數據中心去小型機化可行性研究

王玉璽++周文軍

（江蘇第二師范學院數學與信息技術學院， 江蘇 南京 210013）

摘 要： 數據中心對存儲和計算的要求不斷提高，傳統的小型機構架出現弊端，以小型機服務器性能和數據中心業務需求分析為基礎，結合主流架構和技術，研究了數據中心去小型機的必要性和可行性，提出了基于X86開放平臺架構、基于虛擬化構架和基于公有云替代等三種替代方法，并根據實際應用場景進行了對比測試實驗。結果表明：在數據中心，X86構架平臺在設計合理的情況下，已具備替代小型機架構的能力。

關鍵詞： 小型機； x86； 數據中心； 虛擬化

中圖分類號：TP302 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）12-09-04

Abstract： With the increasing requirements of datacenter for storage and calculation， the disadvantages of traditional minicomputer have appeared. Combining with the mainstream architecture and technology of datacenter， the possibility and necessity of removing minicomputer from datacenter are studied， through the analysis of minicomputer servers' performance and datacenter's business demands. Three alternative solutions including the architecture based on X86 open platform， the architecture based on virtualization and the public cloud substitute mode， are presented. And the comparison tests have been done according to the actual application scenario. The results show that with reasonable design， the architecture based on X86 open platform has the ability to replace the minicomputer architecture.

Key words： minicomputer； x86； datacenter； virtualization

0 引言

隨著數據中心的發展，尤其是云計算技術的出現，數據中心逐漸演變成集大數據存儲、云服務為一體的高性能計算機資源池，在資源池化的基礎上開發計算、存儲、運維、管理等一系列的功能，可有效提高單位數量服務器的使用率[1]。傳統數據中心核心業務和關鍵業務的計算及存儲任務主要由RISC小型機完成，隨著X86處理器性能及可靠性提升，這些業務正在逐步遷移至X86平臺。根據最新市場報告，近年來RISC小型機市場占有率從70%降至不足20%[2]，數據中心“去小型機化”趨勢明顯。同時，數據中心的數據計算和存儲需求總量迅速膨脹，將本地數據中心的計算和存儲單元遷移至“公有云”環境的研究和實施工作也在逐步的展開。

1 數據中心小型機架構現狀

傳統數據中心選擇小型機，一般作為重要數據庫及核心業務的主要計算和存儲單元[3]。出于設備的重要性和運維管理的難度，在小型機平臺搭建完成后若干年內很少對其進行大規模升級。隨著數據中心業務系統的擴張，非核心業務服務器會逐步升級、淘汰，但運行著核心業務的小型機卻較難及時升級，導致小型機系統設備陳舊且超負荷運行，硬件故障率提高，數據丟失和業務中斷的風險加大。小型機硬件和操作系統常來自同一廠商，屬于封閉專用的計算機系統，替換速度慢。針對小型機進行部件升級時，往往設備、配件已經停產；而若對設備進行整體淘汰更新，新系統建設成本高，甚至需要對軟件架構、業務邏輯進行重新梳理和升級，且在未來幾年內又會遇到同樣的設備老化等問題，制約著其業務擴展的能力。基于上述原因，研究一種易于業務部署且數據遷移快捷的小型機替代方案尤為重要，本文提出了三種替代方法。

2 數據中心小型機替代方法

2.1 基于x86開放平臺的架構

傳統數據中心普遍采用小型機服務器加FC-SAN存儲架構，支撐核心、關鍵業務中的大型數據庫系統，這類業務對CPU性能、磁盤性能和存儲網絡性能均有較高要求[4]，現有做法是依靠堆積小型機硬件或升級到大型機來滿足性能需求，而在小型機的替代方法中應有效保證以上三者性能。

2.1.1 架構設計

結合數據中心對CPU、磁盤和存儲網絡性能需求，提出一種基于x86開放架構的小型機替代方法：計算節點使用X86服務器組建計算集群，存儲節點使用x86服務器配置PCIE Flash存儲提供高IO性能的存儲服務；計算單元與存儲單元通過Infiniband網絡構建低延遲、高帶寬、冗余性的存儲網絡，架構方法如圖1。設計方法采用三層架構：分布式存儲層、網絡層、計算層。

分布式存儲層：使用x86服務器，本地磁盤實現共享存儲。設計思想是，通過軟件對硬件存儲單元統一管理和分配，實現存儲資源統一交付，便于存儲容量的擴展，同時解決了存儲服務器對硬件過于依賴的問題。利用多臺廉價x86服務器對磁盤IO壓力進行均衡負載，利用閃存技術作為高速緩存或直接存儲介質，解決存儲的IO瓶頸。

網絡層：基于Infiniband架構的存儲網絡提供了冗余鏈路，兼顧了高帶寬和低延遲，尤其適用于大型數據庫的應用。

計算層：基于x86服務器設計，為解決開放x86平臺硬件可靠性不足的問題采用多計算節點設計，多節點間實現負載均衡且節點間互為備份。該設計方法優勢在于，物理硬件故障不影響業務的正常交付，解決了業務對硬件資源的高依賴性，同時方便基礎架構的升級和淘汰。

2.1.2 關鍵技術

分布式存儲架構中的數據可靠性借助HA方案來解決，如圖2所示。圖2中的DRDB（Distributed Replicated Block Device）是一個基于軟件實現的在服務器間進行塊設備數據同步復制的解決方案[5]，這種策略通過網絡在服務器之間實現塊設備同步，輔助Heartbeat HA實現服務器之間的動態角色切換，可以有效規避因物理服務器損壞造成的分布式存儲中的元數據丟失。

