不自量力の Weithenn: vSphere 7 - 改善後的 Storage vMotion 儲存即時遷移機制

前言

醞釀已久的全新 vSphere 7 解決方案，終於在 2020 年 3 月 10 日由 VMware 官方正式發佈。在前一篇文章重構後的 vSphere vMotion 即時遷移機制當中，我們已經了解 vSphere 7 對於重構後的 vSphere vMotion 機制有哪些增強。在本文中，我們將討論 vSphere 7 增強 Storage vMotion 機制的部份。

Storage vMotion 技術用途

在開始之前，先幫大家回憶一下 Storage vMotion 技術的用途。簡單來說，管理人員透過 Storage vMotion 機制，可以將 VM 虛擬主機儲存資源從 A Storage 線上遷移到 B Storage，並且在遷移過程中 VM 虛擬主機仍可以正常服務，不會發生任何造成停機時間的情況。

事實上，Storage vMotion 技術從 ESX/ESXi 3.5 虛擬化平台版本開始支援，它能將運作中的 VM 虛擬主機其「儲存狀態」（Storage State），從一座儲存設備移動到另一座儲存設備，並且中間不會有任何停機時間產生。舉例來說，虛擬化平台當初建立時，因為預算考量所使用的儲存設備其硬碟為 SATA，隨著時間的推進以及 VM 虛擬主機運作數量增加，因而採購了效能更好採用 SAS 硬碟的儲存設備，便可以使用 Storage vMotion 技術，將 VM 虛擬主機的儲存資源由 SATA 硬碟儲存設備，線上不中斷的遷移到 SAS 硬碟儲存設備。

下列為 VM 虛擬主機線上遷移儲存儲存資源時的五個運作階段：
1. 將 VM 虛擬主機的 Home Directory MetaData （例如，Configuration、SWAP、Log Files……等），準備遷移到目的地 Datastore（例如，另一座儲存設備）。
2. 開始複製 VM 虛擬主機的虛擬硬碟檔（vDisk File），到 目的地的 Datastore 當中。
3. 在舊版 vSphere 4.x 版本中，使用 CBT（Changed Block Tracking）技術保持二邊資料的完整性，採用 vSphere 5.x 和後續版本，則會採用 Mirror Driver 技術，透過 One-Pass Copy 機制將二端的資料區塊（Block）保持同步及完整性。
4. VM 虛擬主機非常快速的執行 Suspended / Resumed 動作，以便使用目的地的 Home Directory MetaData 及 Disk File。
5. 順利切換 VM 虛擬主機的儲存資源後，將來源端的 Home Directory MetaData 及 Disk File 刪除。

圖、Storage vMotion 遷移機制運作示意圖

圖片來源： VMware PowerPoint Icons and Images - 2Q12 |VMware Communities

線上遷移大型 VM 虛擬主機的挑戰？

在前一篇文章重構後的 vSphere vMotion 即時遷移機制中，我們已經了解新版 vSphere 7 翻新原有 vSphere vMotion 技術。同時，也因為這層關係，讓 VMware 官方針對 Storage vMotion 技術中的 FSR (Fast Suspend and Resume) 遷移流程進行改善和最佳化。

事實上，Stroage vMotion 和 vSphere vMotion 的運作機制非常類似，不同的是 Storage vMotion 著重在線上遷移儲存資源，而 vSphere vMotion 則著重在線上遷移運算資源。

那麼，在開始說明最佳化後的 FSR 技術之前，我們先了解增強前的 FSR 遷移流程機制。簡單來說，FSR 會另外新增一台 VM 虛擬主機，並傳輸 Device State 和 Memory Metadata (請注意，不是 Memory Pages)，完成後把舊有的 VM 虛擬主機進行 Cleaned Up / Powered Off / Deleted 等動作。

圖、Storage vMotion FSR 遷移流程

圖片來源： vSphere 7 - Storage vMotion Improvements - VMware vSphere Blog

雖然，Storage vMotion 只需要遷移 VM 虛擬主機的 Memory Metadata (包括 PFrames 和 MPN)，而不需要遷移完整的 Memory Pages。然而，在遷移 PFrames (Page Frames) 和 MPN (Machine Page Numbers) 時，因為採用的是「單線程」(Single Threaded) 的傳輸方式，所以在處理大型運作規模 VM 虛擬主機時，一樣會碰到切換時間過長的問題 (Switch-over time / Stun-time)。

圖、舊有的 Storage vMotion FSR 線上遷移機制示意圖

圖片來源： vSphere 7 - Storage vMotion Improvements - VMware vSphere Blog

圖、舊有的 Storage vMotion FSR 線上遷移機制採用單線程傳輸示意圖

圖片來源： vSphere 7 - Storage vMotion Improvements - VMware vSphere Blog

最佳化後的 vSphere 7 Storage vMotion 運作架構

最佳化之後的 Storage vMotion 技術，將過去單線程傳輸方式改為「分佈式模型」(Distributed Model) 架構。簡單來說，把要執行遷移的 VM 虛擬主機 Memory Metadata 切成多段後，平均分配給多個 vCPU 並行傳輸，便可以有效加快傳輸效率同時降低切換時間。