（中國移動通信集團設計院有限公司重慶分公司，重慶 401147）

桌面虛擬化存儲備份技術應用研究

劉凡

（中國移動通信集團設計院有限公司重慶分公司，重慶 401147）

桌面虛擬化技術的應用可簡化管理，但需要正確規(guī)劃才能消除存儲設備的瓶頸，確保用戶感受和滿足增長需求。本文結合桌面虛擬化項目的部署經(jīng)驗，探討桌面虛擬化部署過程中存儲、備份的需求、面臨的挑戰(zhàn)及技術的選擇和應用。

虛擬化；桌面；存儲；備份

桌面虛擬化技術快速發(fā)展，為解決傳統(tǒng)PC桌面大量使用帶來的運維管理、信息安全、節(jié)能降耗等問題提供了技術支撐。但桌面虛擬化部署也面對各種挑戰(zhàn)，與服務器虛擬化部署不同，存儲和網(wǎng)絡方面的挑戰(zhàn)最為突出。本文將總結某運營商桌面虛擬化系統(tǒng)的建設經(jīng)驗，重點針對存儲、備份技術，討論桌面虛擬化中技術的應用和實現(xiàn)。

1 需求分析

要討論存儲備份技術，需要先了解存儲備份的對象以及對存儲備份技術的要求。下面將從存儲內(nèi)容和要求兩個維度討論桌面虛擬化的存儲備份需求。

1.1 存儲內(nèi)容

1．1．1 Hypervisor

對比虛擬桌面和傳統(tǒng)桌面，Hypervisor是部署桌面虛擬化后新出現(xiàn)的存儲需求。桌面虛擬化與服務器虛擬化相同，在安裝操作系統(tǒng)之前需要先在服務器裸硬件上安裝Hypervisor，Hypervisor是運行在基礎物理服務器和操作系統(tǒng)之間的中間軟件層，可允許多個操作系統(tǒng)和應用共享硬件。Hypervisor也叫VMM（Virtual Machine Monitor），即虛擬機監(jiān)視器。

Hypervisor是在虛擬環(huán)境中的“元”操作系統(tǒng)。他們可以訪問服務器上包括磁盤和內(nèi)存在內(nèi)的所有物理設備。Hypervisor不但協(xié)調(diào)著這些硬件資源的訪問，也同時在各個虛擬機之間施加防護。當服務器啟動并執(zhí)行Hypervisor時，它會加載所有虛擬機客戶端的操作系統(tǒng)同時會分配給每一臺虛擬機適量的內(nèi)存、CPU、網(wǎng)絡和磁盤。

1．1．2 操作系統(tǒng)

虛擬桌面與傳統(tǒng)桌面一樣，都需要安裝操作系統(tǒng)才能工作。操作系統(tǒng)是管理計算機硬件與軟件資源的計算機程序，同時也是計算機系統(tǒng)的內(nèi)核與基石。操作系統(tǒng)需要處理如管理與配置內(nèi)存、決定系統(tǒng)資源供需的優(yōu)先次序、控制輸入與輸出設備、操作網(wǎng)絡與管理文件系統(tǒng)等基本事務。操作系統(tǒng)也提供一個讓用戶與系統(tǒng)交互的操作界面。

虛擬桌面與傳統(tǒng)桌面安裝操作系統(tǒng)的方式又不完全一樣，虛擬桌面的操作系統(tǒng)安裝在Hypervisor上，一臺物理機的Hypervisor上可同時安裝多個操作系統(tǒng)，而傳統(tǒng)桌面的操作系統(tǒng)安裝在裸硬件上。虛擬桌面可在一臺物理機上同時運行多達幾十個操作系統(tǒng)，而傳統(tǒng)桌面一般在一臺物理設備上只同時運行一個操作系統(tǒng)。

