التخزين الافتراضي

تتمثل إحدى الفوائد الرئيسية لفصل المضيف أو الخادم عن وحدة التخزين الفعلية في القدرة على ترحيل البيانات مع الحفاظ على الوصول المتزامن للإدخال/الإخراج.

لا يعرف المضيف سوى القرص المنطقي (وحدة التخزين المنطقية المُعينة)، وبالتالي فإن أي تغييرات في تعيين البيانات الوصفية تكون شفافة بالنسبة للمضيف. هذا يعني أنه يمكن نقل البيانات الفعلية أو نسخها إلى موقع فعلي آخر دون التأثير على تشغيل أي من مكونات النظام. عند نسخ البيانات أو نقلها، يمكن ببساطة تحديث البيانات الوصفية للإشارة إلى الموقع الجديد، مما يُحرر مساحة التخزين الفعلية في الموقع القديم.

تُعرف عملية نقل الموقع الفعلي باسم ترحيل البيانات . تسمح معظم التطبيقات بإجراء ذلك بطريقة غير مُعطِّلة، أي بالتزامن مع استمرار المضيف في إجراء عمليات الإدخال/الإخراج إلى القرص المنطقي (أو وحدة التخزين المنطقية).

تحدد دقة التخطيط سرعة تحديث البيانات الوصفية، ومقدار السعة الإضافية المطلوبة أثناء عملية النقل، وسرعة تحديد الموقع السابق كموقع متاح. كلما كانت الدقة أقل، كان التحديث أسرع، والمساحة المطلوبة أقل، ويمكن تحرير مساحة التخزين القديمة بشكل أسرع.

هناك العديد من المهام اليومية التي يتعين على مسؤول التخزين القيام بها والتي يمكن تنفيذها ببساطة وبشكل متزامن باستخدام تقنيات ترحيل البيانات.

• نقل البيانات من جهاز تخزين مُستخدَم بشكل مفرط.
• نقل البيانات إلى جهاز تخزين أسرع حسب الحاجة
• تطبيق سياسة إدارة دورة حياة المعلومات
• نقل البيانات من أجهزة التخزين القديمة (سواء كانت يتم التخلص منها أو انتهاء عقد إيجارها)

يمكن زيادة الاستخدام بفضل خدمات التجميع والترحيل والتخصيص المرن. وهذا يُمكّن المستخدمين من تجنب الإفراط في شراء وتخصيص حلول التخزين. بعبارة أخرى، يُمكن تخصيص هذا النوع من الاستخدام من خلال مجموعة تخزين مشتركة بسهولة وسرعة حسب الحاجة لتجنب قيود سعة التخزين التي غالبًا ما تُعيق أداء التطبيقات. ^{[ 5 ]}

عند تجميع جميع سعة التخزين المتاحة، لم يعد على مسؤولي النظام البحث عن أقراص ذات مساحة فارغة لتخصيصها لمضيف أو خادم معين. يمكن ببساطة تخصيص قرص منطقي جديد من المجموعة المتاحة، أو توسيع قرص موجود.

يعني تجميع السعة أيضًا إمكانية استخدام كامل سعة التخزين المتاحة. في بيئة تقليدية، يتم تخصيص قرص كامل للمضيف، مما قد يؤدي إلى زيادة السعة عن الحاجة، وبالتالي هدر المساحة. أما في بيئة افتراضية، فيتم تخصيص السعة المطلوبة للمضيف المستخدم للقرص المنطقي (LUN).

يمكن تخصيص مساحة التخزين حسب الحاجة في تلك اللحظة، مما يقلل الحاجة إلى التخمين بشأن حجم المساحة التي سيحتاجها أي مضيف في المستقبل. باستخدام تقنية التزويد المرن ، يستطيع المسؤول إنشاء قرص منطقي كبير جدًا مُزوَّد بتزويد مرن، وبالتالي يعتقد النظام المستخدم أنه يمتلك قرصًا كبيرًا جدًا منذ البداية.

بفضل تقنية التخزين الافتراضي، تظهر أجهزة التخزين المستقلة المتعددة، حتى لو كانت متناثرة عبر الشبكة، وكأنها جهاز تخزين واحد متجانس ويمكن إدارتها مركزياً.

ومع ذلك، لا تزال إدارة وحدة التحكم التقليدية للتخزين مطلوبة. أي إنشاء وصيانة مصفوفات RAID ، بما في ذلك إدارة الأخطاء والأعطال .

