超融合技術在數據中心建設中的研究與應用

摘 ?要：隨著信息化建設步伐的不斷加快，各企事業單位的信息化資源也隨之增長，業務系統不斷上線，工作越來越離不開信息化手段。為了促進信息化建設工作的不斷發展，根據實際需要，建設一套適合本單位的數據中心成為各信息化管理部門的首要問題，在產品選型、易用性、可用性、后期擴展、設備利舊、成本控制等諸多方面均需綜合考量。本文即通過傳統數據中心與超融合數據中心的研究和對比，提供給用戶一個明確的答案，即超融合系統已經成為新一代數據中心的首選目標。

關鍵詞：超融合;數據中心;虛擬化

中圖分類號：TP308 ? ? 文獻標識碼：A

Abstract：With the accelerating pace of informatization construction，the information resources of various enterprises and institutions have also increased and more business systems have be implemented on-line.Work is increasingly inseparable from information technology.In order to promote the continuous development of informatization construction and to meet actual needs，the construction of a suitable data center has become a primary issue for all the information management departments where product selection，usability，applicability，later expansion，equipment depreciation，cost control and other aspects need to be considered comprehensively.This paper provides a clear solution to the users by research and comparison between traditional data centers and hyper-converged data centers.Hyper-converged system has become the preferred choice for the next-generation data centers.

Keywords：hyper-convergence;data center;virtualization

1 ? 引言（Introduction）

在數字化校園建設的過程中，數據中心是建設的重點。因為硬件性能的不斷提升和網絡速度越來越快，促進了軟件和數據的快速發展，軟件可以從早期的定義無線電，到目前的軟件可以定義網絡、數據中心、信息系統、世界，軟件定義一切的時代已經來臨，而硬件已經不再是人們關注的熱點。而隨著硬件技術的不斷發展，性能不斷提升，體積不斷變小，功耗逐漸降低，散熱越來越少，可靠性越來越高，加工工藝日趨成熟，成本快速降低，實現融合的機遇也隨之而來。

因此，實現計算、存儲、網絡、安全與統一管理的軟硬件一體化超融合架構的呼聲就越來越高，采用全新的架構，用軟件定義數據中心、用軟件定義存儲與網絡、使配置更簡單、管理更容易、效率更高、投入更低的超融合產品倍受高校數據中心用戶的喜愛也就是情理之中的事情了。

2 超融合架構建設基礎（Hyper-converged ? ? architecture foundation）

2.1 ? 建設背景

隨著能源成本和云計算需求的同步增長，對數據中心的有效控制變得至關重要[1]。高校數據中心是承載著大量業務系統和海量教學資源的核心模塊。建設好數據中心，對數字化校園建設的成敗有著至關重要的地位。但現有的數據中心建設有著以下幾方面的問題急待解決：

一是傳統的數據中心依靠服務器+存儲+虛擬化的架構[2]，應對大量業務需求，經常遇到計算瓶頸、存儲瓶頸和通信瓶頸，導致業務阻塞，宕機時有發生，數據時有丟失，嚴重影響用戶體驗。

二是傳統數據中心還有架構復雜的缺點。傳統架構中網絡、存儲、計算等IT基礎資源仍然是分離的[3]，無法滿足統一調度和管理的數據中心極簡化的要求，在網絡配置、存儲管理和安全維護等諸多方面都要分別處理，無法實現統一平臺自動化調度和管理，因其復雜度較高，導致其管理、維護成本和建設成本也較高。

三是擴容成本較高。無論是服務器還是存儲設備，其采購成本均處于高位，當現在設備不能滿足需要時，只有采購更多的設備進行擴容。擴容時，無論是采購成本還是技術成本均有較大投入，同時還存在一定的技術風險，如數據丟失或破壞，導致更大程度提高擴容成本。

四是兼容性不高。各品牌產品不能兼容或兼容性不高，也導致不能滿足數字化校園未來IT規劃，軟硬件產品兼容性在很大程度上制約了數字化校園的發展。

為此，超融合架構具有的明顯優勢使得各高校數據中心的建設由傳統虛擬化架構向超融合架構轉型就顯得尤為重要。

2.2 ? 超融合數據中心建設方案

（1）服務器虛擬化與桌面虛擬化

在理解超融合之前，首先要對虛擬化技術進行簡單了解。

所謂虛擬化技術，簡單來說就是通過特定的軟件技術將一臺計算機虛擬為若干個邏輯計算機。這些虛擬出的多個邏輯計算機都可運行不同的操作系統，而且所有的應用程序都可以在這些邏輯計算機上獨立運行而互不干擾。這種技術使用軟件的方法重新定義和劃分IT資源，可以實現IT資源的動態分配、靈活調度、跨域共享，從而充分提高了設備的利用效率，降低部署成本。

服務器虛擬化是虛擬化技術的一個重要應用，它是把一個物理服務器動態分割成多個小的虛擬服務器，這些虛擬服務器依靠一臺實體機生存，IT運維管理部門通常使用服務器虛擬化來支持各種工作，例如支持數據庫、文件共享、圖形虛擬化和媒體交付。

