Tìm hiểu về ảo hóa lưu trữ (Storage virtualization)

Ảo hóa lưu trữ (Storage virtualization) là việc gom nhóm nhiều thiết bị lưu trữ vật lý thành một thiết bị lưu trữ đơn hoặc một nhóm dung lượng lưu trữ khả dụng. Một trung tâm điều khiển quản lý lưu trữ này. Công nghệ này dựa trên phần mềm để xác định khả năng lưu trữ khả dụng từ các thiết bị vật lý và sau đó tổng hợp khả năng đó như một nhóm lưu trữ có thể được sử dụng bởi máy chủ kiến trúc truyền thống hoặc trong môi trường ảo bởi các máy ảo (VMs). Phần mềm lưu trữ ảo chặn các yêu cầu đầu vào/đầu ra (I/O) từ các máy vật lý hoặc máy ảo và gửi các yêu cầu đó đến vị trí vật lý phù hợp của các thiết bị lưu trữ là một phần của tổng thể nhóm lưu trữ trong môi trường ảo hóa. Đối với người dùng, các tài nguyên lưu trữ khác nhau tạo nên nhóm không thấy được, do đó lưu trữ ảo xuất hiện như một ổ đĩa, phân vùng chia sẻ hoặc số đơn vị logic (LUN) duy nhất có thể chấp nhận các yêu cầu đọc và ghi tiêu chuẩn.

Hình thức của ảo hóa lưu trữ

Một hình thức cơ bản của ảo hóa lưu trữ được biểu diễn bằng một lớp ảo hóa phần mềm giữa phần cứng của nguồn lưu trữ và một máy chủ hoặc bất kỳ thiết bị nào truy cập vào lưu trữ – điều này giúp cho các hệ điều hành (OS) và ứng dụng có thể truy cập và sử dụng lưu trữ. Ngay cả một mảng đĩa độc lập hoặc (RAID) cũng có thể được coi là một loại ảo hóa lưu trữ. Nhiều ổ đĩa vật lý trong mảng được trình bày cho người dùng như một thiết bị lưu trữ đơn duy nhất, trong khi đó, dữ liệu được chia thành các đoạn nhỏ và sao chép đến nhiều ổ đĩa khác nhau để cải thiện hiệu suất I/O và bảo vệ dữ liệu trong trường hợp một ổ đĩa đơn bị lỗi.

Loại hình ảo hóa lưu trữ: Block vs. file

Có hai phương pháp cơ bản để ảo hóa lưu trữ: dựa trên tệp hoặc dựa trên khối. Ảo hóa lưu trữ dựa trên tệp là một cách sử dụng cụ thể, áp dụng cho các hệ thống lưu trữ được kết nối mạng (NAS). Sử dụng Server Message Block trong môi trường máy chủ Windows hoặc giao thức hệ thống tệp mạng (Network File System) cho các hệ thống Linux, ảo hóa lưu trữ dựa trên tệp phá vỡ sự phụ thuộc trong một mảng NAS bình thường giữa dữ liệu được truy cập và vị trí bộ nhớ vật lý. Việc gom nhóm tài nguyên NAS làm cho việc di chuyển tệp dễ dàng hơn trong nền tảng, từ đó cải thiện hiệu suất. Thông thường, các hệ thống NAS không quá phức tạp để quản lý, nhưng ảo hóa lưu trữ đáng kể đơn giản hóa nhiệm vụ quản lý nhiều thiết bị NAS thông qua một bảng điều khiển quản lý duy nhất.

Truy cập Block hoặc truy cập Block lưu trữ

Các nguồn tài nguyên lưu trữ thông thường được truy cập thông qua mạng lưu trữ khu vực Fibre Channel (FC) hoặc Internet Small Computer System Interface (iSCSI) – thường được ảo hóa hơn là các hệ thống lưu trữ dựa trên tệp. Các hệ thống truy cập khối trừu tượng hóa lưu trữ logic, chẳng hạn như phân vùng ổ đĩa, từ các khối bộ nhớ vật lý thực tế trong thiết bị lưu trữ, chẳng hạn như đĩa cứng (HDD) hoặc thiết bị bộ nhớ rắn (SSD). Vì nó hoạt động tương tự như phần mềm ổ đĩa bản gốc, nên sẽ có ít chi phí hơn cho các quá trình đọc và ghi, do đó hệ thống lưu trữ khối sẽ hoạt động tốt hơn so với hệ thống dựa trên tệp. Hoạt động dựa trên Block cho phép phần mềm quản lý ảo hóa thu thập khả năng của các khối lưu trữ khả dụng trên tất cả các mảng ảo hóa. Nó gom chúng lại thành một nguồn tài nguyên chung để phân bổ cho bất kỳ số lượng máy ảo (VMs), máy chủ bare-metal hoặc container nào. Ảo hóa lưu trữ đặc biệt hữu ích cho lưu trữ khối. Không giống như các hệ thống NAS, việc quản lý SAN có thể mất thời gian. Tổng hợp nhiều hệ thống lưu trữ Block dưới một giao diện quản lý duy nhất thường che giấu người dùng khỏi các bước tẻ nhạt của cấu hình LUN, ví dụ như, có thể tiết kiệm thời gian đáng kể.

