儲存技術發展新浪潮：「軟體化」儲存設備

企業儲存設備的發展正處於一個新的轉型期。

過去，為了解決內接式磁碟設備擴充性有限的問題，出現了專門用於提供儲存空間的外接式儲存設備；而為克服直接連接式（DAS）架構造成的管理不便與空間利用率不佳的問題，於是便出現了透過儲存區域網路（SAN）的共享儲存架構；後來又為了擺脫底層軟硬體架構的約束，獲得更靈活的儲存資源運用能力，儲存虛擬化技術也隨之而起。時至今日，儲存技術的發展又出現一波「軟體化」新浪潮。

「軟體化」的儲存設備
隨著x86架構處理器在儲存設備中的普及，儲存設備與伺服器在硬體核心上的區別也日漸模糊。面對儲存設備與伺服器硬體核心漸趨一致的趨勢，一個顯而易見的想法便是——能在x86架構上執行的儲存設備軟體，也能很容易地移植到x86架構伺服器上執行，那何不將儲存設備的軟體獨立出來，如此便能擺脫特定儲存硬體的梏桎，改用廠牌、型號選擇範圍非常廣大的伺服器來搭配儲存軟體，進而扮演儲存設備的角色。
這也就是某種程度的「軟體定義儲存」概念，由於儲存設備與伺服器硬體核心間高度的共通性與標準化，因此可讓軟、硬體各自獨立，一臺主機是扮演一般的通用伺服器，還是扮演儲存設備的角色，端視其執行的系統軟體類型而定，而與硬體無關——若在主機上執行一般的通用作業系統與應用程式，那這臺主機就是通用的伺服器；若在主機上執行專門提供儲存服務的應用程式，那這臺主機就是儲存設備。

「軟體化」儲存的三大特性
相較於傳統儲存設備，前述這類「軟體化」的儲存系統架構，具有下列三項特性：

硬體選擇彈性大
可使用標準的x86伺服器甚至PC硬體，來充當儲存設備，不會被特定廠牌、型號的專屬規格儲存硬體給綁死，硬體選擇彈性非常大。用戶可視自身的預算、需求、採購習慣與售後服務等考量，從眾多的伺服器供應商與伺服器產品中挑選合適的機型，並完全按照自己的需求來調整配備規格與組態。

便於升級與採用最新硬體架構
以經驗來看，I/O處理器架構的更新升級頻率，遠低於通用處理器，傳統的磁碟陣列硬體設備廠商，通常每隔2～3年才會更新一次包括處理器在內的系統核心架構，相較下，伺服器的硬體核心幾乎年年都會更新換代。即使同樣屬於x86架構，但用於儲存設備的嵌入式處理器，更新速度也不如通用處理器。
舉例來說，為當前眾多中低階磁碟陣列產品採用的Xeon C3500/C5500處理器，屬於已有相當歷史的Nehalem架構衍生型Jasper Forest平臺，即使是一些儲存大廠當前的主力產品，目前採用的處理器也都還停留在Nehalem架構上，如IBM Storwize V7000（Jasper Forest）、NetApp的FAS 2240（Jasper Forest）與FAS 6200（Nehalem-EP），以及EMC VMAX與VNX系列（Westmere-EP架構的Xeon 5600）等。

相較下，目前伺服器所採用的處理器主流架構早已進入Ivy Bridge平臺，並即將轉入Haswell架構，較前者領先了2、3代。等到儲存設備更新到Ivy Bridge或Haswell架構時，伺服器早已升級到更新的Skylake或Skymont架構了。

因此，若以標準的x86伺服器搭配儲存應用軟體來構成「軟體化」的儲存設備，用戶將能享有便於採用最新處理器架構與技術的好處。由於儲存服務是由獨立於硬體的儲存軟體來提供，所以用戶可購買採用當前最新架構的伺服器硬體來執行儲存服務，不會被儲存廠商緩慢的更新速度所制約。

需自行克服相容性與測試調校問題
當然，要採用這種「軟體化」儲存設備，也必須付出些許代價。

由於「軟體化」儲存的軟、硬體是各自獨立，不像傳統儲存設備是由儲存廠商預先完成軟、硬體的整合、組裝與測試調校，因此用戶需自行面對建置系統時的軟、硬體相容性問題，以及建置完成後的系統測試與調校。

