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软件定义存储
软件定义存储
提纲：
1.何为软件定义及软件定义存储（SDS）
1）何为软件定义
2）何为软件定义存储
2.存储系统面临的问题
1）存储介质
2）存储技术的问题
3.SDS因何而生
1）五大技术推动SDS发展
2）SDS发展历程
3）厂商对SDS概念的理解
4.SDS的进化
1）SDS和传统存储结构的区别
2）SDS和存储虚拟化的区别
5.展望SDS的未来
1）SDS对中国存储厂商来说意味着什么
2）用户应当如何看待SDS
3）SDS的下一步发展方向
软件定义存储
作者：
河南省广电局信息网络视听节目传播监管中心黄鑫
摘要：
虚拟化、云计算、大数据的出现，正在促使着整个世界发生意义深远的巨大改变。
而这些新的改变对企业的IT架构提出了新的挑战，企业需要建立更具柔性和智能的IT体系来因对这些挑战。
2013年，我们经历了一个软件定义年，各大厂商仿佛在同一时间把注意力都集中到了软件定义四个字上来，各种软件定义产品层出不穷。
我们最常听到的恐怕就是软件定义数据中心（SDDC）、软件定义网络（SDN）和软件定义存储（SDS）了。
软件定义存储作为软件定义数据中心的核心，为数据中心以应用为核心的数据服务提供动态的存储资源。
2014注定将是软件定义存储蓬勃发展的一年，让我们一起来深入了解一下SDS这个概念。
关键词：
软件定义；软件定义存储；存储虚拟化
一、何为软件定义及软件定义存储（SDS）
1.1何为软件定义？
“软件定义”一词现在正在被广泛应用：
网络，存储还有数据中心都可看见它的身影。
硬件定义对象就如同字面的意义一样，一旦布线或者建立，便始终如一。
但是，时下的环境渴望在较低静态环境中的灵活性。
“软件定义”刚好同“硬件定义”相反，它允许重新配置软件，而不需要实际移动线路或者设备。
可以理解为覆盖在硬件抽象层之上的虚拟化（软件）层。
当然，软件定义的前提，是虚拟化。
基于软件的虚拟化服务将创建一个可以动态地被定义并能够适应不断变化的业务需求的基础设施，比基于必须被独立管理的物理系统的基础设施更快。
不论物理基础设施的组成及地点如何，都能够配置最优化的逻辑服务。
1.2何为软件定义存储？
理解了软件定义的意思，那么软件定义存储就较为容易理解了。
软件定义存储（Software-DefinedStorage，SDS）是一种数据存储方式，所有存储相关的控制工作都放置在相对于物理存储硬件的外部软件中。
这个软件不是作为存储设备中的固件，而是在一个服务器上或者作为操作系统或Hypervisor的一部分。
简单说来，软件定义存储就是在任何存储上运行的应用都能够在用户定义的策略的驱动下自动工作。
软件定义存储将存储服务从存储系统中抽象出来，且可同时向机械硬盘及固态硬盘提供存储服务。
软件定义存储应该具有以下特性：
数据定义存储软件应当独立于硬件之外，不依赖特定的hypervisor，并支持大规模的横向扩展。
软件定义存储所提供的东西与计算机和网络虚拟化所提供的东西相同：
增减资源和按需供应的能力。
现在，很多数据中心在设计时都会准备超过规定量的存储，因为管理者或者用户都不希望发生存储资源耗尽的情况。
即使使用逻辑卷，存储资源的耗尽也会引发问题。
网络虚拟化允许您将所有网络管道都收集起来，成为一个大的管道，然后根据需要重新部署。
只要不超过总体带宽，那么您可以增加任何管道的带宽；CPU虚拟化也具有相同功能，您可以收集单个服务器上的所有计算能力，然后根据需要重新部署。
只要不超过总体计算能力，您就可以享受到最大限度的灵活性；软件定义存储更是如此，把所有的存储资源收集起来，成为一个大的存储池，通过软件定义对存储资源进行优化和管理。
只要不超过总的存储容量，您就可以享受到最自由的存储空间。
二、存储系统面临的问题
随着数据中心对存储系统容量和性能需求的不断增加，不论是存储介质，还是存储技术本身都出现了瓶颈的问题。
