了解 VMware vSphere 環境中的 I/O 篩選器

VMware vSphere 為虛擬機器提供了豐富的儲存相關特點。除了 VMware vSAN 和 Virtual Volumes 之外,VMware I/O 篩選器對於虛擬機器管理也相當有效,因為它們能為各種情境解鎖進階特點。這篇部落格文章將說明什麼是 VMware I/O 篩選器、它們如何運作,以及何時該使用它們。

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為 VMware vSphere 虛擬機器提供全面資料保護及快速還原選項。支援本地、異地及雲端的備份目標。具備防勒索軟體功能。

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什麼是 I/O 濾波器？

I/O 篩選器是安裝於 ESXi 主機上的軟體模組,並在 VMware vSphere 儲存 I/O 控制 (SIOC) 框架內運作。它們在 VMkernel 層級攔截磁碟輸入/輸出 (I/O),讓 VMware 或第三方供應商得以實作進階儲存服務,而無需變更虛擬機器或來賓作業系統。 因此,I/O 濾波器能夠在不依賴底層儲存拓撲的情況下,攔截並操控虛擬機器的 I/O。I/O 濾波器於 VMware vSphere 6.0 Update 1 中首次推出。此特點比先前使用的核心層級方法更為有效。

在虛擬化中,I/O 濾波器用於哪些地方？

VMware I/O 篩選器用於資料保護、效能優化、安全性及監控,因為它們:

• 啟用虛擬機器即時複製或備份
• 使用快取或分層來提升 I/O 效能
• 在 I/O 層級掃描或加密資料
• 追蹤並分析 I/O 操作,以進行故障排除或效能優化

I/O 濾波器主要用於 VMware vSphere 虛擬卷 (vVols) 以及 VMware vSphere I/O 過濾 API (VAIO) 基礎架構。部分使用情境包括:

• 虛擬機器複製
• 內嵌 資料去重 以及壓縮
• 即時加密與惡意軟體掃描
• 用於高效備份的磁碟層級變更擷取代理程式

I/O 濾波器是如何運作的？

以下將逐步說明 VMware I/O 篩選器的運作原理:

1. 虛擬機器發出 I/O 請求。該虛擬機器在其虛擬磁碟 (VMDK) 上執行讀取或寫入操作。此請求會傳遞至 ESXi 主機的 VMkernel 層。
2. VMkernel 會攔截 I/O 請求。在 I/O 請求傳送到實體儲存裝置(例如 SAN、NAS 或本地磁碟)之前,VMkernel 會檢查是否有任何透過 VAIO(vSphere I/O 過濾 API)框架註冊的 I/O 過濾器。
3. 該濾波器負責處理 I/O。
4. 若對虛擬機器套用了一個或多個篩選器,每個相關的 I/O 篩選器:
   • 檢查 I/O 操作
   • 可選擇性地修改、複製、重定向或記錄資料

   例如,複製篩選器可能會複製寫入操作,並將其傳送至遠端站點。

5. 該 I/O 會繼續傳送至資料存放區。一旦篩選器處理完該請求,I/O 便會如常傳送至底層儲存裝置(資料存放區)。
6. 系統會傳回一則確認訊息。儲存操作完成後,該確認訊息會沿著堆疊向上備份,過程中可能再次經過各種篩選機制(例如用於記錄或驗證),直到傳回虛擬機器。

同一台虛擬機器上可套用多個 I/O 篩選器。這些篩選器會依照預定的順序執行,並由 vSphere 進行管理。執行順序可能至關重要。例如,您可能希望在執行複製之前先進行加密。I/O 篩選器安裝於 ESXi 主機層級,並透過 vCenter Server. 篩選器是針對每台虛擬機器和每個磁碟套用,以提供細粒度的控制。

vSphere I/O 篩選 API (VAIO) 的作用

VAIO(vSphere I/O 篩選 API)是由 VMware 提供的一套框架,旨在讓第三方供應商(以及 VMware 自身)能夠攔截並操控 ESXi 主機上的虛擬機器 I/O 操作。VAIO 是一項技術及 API(應用程式介面),可直接存取虛擬機器來賓作業系統(OS)的輸入/輸出資料流。 VAIO 基於儲存政策管理 (SPBM) 機制,該機制旨在管理虛擬機器的儲存規則及其與儲存裝置的互動。 

VAIO 是一套官方 API,可讓開發人員建立 I/O 濾波器,用以監控、修改或強化虛擬機器磁碟 I/O,且無需干預虛擬機器的作業系統或應用程式。此機制在技術上的實作需使用 VAIO 驅動程式(亦稱為濾波器驅動程式)。此驅動程式會安裝在 ESXi 主機上,作為 VIB 套件. 虛擬機器(VM)的客體作業系統無需安裝任何特殊軟體。下方圖示說明了從虛擬機器到實體儲存裝置的資料路徑。