1．1．3 應用軟件

虛擬桌面與傳統(tǒng)桌面一樣，只安裝操作系統(tǒng)的桌面是不能完全滿足用戶需要的，還需要安裝各種應用軟件。應用軟件是用戶可以使用的各種程序設計語言，以及用各種程序設計語言編制的應用程序的集合，分為應用軟件包和用戶程序。應用軟件包是利用計算機解決某類問題而設計的程序的集合。應用軟件是為滿足用戶不同領域、不同問題的應用需求而提供的那部分軟件。它可以拓寬計算機系統(tǒng)的應用領域，放大硬件的功能，如Office、CAD等。

1．1．4 配置文件

虛擬桌面采用的模板方式，極大方便了桌面的統(tǒng)一部署和統(tǒng)一管理，但也使所用桌面趨于單一，無法滿足用戶的個性化需求，此時就需要加載不同的配置文件來滿足不同用戶的需求。

配置文件是在用戶登錄操作系統(tǒng)或使用應用軟件時。操作系統(tǒng)、應用軟件為用戶所要加載所需環(huán)境的設置和文件的集合。它包括用戶專用的配置設置，如程序項目、屏幕顏色、網(wǎng)絡連接、打印機連接、鼠標設置及窗口的大小和位置等。

在傳統(tǒng)桌面環(huán)境中配置文件一般不單獨考慮，操作系統(tǒng)、各應用軟件的配置文件和操作系統(tǒng)、應用軟件一并部署。

1．1．5 用戶文件

虛擬桌面與傳統(tǒng)桌面相同，需要保存大量的用戶文件。包括Word創(chuàng)建的doc文件、Excel創(chuàng)建的xls文件、PowerPoint創(chuàng)建的ppt文件等，也包括各類音頻、視頻文件等。用戶文件一般不會影響桌面的正常運行，但用戶文件對用戶的重要性往往比操作系統(tǒng)、應用軟件、配置文件等更高。用戶文件丟失后不像操作系統(tǒng)、應用軟件等可通過重新安裝的方式恢復。

1.2 存儲要求

了解桌面虛擬化中需要存儲的內(nèi)容后，我們對不同存儲內(nèi)容的存儲需求進行分析，存儲需求主要體現(xiàn)在IOPS和容量兩個方面，不同的存儲內(nèi)容由于其特點不同，對存儲的需求也不同。

1．2．1 IOPS

傳統(tǒng)桌面中存儲通常由安裝在每個物理機器上的低成本的SATA磁盤提供。一個直接連接的SATA磁盤能夠滿足甚至大于一個物理桌面的I/O要求。任何性能問題只影響對應的PC或筆記本電腦。在桌面虛擬化架構中，由于使用的是集中存儲，存儲相關問題的潛在影響顯著增加，任何性能問題都可能影響數(shù)百甚至數(shù)千用戶。

服務器虛擬化的應用所需的IOPS可以提前預測不同，桌面虛擬化通常產(chǎn)生更多的隨機存儲訪問需求，使存儲系統(tǒng)提供連續(xù)優(yōu)異的性能表現(xiàn)加大了難度。例如用戶可能正在下載音頻的同時另一個用戶在訪問視頻，還有用戶在處理電子表單，而另外的用戶在訪問某個文件。由于多個用戶在以各種不可預測的方式對存儲產(chǎn)生讀寫訪問，存儲子系統(tǒng)沒有經(jīng)過很好的規(guī)劃則很容易過載。

在對虛擬桌面用戶體驗進行衡量的時候，最重要的一項指標顯然是性能，這一點很大程度上取決于磁盤響應時間，例如在打開一個本地文件、啟動一個應用或者啟動操作系統(tǒng)的時間，用戶是不會嫌響應時間太快的。

除了以毫秒級來衡量響應時間外，虛擬桌面部署的時候也需要考慮響應容量對應的IOPS數(shù)量。隨著軟件的發(fā)展應用程序越做越大，桌面使用過程中需要快速讀寫的數(shù)據(jù)量也越來越大，因此對IOPS的需求越來越大。