桌面虛擬化，就是將計算機終端系統進行虛擬化，用戶可以在任何時間、任何地點，通過任何設備訪問遠程桌面系統。桌面虛擬化目前分為兩大陣營，一種是以“集中計算、集中管理”為特性的VDI模式;另一種是以“分布式計算、集中管理”為特性的IDV模式。用戶可根據不同的需要來選擇不同的模式。VDI模式不受地域限制，無論在哪里，桌面可以實現漫游。同時，VDI模式還支持多種終端，譬如平板、手機、PC機、筆記本電腦等。而IDV模式由于是采取分布式計算，能夠實現集中和簡化管理、部署功能。得益于流行的“邊緣計算”思維，IDV模式虛擬桌面充分利用終端的硬件資源，每個終端都是虛擬桌面節點，桌面系統理論上可以無限擴張。

與服務器虛擬化不同的是，服務器虛擬化面向的網絡數據服務提供者，而桌面虛擬化面向的是最終用戶。數據中心的虛擬化建設，正是依托于服務器虛擬化技術，但是服務器虛擬化對硬件設備的要求更高些，因此資金投入要高于普通服務器，但其性能高大幅度高于普通服務器，從單位成本方面來看，使用虛擬化技術可以有效降低資金投入，在達到同樣性能的服務要求時，虛擬化技術的投入要低很多，所以采用虛擬化技術是數據中心建設的必由選擇。在虛擬化技術架構中，超融合技術的異軍突起正體現了虛擬化技術的廣泛性和重要性。

（2）超融合數據中心的建設標準和要求

首先是要選擇合適的產品。超融合從概念的提出到產品成熟，經過了一個飛速的發展時期。超融合最初還只是一種軟件、一個算法[4]。但隨著關注度的迅猛提升，硬件設備廠商的大力支持，其商品化進程比任何一款產品都大大縮短。目前能夠提供超融合設備的廠商較多，其中華為、聯想、深信服、銳捷、神州數碼、華三、浪潮等國內知名企業均提供了符合用戶需求的產品，各品牌產品均有不同程度的差異，但基本上都能滿足超融合數據中心的建設[5]。

其次是規劃數據中心標準。一是要實現IT資源全面池化[6]，將超融合設備的基礎資源全面池化管理，實現統一管理、統一調度、統一資源分配。二是保證數據中心可彈性擴展，構件模塊可按節點添加，進行線性和無縫橫向擴展能力。三是有配備多重安全保障措施，保障數據安全，實現資源自動分配和數據平滑遷移。四是具有快速交付的特性。可以實際小時級別的快速業務系統交付，為實現極簡化數據中心提供技術保障。

最后要保證超融合設備的安裝部署要符合虛擬化技術標準的規定和要求。一般情況下，要按照主備模式或冗余模式來部署，充分利用虛擬化技術的分布式存儲功能將數據容災、風險控制能力加以最大限度發揮，以確保數據安全。

2.3 ? 總體技術架構

超融合基礎架構層：通過萬兆數據中心交換機連接超融合設備，超融合設備提供萬兆數據交換接口，以應對超融合數據中心的海量數據交換。每臺超融合設備提供多個節點（一般情況下為4個節點），每個節點均提供相同的硬件配置，為未來實現雙活、冗余及備份提供支持;每臺主機提供多達12塊存儲介質，最高可達96TB的存儲空間，標配情況下提供了48T的存儲資源。這些存儲資源池化后可利用VMware實現統一資源調配。超融合設備可實現“多虛一、一虛多”模式運行，在一個統一的管理平臺下，對超融合設備所有資源池化后統一管理與分配。具體架構如圖1所示。

數據中心業務層：通過VMware統一資源管理平臺，對各管理模塊進行統一管理，實現各模塊統一構建高效、靈活、高可擴展的數據中心，大幅度降低資源調配和數據中心業務系統管理的復雜度。

VDC與VPC層：VDC即虛擬機數據中心，它是IaaS資源的邏輯抽象，用于對可用的CPU、內存資源、存儲和網絡進行管理。其特點是資源虛擬化、自動化、資源隔離、資源分配可追溯、自服務。VDC保證了按需使用資源、資源隔離、自助管理。虛擬私有云VPC，是使用VDC資源創建的一種虛擬資產，提供安全的網絡邊界防護，多條網絡平面，不受限制的完整IP地址空間，以及基于VPC提供的一系列增強特性，比如彈性I、安全組、防火墻ACL、負載均衡和VPN等。

