之为服务模板.
当用户需要基于某种E>的系统数据时,存储服务器则在相应的服务模板之上创建快照,从而快速克隆出这个E>映像.
如图F所示,刚开始,快照B和快照&的虚拟设备块G和3分别指向服务模板的虚拟设备块G和3对应的物理设备块%和H.
当对快照B的虚拟设备块G进行读操作时,实际上读取的是服务模板虚拟设备块G所对应的物理设备块%;当对快照&的虚拟设备块G进行写操作时,存储服务器为该虚拟块分配新的物理块9并将数据写入该物理块.
在一次快照的基础上,#$%系统还支持将已有的快照作为新的服务模板,并在其上创建新的快照,这就是所谓的复合快照技术.
此外,为了支持多个不同虚拟设备之间在读操作时共享高速缓存,#$%系统同时采用了共享缓存技术.
采用复合快照和共享缓存技术可以有效改善共享物理存·&I·计算机应用研究!
&JJK年储的多个逻辑卷的并发读操作性能[!
].
在实际应用中,大部分用户的系统数据是类似的且系统在启动过程中大约"#$是读操作.
因此,理论上%&'系统部署多台客户机的时间接近于一台客户机部署的时间.
#(%)管理服务器管理服务器根据不同应用的具体需求,通过相应的配置信息(时间或用户信息)来管理%&'卡与虚拟存储设备之间的映射关系.
此外它还提供基于*+,方式的管理界面,其主要功能包括:用户管理、客户机管理、存储管理、计算环境预约、系统配置和维护等.
(-)用户管理可以动态添加和删除用户信息,为新加用户分配存储资源,并映射到相应的服务模板.
(!
)客户机管理跟踪每台客户机的内置%&'卡状态,它可以动态启停任意指定客户机的%&'卡服务功能,并提供日志记录以便管理员查询.
相对于传统的用户与客户机绑定的方式,用户和客户机分开管理不仅提高资源的利用率,而且方便用户对计算机环境的使用.
(.
)存储管理可以动态地创建或删除位于存储服务器上的服务模板和虚拟磁盘,同时对多个存储服务器进行管理,监控每个存储服务器的网络流量、内存使用率和/01负载等.
(2)预约功能实际上是基于时间来重构计算环境,通过动态改变客户机与系统数据之间的绑定关系.
%&'系统可以在规定的时间段提供所需要的计算环境.
%&'系统通过对存储资源的集中管理和计算环境的动态重构来简化对每一台客户机的维护并使得数据备份和恢复易于实现,大大降低了管理计算机系统的复杂性.
$)7N3系统的实际应用及特点以%&'系统在某财经大学的教师办公环境和多媒体教学实际运行情况为例,说明该系统的特点.
教师办公机房和多媒体教室都是采用传统的内置磁盘台式机,并通过局域网互连起来.
这种使用方式在早期基本能满足教师办公和授课的需要.
但随着计算机数量的增加,在灵活性、可用性和管理性等方面出现一些问题.
采用%&'系统有效地解决了上述问题.
管理员根据每个教师需要分配一个或多个虚拟硬盘并映射到相应的服务模板.
教师与客户机是分开管理的教师在%&'系统内任一台客户机上访问自己的系统数据和用户数据,如先在办公机房某台客户机上备课,然后切换到多媒体教室的客户机上直接使用.
此外,管理员通过集中管理界面来管理用户、客户机和存储资源,不需要单独维护每一台客户机.
相比原来的管理方式,不仅提高了工作效率,而且也方便了教师对计算机系统的使用.
在实际应用中,笔者分别对单台客户机和多台客户机启动时间进行测试,表-给出了测试结果.
测试服务模板为*3456789!
###0:7;+993743:797;@A;;3+、B:7,N内存,%&'卡主要配置为O.
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M##N-JJ>&L和P>N内存,存储服务器主要配置为G4@+=Q+74/01!
(PK&L、-KN内存、B:+,D9以太网.
表-)%&'系统单台和多台客户机启动测试结果同时启动平均启动时间(9)-台客户机S-2.
台客户机--.
))可见,%&'系统部署多台客户机的时间接近于一台客户机部署时间,基本上满足实际应用中对大规模系统部署用时的要求.
%)相关研究现有相关系统大多采用资源集中管理的方式来降低计算机系统的管理成本.
网络计算机采用集中存储、集中计算的模式以充分利用服务器的强大处理能力;无盘工作站将程序从远程服务器下载到本地运行,从而在使用本地计算能力的同时共享服务器上的存储资源;/=+<:/H,+公司的0/N=<6+系统[2]将0/做成了刀片形状并集中到数据中心统一管理,其中每个刀片均配有独立的本地磁盘,其上存储系统数据和用户数据,并通过网络连接到用户桌面;&0的//G系统[M]在0/N=<6+系统基础上进一步将用户数据从计算机系统分离出来集中存储.
从资源分离和绑定的方式上看,在网络计算机和0/N=<6+系统中,计算资源与存储资源仍然是物理紧耦合的;无盘工作站虽然实现了计算资源与存储资源的物理分离,但两者在逻辑上仍是静态绑定的;//G系统将用户数据分离出来集中管理,但其计算资源与系统数据还是绑定在一块的.
本质上说,这些系统主要是为了解决目前计算环境所面临的可管理性问题,因此它们在动态性和可用性等方面仍有诸多不足.
而%&'系统彻底实现了计算资源与存储资源的分离,并能根据不同应用的需求将两者动态绑定以构成所需的计算环境,具有较强的灵活性.
&)结束语针对传统计算机系统在上述应用场合所面临的问题,本文给出了一种新的解决方案———%&'系统;依次介绍了该系统所基于的理论模型、系统各组成部分的功能以及实际运行情况;最后将%&'系统与其他相关系统进行对比分析.
其最重要的特点在于能够提供动态和个性化的计算环境,并且该系统在集中存储的基础上,通过基于*+,方式的管理界面有效地降低了管理计算机系统的复杂性.
%&'系统所提供的虚拟磁盘与本地真正物理磁盘相比,在GTA性能方面还存在一定的差距.
此外,该系统通过网络连接各组成部件,因此对网络有很大的依赖性.
未来研究工作将主要集中在优化嵌入式%&'卡的GTA性能和提高承载网络的容错能力,并挖掘新的计算环境重构方式以应对未来应用的新需求.
参考文献:[-]马一力,傅湘林,韩小明,等U存储和计算的分离[V]U计算机研究与发展,!
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]刘振军,许鲁,尹洋U蓝鲸O74'动态服务部署系统[V]U计算机学报,!
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S·第2期刘海洋等:基于存储和计算分离的%&'系统)))