換句話說，「軟體化」的硬體選擇彈性大這個特點，其實是把兩面刃，往好的方面看，這讓用戶擁有更多的選擇；但往壞的方面看，正因為各式各樣可能的硬體與周邊裝置組合太多，連帶的也更難以確保軟硬體搭配時的相容性與穩定性。

解決之道，則是盡可能參考儲存軟體供應商預先進行過相容性測試的硬體清單，雖然這會一定程度限制了用戶的硬體選擇範圍，不過可減少後續建置時的麻煩。

透過儲存虛擬化實現「軟體化」儲存
「軟體化」儲存的核心，自然便是提供各式各樣儲存服務的儲存應用軟體了。要實現「軟體化」儲存的目的，最常見的作法便是透過儲存虛擬化技術（Storage Vurtualization）的方式。

透過儲存虛擬化軟體，來為安裝主機底層的儲存裝置，進行儲存空間定址的重新配置，以及存取I/O的重新導向。簡單的說，也就是將主機後端原本各自獨立的各式各樣磁碟裝置，包括本機的硬碟，以及後端介接的外接磁碟設備提供的磁碟區，重新配置為一個可以統一運用的大磁碟區域，然後按需要將這個大磁碟區域中的空間，重新構成一個個虛擬磁碟區，並將來自前端的I/O需求，導向到這些虛擬磁碟區上。

所以儲存虛擬化軟體基本上都會具有「儲存池管理」與「SCSI裝置Target」兩項功能。透過儲存池方式，統整安裝主機後端的磁碟裝置空間，然後再透過SCSI裝置Target功能，將儲存池的空間，以虛擬磁碟或實體磁碟的方式，構成可透過不同傳輸協定存取的SCSI磁碟裝置，如光纖通道磁碟區，或是iSCSI磁碟區等。

換句話說，儲存虛擬化軟體扮演了後端磁碟硬體設備，與前端發出存取需求的用戶端之間的中介，重新整合與配置後端硬體磁碟資源，再以虛擬磁碟的形式提供給前端的用戶端使用，所以，有些人又以Storage Hypervisor來稱呼儲存虛擬化軟體。

其實傳統的RAID卡與磁碟陣列控制器，扮演的也是類似的角色—將後端介接的一臺臺磁碟機，以RAID的方式重新構成跨多臺磁碟機的磁碟區（Volume），再以LUN的方式將磁碟區透過不同傳輸協定掛載給前端主機使用。只是RAID卡與磁碟陣列控制器的軟體，是以韌體的形式內嵌在硬體上，而不像儲存虛擬化軟體是以獨立於硬體外的軟體形式存在。

儲存虛擬化軟體產品的基本類型
以儲存虛擬化軟體搭配標準規格x86伺服器組成的「軟體化」儲存系統，是一種已有相當歷史的儲存產品類型。早在2000年代初期，FalconStor與DataCore等廠商，便推出了可提供這類服務的IPStor與SANsymphony軟體，經過多年發展後，這種「軟體化」儲存系統已經十分成熟，無論功能的完整性與可靠性，還是對各式作業環境的支援性方面，均不遜於硬體式的儲存設備。

事實上，某些儲存硬體設備廠商如目前已被HP收購的LeftHand，以及被Dell收購的Compellent等，他們的產品實際上也是儲存虛擬化軟體的形式，硬體部分實際上與標準x86伺服器沒多大區別、甚至直接採用了標準x86伺服器硬體，這些產品真正的核心其實也是儲存虛擬化軟體（LeftHand的SAN/iQ軟體與Compellent的Storage Center 5軟體），只是這些廠商選擇將他們的軟體預載於特定硬體上、以整合式的硬體產品綑綁出售，而不像DataCore那樣只單獨銷售軟體而已。

一些廠商如FalconStor則提供了更彈性的選擇，既可單獨銷售他們的IPStor軟體，也提供預載於特定硬體上、包裝成儲存應用伺服器形式的產品。
儲存虛擬化軟體的四種類型

依照涵蓋的功能範圍與系統部署的方式，目前市場上的儲存虛擬化軟體可區分為四種類型：

iSCSI Target軟體
最簡單的儲存虛擬化軟體，只支援成本最低、直接利用乙太網路的iSCSI協定，可將安裝主機底層的磁碟區空間模擬為iSCSI裝置。
目前幾乎所有主要的作業系統，都有iSCSI Target軟體可用，微軟也釋出了Windows Server使用的免費iSCSI Target軟體，可讓Windows Server伺服器扮演iSCSI儲存設備的角色。