3 超融合建設實施和應用（Hyper-converged ? ? construction implementation and application）

（1）基礎硬件設置：每臺超融合設備配備4個節點，每節點配置CPU Intel E5 2650V3*2，內存128GB，4節點總計CPU*8+內存128G*4+12*4T共48TB存儲。每臺超融合設備2U配置，提供16個萬兆數據通訊接口，以滿足大容量數據交換。同時內部提供SSD存儲空間以保證超融合設備內部調整數據交換需要。全部存儲采購EMC ScaleIO架構，其特點是不受基礎架構限制，可與其他品牌的服務器、操作系統及存儲介質同時混用，真正實現多系統兼容，是真正意義上的超融合。

（2）設備安裝與部署：三臺超融合設備通過萬兆光纖與萬兆數據中心交換機連接，要求數據中心交換機至少配置48個萬兆光纖接口以滿足超融合設備連接需要。設備連接成功后，需對三臺超融合設備進行開機調測，因其采用極簡架構，調配簡單，整個過程在1小時左右，真正實現了快速交付，與傳統虛擬化數據中心的調配相比較，工作效率有了較大幅度的提升。具體部署如圖2所示。

（3）集群管理：超融合系統架構采用了VMware EVO：RAIL實現集群式管理，由EVO：RAIL提供計算資源、存儲資源，以及大多數連接和管理業務工作負載必需的網絡功能[7]。一套EVO：RAIL裝置可以支持約100個服務器虛擬機，或250個View虛擬機實例，當然實際承載能力會根據每個工作負載的計算要求而定。雖然各節點可以組成集群以獲得更多的擴展性，但單個EVO：RAIL部署支持最多八個EVO：RAIL裝置組成集群。同時，建議保留一個EVO：RAIL節點作為備用，以應對遷移、宕機甚至意外事件的發生。

（4）建設成果應用實例：利用超融合的虛擬化特性，以服務的形式為數據中心提供一個云環境，建設一個符合數據中心需要的私有云平臺，以滿足數據中心日益增長的軟硬件要求而進行建設。該項目共可提供240個Visual CPU，144TB存儲，1.5TB內存。待全部軟硬件環境部署完成后，即開始配置虛擬機。通過系統管理平臺，對全部軟、硬件資源進行池化后統一按需分配，包括CPU、內存、硬盤、網絡接口和USB接口等，完全實現按照系統軟件的需求進行分配，并可隨時根據需要臨時調整或動態分配，虛擬過程十分快捷，部署一個新的系統僅需數秒，對提升信息系統建設效率的提升有較大促進作用。為確保系統和數據安全，管理平臺還對資源進行了冗余處理，通過RAID對系統進行自動數據備份。數據備份的功能是在用戶數據一旦發生損壞后，利用備份信息可以使損壞數據得以恢復，從而保障了用戶數據的安全性。

本次根據實際需要，共開通了CRP數字化校園管理系統、DASCOM得實教學管理平臺、學院門戶網站群系統、高校數字化教學資源庫平臺、圖書管理系統、OA系統、各院系教學管理平臺共計16個虛擬機，通過壓力測試表明，整個系統CPU利用率為10%，存儲空間利用率為30%。

通過超融合平臺的建設，為學院的“智慧工程”建設奠定了堅實的基礎，助推學院將統一業務平臺、各應用系統及IT運維平臺進行了整合，為打造一體化服務平臺提供了軟硬件環境，實現了從“網上辦事大廳”到“一體化智能管理服務平臺”的跨躍。目前，學院業務系統已全部整合到數據中心，通過統一身份認證系統實現業務系統無感知認證和網絡登錄無感知認證，極大地方便了師生的使用體驗，同時，規范了全部數據接口，方便未來新增業務系統的對接和其他系統的擴容，滿足學院未來五年的發展需要。

經近一年左右測試，所有系統均實現運行穩定。無論是在用戶體驗方面，還是數據安全性方面，均達到了正常要求，沒有出現數據丟失或運行不穩定的現象，滿足了數據中心建設的所有要求。

4 ? 結論（Conclusion）

高校通過統一規劃，選擇合適的產品建設數據中心，同時也通過數據中心的建設和應用過程提升信息化管理人員的綜合業務能力。利用傳統架構和超融合架構都是數據中心建設的可選途徑，但通過對比分析，超融合系統無論是在性能提升、操控便捷、降低成本、滿足功能、日常維護、后期擴展、設備兼容等各方面都具有不可替代的優勢，利用超融合系統新建的私有云數據中心平臺，能夠有效地將計算、存儲、網絡和安全四部分模塊有機融合，提高其數據交換性能、優化用戶使用體驗、提供極簡管理平臺等方面為各企事業單位建設數據中心提供了一條優選之路。通過超融合系統，可推動現有系統架構進行系統再造，實現多種模式的系統集成，借以推進系統標準化建設，在方便師生、提高效率、節約成本、規范管理、改變模式等諸多方面提供了可以依靠的平臺，體現了超融合的巨大可用價值。目前已有眾多政府、企業、銀行、學校等機構采用了超融合架構的建設方案，超融合系統作為數據中心建設的首選之日已經到來。

參考文獻（References）

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作者簡介：

林曉峰（1971-），男，碩士，副教授.研究領域：計算機軟件，計算機網絡技術.