VMware vSphere 5.0 儲存新功能

剛發表的vSphere 5.0，是VMware資料中心級 ESX虛擬化平臺家族的第5代產品，相較於上一個版本，VMware宣稱vSphere 5.0擁有200多項功能更新，其中在儲存部份，提供了改進的VMFS檔案系統，更方便的屬性驅動儲存（Profile-Driven storage）與Storage DRS功能，還可搭配與vSphere 5.0一同發表、用於提供共享儲存服務的vSphere Storage Appliance（VSA）套件，另外與vSphere搭配的SRM自動化災難復原管理套件，也新增了內建遠端複製功能，藉由這些改進與新增功能，可為用戶的虛擬化環境，提供擴展性更大、更彈性、管理更方便的儲存服務。

擴展性更大的VMFS-5檔案系統

VMFS檔案系統（VMware Virtual Machine File System）是VMware虛擬化平臺儲存架構的基礎，迄今共衍生了4個世代，VFMS-1是搭配ESX 1.x平臺，VFMS-2用於搭配ESX 2.x平臺，ESX 3.x與vSphere 4.x平臺都是採用VMFS-3，vSphere 5.0則搭配新的VMFS-5。

最新的VMFS-5有幾項改進：

● 更彈性的區塊（block）設定：先前的VMFS使用1MB、2MB、4MB、8MB大小的區塊，越大的檔案將對應更大的區塊，如1MB區塊只能支援最大256GB的檔案，8MB區塊則能支援2TB的檔案。VMFS-5則解除了這些限制，即使非常大的檔案，也能使用1MB區塊。

● 更大的磁碟區：先前版本VMFS支援的單一extent Volume，最大為2TB，VMFS-5則提高到64TB，可利用大於2TB的LUN來建立單一extent Volume。

● 在RDM pass-through（Physical Compatibility）模式下，允許超過60TB大小的LUN；不過非pass-through的RDM模式（Virtual Compatibility）的LUN最大仍為2TB。

● 支援GPT分割：隨著支援的磁碟區容量大幅提高，VMFS-5採用了GUID分割表藉以支援大於2TB的分割區（先前版本VMFS採用的MBR分割，有2TB容量上限）。

● 更好的小檔案支援：先前版本VMFS的子區塊（Sub-Block）為64KB，VMFS-5則改為8KB，存放小檔案時的容量效率更佳，對於大於1KB、小於8KB的檔案，只會占用8KB子區塊，不像先前版本是從64KB起跳，可節省許多空間。對於小於1KB的檔案，VMFS-5則使用metadata來描述檔案位址，不使用檔案區塊，亦可減少容量消耗。

● 可容納更多檔案：每個Volume允許存放超過10萬個檔案，較先前增加3倍（VMFS-3是30,720個）。

● 強化效能：可搭配整合在VAAI架構中的ATS（Atomic Test & Set）功能，當儲存設備支援VAAI時，可利用儲存硬體加速file locking效率。

不過VMFS-5允許的最大VMDK檔案大小仍為2TB，每臺ESXi主機允許使用的LUN也與先前同樣都是最大256個。既有VMFS-3可在線上直接升級為VMFS-5，而不會影響虛擬機器運行。

效率更高的Storage vMotion

Storage vMotion可將虛擬機器從一臺儲存設備遷移到另一臺儲存設備，而不會造成虛擬機器服務的中斷。這個功能出現的其實相當早，但最初並不是叫做Storage vMotion，而是一種升級工具，用於協助用戶將虛擬機器從ESX 2.x平臺遷移到3.0.1，也就是從VMFS-2檔案系統儲存區遷移到VMFS-3儲存區。

到了ESX 3.5時，則引進了透過快照（snapshot）輔助遷移的機制，在執行虛擬機器遷移過程中，可利用虛擬機器的快照複本來處理遷移期間的I/O，當遷移完成後，再將異動資料從快照複本，寫進搬移到新位置的虛擬機器中。

在vSphere 4.x上，Storage vMotion捨棄了利用虛擬機器快照作為中繼輔助的作法，改透過新增的異動區塊追蹤（Changed Block Tracking）功能，來記錄虛擬機器複製遷移期間的資料異動，可減少遷移後所需寫入的異動資料量。

到了最新的vSphere 5.0，Storage vMotion引進了稱為Mirror Mode的新模式，可透過鏡像複製方式，以single pass block copy一次將所有要遷移的區塊從來源端複製到目標端，可縮短遷移作業耗費時間。至於開始遷移作業後才在來源端產生的區塊異動，則利用新的鏡像驅動程式（Mirror Driver）將異動區塊從來源端同步到目標端，讓來源端與目標端在複製過程中保持一致（當來源端Guest OS要對已經被Storage vMotion複製到目標端的區塊進行寫入動作時，Mirror Driver會立即將這個寫入I/O也同步到目標端）。

除遷移程序上的改進外，vSphere 5.0的Storage vMotion還有兩項新功能，一是可以搭配擁有快照或Clone複本連結的虛擬機器運作，可同時搬移虛擬機器本體與其連結的快照／Clone；另一是可搭配針對儲存端的負載平衡功能運作，依負載情況自動在不同儲存設備間遷移虛擬機器，也就是Storage DRS（Distributed Resource Scheduler）功能。