以目前典型的桌面為例，每個虛擬桌面的平均吞吐量為5 IOPS到10 IOPS，開機時IOPS需求大約上升10倍左右，在50 IOPS到100 IOPS之間，此部分IOPS需求會集中在該時間段的讀寫內(nèi)容上。比如開機過程中主要對操作系統(tǒng)和操作系統(tǒng)的配置文件進行讀寫，程序打開過程中主要對應用軟件和應用軟件的配置文件進行讀寫，文件打開過程中主要對用戶文件進行讀取。

用戶希望系統(tǒng)啟動、程序打開的時間越短越好，最好是0延時的，越短的時間意味著越大的IOPS需求，但增大IOPS需要的投資很可觀，因此系統(tǒng)設計時需要在投資和IOPS之間尋找平衡點，在有限的投資下讓使用過程中的等待時間不超出用戶的忍耐時間。

1．2．2 容量

目前一個典型的桌面操作系統(tǒng)部署需要10～20GB的存儲容量，而應用軟件根據(jù)桌面的使用場景不同也各不相同，例如辦公桌面中需要考慮Office的安裝，而營業(yè)廳桌面主要使用IE來訪問業(yè)務支撐系統(tǒng)，生產(chǎn)桌面則需要考慮安裝各種監(jiān)控軟件、管理軟件。

1.3 備份內(nèi)容及要求

傳統(tǒng)桌面系統(tǒng)存儲通常由安裝在每個物理機器上的低成本的SATA磁盤提供。任何一個磁盤數(shù)據(jù)丟失只影響對應的PC或筆記本電腦。在桌面虛擬化架構中，由于使用的是集中存儲，存儲相關問題的潛在影響顯著增加，任何數(shù)據(jù)丟失都可能影響數(shù)百甚至數(shù)千用戶，因此需要考慮數(shù)據(jù)備份。

用于桌面虛擬化部署過程中使用鏈接克隆方式快速生成多個桌面，生成的桌面除操作系統(tǒng)外還包括標準配置的應用軟件，因此備份操作系統(tǒng)已不是必須備份的內(nèi)容。備份時應重點考慮每個用戶都不一樣的配置文件和用戶文件，且可進行快速的數(shù)據(jù)恢復。

2 存儲配置

討論完需求后，我們具體來討論桌面虛擬化部署過程中如何配置存儲。

2.1 磁盤及RAID選擇

為了達到桌面虛擬化的IOPS要求，需要針對不同的存儲內(nèi)容和部署方式選擇不同的磁盤。磁盤配置的一系列的因素都會影響存儲的IOPS性能，比如緩存、塊大小等，但是最基本的計算基礎，脫離不了硬盤的基礎機制，即轉(zhuǎn)速、延遲以及尋道時間。一塊典型的7 200轉(zhuǎn)每秒的硬盤驅(qū)動器大概可以承載每秒75次操作，而一塊10 000轉(zhuǎn)每秒的硬盤則可以承載大概每秒125次操作，15 000轉(zhuǎn)每秒的SAS或FC硬盤差不多是300～400次，而一塊SSD則可以達到5 000次左右。如果采用RAID技術將多塊磁盤組成一個大RAID組的話，那么整個RAID組表現(xiàn)出來的性能約等于每塊數(shù)據(jù)磁盤的性能乘以RAID組的數(shù)據(jù)盤成員數(shù)量（比如6×300 IOPS=1 800 IOPS）。也有其它一些因素，比如緩存，可以很大程度提升IOPS。而同時，RAID的開銷以及網(wǎng)絡傳輸所帶來的延遲則會降低性能。

總結前期建設經(jīng)驗，磁盤類型和RAID技術選擇建議如表1所示。

表1 磁盤類型、RAID技術選擇表

2.2 選擇SAN還是NAS

在桌面虛擬化中，SAN和NAS哪個更為合適？在SAN環(huán)境中，光纖通道和iSCSI哪個更合適？

SAN和NAS都是合適虛擬桌面場景的。SAN架構提供了最好的性能以及高可用性的平臺，關鍵是有最好的擴展性。在SAN場景中可使用的高級特性包括自動精簡配置和動態(tài)塊級別層級分配。而NAS平臺提供了自動精簡配置以及文件級別的復制功能。在對用戶數(shù)據(jù)的存儲方面NAS的優(yōu)勢更大。