بمجرد إنشاء طبقة التجريد ، لا يعرف سوى برنامج المحاكاة الافتراضية مكان وجود البيانات فعليًا على الوسيط المادي. لذا، يتطلب الخروج من بيئة التخزين الافتراضية إعادة بناء الأقراص المنطقية كأقراص متجاورة يمكن استخدامها بالطريقة التقليدية.

ستوفر معظم التطبيقات شكلاً من أشكال إجراءات التراجع، ومع خدمات ترحيل البيانات، يصبح ذلك ممكناً على الأقل، ولكنه يستغرق وقتاً طويلاً.

تُعدّ قابلية التشغيل البيني عاملاً أساسياً لتمكين أي برنامج أو جهاز افتراضي. وهي تنطبق على وحدات التحكم الفعلية في التخزين، وعلى الأجهزة المضيفة، وأنظمة تشغيلها، وبرامج تعدد المسارات، وأجهزة الاتصال.

تختلف متطلبات التوافق التشغيلي باختلاف التنفيذ المُختار. على سبيل المثال، لا تُضيف المحاكاة الافتراضية المُطبقة داخل وحدة تحكم التخزين أي عبء إضافي على التوافق التشغيلي القائم على المضيف، ولكنها ستتطلب دعمًا إضافيًا لوحدات تحكم التخزين الأخرى إذا كان سيتم محاكاتها افتراضيًا بواسطة نفس البرنامج.

قد لا تتطلب المحاكاة الافتراضية القائمة على المحولات قابلية تشغيل محددة للمضيف - إذا كانت تستخدم تقنيات كسر الحزم لإعادة توجيه الإدخال/الإخراج.

تتمتع الأجهزة القائمة على الشبكة بأعلى مستوى من متطلبات التشغيل البيني لأنها يجب أن تعمل بالتوافق مع جميع الأجهزة والتخزين والمضيفين.

يؤثر التعقيد على عدة مجالات  :

• إدارة البيئة: على الرغم من أن بنية التخزين الافتراضية تستفيد من نقطة واحدة لإدارة القرص المنطقي وخدمة النسخ المتماثل، إلا أنه لا يزال يتعين إدارة التخزين الفعلي. كما أن تحديد المشكلات وعزل الأعطال قد يصبح معقدًا، نظرًا لوجود طبقة التجريد.
• تصميم البنية التحتية: قد لا تنطبق أخلاقيات التصميم التقليدية بعد الآن، حيث تجلب المحاكاة الافتراضية مجموعة كاملة من الأفكار والمفاهيم الجديدة التي يجب التفكير فيها (كما هو مفصل هنا).
• البرنامج أو الجهاز نفسه: بعض التطبيقات أكثر تعقيدًا في التصميم والبرمجة - القائمة على الشبكة، وخاصة التصميمات المتماثلة داخل النطاق على وجه الخصوص - هذه التطبيقات تتعامل فعليًا مع طلبات الإدخال/الإخراج، وبالتالي يصبح زمن الوصول مشكلة. 

تُعدّ المعلومات من أثمن الأصول في بيئات الأعمال اليوم. وبمجرد تحويلها إلى بيئة افتراضية، تُصبح البيانات الوصفية بمثابة الرابط الأساسي بينها. فإذا فُقدت هذه البيانات، فُقدت معها جميع البيانات الفعلية، إذ يكاد يكون من المستحيل إعادة بناء محركات الأقراص المنطقية بدون معلومات الربط.

يجب أن يضمن أي تطبيق حماية البيانات من خلال مستويات مناسبة من النسخ الاحتياطية والنسخ المتماثلة. من المهم القدرة على إعادة بناء البيانات الوصفية في حالة حدوث عطل كارثي.

تؤثر إدارة البيانات الوصفية أيضًا على الأداء. يجب أن يكون أي برنامج أو جهاز محاكاة افتراضية قادرًا على الحفاظ على جميع نسخ البيانات الوصفية متطابقة وقابلة للتحديث السريع. تقيّد بعض التطبيقات إمكانية توفير وظائف تحديث سريعة معينة، مثل النسخ اللحظية والتخزين المؤقت، حيث تكون التحديثات فائقة السرعة ضرورية لضمان أقل زمن استجابة لعمليات الإدخال/الإخراج الفعلية.