这使得扩展更大的存储容量或者提升更高存储性能带来的成本增加将无法控制在较合理的水平。
2.1存储介质
从存储介质方面来说，数据中心最常用的存储介质除了机械硬盘就是闪存盘了。
他们都存在着各种各样的优点和不足，IT数据中心建设如何在容量，性能，可靠性和成本方面进行选择，这是一个问题。
我们先来说说硬盘（HardDiskDrive，HDD）。
在闪存崛起之前，存储的容量和性能需求都由硬盘来满足，当然这也是所有硬盘供应商喜闻乐见的局面。
不过，硬盘在容量和性能方面无法兼顾，总要有所侧重。
影响硬盘性能的最重要特性就是平均访问时间，如何缩短平均访问时间是过去所有硬盘厂商需要面对的问题，于是出现了增加主轴转速，增加面密度减小盘片尺寸和优化存储结构等等方法。
对现代硬盘来说，这个平均访问时间，大致在5ms-20ms（毫秒）之间。
硬盘面密度每提高一倍，对顺序访问性能的帮助只有20%-40%（通常在30%以内）。
而硬盘的物理机械结构决定了转速还是面密度都是不能无限制增加的。
不论是减小盘片尺寸，还是只使用部分容量，本质都是牺牲容量换取性能。
而实际上这些方法对于性能的提升都是很有限的。
不光硬盘性能的提升变得越来越困难，硬盘容量的提升也存在问题。
提升硬盘容量的方向，在尺寸不变的情况下，厂商们采用了提升盘面密度压缩磁道的间距和增加盘片数量的方法。
提升盘面密度的关键技术，磁盘垂直磁记录（PerpendicularMagneticRecording，PMR）技术的接班者热辅助磁记录（Heat-AssistedMagneticRecording，HAMR）技术迟迟未能投入量产，磁记录技术的发展出现断层。
可是用户对容量的需求从未停止脚步，于是厂商们只能用增加盘片数量的手段去解决这个问题。
在3.5英寸硬盘的2.54cm的厚度中加入5张甚至更多的盘片。
可盘片的增加又带来了能耗和散热的问题。
迄今为止，硬盘厂商们仍然没有很好的解决机械硬盘的容量和性能的矛盾，这也导致了闪存的大行其道。
再来说说闪存（Flash Memory，Flash）。
闪存相对于机械硬盘来说具有：
随机访问性能高，延迟短，能耗低，无运动部件，可靠性好，体积小，不宜震动损坏等优点。
硬盘驱动器虽然通常有多个磁头，但同一时刻只有一个工作，移动到位速度又以毫秒（ms）计，随机访问能力不如闪存是情理之中。
NAND闪存是电子器件，延迟以微秒（μs）计，比硬盘低三个数量级，很容易做成芯片级的并行——换言之，多个NAND芯片在控制器的组织下构成的固态盘，逻辑上相当于小型磁盘阵列。
因此，与硬盘相比，固态盘的随机访问能力尤其出色，主要以带宽衡量的顺序访问能力也有明显优势。
闪存分为SLC、MLC（eMLC）、TLC三类，它们的性能、寿命、价格依次降低，容量依次增大。
相比机械硬盘来说，他们还有一个共同点：
贵！
不得不提的固态硬盘（SolidStateDisk，SSD）。
固态硬盘用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，由控制单元和存储单元（FLASH芯片、DRAM芯片）组成。
机械硬盘的随机访问性能主要取决于机械部件的运动速度，因而提升转速或命令排队只能将IOPS性能增加一倍多，但也仅止于此。
而6Gb/s接口的SSD硬盘，随机（4KB）的IOPS也是顶级15000转硬盘的百倍以上，即使在SSD相对较弱的随机写方面，IOPS也有近60倍的差距。
在顺序读写方面，SSD几乎能占满整个6Gb/s的带宽。
而以高性能低延时著称的PCIeSSD，IOPS性能几乎是15000转机械硬盘的1000倍，相差3个数量级。
当然SSD也有一些缺点。
成本：
SSD的价格很高，比较昂贵，不是所有人都愿意支付这笔额外的钱，机械硬盘的价格大约是15-20美分/GB，而SSD固态硬盘的价格大约是1美元/GB。
跟很多年前相比，SSD固态硬盘现在的价格已经相对便宜（几美元每GB），然而我们不能忽略的是，这个价格差异仍然存在。