總結前期建設經(jīng)驗，SAN和NAS技術選擇建議如表2所示。

表2 SAN、NAS技術選擇表

3 備份方式

在桌面虛擬化架構中有3種備份方式，下面對這3種方式進行分析和對比。

3.1 傳統(tǒng)備份

圖1簡單來說就是將所有需要備份的虛擬桌面當作傳統(tǒng)桌面來開展備份工作。在桌面操作系統(tǒng)上安裝如Symantec NetBackup、EMC NetWorker等備份軟件客戶端。由于虛擬機對FC端口的映射限制，數(shù)據(jù)通過LAN傳輸?shù)絺浞莘掌鳎偻ㄟ^備份服務器傳輸?shù)酱艓斓葌浞菰O備。

這種方式有很多優(yōu)點，比如備份程序的安裝和配置與在物理機上安裝和配置十分相似，所以無需專門技巧和程式變化?；謴瓦^程沒有發(fā)生變化，與將文件恢復到物理機的過程十分相似。這樣就可以按文件進行恢復，這一點在對比其它方式時顯得更加重要。這種方式也可以實現(xiàn)完全備份和增量備份，同樣，在我們討論其它方法時，這一點顯得尤為重要。

這種方法的缺點也很明顯，由于所有的備份都在同一臺或多臺服務器中運行，因而你需要十分小心，不要過度消耗虛擬機資源。盡管服務器能封裝成少量的虛擬機文件，但備份程序?qū)Υ艘粺o所知，也就不能利用這一點提供快速的備份或恢復能力，而進行災難恢復時，需要快速、全面地恢復服務器，從這點上講這種方式價值不大。

在物理機中，同時運行備份軟件客戶端可能問題不大，因為物理機具有充足的閑置資源，但是對桌面虛擬化架構而言，閑置資源已得到充分利用，多個備份操作就有可能阻塞物理機。從而在進行虛擬化以后，應該修改備份手冊，通過備份窗口避免資源過度重疊。

3.2 桌面快照

使用虛擬化軟件提供的快照功能，如VMware Consolidated Backup備份代理，對需要備份的虛擬桌面進行快照并保持桌面的在線狀態(tài)?？煺者^程中對虛擬機原始文件進行分割壓縮，將用戶桌面中與模板的差異獨立出來形成快照文件，再將快照文件存儲到暫存空間中，最后數(shù)據(jù)通過第三方備份軟件傳送到代理服務器中，并導入到磁帶庫等備份設備中。這種方法較復雜，但是虛擬化廠家更推薦這種備份方式。在備份的時候結合第三方的備份軟件可以實現(xiàn)虛擬機文件級的備份恢復，功能較為強大。但是由于其配置的復雜性，構建備份系統(tǒng)的工作量較大。桌面快照部署方式如圖1所示。

圖1 桌面快照備份方式示意圖

這種方式的優(yōu)點包括可以利用虛擬軟件中一個備份程序，備份所有的虛擬機，而不必每個虛擬機配備一個程序。通過這種方法，虛擬機資源能完全備份，只需簡單備份少量的虛擬機文件。這種備份方法無需LAN，在SAN中也能實現(xiàn)，從理論上講，備份速度比基于LAN的備份方法要快。

這種方法的缺點包括能否實現(xiàn)自動化、能否方便地加以使用取決于第三方備份軟件的能力。如果沒有某種形式的備份軟件集成到備份過程中，要部署這種方法就變得非常復雜。如果你想將文件直接恢復到虛擬機中，就需要在虛擬機中安裝備份軟件。虛擬軟件鏡像代理不提供Windows系統(tǒng)狀態(tài)的恢復機制，盡管有可能成功實現(xiàn)服務器完全恢復，但是如果在操作虛擬機時系統(tǒng)狀態(tài)紊亂，就不能保證完全恢復。備份過程中需要產(chǎn)生額外的磁盤消耗，且這部分消耗可能達到總體存儲的30%～40%。