Storage DRS自動儲存負載平衡

Storage DRS（SDRS）是vSphere 5.0平臺上基於Storage vMotion所延伸出的新功能，管理者可在一個儲存區（datastore）叢集中建立自動化的負載平衡，依照存取負荷，自動在叢集中不同儲存區之間遷移虛擬機器位置。

SDRS的儲存區叢級可混搭VMFS-3與VMFS-5的儲存區，但不能混合使用VMFS與NFS儲存區。採用的負載平衡政策基準有兩種類型，一為基於可用容量，另一為基於I/O延遲，作業模式則有自動與手動兩種。

自動模式可依叢集中各儲存區的可用空間大小或I/O延遲時間長短，自動在各儲存區之間遷移虛擬機器，讓各儲存區存取負載達到平衡，管理者亦可介入選擇虛擬機器初始放置位置；在手動模式下，SDRS則會基於負載平衡政策向管理者提出一系列虛擬機器遷移建議，管理者可從中選擇欲執行的方案。

新的VAAI架構可整合儲存硬體

VMware推出vSphere 4.1時引進了VAAI（vStorage APIs for Array Integration）架構，透過這個API可與底層儲存硬體深度整合，將部分儲存作業的執行從ESXi主機卸載到儲存設備上，從而減輕主機負擔、有效提高效能。

VAAI那時提供了3項搭配儲存硬體的加速功能：（1）用於複製整個Volume的Full Copy（或稱為Copy Offload）；（2）快速清除區塊的Block Zeroing（將區塊填入零值）；（3）讓多臺ESXi主機共享存取同一檔案、又不彼此衝突的Scalable Lock Management。

只要儲存設備支援VAAI，ESXi主機就能將前述3項功能卸載給儲存設備執行，前2項功能可改善一些牽涉到整個虛擬磁碟的複製或轉換格式的作業效率，如從既有模版創建新虛擬機器、啟用虛擬機器容錯（Fault Tolerance）功能時的虛擬磁碟格式轉換、執行Storage vMotion時的虛擬機器複製等作業的效率；最後一項功能則可利用儲存硬體來協助檔案鎖定作業，從而改善執行vMotion、創建新虛擬機器、啟動／關閉／刪除虛擬機器或快照的效率。

不過最初版本的VAAI也存在著只適用於加速區塊型儲存（FC或iSCSI）、不支援NFS類型儲存區等限制。

vSphere 5.0的VAAI則有幾項改進：

● 恢復並強化上一版曾出現、但發布時被移除的Thin Provisioning Stun功能：在儲存區啟用Thin Provisioning，可讓實體磁碟空間作邏輯上「超額」的分派（如實體只有1TB空間，但可向ESX主機分派2TB邏輯磁碟區），從而支撐更多虛擬機器運作。在Thin Provisioning機制下，分派給主機的邏輯磁碟區容量只是「假象」，等實際將資料寫入磁碟區後，才會真正占用容量。

但管理者若因Thin Provisioning帶來的「超額邏輯容量」假象，而沒注意到當實體容量耗盡時，便會造成主機當機。針對這個問題，當儲存設備支援VAAI時，便可提供以下功能：

（1）容量耗盡警示：當Thin Provisioning儲存區容量消耗達75%時，由儲存設備透過VAAI在vCenter介面發出警示，提醒管理者準備擴充容量。

（2）容量耗盡時，讓受影響虛擬機器停機：當Thin Provisioning儲存區容量消耗達100%時，儲存設備會透過VAAI通知ESXi主機，然後ESXi主機會讓那些需要超出儲存區既有容量才能運作的虛擬機器停機，待實體容量擴充後再恢復運行。至於以既有容量就能運作的虛擬主機則不受影響、可繼續運作。

（3）空間回收：當虛擬機器被刪除或遷移到其他儲存區後，ESXi主機可透過VAAI通知儲存設備，將該虛擬機器原本使用的空間重新列為可用容量，讓儲存設備可修正Thin Provisioning儲存區消耗狀態的統計，以便管理者對儲存空間使用有符合實際情況的判斷。

● 支援NAS存取加速：先前版本VAAI只支援區塊存取，vSphere 5.0的VAAI則新增針對NAS（NFS儲存區）的硬體加速，包括：

（1） Full File Clone：類似原先應用在區塊型儲存的Full Copy功能，可加速NAS儲存中的虛擬磁碟Clone作業。

（2） 原生（Native）快照支援：把建立虛擬機器快照作業卸載給儲存設備。

（3） 統計功能擴展：提供可視化的NAS的空間使用狀況統計資訊。

（4） 節省空間：先前版本在NAS上只能存放VMDK虛擬機器影像，新版本則允許在NAS上建立虛擬磁碟時，選擇Thick-Provision Lazy Zeroed與Eager Zeroed兩種較節省空間的Thin模式。