容量:
2.5寸SSD通常存储容量只有256GB左右。
当然了，这并不是说大容量的SSD固态硬盘不存在，而是太过昂贵，而且仅仅只在存储上面就有如此大的成本，不符合制造商对产品的成本的整体规划和控制。
数据中心如果采用纯SSD存储，那么成本将会增加几倍，这显然是无法接受的。
而2.5英寸的HDD机械硬盘的存储容量可以达到1TB（1，024GB），这个差距是巨大的，显而易见。
由此我们可以看到，在存储介质中，机械硬盘虽然存储容量大，但面临转速无法无限制提升，标准尺寸、功耗和散热也受到限制，出现了性能瓶颈；闪存盘和固态硬盘虽然性能优于机械硬盘很多，但面临成本高昂，容量无法和机械硬盘相比，投资成本难以收回的困难。
存储介质的提升已经快达到极限，于是IT工程师们开始在存储技术中寻求突破，可不幸的是，最常用的几种存储技术也同样存在瓶颈。
2.2存储技术的问题
一个数据中心，光有存储介质肯定是不够的，还需要存储技术把整个存储结构系统化。
我们经常见到的存储技术有：
磁盘簇，磁盘阵列和存储虚拟化。
磁盘簇（JustBundleOfDisks，JBOD）：
JBOD是存储领域中一类重要的存储设备，它是在一个底板上安装的带有多个磁盘驱动器的存储设备，通常又称为Span。
和RAID阵列不同，JBOD没有前端逻辑来管理磁盘上的数据分布，相反，每个磁盘进行单独寻址，作为分开的存储资源，或者基于主机软件的一部分，或者是RAID组的一个适配器卡。
JBOD不是标准的RAID级别。
JBOD与RAID阵列相比较的优势在于它的低成本，可以将多个磁盘合并到共享电源和风扇的盒子里。
市场上常见的JBOD经常安装在19英寸的机柜中，因此提供了一种经济的节省空间的配置存储方式。
随着更高容量的磁盘驱动器投入市场，采用具有几个TB的磁盘建立JBOD配置成为可能。
在JBOD的使用过程中，最主要的问题是JBOD在单独的磁盘出现故障的恢复能力，如果没有恰当的迂回能力，那么一个驱动器的故障就可能导致整个JBOD的失效。
JBOD这种“硬聚合”方式只是“简单粗暴”地把存储设备（如硬盘）及访问通路物理地捆绑在一起，在服务器端看来，仍然是一个个分散的个体，无法形成统一的存储池。
可靠性
控制器
智能功能
成本
JBOD
较低
无
无
低
RAID
较高
有
有
高
JBOD与RAID比较列表
磁盘阵列（RedundantArraysofInexpensiveDisks，RAID）：
RAID的原理是利用数组方式来作磁盘组，配合数据分散排列的设计，提升数据的安全性。
磁盘阵列是由很多价格较便宜的磁盘，组合成一个容量巨大的磁盘组，利用个别磁盘提供数据所产生加成效果提升整个磁盘系统效能。
利用这项技术，将数据切割成许多区段，分别存放在各个硬盘上。
通过把数据放在多个硬盘上，输入输出操作能以平衡的方式交叠，改良性能。
磁盘阵列还能利用同位检查（ParityCheck）的观念，在数组中任一颗硬盘故障时，仍可读出数据，在数据重构时，将数据经计算后重新置入新硬盘中。
常用的RAID规范有RAID0，RAID1，RAID5，RAID01/10等。
其中RAID5在数据中心被广泛采用。
RAID虽然有着传输速率高，有容错功能的优点，但是重建太慢和缺乏移动性也使得RAID系统在使用时面临诸多限制。
比如RAID5只能承受1个硬盘故障，冗余度不够高。
如果在RAID组重建期间，又有其他的硬盘故障，就会导致数据丢失。
当RAID组中有一个硬盘故障，需要在另一个新硬盘上重建数据时，原先硬盘上的逻辑结构需要在后来硬盘上重新建立。
以至少2TB的大容量硬盘而言，完全写满一次，所需时间也要以小时计，何况重建过程需要从RAID组的所有其他成员（硬盘）上读取数据。
这样一来，RAID组在没有数据访问的情况下，重建一个2TB硬盘也得20个小时；如果有繁重的数据访问压力，重建时间更要以天计。