在上圖中,您可以看到兩個與 VAIO 相關的元件。第一個元件是運作於 VMkernel 層級並定義儲存政策的 VAIO 框架。第二個元件則是 I/O 篩選器,這是一套在 ESXi 主機使用者空間中運作的軟體。篩選器驅動程式提供資料複製、快取或其他功能,並將這些資料傳輸至實體儲存裝置進行寫入。

此架構使 I/O 篩選器驅動程式能夠存取輸入/輸出流,同時不會對 SCSI 指令的執行效能造成顯著影響。I/O 篩選器的另一項特點在於,它能夠存取通往記錄端(從作業系統到儲存裝置)的輸入/輸出流,以及反向的輸入/輸出流(即指令執行的結果)。這些功能對於資料複寫特別有用,有助於驗證磁碟寫入操作並確保資料一致性。 

SCSI 指令在通過 SCSI 模擬層 (vSCSI) 後,便會直接傳送至 I/O 過濾器,這使您能夠將 VAIO 應用於各種儲存裝置類型—— VMFS, NFS、SCSI 以及 vSAN. I/O 過濾器會在將指令傳送至網路堆疊進行儲存之前先攔截這些指令,以確保資料的一致性與安全性。

濾波器驅動程式在使用者層級運作,這表示它不會影響 ESXi 的運作穩定性。即使 VMware I/O 濾波器終止運作,VMkernel 中的主要 SCSI 指令堆疊仍會繼續正常運作。

該濾波器在特定層面上運作 VMDK 特定虛擬機器的虛擬磁碟,以便使用"基於儲存政策的管理"(SPBM),並將政策套用至特定的虛擬機器和服務。

VAIO 作為過濾器管理器,負責將(由 VMware 或第三方建立的)過濾器載入至 ESXi 主機。這些過濾器位於 I/O 路徑中,並能根據需求對流量進行處理。

下表列出了 VAIO 的使用情境。

I/O 濾波器的類型

I/O 篩選器技術可應用於多種用途。因此,VMware I/O 篩選器可依據其用途進行分類。

• 複製. 可透過資料保護解決方案及適當的 VMware I/O 篩選器,設定同步與非同步複製。來源虛擬機器寫入的新資料及資料變更會透過篩選器進行追蹤,並複製至目標虛擬機器。由於延遲低,因此能夠即時執行虛擬機器複製。
• 加密. 第三方軟體可利用 VAIO 機制,即時對虛擬機器的資料流進行加密與解密。因此,寫入實體儲存裝置的資料在寫入時已處於加密狀態。VAIO 的細粒度特性讓您能夠針對單一應用程式的資料進行處理,而非整個虛擬機器的資料。
• 資料去重. vSAN 已採用此機制。系統可對通過 I/O 篩選驅動程式的資料進行即時重複資料刪除,並將這些資料儲存至目標儲存裝置以節省磁碟空間。VMware 合作夥伴亦可運用此技術。
• 分層. 根據資料的重要性,您可以將資料儲存於不同效能等級的儲存裝置中,這稱為 儲存分層. VAIO 機制能夠分析此類資料的性質,並指定最終儲存位置。
• 快取與分析. 您可以直接分析特定虛擬機器的資料流量,並根據收集到的資料建立各種解決方案,例如快取方案。接著,您可以在該虛擬機器的流量中找出特定應用程式的資料,或使用回寫快取機制。 

VAIO 技術支援即時 使用 vMotion 進行虛擬機器遷移 (目標主機上必須已啟用 VAIO)且 DRS 叢集 (必須在所有主機上啟用)。

I/O 濾波器的使用情境與優勢

VMware I/O 篩選器透過 VMware vSphere 中的進階特點,提供一系列廣泛的優勢,包括資料保護與安全性。讓我們來探討 I/O 篩選器的使用情境與優勢,並著重於三種最常見的場景。

備份與複製

主要的使用情境包括:

• I/O 濾波器能即時擷取虛擬磁碟資料的變更。
• 這些變更會傳送至備份系統或複寫目標,且不會中斷虛擬機器的運作。

採用基於 VAIO 的篩選器來執行的資料保護解決方案 無代理程式備份 就是其中一個例子。

主要好處包括:

• 在備份時段內,對虛擬機器效能的影響近乎為零
• 與崩潰一致,或 與應用程式一致 快照
• 區塊級追蹤使備份速度更快、效率更高
• 無需使用客體代理程式,從而降低複雜性

災難還原與高可用性

主要的使用情境包括:

• I/O 濾波器可實現將資料持續複製至另一個站點或儲存系統。
• 有助於建立虛擬機器的備份副本,以便在發生故障時啟用。
• 可與 VMware 產品(例如 Site Recovery Manager (SRM))或第三方災難還原 (DR) 解決方案配合使用。

主要好處包括:

• 即時或近即時複寫可確保資料損失降至最低(低 RPO).
• 與 vSphere vMotion、DRS 及 HA 完全整合,實現無縫故障移轉
• 啟用自動化 災難還原計畫 且不造成干擾 災難還原測試
• 非常適合用於符合法規要求,以及 業務連續性

資料加密與安全性

主要的使用情境包括:

• I/O 濾波器可在資料寫入儲存裝置時,對靜止資料進行加密。
• 濾鏡也可以在線執行 惡意軟體掃描 或資料外洩防護(DLP)檢查。
• 此操作在資料送入資料存放區之前即已完成,從而於虛擬機器管理程式層級提供安全的 I/O 處理。

主要好處包括:

• 無需對客體作業系統或應用程式進行任何變更
• 有助於符合法規要求(《一般資料保護條例》(GDPR)(例如 HIPAA、PCI DSS 等)
• 即使儲存裝置遭到入侵,仍能防止資料遭竊
• 集中式 加密 透過 vCenter 進行基於政策的管理

系統需求與相容性

若要在 VMware vSphere 中使用 VMware I/O 篩選器(包括與 vSphere 協同運作的第三方應用程式),您必須符合系統需求。

資料存放區與 ESXi 版本支援

ESXi 版本必須為 ESXi 6.0 Update 1 或更新版本。為確保更廣泛的相容性與更佳的效能,建議您使用 vSphere 6.5 或更新版本。最新版本完整支援最先進的 I/O 篩選器,並可與備份、災難還原及資安解決方案無縫整合。

請確認 VAIO 外掛程式版本與您所使用的 ESXi 版本相容。VMware 及第三方供應商通常會提供相容性對照表。如有需要,請聯絡您的軟體供應商以獲取更多詳細資訊。

下表說明了資料存放區與 VMware I/O 篩選器的相容性。

若您使用叢集,請透過篩選器確保叢集中的所有主機皆可存取資料存放區。這對於 vMotion 及高可用性 (HA) 的相容性至關重要。

虛擬機器與硬體考量

虛擬機器的配置需求如下:

• VMware I/O 篩選器是在 VMDK(虛擬磁碟)層級套用的,這表示虛擬機器必須使用受支援的虛擬磁碟類型。
• 厚配置或薄配置 已支援。
• 虛擬機器的硬體版本必須與 ESXi 主機相容(建議使用虛擬硬體版本 11 或更高版本)。

不支援的虛擬機器設定:

• 在多寫入者模式下共享的 VMDK 檔案(例如 Microsoft 叢集服務(MSCS)等叢集配置)。
• 獨立磁碟(用於某些備份情境)。
• 處於實體 RDM 模式的磁碟。

支援的硬體包括:

• x64 處理器(CPU – 中央處理器)
• 相容的網路介面控制器 (NIC) 與主機匯流排適配器 (HBA) – 依據 VMware 硬體相容性清單 (HCL)
• 如果您計劃使用 VMware vSphere 叢集並搭配共用儲存裝置, 高可用性 (HA) 或 分散式資源排程器 (DRS).

請確保符合以下額外的硬體需求:

• 主機上需預留足夠的 RAM/CPU 資源,以供執行運算密集型任務(如加密、去重等)的過濾器使用。
• 若使用快取或提升效能的 I/O 篩選器,則可使用 SSD/NVMe 儲存裝置。

如何設定與管理 I/O 篩選器

VMware I/O 濾波器可手動或自動安裝於 NAKIVO Backup & Replication:

• 手動安裝的需求是需要在 VMware vCenter 中進行設定,並在 NAKIVO Backup & Replication.
• 可透過"即時服務精靈"自動安裝 VMware I/O 濾波器,位於 NAKIVO Backup & Replication.

快來看看 即時複製 附有螢幕截圖與實用範例的指南,教您如何設定 I/O 篩選器。您也可以在 NAKIVO 使用手冊.

NAKIVO 如何運用 I/O 篩選器來提升備份效率

NAKIVO Backup & Replication 是一款具備豐富進階特點的可靠資料保護解決方案。NAKIVO 解決方案支援針對 VMware vSphere 虛擬機器的傳統週期性複製與即時複製。透過 I/O 篩選器攔截並處理虛擬機器的 I/O 操作,以建立即時複製工作。

請注意,NAKIVO 已開發出專屬的 I/O 篩選器(名為"nakfilter"),該篩選器已通過 Broadcom(VMware)針對 VMware 虛擬機器"即時複製"特點的認證。您可以直接從 NAKIVO Backup & Replication 網頁介面,簡化即時複寫特點的使用流程。

即時複製可提升災難還原的還原點目標 (RPO),並在發生故障時減少資料損失。這有助於增強業務韌性,並確保資料獲得強健的保護。透過使用 VMware I/O 篩選器的即時複製功能,您可以實現最短的 RPO,並針對關鍵工作負載實施嚴格的災難還原策略。

結論

虛擬機器 I/O 過濾是一項強大的特點,可在 VMware vSphere 中為儲存操作提供進階功能。I/O 過濾器可用於即時複製、快取、壓縮、加密及其他用途。VMware 的 I/O 過濾 API 允許供應商開發第三方解決方案,包括用於持續資料保護和虛擬機器複製的解決方案。 NAKIVO Backup & Replication 可與 VMware I/O 篩選器配合使用,並支援即時複寫。

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