針對區塊儲存，vSphere 5.0的VAAI也新增搭配VMFS-5的ATS功能，可改善多臺主機共同存取VMFS儲存區同一檔案時的檔案鎖定作業，效率比起先前版本使用的SCSI Reservation Lock技術更好。

加入了快照合併

執行VMware的快照時，會對虛擬機器VMDK檔案建立一個基於時間點的複本，但每份快照複本都是以另外的VMDK檔案來存放異動資料（delta檔案），而不會合併到基底的虛擬機器VMDK檔案中。

隨著快照次數增加，若虛擬磁碟的寫入異動也很頻繁，快照檔案的份數與占用空間將越來越大，甚至會占滿整個VMFS或NFS磁碟區，也會影響效能。

要解決這個問題，可設法將快照保存的異動部份合併到基底的虛擬機器檔案中，但這個作業必須由專業人員進行，不僅費時費力，也不能確保成功。因此vSphere 5.0在快照功能的下拉選單中，直接提供了一個新增的快照合併（Snapshot Consolidate）功能，可將與某一虛擬機器連結的所有快照檔案，自動合併到該虛擬機器基底的VMDK檔案中，從而節省空間並改善效能。

用屬性驅動儲存來實現配置最佳化

存放虛擬機器的儲存設備類型與性能特性，對於虛擬機器執行效率有決定性的影響，但考慮到不同虛擬機器的任務差異，對儲存區需求也不同，往往必須長期調校後，才能讓個別虛擬機器與儲存設備間的搭配達到最佳化，將虛擬機器配置在適當的儲存設備上。

vSphere 5.0新增的屬性驅動儲存（Profile-Driven storage）功能，則可有效簡化前述問題（部份文件又將這個功能稱為政策驅動儲存（Policy-Driven storage）），可讓管理者在建立虛擬機器時，預先設定該虛擬機器需採用的儲存類別與需求，如延遲小於50ms、吞吐量大於100MB/s等。

接下來vSphere 5.0會透過vStorage API，識別底層各儲存設備的性能特性（需由儲存廠商透過vStorage API for storage awareness（VASA）向vSphere提供儲存設備詳細硬體資訊），然後決定虛擬機器部署位置。當儲存設備不符虛擬機器設定需求時，亦會通知管理者，以便將虛擬機器遷移到更合適的儲存區。

屬性驅動儲存功能可與Storage DRS的負載平衡功能合併使用，讓上層虛擬機器的性能需求與底層儲存設備的負載平衡達成一致，一方面可大幅縮短規畫虛擬機器部署所需的時間，另一方面也可簡化事後的性能調校工作，讓系統自動按預設政策部署與遷移虛擬機器的存放位置。

SRM災難備援內建更多功能

Site Recovery Manager（SRM）是在VMware ESX架構下，搭配儲存端（或閘道器端）遠端複製功能的一種災難備援管理工具。SRM本身是安裝在vCenter上的外掛程式，搭配儲存廠商提供的Storage Replication Adapter（SRA）軟體，便可與底層的儲存設備溝通，完成災難復原的程序。

在SRM架構中，實際負責複製資料的是底層儲存設備的遠端複製軟體，SRM則是提供一個管理介面與政策設定工具，用於設定兩站點的備援關係，以及故障失效切換的執行程序。

由於SRM的遠端資料複製作業，是透過SRA軟體驅動儲存設備的遠端複製功能來執行，因此也會被儲存設備的遠端複製功能所限制—只有在相同廠商、相同家族系列的儲存設備之間，才能執行遠端複製。

而搭配vSphere 5.0的vCenter SRM 5.0套件，則新增內建在Hypervisor中的遠端複製功能，稱為vSphere Replication，因此ESXi主機能自行執行遠端複製，無需依靠底層儲存設備，藉此也擺脫了先前版本的限制。

新版SRM的遠端複製作業，可選擇改由ESXi主機中的Hypervisor層來執行，因此無需顧慮底層儲存設備的廠牌型號，即使兩站點採用不同廠牌、等級的儲存設備，ESXi主機也照樣能執行複製。不過讓Hypervisor來執行SRM遠端複製，也有增加主機負擔、影響效能的副作用，反之將遠端複製作業交由儲存設備處理，便不會有這方面問題。

除內建複製功能外，SRM 5也新增自動化反向複製／還原功能，以及計劃內遷移功能，前者可在主站點修復後，將資料從備援站點抄寫回主站點，並讓主站點恢復服務。

後者則是把SRM當作跨站點遷移虛擬機器的工具，原本SRM是作為執行故障切換備援的工具，但利用其遠端複製機制與虛擬機器遷移、重啟等管理功能，亦能很容易地轉為遷移工具使用，把虛擬機器從本地端遷移到遠端站點上。

新增廉價共享儲存VSA

vSphere Storage Appliance（VSA）是搭配vSphere 5.0的虛擬儲存伺服器套件，可提供一種廉價的共享儲存架構。

關於VSA的進一步細節，可參考我們在517期的專文介紹。

VMware vSphere 5.0儲存新功能概覽

vSphere VAAI功能概覽

Site Recovery Manager 5的兩種版本