3.3 遠程鏡像

將所有用戶數(shù)據(jù)存放在本地的NAS設備上，采用NAS的遠程數(shù)據(jù)鏡像軟件，將本地的用戶數(shù)據(jù)拷貝到另外一個數(shù)據(jù)中心的NAS設備上，保留一份數(shù)據(jù)副本，當本地數(shù)據(jù)不可用時，可以快速從異地的NAS設備上恢復用戶數(shù)據(jù)。

當本地的用戶桌面不可用時，也可以快速在異地恢復用戶的虛擬桌面，并直接訪問異地NAS設備上的用戶數(shù)據(jù)。

針對個性化要求較高的用戶，云桌面交付后，用戶會自己安裝部分應用程序、設備驅(qū)動程序，甚至修改Windows桌面的配置等，針對這部分用戶，當用戶桌面更新后，可能會出現(xiàn)部分個性化安裝的應用、驅(qū)動和配置丟失，需要重新安裝和配置。

采用桌面虛擬化軟件的鏡像功能，將用戶的個性化應用、驅(qū)動和配置進行集中備份，用戶桌面更新后，用戶的上述個性化應用、驅(qū)動和配置可以批量快速恢復，無需重新安裝和配置。

3.4 備份方式對比選擇

上述3種備份方式任何一種都有它的缺陷，結合桌面虛擬化的備份需求特點，NAS遠程鏡像方式更適合桌面虛擬化的需求。遠程鏡像通過NAS方式實現(xiàn)了文件及備份，保證了備份的靈活性，且不用對模板中的數(shù)據(jù)進行備份，降低了額外的存儲消耗。

4 存儲備份技術應用

4.1 分組分級存儲

虛擬桌面通?；诜浅Ｓ邢薜臉藴省包S金鏡像（Golden Images）”部署。當我們?yōu)榭头到y(tǒng)部署1 000個座席的業(yè)務終端時，由于這些終端對操作系統(tǒng)及應用軟件的需求都是相同的，因此理論上可以統(tǒng)一部署一個黃金鏡像為這1 000個座席服務。但是我們可以想象當1 000個座席同時啟動和運行時會對這個黃金鏡像所在的存儲帶來怎樣的沖擊，因此我們需要對這些座席進行分組，不同組使用不同的黃金鏡像，各個黃金鏡像分配到不同LUN上。

部署桌面虛擬化時針對不同數(shù)據(jù)對存儲容量和I/O的需求，可以采用不同的存儲方式，例如可以把操作系統(tǒng)、Office等應用軟件打包為黃金鏡像，采用SAN存儲或更高端的固態(tài)硬盤存儲，用戶數(shù)據(jù)則可以采用低端SAN或NAS存儲，備份數(shù)據(jù)采用虛擬帶庫存儲，這樣不但大大簡化了管理而且數(shù)據(jù)能夠存儲在更大，更便宜的磁盤上。

4.2 自動精簡配置

在部署桌面虛擬化時可以考慮一些新的存儲技術，自動精簡配置就是其中之一，允許創(chuàng)建一個容量大于實際分配的物理存儲空間的邏輯磁盤。該思路源于某些應用，雖然不會立刻占用所分配給它的全部磁盤空間，但是這些空間一旦被分配其它應用也無法使用。這導致用戶在實際空間被利用之前（或許永遠都用不到），也需要為這部分空間付費。有了自動精簡配置，可以創(chuàng)建一個LUN，只為其分配初始所需的物理空間，在需要時還可以向LUN中自動添加更多物理空間。

例如創(chuàng)建了100 GB的LUN，但初始僅分配10 GB的實際存儲空間。初始的10 GB填滿后，管理員可以再添加10 GB或20 GB（最大到100 GB）空間。假設每個標準用戶需要分配10 GB存儲，對于1 000個用戶而言成本就很客觀了，有了自動精簡配置，平臺存儲需求也許可以節(jié)省一半。