在这个过程中，其他成员处于超负荷工作状态，整个RAID组的性能下降，硬盘很容易相继发生故障。
显然RAID组的规模越大，里面的成员越多，一个硬盘故障时，受到影响的硬盘就越多，扩大性能下降、数据丢失的范围。
传统的RAID实现了基本物理存储设备的抽象，但是物理和逻辑捆绑在一起的做法缺乏灵活性，带来很多弊端，扩展、性能、可用性都有问题。
由于RAID的扩展性根本不能满足互联网应用对规模的要求，所以，在传统企业级存储市场存储虚拟化作为RAID的替代手段出现了。
存储虚拟化（StorageVirtualization）：
存储虚拟化最通俗的理解就是对存储硬件资源进行抽象化表现。
通过将一个（或多个）目标（Target）服务或功能与其它附加的功能集成，统一提供有用的全面功能服务。
典型的虚拟化包括如下一些情况：
屏蔽系统的复杂性，增加或集成新的功能，仿真、整合或分解现有的服务功能等。
虚拟化是作用在一个或者多个实体上的，而这些实体则是用来提供存储资源或/及服务的。
存储系统必须在能力和性能上直线升级，将问题推给硬件系统并不是解决办法，存储虚拟化需要全新的软件方式来平衡扩容体系架构来实现数以千兆的数据传输和存储。
一般而言，存储虚拟化的实现方式分为三种：
交换架构虚拟化，磁盘阵列虚拟化，以及整合到应用设备内的虚拟化。
存储虚拟化解决方案比较知名的有：
IBM的SVC（IBMSANVolumeController），HDS的TagmaStore通用存储平台（USP），EMC公司新发布的Invista网络存储虚拟解决方案等。
存储虚拟化的初衷主要是想解决存储系统扩展能力不足的问题，以构建跨存储系统的存储池，从而摆脱对特定硬件的依赖。
而处于竞争关系的存储厂商不愿开放API使得存储虚拟化的初衷无法得以实现。
至此，我们会发现，不论存储介质还是存储技术都存在着各方面的诸多限制。
它们越来越无法满足互联网数据中心的发展需要。
存储硬件在整个存储系统中的作用非常重要，关系到整个存储性能以及稳定性，但是当存储硬件发展到一定程度后，再想利用硬件来提升存储的性能已经很难了。
这个时候就需要提升软件的可操性来提升整体系统的性能。
一种更为自由的存储方式呼之欲出，正是逐渐热火的软件定义存储。
三、SDS因何而生
3.1五大动力推动SDS技术发展
数据爆发式增长的推动
首先，正在以惊人速度增长的数据量是软件定义存储技术发展的源动力。
不断增长的数据量必然带来庞大的存储需求，根据IDC的研究，全球每年创建的数字信息量从2010年到2020年将增长50倍，达到40，000艾字节（40万亿GB）。
今天更重要的，是利用先进的BI工具和大数据技术处理和分析这些数据的需求。
数据在数据中心中被管理的方式，移动性和社交媒体也发挥了巨大的作用。
无处不在的互联网的出现，导致了应用程序的指数增长。
新的应用程序对计算能力的要求不断增加，IT企业不得不追求他们的稳健、安全、动态的数据中心。
这些应用程序的托管是在可用的数据中心空间，同样地上市时间是成功的关键，不像传统的企业应用程序。
新型的以互联网为中心的企业正在寻找动态横向扩展的数据中心资源和更快的上市时间，作为他们的成功、生存和增长的关键。
IT基础设施结构的变化
在硬件的更新、优化和整合的带动下，IT基础设施市场经历了翻天覆地的变化，服务提供商发起的建立新的数据中心浪潮为市场带来了推动力，包括大数据、云计算、社会化和移动性都是推动基础设施市场增长的重要力量。
随着新技术的出现和不断变化的业务预期，IT支出增加以确保组织IT的扩展、敏捷和效率。
影响数据中心市场的另一个因素是不断变化的监管要求，主要是在电信、银行、金融服务及保险和政府等行业。
数据中心管理运营的动态性需要
市场波动及灾害频发的环境中更好的业务连续性的需要，迫使CIO们重新审视他们的灾难恢复和业务连续性计划。
他们花费更大的代价使他们的数据中心更有弹性和健壮性，从而改变它们是被管理的动态性。
随着商业前景变得不稳定，CIO的目标是让他们的数据中心更加动态。