في بعض التطبيقات، يمكن تحسين أداء وحدة التخزين الفعلية، ويعود ذلك أساسًا إلى التخزين المؤقت. مع ذلك، يتطلب التخزين المؤقت إمكانية الوصول إلى البيانات الموجودة في طلب الإدخال/الإخراج، ولذا فهو يقتصر على برامج وأجهزة المحاكاة الافتراضية المتماثلة والمدمجة. إلا أن هذه التطبيقات تؤثر أيضًا بشكل مباشر على زمن استجابة طلب الإدخال/الإخراج (عدم وجود البيانات في ذاكرة التخزين المؤقت)، نظرًا لمرور عملية الإدخال/الإخراج عبر البرنامج أو الجهاز. وبافتراض تصميم البرنامج أو الجهاز بكفاءة، يُفترض أن يكون هذا التأثير ضئيلاً مقارنةً بزمن الاستجابة المرتبط بالوصول إلى القرص الفعلي.

نظراً لطبيعة المحاكاة الافتراضية، يتطلب ربط العناصر المنطقية بالعناصر المادية بعض القدرة على المعالجة وجداول البحث. لذلك، ستضيف كل عملية تطبيق قدراً ضئيلاً من زمن الاستجابة.

إلى جانب مخاوف زمن الاستجابة، يجب مراعاة معدل نقل البيانات. يؤثر عرض النطاق الترددي الداخل والخارج من برنامج البحث عن البيانات الوصفية بشكل مباشر على عرض النطاق الترددي المتاح للنظام. في التطبيقات غير المتماثلة، حيث يتم البحث عن البيانات الوصفية قبل قراءة المعلومات أو كتابتها، يكون عرض النطاق الترددي أقل أهمية لأن البيانات الوصفية تشكل جزءًا صغيرًا جدًا من حجم الإدخال/الإخراج الفعلي. أما تصميمات التدفق المتماثل داخل النطاق، فهي محدودة بشكل مباشر بقدرة المعالجة وعرض نطاق الاتصال.

تُوفر معظم التطبيقات نموذجًا للتوسع الأفقي، حيث يُتيح تضمين برامج أو أجهزة إضافية زيادة قابلية التوسع وربما زيادة عرض النطاق الترددي. وتتأثر خصائص الأداء وقابلية التوسع بشكل مباشر بالتطبيق المُختار.

تتطلب المحاكاة الافتراضية القائمة على المضيف برامج إضافية تعمل على المضيف، كعملية أو مهمة ذات امتيازات. في بعض الحالات، تكون إدارة وحدات التخزين مدمجة في نظام التشغيل ، وفي حالات أخرى تُقدم كمنتج منفصل. تُدار وحدات التخزين (LUNs) المُقدمة إلى نظام المضيف بواسطة برنامج تشغيل جهاز فعلي تقليدي . مع ذلك، توجد طبقة برمجية (مدير وحدات التخزين) أعلى من برنامج تشغيل جهاز القرص، تعترض طلبات الإدخال/الإخراج، وتوفر البحث عن البيانات الوصفية وتعيين الإدخال/الإخراج.

تحتوي معظم أنظمة التشغيل الحديثة على شكل من أشكال إدارة وحدات التخزين المنطقية المدمجة (تسمى في نظام Linux مدير وحدات التخزين المنطقية أو LVM؛ وفي Solaris و FreeBSD ، طبقة zpool الخاصة بنظام ZFS ؛ وفي Windows تسمى مدير الأقراص المنطقية أو LDM)، والتي تقوم بمهام المحاكاة الافتراضية.

ملاحظة: كانت برامج إدارة وحدات التخزين المستندة إلى المضيف قيد الاستخدام قبل وقت طويل من صياغة مصطلح " محاكاة التخزين" .

• التقنيات:
  • إدارة المجلدات المنطقية
  • أنظمة الملفات ، على سبيل المثال ( الروابط الصلبة ، SMB / NFS )
  • التركيب التلقائي، على سبيل المثال، ( autofs )

على غرار المحاكاة الافتراضية القائمة على المضيف، توجد عدة فئات منذ سنوات، ولم تُصنّف ضمن المحاكاة الافتراضية إلا مؤخرًا. لا توفر أجهزة تخزين البيانات البسيطة، مثل محركات الأقراص الصلبة الفردية، أي محاكاة افتراضية. ولكن حتى أبسط مصفوفات الأقراص توفر تجريدًا منطقيًا إلى مادي، حيث تستخدم أنظمة RAID لدمج أقراص متعددة في مصفوفة واحدة (وربما تقسيم المصفوفة لاحقًا إلى وحدات تخزين أصغر).