另外一些iSCSI Target商用套裝軟體，如StarWind的iSCSI SAN與KernSafe iStorage Server等，則可支援更多樣化的iSCSI裝置模擬能力，並另外提供了HA、遠端複製等進階應用功能。

綜合性儲存虛擬化軟體
擁有可同時支援iSCSI與FC等多種儲存協定的SCSI裝置Target功能，並提供快照、遠端複製、HA、連續資料保護等完整進階應用功能的軟體產品，如DataCore的SANsymphony，FalconStor的IPStor等。

儲存伺服器軟體
前面提到的iSCSI Target軟體與儲存虛擬化軟體，都是只是應用軟體，本身並不是可獨立發揮作用的完整系統，必須安裝在既有的Windows、Linux等作業系統環境上，並利用作業系統底層的邏輯磁碟管理程式，來辨識與匯入後端磁碟硬體設備空間。

而儲存伺服器軟體則是把作業系統與其邏輯磁碟管理軟體、加上iSCSI Target、FC Target軟體整合為一個完整的儲存伺服器軟體套件，用戶只需直接在主機硬體上安裝這個儲存伺服器軟體套件，就能得到完整的功能，省下了預先準備好作業系統環境的麻煩。

在形式上，儲存伺服器軟體通常是以NAS軟體+SCSI裝置Target軟體的形式呈現，由於軟體中已包含了作業系統、邏輯磁碟管理員與檔案系統等元件，只要再添加共享檔案存取管理功能元件，就能扮演NAS角色，搭配iSCSI Target與FC Target軟體，便進一步成為橫跨了NAS檔案共享存取、SAN區塊存取的多協定儲存設備。

考慮到作業系統的授權費用，儲存伺服器軟體底層所採用的作業系統平臺，通常是開源類型的Linux、FreeBSD或OpenSolaris等，如基於Linux的Open-E DSS與Openfiler，基於FreeBSD的FreeNAS、基於OpenSolaris的Nexenta Nexentastor等。

虛擬化儲存應用伺服器
幾乎任何儲存虛擬化軟體都可以部署在VMware、Hyper-V等伺服器虛擬化平臺上，成為一臺虛擬化儲存應用伺服器（Virtual Storage Appliance），讓用戶省下伺服器硬體的投資。

更進一步，某些產品如HP的StoreVirtual VSA、VMware的VSA、Virsto的Virsto for vSphere/Hyper-V，以及StorMagic的SvSAN等，則直接把產品包裝為一臺虛擬機器的形式來銷售與部署，產品本身是一臺預載了儲存虛擬化軟體、作業系統，與特定虛擬平臺虛擬機器格式設定的虛擬機器，用戶只需將這些軟體直接匯入到虛擬平臺，就能完成虛擬化儲存應用伺服器的建置，可極大簡化用戶部署程序。

從另一方面來看，儘管虛擬化儲存應用伺服器有部署簡易的優點，但虛擬機器的形式將會影響到I/O效能，另外也只能支援iSCSI協定。

儲存虛擬化軟體的相容性問題
前面提到，建置「軟體化」儲存的一大麻煩，便在於必須解決軟硬體相容性的問題，其中一大部分問題，又都是取決於儲存應用軟體所基於的作業系統硬體支援性。

iSCSI Target、FC Target等軟體所使用的磁碟區、或者是NAS服務所使用的共享檔案空間，都是來自底層作業系統所提供的磁碟區空間，所以要建置「軟體化」儲存，首要前提，便是用戶所欲使用的硬體裝置、特別是儲存相關的RAID卡、SATA/SAS控制器等，必須能與作業系統相容，必須能讓作業系統識別與使用這些儲存硬體裝置，然後上層的儲存應用程式才能發揮作用。

就相容性這點而言，顯然採用支援性越廣泛的作業系統平臺更為有利，如DataCore的SANsymphony便是藉由採用Windows為作業平臺，取得最廣泛的硬體支援能力。