2.2 基于虛擬化的架構

傳統數據中心的小型機除了作為大型數據庫服務器外，也常作為關鍵核心業務的應用服務器，常出現性能過剩的情況。小型機服務器在硬件條件允許的情況下，可使用分區技術構建不同的邏輯服務器分配給多個應用環境使用。但是這種方法缺少統一的調度措施，對硬件資源的分配、回收、再利用靈活度較低，且較難實現應用的遷移。

利用虛擬化技術，基于x86服務器構建資源池，可以實現硬件資源的動態分配、回收，在資源池中部署的應用系統，可方便快捷的跨硬件遷移。有效地解決了資源浪費、資源分配回收難和管理繁雜等問題。以VMware產品構建虛擬化平臺為研究對象，如圖3使用ESXI作為x86服務器底層操作系統，首先構建出虛擬化集群，實現物理資源的池化，資源池使用統一的調度管理平臺實現資源動態分配、回收。動態遷移[6]技術提升了資源池中應用系統的可靠性，滿足應用在不停機情況下，在x86服務器之間動態“漂移”。

當虛擬化x86資源池進行大規模部署后，一個虛擬化集群可同時管理上千臺x86服務器。基于這種大型的x86虛擬化資源池可作為實現“私有云”的基礎設施[7]，以此為基礎進行管理和優化實現軟件定義的數據中心（SDDC）。

2.3 基于公有云的架構

與前述x86虛擬化資源池或私有云相比，公有云由第三方企業提供的“私有云”服務，通過共享的方式對資源池進行使用。公有云企業通過計費方式交付虛擬服務器、虛擬網絡、虛擬存儲、軟件接口、安全服務給租戶使用。根據服務類型云計算可以分為三個部分：基礎設施即服務（Iaas）、平臺即服務（Paas）、軟件即服務（Saas）。由以上概念出發，利用公有云資源替代小型機的方案，應首先考慮Iaas層面的選型，即對自身業務需求進行統計和分類，遷移至公有云的業務是否屬于核心業務或關鍵業務；同時對業務的計算、存儲、網絡、安全需求做全面分析；根據分析結果按需購買公有云的資源和服務。

3 實驗測試

3.1 基于x86開放平臺的架構壓力測試環境

針對傳統數據中心中的大型數據庫應用場景，在本文提出的x86開放平臺架構基礎上，進行數據庫壓力測試，測試工具選擇Apache Jmeter。單臺計算節點配置雙路Intel E5-2670 cpu，內存DDR3 128G；單臺存儲節點cpu為雙路Intel E5-2620，內存DDR3 48G，本地存儲使用400G PCI-Flash。壓力測試結果如表1所示。

由表1的測試數據，x86開放平臺架構在硬件滿足需求、軟件及架構配置合理的情況下，可滿足傳統數據中心的大型數據庫業務要求。

3.2 虛擬化替代方法性能測試環境

Power服務器（CPU為Power7 v2.1@4.2GHz）與X86服務器（CPU為E5-2630L v2@2.40GHz），均使用同一種虛擬化技術，每臺服務器各部署一個虛擬機，分配1個虛擬CPU和1G內存。使用相同的腳本進行測試，取Excel Throughput、Shell Scripts、System Call測試數據進行對比分析。

3.3 公有云替代方法性能測試環境

使用本地X86服務器虛擬機與公有云虛擬機性能對比測試，操作系統均選擇Centos 6.7 x64系統，選擇不同的內存配置，進行對比測試。使用相同的腳本進行測試，取Excel Throughput、Shell Scripts、System Call測試數據進行對比分析。

3.4 實驗結果分析

分析測試實驗結果發現，在CPU內核數與內存數相同的情況下x86服務器的三項性能指標比Power服務器高出5%至357%，測試結果顯示，同樣的虛擬化底層系統，基于X86的虛擬化性能優于基于power的虛擬化性能，對比結果如圖4所示。

數據同時顯示，服務器使用同級別的Intel cpu和power cpu時，在虛擬化計算性能上x86服務器性能優于小型機服務器，因此在需要對計算資源進行池化的應用環境中，x86服務器可以替代小型機服務器，主流的虛擬化技術和產品對x86平臺的支撐更優，兼容性更好。

在CPU內核數相同的情況下，當所測的虛擬服務器內存從512MB提升至1G時，三項性能指標均有一定的提升，提升幅度為20%至55.9%。因此在X86平臺虛擬化架構下，合理增加內存數可以有效提升虛擬機的計算性能，性能提升幅度如圖5所示。

綜合測試結果可知，相比傳統的小型機在虛擬化方面，x86架構具有更強的性能優勢。數據中心使用X86的虛擬化架構設計來替代小型機架構具有可行性。在實際應用中，應針對不同業務的存儲需求和計算需求，對基礎架構進行科學的規劃和設計，進而充分發揮x86平臺的虛擬化性能優勢。

4 結束語

本文結合傳統數據中心小型機架構的多種業務類型和應用場景，進行了小型機替代方法研究。基于x86開放平臺的架構，設計出適合數據中心大型數據庫應用的小型機替代方法；針對數據中心非數據庫應用系統，研究討論了基于x86虛擬化和公有云架構的小型機替代方法。對三種替代方法進行了實驗測試，并對實驗測試結果進行了分析歸納，證明基于x86的架構設計在數據中心多種業務類型和應用場景中，已經具備替代傳統小型機架構的能力。

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