Phiên bản sớm nhất của ảo hóa dựa trên khối

Phiên bản sớm nhất của ảo hóa dựa trên khối là SAN Volume Controller của IBM, hiện được gọi là IBM Spectrum Virtualize. Phần mềm chạy trên thiết bị hoặc mảng lưu trữ và tạo ra một bể lưu trữ đơn lẻ bằng cách ảo hóa LUN được kết nối với các máy chủ kết nối với bộ điều khiển lưu trữ. Spectrum Virtualize cũng cho phép khách hàng phân tầng dữ liệu khối lên lưu trữ đám mây công cộng.

Một sản phẩm ảo hóa lưu trữ sớm khác

TagmaStore Universal Storage Platform của Hitachi Data Systems, hiện được gọi là Hitachi Virtual Storage Platform. Ảo hóa lưu trữ dựa trên mảng của Hitachi cho phép khách hàng tạo ra một bể lưu trữ đơn lẻ trên các mảng riêng biệt, ngay cả các mảng từ các nhà cung cấp lưu trữ hàng đầu khác.

Cách hoạt động của ảo hóa lưu trữ

Để cung cấp quyền truy cập vào dữ liệu được lưu trữ trên các thiết bị lưu trữ vật lý, phần mềm ảo hóa cần tạo ra một bản đồ bằng cách sử dụng siêu dữ liệu (metadata) hoặc trong một số trường hợp, sử dụng thuật toán để định vị động dữ liệu trực tiếp. Sau đó, phần mềm ảo hóa gián đoạn các yêu cầu đọc và ghi từ các ứng dụng. Sử dụng bản đồ đã tạo, nó có thể tìm hoặc lưu trữ dữ liệu vào thiết bị vật lý thích hợp. Quy trình này tương tự như phương pháp được sử dụng bởi hệ điều hành máy tính cá nhân khi truy xuất hoặc lưu trữ dữ liệu ứng dụng. Ảo hóa lưu trữ giấu diếm sự phức tạp thực sự của hệ thống lưu trữ, chẳng hạn như một SAN, giúp người quản trị lưu trữ thực hiện các công việc sao lưu, lưu trữ lâu dài và phục hồi dữ liệu dễ dàng hơn và nhanh chóng hơn.

Cách thức hoạt động của ảo hóa lưu trữ

Để cung cấp quyền truy cập vào dữ liệu được lưu trữ trên các thiết bị lưu trữ vật lý, phần mềm ảo hóa cần tạo bản đồ sử dụng siêu dữ liệu hoặc trong một số trường hợp sử dụng thuật toán để định vị dữ liệu trên đường truyền. Sau đó, phần mềm ảo hóa chặn các yêu cầu đọc và ghi từ các ứng dụng. Sử dụng bản đồ nó đã tạo, nó có thể tìm hoặc lưu trữ dữ liệu vào thiết bị vật lý thích hợp. Quá trình này tương tự như phương pháp được sử dụng bởi hệ điều hành PC khi lấy hoặc lưu trữ dữ liệu ứng dụng. Ẩn danh sự phức tạp thực tế của hệ thống lưu trữ, chẳng hạn như SAN, giúp quản trị viên lưu trữ thực hiện các tác vụ sao lưu, lưu trữ dữ liệu lâu dài và phục hồi một cách dễ dàng hơn và nhanh chóng hơn.

In-band và out-of-band ảo hóa

Thường có hai loại ảo hóa có thể áp dụng cho hạ tầng lưu trữ:

• Ảo hóa in-band – còn được gọi là ảo hóa đối xứng – xử lý dữ liệu đang được đọc hoặc lưu và thông tin điều khiển, chẳng hạn như chỉ thị I/O và siêu dữ liệu, trong kênh hoặc lớp giống nhau. Thiết lập này cho phép ảo hóa lưu trữ cung cấp các chức năng hoạt động và quản lý nâng cao hơn như dịch vụ bộ nhớ đệm và sao chép dữ liệu.
• Ảo hóa out-of-band – hoặc ảo hóa không đối xứng – chia các đường dẫn dữ liệu và điều khiển. Vì phần mềm ảo hóa chỉ nhìn thấy các chỉ thị điều khiển, nên các tính năng lưu trữ tiên tiến thường không khả dụng.