تتميز مصفوفات الأقراص المتقدمة عادةً بخاصية الاستنساخ، واللقطات، والنسخ المتماثل عن بُعد. لكن هذه الأجهزة لا توفر عمومًا مزايا نقل البيانات أو نسخها عبر أنظمة تخزين غير متجانسة، إذ يميل كل مُصنِّع إلى استخدام بروتوكولاته الخاصة.

تتيح فئة جديدة من وحدات تحكم مصفوفات الأقراص إمكانية توصيل أجهزة تخزين أخرى. ولأغراض هذه المقالة، سنناقش فقط النوع الأحدث الذي يقوم فعلياً بمحاكاة أجهزة التخزين الأخرى.

تعتمد تقنية التخزين الافتراضي على جهاز متصل بالشبكة (عادةً خادم قياسي أو محول ذكي) وتستخدم شبكات iSCSI أو FC ( قناة الألياف ) للاتصال كشبكة تخزين (SAN) . تُعد هذه الأنواع من الأجهزة الشكل الأكثر شيوعًا وانتشارًا لتقنية التخزين الافتراضي.

يقع جهاز المحاكاة الافتراضية في شبكة التخزين (SAN) ويوفر طبقة التجريد بين المضيفين الذين يقومون بعمليات الإدخال/الإخراج ووحدات التحكم في التخزين التي توفر سعة التخزين.

تتواجد أجهزة المحاكاة الافتراضية المتماثلة ، والمعروفة أيضًا باسم أجهزة المحاكاة الافتراضية المدمجة ، في مسار البيانات بين المضيف ووحدة التخزين. تمر جميع طلبات الإدخال/الإخراج وبياناتها عبر هذه الأجهزة. يقوم المضيفون بإجراء عمليات الإدخال/الإخراج إلى جهاز المحاكاة الافتراضية دون التفاعل مع وحدة التخزين الفعلية. بدوره، يقوم جهاز المحاكاة الافتراضية بإجراء عمليات الإدخال/الإخراج إلى وحدة التخزين. يُمكن تنفيذ وظائف تخزين البيانات مؤقتًا، وإحصائيات استخدام البيانات، وخدمات النسخ المتماثل، وترحيل البيانات، والتزويد المرن بسهولة تامة في جهاز المحاكاة الافتراضية المدمجة.

تُعرف أجهزة المحاكاة الافتراضية خارج النطاق ، أو غير المتناظرة ، أحيانًا باسم خوادم البيانات الوصفية . وتقتصر وظائف هذه الأجهزة على ربط البيانات الوصفية. يتطلب ذلك وجود برمجيات إضافية على المضيف، حيث تقوم هذه البرمجيات باستعلام موقع البيانات الفعلية أولًا. لذا، يتم اعتراض طلب الإدخال/الإخراج من المضيف قبل مغادرته، ثم يُطلب البحث عن البيانات الوصفية من خادم البيانات الوصفية (قد يكون ذلك عبر واجهة أخرى غير شبكة التخزين SAN)، والذي يُعيد الموقع الفعلي للبيانات إلى المضيف. بعد ذلك، تُسترجع المعلومات من خلال طلب إدخال/إخراج فعلي إلى وحدة التخزين. ولا يُمكن تخزين البيانات مؤقتًا لأن البيانات لا تمر عبر الجهاز.

يتم تنفيذ القرص الظاهري إما بتقسيمه إلى مجموعة من الملفات المسطحة، يبلغ حجم كل منها عادةً 2 جيجابايت، وتُسمى مجتمعةً ملفًا مسطحًا مقسمًا ، أو كملف مسطح واحد كبير . ويُشار إلى نظام التخزين المُخصص مسبقًا أيضًا بنظام التزويد السميك ^{[ 6 ]} .

يمكن تنفيذ القرص الظاهري مرة أخرى باستخدام ملفات مجزأة أو متجانسة، مع اختلاف أن التخزين يُخصص عند الطلب. تقوم العديد من تطبيقات مراقبة الآلة الافتراضية بتهيئة التخزين بأصفار قبل توفيره للآلة الافتراضية قيد التشغيل. يُشار إلى مخطط التخزين ذي النمو الديناميكي أيضًا باسم مخطط التزويد المرن ^{[ 6 ]} .