自動精簡配置應用的挑戰(zhàn)在于需要更多的存儲管理。應用是無法識別邏輯卷的限制和實際可用空間的，所以可能出現(xiàn)實際空間不夠用，而導致在該空間上運行的虛擬桌面發(fā)生連續(xù)讀寫錯誤。定期的存儲監(jiān)控和預警功能可以幫助預防問題發(fā)生。

4.3 重復數(shù)據(jù)刪除

重復數(shù)據(jù)刪除也可以節(jié)省大量存儲空間。該技術原理是識別和刪除重復的數(shù)據(jù)塊，并用標識符代替。舉個簡單的例子，假設某虛擬桌面環(huán)境的50個用戶的數(shù)據(jù)資料中都擁有同一個10 MB大小的報告文件，那么加起來就是500 MB。

重復數(shù)據(jù)刪除對于操作系統(tǒng)鏡像而言不是特別有效果，但是從用戶數(shù)據(jù)角度看，在線的重復數(shù)據(jù)刪除是很重要的。通過移除該數(shù)據(jù)所有的重復副本并全部指向在磁盤保留的唯一一份副本數(shù)據(jù)，存放重復數(shù)據(jù)所需的存儲空間被大幅節(jié)省。

重復數(shù)據(jù)刪除是由存儲陣列本身來執(zhí)行的，并非虛擬化的功能。而許多桌面虛擬化軟件，如VMware View、思杰XenDesktop等都不會感知該動作的發(fā)生。不過，重復數(shù)據(jù)刪除會影響存儲的性能，如果要把該功能用于改善存儲虛擬化需求，刪除的過程需要在數(shù)據(jù)產(chǎn)生時實時進行，在歸檔和備份時進行的重復數(shù)據(jù)刪除對桌面虛擬化沒有任何效果。

4.4 快照

借助快照功能可以創(chuàng)建LUN實時狀態(tài)的副本。快照作為保護虛擬機的技術之一，對服務器虛擬化是非常有價值的?？煺湛捎糜诨謴捅罎⒒驘o操作的虛擬機，或創(chuàng)建虛擬機的克隆用于新的服務器。桌面虛擬化也可以從快照功能獲益，可以在多臺存儲陣列之間克隆虛擬桌面并分發(fā)給新的用戶使用。例如該快照可以是只讀文件，任何對該桌面的更改都寫入到為該用戶開辟的獨立存儲區(qū)域中。這樣管理員可以快速和便捷地分配新的桌面，而不需要從頭創(chuàng)建鏡像。

5 總結

桌面虛擬化的部署為IT部門帶來諸多好處，包括更簡單的系統(tǒng)管理、集中的安全性和數(shù)據(jù)保護等。桌面虛擬化可以使用SAN，也可以使用NAS，但最好的方式是根據(jù)需求將兩者結合起來部署，達到投資和性能的最佳結合點。

桌面虛擬化帶來好處的同時也給存儲設計、管理帶來了不小的挑戰(zhàn)，包括基礎設施成本增加、啟動風暴等問題。目前有不止一種方法可以解決桌面虛擬化存儲問題，比如固態(tài)硬盤（SSD）的部署，自動精簡配置、數(shù)據(jù)去重技術的引入等。

Research on applications of backup technologies of desktop virtualization

LIU Fan
(China Mobile Group Design Institute Co.,Ltd. Chongqing Branch, Chongqing 401147, China)

Desktop virtualization can be used to simplify the management process. However, to curtail the disadvantages of backup devices and to guarantee the increase requirement on volume of backups, and f nally to ensure the customers' positive feedbacks, the system designer need a thorough planning. Based on the previous experiences on desktop virtualization programs, the paper intends to analyze the requirement on backups in the process of allocation in desktop virtualization, and makes an indepth discussion on the challenges the system designers are faced, and choices and applications on technologies.

virtualization; desktop; storage; backup

TN915

A

1008-5599（2014）08-0021-06

2014-06-16