[發明專利]存儲虛擬化卸載

在審

• 申請號: 201680065008.3
• 申請日: 2016-11-02
• 公開（公告）號: CN108351752A
• 公開（公告）日: 2018-07-31
• 發明（設計）人: J·奧辛斯;N·克里斯滕森
• 申請（專利權）人: 微軟技術許可有限責任公司
• 主分類號: G06F3/06
• 分類號: G06F3/06
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 錢盛赟;顧嘉運

實施例涉及將存儲虛擬化的各方面卸載到存儲硬件并將軟件修改成利用硬件虛擬化特征。硬件和軟件的協同設計允許文件系統提供文件以使得訪問文件內容通常需要的間接轉換開銷能被規避，同時仍將文件作為文件系統對象來管理。存儲設備管理并展示用于存儲文件內容的虛擬卷。虛擬卷可被初始化或填充以使得其中的虛擬塊與設備存儲塊對齊。虛擬卷可通過解析虛擬盤文件以訪問虛擬盤元數據來初始化和填充，然后使用虛擬盤元數據來確定并設置虛擬卷的特征。

背景

一些類型的存儲設備具有在一些情況下可能難以完全利用的執行能力。例如，考慮具有通過PCIe(高速外圍組件互連)總線連接到SSD(固態器件)的CPU的計算機，該SSD實現NVMe(高速非易失性存儲器)邏輯器件接口標準的一個版本。SSD的成本可能具有與傳統盤驅動器的成本相同的量級，但在具有相同的高速總線的同一計算機中，SSD的等待時間和吞吐量性能可能具有比旋轉型盤驅動器更大的量級。換言之，當通過諸如PCIe總線等高性能總線附連時，SSD的等待時間和吞吐量能改進到以下程度：存儲設備具有與諸如具有旋轉介質的盤驅動器等其它類型的基于塊的存儲設備完全不同的特性。

高速總線的可用性使SSD與傳統的旋轉盤驅動器之間的性能差異得以顯現。在諸如PCIe總線等高速總線上，SSD的凈等待時間和吞吐量能顯著優于旋轉盤驅動器的凈等待時間和吞吐量。例如，通過PCIe總線附連的SSD可能具有數微秒的等待時間并且或許具備每秒數萬或數十萬兆的吞吐量的能力。

用于訪問存儲設備的許多軟件已經在假定基于塊的持久存儲將相對較慢的情況下設計。例如，操作系統可能被設計成降低訪問存儲的進程的優先級，因為這些進程將很有可能在等待存儲響應時具有空閑周期。而且，因為存儲已經相對于處理器和存儲器較慢，所以經常使用復雜的存儲器要求的高速緩存方案來提高有效存儲性能。通常，用于高速緩存的存儲器可以向計算系統增加大量成本和功率負載。如果存儲能夠以接近處理器速度的速度被訪問，則需要較少的存儲器和功率。

存儲速度的遲滯影響了虛擬化技術的進步。雖然存儲虛擬化的某些方面已經用硬件實現，但此處討論的存儲虛擬化的其它方面缺乏正當性且先前未被考慮，因為軟件中的虛擬化已被證明是足夠的。存儲系統尚未能提供足夠的數據吞吐量以證明非軟件虛擬化解決方案是正當的。另外，僅僅在操作系統或虛擬化軟件處拋出附加CPU周期不一定會提高性能。諸如NVMe SSD等設備能夠以可影響系統的CPU的速率與該系統交換數據；CPU負載一般隨著數據交換速率一起增加。由于存儲成本降低并因此存儲量增加，此類設備的高吞吐率將增加主機系統的負擔。如果主機的處理容量的一部分專用于處置存儲，則隨著存儲增加，更少的處理變得可用于其它目的。

此外，一些軟件被設計成限制存儲等待時間或吞吐量。當例如虛擬機請求訪問存儲時，可能內置延遲，因為其它請求通常緊接在此類請求之后。請求的這一延遲或批處理減少管理程序上下文與虛擬機上下文之間的相對較慢的切換的次數。如果存儲設備及其附件具備約30us等待時間的能力，則人為的200us批處理延遲降低了存儲硬件的利用率。然而，如果虛擬化軟件被調節至以30us工作，則其CPU消耗可顯著增加(為了處置增加的數據吞吐量以及對存儲硬件的訪問)。

如果存在提高存儲虛擬化效率的方便且經濟的方式，則將會是有益的。本文描述了針對該效果的技術。

概述

包括以下概述僅僅是為了介紹在以下詳細描述中討論的一些概念。該概述不是完整性的并且不意圖劃定所要求保護的主題的范圍，所述范圍由結尾處呈現的權利要求書提出。

實施例涉及將存儲虛擬化的各方面卸載到存儲硬件并將軟件修改成利用硬件虛擬化特征。硬件和軟件的協同設計允許文件系統提供文件以使得訪問文件內容通常需要的間接轉換開銷能被規避，同時仍將文件作為文件系統對象來管理。存儲設備管理并展示用于存儲文件內容的虛擬卷。虛擬卷可被初始化或填充以使得其中的虛擬塊與設備存儲塊對齊。虛擬卷可通過解析虛擬盤文件以訪問虛擬盤元數據來初始化和填充，然后使用虛擬盤元數據來確定并設置虛擬卷的特征。

許多附帶特征將隨著參考下面的詳細描述并結合附圖進行解釋。