越来越多的CIO要求灵活性，在服务器或网格之间移动工作负载，以实现优化与整合。
此外，他们需要IT资源能够快速扩展，以满足不断变化的业务场景的需求，并确保这些资源对于业务始终可用。
这种情况给他们带来很大的压力，所以，必须使数据中心运营更加的动态。
接入设备的增多
新的战略如BYOD（携带自己的设备）、企业社交以及越来越多的面向互联网的企业，导致的都是越来越多的设备连接。
一批新的输入设备，如平板电脑和智能手机，将迫使数据中心开始大量的IT技术投资，不仅提供所需的集成，还要应对涉及到管理、监测和安全的挑战。
两大颠覆性技术的推动
影响未来数据中心的两个颠覆性技术是虚拟化和云计算。
虚拟化是对数据中心的优化和效率提升，包括产能的利用率提升和功耗的降低。
云是虚拟化技术的拓展，它出现正在改变着数据中心的定义。
这些技术的采用是数据中心提供商业务增长的主要驱动力。
虽然云计算的推广和应用相对较慢，但企业将利用多种云环境是一个现实。
这基本上意味着开放的和基于标准的云际连接器的出现：
软件定义网络（SDN）。
SDN是高度可编程和可扩展的网络结构，可以动态地满足应用程序的实时需求，实时是另一种将重新定义数据中心的未来的技术。
在全球范围内，SDN市场规模预计将从2012年的1.98亿美元，增长至2017年的21亿美元。
但现在，这个概念仍处于起步阶段。
从SDN收益的势头，重点将逐渐转移到软件定义数据中心（SDDC）和软件定义存储（SDS）上来。
SDDC结合云计算和SDN技术成为一个可管理的实体。
SDDC也有可能创建覆盖数据中心设备的虚拟化融合，允许服务器与存储和网络无缝互操作。
SDS允许在主机环境中创建一个抽象层来屏蔽存储管理复杂性，无论是单一的存储或在存储虚拟化环境中。
虚拟化和云计算将会最终推动软件定义存储的发展，这几乎已经成为了必然的行业趋势。
3.2SDS发展历程
略滞后于服务器市场，存储市场也迎来了从纵向扩展（Scale-up）向横向扩展（Scale-out）的转变，x86架构则迅速成为主流。
被惠普公司收购了的3PAR成功进入长期由EMC、HDS、IBM三巨头把持的高端存储系统市场。
软件定义存储作为一个明确的概念，在2012年随着VMware的软件定义数据中心战略而被提出。
随后在2013年5月召开的EMCWorld2013大会上，EMC将软件定义存储作为主题，并借用软件定义网络的概念诠释了第一个冠以软件定义存储名号的产品——ViPR。
软件定义存储，正式登上舞台。
从VMware斥资12亿美元收购Nicira开始，软件定义存储在业内迅速蹿红；EMC对外发布软件定义存储战略；Fusion-io不断向软件定义存储倾斜，通过收购SCST的开发者ID7，推行软件定义存储策略；NetApp将DataONTAP视为自己“软件定义存储”战略的核心，在应用上提供自我服务、虚拟化存储服务以及集群模式的存储系统……存储行业在软件定义存储领域的瓜分才刚刚开始。
现在很多主流厂商，甚至一些初创厂商，都能够提供软件定义存储。
ZFS软件堆栈是目前比较流行的软件定义存储的选项，其他的还包括商业化软件堆栈Nexenta等。
一些专有的软件定义存储软件也出现了，包括GreenBytes以及被VMware收购的Virsto。
传统的IT厂商也出售软件定义存储产品多年，包括IBM的SVC、NetApp的dataONTAP操作系统、惠普之前的Leftland系列，也就是现在StoreVirtualVSA。
目前市面上比较有名的SDS相关产品有EMCVIPR，HPVSA，VMWAREvSAN，MicosoftStorageSpaces，IBMStorwize，NetAppDataONTAP和NutanixNX-系列。
虽然厂商把这些产品都定义为SDS产品，但在设计理念和厂商对SDS概念的理解方面还是各有独到之处。
3.3厂商对SDS概念的理解
存储厂商对软件定义的存储的一个共识是：