雖然採用Windows會增加整體成本（相對於開源類型作業系統），但當前無論何種硬體設備，都毫無例外的把支援Windows作為第一優先，必然會提供Windows下的驅動程式，連帶地SANsymphony會遇到的相容性問題也較小。

另外Linux的相容性也相當廣泛，因此基於Linux平臺的IPStor、Open-E DSS與Openfiler等軟體，也比較不會有相容性問題。

相較下，基於OpenSolaris的Nexenta Nexentastor與基於FreeBSD的FreeNAS，由於作業平臺相對比較小眾，許多硬體周邊都不提供支援這些平臺的驅動程式，遭遇相容性狀況的問題便比較多一些。

另一方面，改採虛擬機器、也就是虛擬化儲存應用伺服器型式來部署，也是一個迴避相容性問題的方法，不直接使用實體硬體資源，而透過虛擬化平臺提供的虛擬主機來安裝，讓虛擬化平臺去解決硬體相同性問題。

x86架構的勝利：硬體核心漸趨一致的儲存設備與伺服器
過去幾年以來，x86架構（或者說IA-32架構）在儲存設備領域的應用越來越普及，逐漸模糊了儲存設備與伺服器硬體之間的界線，連帶也影響了儲存產品的生態。

一般而言，磁碟設備的控制器有兩種典型型態：

●    基於Intel或AMD的x86/架構處理器，這類型控制器本質上就是一種變形的x86伺服器或PC，只是運行專為儲存應用而設計的軟體而已，優點在於節省研發成本，透過升級新型處理器，或在控制器中搭載更多採用SMP平行架構的處理器，就能方便地提升效能，典型產品如EMC CLARiiON系列與NetApp FAS系列。

●    RISC通用處理器+I/O處理器架構：由RISC架構的通用處理器（通常是PowerPC或MIPS處理器）來執行儲存作業系統，另由ASIC或FPGA類型的I/O處理器來執行I/O處理，類似RAID卡的架構。由於專門定製的ASIC晶片可提供極高效率的I/O處理能力，所以通用處理器不需要太高的規格，就能擁有不錯的整體效能，典型產品如LSI Engenio系列，HDS的AMS系列，3PAR的Titan等，除了這些中高階的產品外，臺灣過去曾有許多RAID卡廠商，這些廠商以研製RAID卡的經驗為基礎，後來也延伸發展出許多基於通用處理器+IO處理器架構的外接式磁碟陣列產品，如普安、喬鼎等都是這種發展路線的典型。

經過10多年發展後，時至今日，直接採用x86處理器的儲存控制器架構，已明顯成為主流。

隨著晶片開發難度與成本的不斷攀升，留存下來的處理器廠商也越來越少，現在雖然仍有堅守RISC處理器+ASIC架構的儲存廠商，但這種處理器架構無論在更新速度還是性能增長幅度方面，均遠遠落後於x86處理器。

就連Intel本身，也在2010年推出採用Nehalem架構的Xeon C3500/C5500系列I/O處理器，用於取代已發展了10年、幾乎一統中、低階儲存應用市場、廣為RAID卡與中、低階磁碟陣列採用的RISC架構XScale IOP系列處理器。

C3500/C5500是x86架構在I/O處理器上的首次應用，已成為當前新一代中、低階磁碟陣列的標準架構，但這樣一來，也讓磁碟陣列與伺服器的核心架構更為接近，供儲存設備使用的Xeon C3500/C5500處理器，與一般伺服器使用的Xeon處理器之間，主要差別只在於前者額外整合了RAID 5/6運算所需的XOR/P+Q引擎，以及其他針對儲存需求的修改。

我們可以想見，RISC處理器+ASIC I/O處理器的架構，在儲存設備領域應用的比例將逐漸降低，未來絕大多數儲存設備都會是x86架構，與伺服器間的界線也更為模糊。

固然專業儲存設備在硬體上會有一些伺服器沒有的專有機構設計，如在控制器與機箱間採用SBB（Storage Bridge Bay）之類的介面，並在2組控制器與機箱間採用特別的中介背板，藉此提供控制器熱抽換與失效切換等功能，不過就核心架構來說，外接式磁碟陣列與安裝有RAID卡的伺服器之間，幾乎是完全相同，最重要的差別只在於執行的軟體類型與用途不同。

詳細內文請參考：儲存虛擬化軟體解決方案採購大特輯