徹底了解虛擬環境磁碟配置的類型

虛擬機器的磁碟存取一般可分兩種方式，一為讓虛擬機器存取虛擬平臺模擬出來的虛擬磁碟，虛擬磁碟的實體是虛擬磁碟檔案（如.VMDK或.VHD）。另一為讓虛擬機器直接存取實體磁碟，也就是將儲存設備的磁碟區直接掛載給虛擬機器使用，不經由檔案系統的中介，即所謂的原生裝置（Raw Device）模式。

存取虛擬磁碟檔依虛擬化類型而異
透過檔案系統儲存虛擬機器的虛擬磁碟檔案，是最普遍的一種虛擬環境儲存模式，依虛擬平臺屬於寄居式（Hosted，需安裝在已備妥作業系統的主機上）或裸機（Bare Metal，可直接安裝在無作業系統的主機）架構，有兩種作法：

寄居式虛擬環境的磁碟存取架構
寄居式架構的虛擬平臺，必須建立在底層主機既有的作業系統上，因此虛擬機器的虛擬磁碟，也就是直接存放在底層作業系統透過檔案系統提供的儲存空間上。

這種存取設定最為簡單，也最容易理解。先準備好裝有Windows或Linux等作業系統的實體機器，然後安裝VMware Workstation、Virtual Server等寄居式架構的虛擬平臺。接下來建立虛擬機器的虛擬磁碟時，將對應的虛擬磁碟檔案（.VMDK或.VHD等），存放在底層Windows或Linux的NTFS、Ext2/3檔案系統提供的空間即可。

這種作法的問題是，虛擬機器對實體硬碟的存取動作，都須經過兩層檔案系統的控制，包括虛擬機器內Guest作業系統的檔案系統，以及底層實體電腦作業系統的檔案系統，效能相對較差。

裸機式虛擬環境的存取架構
裸機式架構的虛擬平臺無須透過既有作業系統的中介，Hypervisor可直接安裝於實體電腦上。不過由於這種架構沒有底層作業系統，因此虛擬平臺便得自己扮演作業系統的角色，以便為上層的應用提供包括硬體資源配置、協調與檔案存取管理在內的基本服務。

Hypervisor可視為一種microkernel類型的作業系統，負責執行緒管理（Thread management）、記憶體管理與內進程通訊（Inter-process communication，IPC）等核心作業，而完整作業系統所需的其他功能如驅動程式（Device Driver）或檔案管理等，則由另外搭配的User-mode Servers提供相關服務，IPC就是用於溝通這些服務。

以Xen為基礎的虛擬化平臺如Citrix Xen、Sun xVM Server與Virtual Iron、Microsoft Hyper-V等來說，是透過Domain 0（即Control Domain）中經過特別修改的作業系統，來為整個環境的虛擬機器提供檔案存取服務，只有Domain 0會存取實體磁碟，其他虛擬機器（Domain U）都是透過Hypervisor聯繫Domain 0，存取模擬出來的虛擬磁碟。

因此視Domain 0中的作業系統不同，不同虛擬平臺提供的檔案系統類型也就不同。如Sun xVM Server平臺是以Solaris 10做為Domain 0，故其提供的檔案系統就是ZFS。而採用SUSE Linux核心的Virtual Iron，其檔案系統便是一般Linux常見的Ext3、Hyper-V則是Windows標準的NTFS等。

較特別的是VMware雖可使用Ext3這種Linux標準的檔案系統，但只用於存放開機、log等系統檔案，至於用於存放虛擬磁碟檔案的磁碟區，則採用VMware專屬的檔案系統上，也就是VMware Infrastructure 3架構中的VMFS（Virtual Machine File System）。

VMFS是VMware為虛擬環境應用而設計的專屬檔案系統（VMFS格式的磁碟區不能為其他作業系統辨識），可為不同虛擬機器分別調節Volume、區塊（Block）與檔案的大小，以為虛擬機器提供最適當的I/O效能，還能讓最多32臺ESX伺服器同時存取一個VMFS Volume，效能應該會比一般作業系統的檔案系統更好。

無須中介的原生裝置存取模式
所謂原生裝置（Raw Device）存取模式，是指讓虛擬機器直接存取實體磁碟機，而不是存取虛擬平臺模擬出來的虛擬磁碟機（實際上是對應於一組特定檔案），因此存取動作不會經過作業系統或虛擬平臺的檔案系統這一層，可讓資料直接從實體磁碟到虛擬機器進行傳輸。

在這種模式下，可把後端儲存設備上指定的LUN直接掛載給前端虛擬機器使用，因此更能確保虛擬機器所享有的I/O資源，只要在儲存設備上設好特定LUN占用的傳輸通道即可。

相對於前述虛擬磁碟檔案模式，由於多個虛擬機器的虛擬磁碟檔案都存放在同一個Volume上，也就等於所有虛擬機器必須共享這個Volume的存取通道，只能由虛擬平臺來協調I/O資源的優先使用順序。所以對於存取非常頻繁的應用程式來說，Raw Device理論上可大幅提高存取效能。

理論上，透過Raw Device模式，即可讓虛擬機器直接存取實體磁碟中的資料，無須透過虛擬磁碟檔案的中介，但不同虛擬平臺的Raw Device模式又有所差異，如VMware ESX的Raw Device模式，仍須在VMFS中產生一組對應於Raw Device的映射位址與基本設定的檔案（Map file），虛擬機器必須參照這組檔案去存取對應的實體磁碟區，VMware稱這種模式為Raw Device Mapping。

而另一些虛擬平臺如Virtual Iron或Citrix XenServer的Raw Device模式，則不需要依靠這類檔案的中介，只要透過虛擬管理伺服器為虛擬機器指派存取的磁碟區即可。

兩種儲存模式的優劣

顯然的，直接存取實體磁碟的Raw Device模式，理應具有較佳的效能，但這只是純就理論上而言，實際上的存取效能，仍須視資料大小與應用程式存取行為特性而定。

從另一方面來說，效能也不是決定採用何種儲存架構的唯一考量因素，透過虛擬磁碟存取仍有許多Raw Device所不具備的優點。例如虛擬磁碟檔案的配置更為彈性，一個磁碟區即可同時存放多個虛擬磁碟檔案，而Raw Device則必須將磁碟區切割為多個LUN，分別掛載到指定的虛擬機器上，容量利用效率較差，管理者必須事先在儲存設備上，做好儲存區域的劃分，並需搭配SAN架構。

另外若採用虛擬磁碟檔案，亦便於使用虛擬平臺內建的多種管理功能，如對虛擬磁碟執行快照（Snapshot）與複製（Clone）等。

不過對於已擁有SAN儲存設備的企業用戶來說，若要在虛擬環境中充分利用SAN儲存設備內建的快照、複製等進階磁碟應用功能，則Raw Device模式就是較好的選擇，而且透過儲存設備內建功能來執行快照，對前端系統不會造成負擔。相對的由虛擬平臺執行的快照作業，就會嚴重影響頂層Guest作業系統的效能。

而從系統部署或遷移的觀點來看，當用戶打算將既有的實體機器轉換到虛擬環境時，若在儲存方面採用虛擬磁碟模式，則需透過轉換工具將原來的實體磁碟機資料轉換為虛擬磁碟格式，而這種P2V作業十分費時。若用戶擁有SAN環境，且原來的實體伺服器就是存取後端SAN儲存設備提供的磁碟空間，則此時可採用Raw Device模式，直接將SAN磁碟機指派給虛擬機器存取即可，可省下花費在P2V作業上的時間。文⊙張明德