随着硬件技术的发展和开发门槛逐步降低，未来存储厂商之间比拼的不再是硬件，也不会刻意比较各自存储硬件的扩展性和架构，而是更多在存储软件层面进行竞争，将越来越多的资源投入到软件开发中。
EMC表示，随着软件定义存储定义逐渐明晰，那就意味着存储厂商们必须将存储政策管理与硬件脱离开来，考虑到客户对不同存储环境的需求，让客户们能够随意在所有平台而不仅仅是某一款阵列上添加新的存储功能，保证存储软件能够支持和利用所有存储硬件的各种特性。
NetApp大中华区总裁陈文俊认为，很多厂商在谈论的软件定义存储更像是一个管理层，而根据NetApp对SDS的定义和实践，SDS对用户来说应该是可交付的，可管理的。
软件定义存储就是用软件和应用定义如何保护数据、分配数据、开关设备、使用属性等，最终结果是可以在不同类型存储上甚至是在纯软件环境中运行。
Fusion-io则认为，软件定义存储是全闪存阵列的DIY时代，Fusion-io将软件定义的存储定位为能够提供高IOPS和低延迟，除了基本的RAID级别和同步复制HA之外几乎没有更多的传统存储高级软件功能。
IBM系统与科技部中低端磁盘产品全球副总裁JeffBarber表示，IBM凭借对“软件定义存储”的深入理解，提出了分三步走的路线图。
第一步即“软件定义存储”1.0，指存储的虚拟化和优化，提供存储虚拟化功能，并针对工作负载进行优化。
JeffBarber说，现有的IBMStorwize家族已经实现了“软件定义存储”1.0，Storwize家族自2003年诞生以来就支持虚拟化，现已支持超过150个异构磁盘阵列。
与此同时，IBMStorwize家族凭借自动精简配置、EasyTier自动分层功能、实时压缩、图形化管理界面等存储功能不断优化存储系统性能和效率，以满足企业日益复杂的存储需求。
第二步即“软件定义存储”2.0，实现开放、可延展性及行业导向，提供开放的存储平台和API——StorwizePlatform，同时集成行业导向的创新技术。
Storwize家族通过开放的API实现应用对存储的跨平台管理，通过运行在服务器中的XSF（存储软件开发包），实现应用对存储的跨平台开放管理；通过使应用直接运行在Storwize平台，实现应用对存储的跨平台开放管理。
与此同时，Storwize家族通过与ISV的紧密合作不断增加行业导向的应用，利用开放的API来管理存储，从而实现Storwize平台的延展。
第三步即“软件定义存储”3.0，实现开放、分析及应用驱动，提供受保护的单一数据池和分析增强的存储策略，数据恢复简单且及时，通过智能分析挖掘数据价值，将应用移向数据而非将数据移向应用。
在未来，IBMStorwize家族将提供更加开放的API，通过智能驱动的数据管理完全实现应用对存储资源的动态分配和管理。
HP亚太和日本地区存储产品部首席技术专家PaulHaverfield表示，惠普的大数据存储把对象存储与文件存储和块数据存储集成在一个统一的平台之上，并且能够实现快速的数据搜索或查询，帮助客户获得所需的数据价值。
作为惠普融合存储的一部分，HPStoreVirtual软件定义的存储产品已经在客户中得到了部署。
从惠普自身的情况看，在未来3～5年内，软件定义的存储将占存储总额的80%，剩下的20%则属于传统的高端存储。
目前，软件定义的存储还不能承载那些对处理性能有极高要求的工作负载，比如在线交易等。
不过，这部分需求只是金字塔塔尖的那一小部分。
从这个角度分析，软件定义的存储还不能完全替代传统的硬件存储。
华为存储产品线市场部部长经宁认为，所谓的软件定义的存储，就是以软件的手段更灵活地实现存储资源的按需分配，无论是接口、容量还是性能，通过软件对既有的外置硬件存储的整合，软件和硬件分离的外置存储，或是基于虚拟机环境下的计算、存储一体化的形态。
浪潮系统软件总监张东认为，计算能力
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