Phương pháp ảo hóa

Hiện nay, ảo hóa lưu trữ thường áp dụng cho khả năng tích lũy dung lượng từ nhiều thiết bị vật lý, sau đó được cung cấp để phân bổ lại trong một môi trường ảo hóa. Các phương pháp CNTT hiện đại, chẳng hạn như hạ tầng siêu hợp nhất (HCI) và containerization, tận dụng lưu trữ ảo hóa, cùng với khả năng tính toán ảo và khả năng mạng ảo hóa. Mặc dù không còn phổ biến như một phương tiện lưu trữ dành cho bản sao lưu, băng đĩa vẫn được sử dụng rộng rãi để lưu trữ dữ liệu được truy cập không thường xuyên. Dữ liệu lưu trữ thường có khối lượng lớn; băng đĩa có thể sử dụng ảo hóa lưu trữ để dễ dàng quản lý các kho dữ liệu lớn. Hệ thống tệp băng tuyến là một dạng ảo hóa băng đĩa, khiến cho băng đĩa trông giống như một thiết bị lưu trữ tệp NAS thông thường và dễ dàng tìm kiếm và khôi phục dữ liệu từ băng đĩa bằng cách sử dụng thư mục cấp file của nó. Có nhiều cách lưu trữ có thể được áp dụng vào một môi trường ảo hóa:

Lưu trữ áo trên máy chủ dựa trên phần mềm

Lưu trữ áo trên máy chủ dựa trên phần mềm và thường thấy nhất trong các hệ thống HCI và lưu trữ đám mây. Trong loại ảo hóa này, máy chủ hoặc hệ thống siêu hợp nhất được tạo thành từ nhiều máy chủ, cung cấp các ổ đĩa ảo có dung lượng khác nhau cho các máy khách, cho dù đó là các máy ảo trong một môi trường doanh nghiệp, các máy chủ vật lý hoặc máy tính để bàn truy cập vào các chia sẻ tệp hoặc lưu trữ đám mây. Tất cả các hoạt động ảo hóa và quản lý được thực hiện ở mức máy chủ thông qua phần mềm, và lưu trữ vật lý có thể là bất kỳ thiết bị hoặc mảng nào. Một số hệ điều hành máy chủ có khả năng ảo hóa được tích hợp sẵn, chẳng hạn như Windows Storage Spaces.

Phương pháp ảo hóa lưu trữ dựa trên mảng (Array-based storage virtualization)

Phương pháp ảo hóa lưu trữ dựa trên mảng (Array-based storage virtualization) thường đề cập đến phương pháp mà một mảng lưu trữ hoạt động như là bộ điều khiển lưu trữ chính và chạy phần mềm ảo hóa, cho phép nó gom nhóm các nguồn lưu trữ từ các mảng khác và trình bày các loại lưu trữ vật lý khác nhau để sử dụng như các tầng lưu trữ. Một tầng lưu trữ có thể bao gồm các ổ đĩa thể rắn (SSD) hoặc ổ đĩa cứng (HDD) trên các mảng lưu trữ ảo hóa khác nhau; vị trí vật lý và mảng cụ thể được giấu đi trước các máy chủ hoặc người dùng truy cập vào lưu trữ.

Phương pháp ảo hóa lưu trữ dựa trên mạng (Network-based storage virtualization)

Phương pháp ảo hóa lưu trữ dựa trên mạng (Network-based storage virtualization) là hình thức phổ biến nhất được doanh nghiệp sử dụng. Một thiết bị mạng, như một switch thông minh hoặc máy chủ được thiết kế đặc biệt, kết nối đến tất cả các thiết bị lưu trữ trong mạng SAN (Fibre Channel hoặc iSCSI) và trình bày lưu trữ trong mạng như một đám mây ảo duy nhất.

Lợi ích và ứng dụng của ảo hóa lưu trữ

Khi được giới thiệu lần đầu cách đây hơn hai thập kỷ, ảo hóa lưu trữ thường khó triển khai và có giới hạn áp dụng. Vì ban đầu nó là host-based, phần mềm ảo hóa lưu trữ phải được cài đặt và bảo trì trên tất cả các máy chủ cần truy cập vào các tài nguyên lưu trữ được gộp lại. Khi công nghệ tiếp tục phát triển, các tổ chức có thể triển khai nó theo nhiều cách khác nhau, làm cho nó dễ dàng triển khai trong nhiều môi trường khác nhau. Người dùng có thể chọn phương pháp ảo hóa phù hợp nhất với cơ sở hạ tầng hiện có của họ. Sự phát triển của phần mềm ảo hóa cùng với các tiêu chuẩn như Storage Management Initiative Specification đã cho phép sản phẩm ảo hóa hoạt động với nhiều loại hệ thống lưu trữ khác nhau, làm cho nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn hơn đối với các doanh nghiệp đang vật lộn với khả năng lưu trữ đang tăng lên. Một số lợi ích và ứng dụng của ảo hóa lưu trữ như sau: