超融合技術(shù)在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中的研究與應(yīng)用

摘 ?要：隨著信息化建設(shè)步伐的不斷加快，各企事業(yè)單位的信息化資源也隨之增長，業(yè)務(wù)系統(tǒng)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(shè)工作的不斷發(fā)展，根據(jù)實際需要，建設(shè)一套適合本單位的數(shù)據(jù)中心成為各信息化管理部門的首要問題，在產(chǎn)品選型、易用性、可用性、后期擴展、設(shè)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(tǒng)數(shù)據(jù)中心與超融合數(shù)據(jù)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(tǒng)已經(jīng)成為新一代數(shù)據(jù)中心的首選目標。

關(guān)鍵詞：超融合;數(shù)據(jù)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(shù)字化校園建設(shè)的過程中，數(shù)據(jù)中心是建設(shè)的重點。因為硬件性能的不斷提升和網(wǎng)絡(luò)速度越來越快，促進了軟件和數(shù)據(jù)的快速發(fā)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(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心、信息系統(tǒng)、世界，軟件定義一切的時代已經(jīng)來臨，而硬件已經(jīng)不再是人們關(guān)注的熱點。而隨著硬件技術(shù)的不斷發(fā)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(xiàn)融合的機遇也隨之而來。

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

2 超融合架構(gòu)建設(shè)基礎(chǔ)（Hyper-converged ? ? architecture foundation）

2.1 ? 建設(shè)背景

隨著能源成本和云計算需求的同步增長，對數(shù)據(jù)中心的有效控制變得至關(guān)重要[1]。高校數(shù)據(jù)中心是承載著大量業(yè)務(wù)系統(tǒng)和海量教學資源的核心模塊。建設(shè)好數(shù)據(jù)中心，對數(shù)字化校園建設(shè)的成敗有著至關(guān)重要的地位。但現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心建設(shè)有著以下幾方面的問題急待解決：

一是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心依靠服務(wù)器+存儲+虛擬化的架構(gòu)[2]，應(yīng)對大量業(yè)務(wù)需求，經(jīng)常遇到計算瓶頸、存儲瓶頸和通信瓶頸，導(dǎo)致業(yè)務(wù)阻塞，宕機時有發(fā)生，數(shù)據(jù)時有丟失，嚴重影響用戶體驗。

二是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心還有架構(gòu)復(fù)雜的缺點。傳統(tǒng)架構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)、存儲、計算等IT基礎(chǔ)資源仍然是分離的[3]，無法滿足統(tǒng)一調(diào)度和管理的數(shù)據(jù)中心極簡化的要求，在網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)統(tǒng)一平臺自動化調(diào)度和管理，因其復(fù)雜度較高，導(dǎo)致其管理、維護成本和建設(shè)成本也較高。

三是擴容成本較高。無論是服務(wù)器還是存儲設(shè)備，其采購成本均處于高位，當現(xiàn)在設(shè)備不能滿足需要時，只有采購更多的設(shè)備進行擴容。擴容時，無論是采購成本還是技術(shù)成本均有較大投入，同時還存在一定的技術(shù)風險，如數(shù)據(jù)丟失或破壞，導(dǎo)致更大程度提高擴容成本。

四是兼容性不高。各品牌產(chǎn)品不能兼容或兼容性不高，也導(dǎo)致不能滿足數(shù)字化校園未來IT規(guī)劃，軟硬件產(chǎn)品兼容性在很大程度上制約了數(shù)字化校園的發(fā)展。

為此，超融合架構(gòu)具有的明顯優(yōu)勢使得各高校數(shù)據(jù)中心的建設(shè)由傳統(tǒng)虛擬化架構(gòu)向超融合架構(gòu)轉(zhuǎn)型就顯得尤為重要。

2.2 ? 超融合數(shù)據(jù)中心建設(shè)方案

（1）服務(wù)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(shù)進行簡單了解。

所謂虛擬化技術(shù)，簡單來說就是通過特定的軟件技術(shù)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(tǒng)，而且所有的應(yīng)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(shù)使用軟件的方法重新定義和劃分IT資源，可以實現(xiàn)IT資源的動態(tài)分配、靈活調(diào)度、跨域共享，從而充分提高了設(shè)備的利用效率，降低部署成本。

服務(wù)器虛擬化是虛擬化技術(shù)的一個重要應(yīng)用，它是把一個物理服務(wù)器動態(tài)分割成多個小的虛擬服務(wù)器，這些虛擬服務(wù)器依靠一臺實體機生存，IT運維管理部門通常使用服務(wù)器虛擬化來支持各種工作，例如支持數(shù)據(jù)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(tǒng)進行虛擬化，用戶可以在任何時間、任何地點，通過任何設(shè)備訪問遠程桌面系統(tǒng)。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(jù)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(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)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(jié)點，桌面系統(tǒng)理論上可以無限擴張。

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

（2）超融合數(shù)據(jù)中心的建設(shè)標準和要求

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

其次是規(guī)劃數(shù)據(jù)中心標準。一是要實現(xiàn)IT資源全面池化[6]，將超融合設(shè)備的基礎(chǔ)資源全面池化管理，實現(xiàn)統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一資源分配。二是保證數(shù)據(jù)中心可彈性擴展，構(gòu)件模塊可按節(jié)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(shù)據(jù)安全，實現(xiàn)資源自動分配和數(shù)據(jù)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(yè)務(wù)系統(tǒng)交付，為實現(xiàn)極簡化數(shù)據(jù)中心提供技術(shù)保障。

最后要保證超融合設(shè)備的安裝部署要符合虛擬化技術(shù)標準的規(guī)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(shù)的分布式存儲功能將數(shù)據(jù)容災(zāi)、風險控制能力加以最大限度發(fā)揮，以確保數(shù)據(jù)安全。

2.3 ? 總體技術(shù)架構(gòu)

超融合基礎(chǔ)架構(gòu)層：通過萬兆數(shù)據(jù)中心交換機連接超融合設(shè)備，超融合設(shè)備提供萬兆數(shù)據(jù)交換接口，以應(yīng)對超融合數(shù)據(jù)中心的海量數(shù)據(jù)交換。每臺超融合設(shè)備提供多個節(jié)點（一般情況下為4個節(jié)點），每個節(jié)點均提供相同的硬件配置，為未來實現(xiàn)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(zhì)，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(xiàn)統(tǒng)一資源調(diào)配。超融合設(shè)備可實現(xiàn)“多虛一、一虛多”模式運行，在一個統(tǒng)一的管理平臺下，對超融合設(shè)備所有資源池化后統(tǒng)一管理與分配。具體架構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)層：通過VMware統(tǒng)一資源管理平臺，對各管理模塊進行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)各模塊統(tǒng)一構(gòu)建高效、靈活、高可擴展的數(shù)據(jù)中心，大幅度降低資源調(diào)配和數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)系統(tǒng)管理的復(fù)雜度。

VDC與VPC層：VDC即虛擬機數(shù)據(jù)中心，它是IaaS資源的邏輯抽象，用于對可用的CPU、內(nèi)存資源、存儲和網(wǎng)絡(luò)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(wù)。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(chuàng)建的一種虛擬資產(chǎn)，提供安全的網(wǎng)絡(luò)邊界防護，多條網(wǎng)絡(luò)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(shè)實施和應(yīng)用（Hyper-converged ? ? construction implementation and application）

（1）基礎(chǔ)硬件設(shè)置：每臺超融合設(shè)備配備4個節(jié)點，每節(jié)點配置CPU Intel E5 2650V3*2，內(nèi)存128GB，4節(jié)點總計CPU*8+內(nèi)存128G*4+12*4T共48TB存儲。每臺超融合設(shè)備2U配置，提供16個萬兆數(shù)據(jù)通訊接口，以滿足大容量數(shù)據(jù)交換。同時內(nèi)部提供SSD存儲空間以保證超融合設(shè)備內(nèi)部調(diào)整數(shù)據(jù)交換需要。全部存儲采購EMC ScaleIO架構(gòu)，其特點是不受基礎(chǔ)架構(gòu)限制，可與其他品牌的服務(wù)器、操作系統(tǒng)及存儲介質(zhì)同時混用，真正實現(xiàn)多系統(tǒng)兼容，是真正意義上的超融合。

（2）設(shè)備安裝與部署：三臺超融合設(shè)備通過萬兆光纖與萬兆數(shù)據(jù)中心交換機連接，要求數(shù)據(jù)中心交換機至少配置48個萬兆光纖接口以滿足超融合設(shè)備連接需要。設(shè)備連接成功后，需對三臺超融合設(shè)備進行開機調(diào)測，因其采用極簡架構(gòu)，調(diào)配簡單，整個過程在1小時左右，真正實現(xiàn)了快速交付，與傳統(tǒng)虛擬化數(shù)據(jù)中心的調(diào)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(tǒng)架構(gòu)采用了VMware EVO：RAIL實現(xiàn)集群式管理，由EVO：RAIL提供計算資源、存儲資源，以及大多數(shù)連接和管理業(yè)務(wù)工作負載必需的網(wǎng)絡(luò)功能[7]。一套EVO：RAIL裝置可以支持約100個服務(wù)器虛擬機，或250個View虛擬機實例，當然實際承載能力會根據(jù)每個工作負載的計算要求而定。雖然各節(jié)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(jié)點作為備用，以應(yīng)對遷移、宕機甚至意外事件的發(fā)生。

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

本次根據(jù)實際需要，共開通了CRP數(shù)字化校園管理系統(tǒng)、DASCOM得實教學管理平臺、學院門戶網(wǎng)站群系統(tǒng)、高校數(shù)字化教學資源庫平臺、圖書管理系統(tǒng)、OA系統(tǒng)、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(tǒng)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(shè)，為學院的“智慧工程”建設(shè)奠定了堅實的基礎(chǔ)，助推學院將統(tǒng)一業(yè)務(wù)平臺、各應(yīng)用系統(tǒng)及IT運維平臺進行了整合，為打造一體化服務(wù)平臺提供了軟硬件環(huán)境，實現(xiàn)了從“網(wǎng)上辦事大廳”到“一體化智能管理服務(wù)平臺”的跨躍。目前，學院業(yè)務(wù)系統(tǒng)已全部整合到數(shù)據(jù)中心，通過統(tǒng)一身份認證系統(tǒng)實現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)無感知認證和網(wǎng)絡(luò)登錄無感知認證，極大地方便了師生的使用體驗，同時，規(guī)范了全部數(shù)據(jù)接口，方便未來新增業(yè)務(wù)系統(tǒng)的對接和其他系統(tǒng)的擴容，滿足學院未來五年的發(fā)展需要。

經(jīng)近一年左右測試，所有系統(tǒng)均實現(xiàn)運行穩(wěn)定。無論是在用戶體驗方面，還是數(shù)據(jù)安全性方面，均達到了正常要求，沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或運行不穩(wěn)定的現(xiàn)象，滿足了數(shù)據(jù)中心建設(shè)的所有要求。

4 ? 結(jié)論（Conclusion）

高校通過統(tǒng)一規(guī)劃，選擇合適的產(chǎn)品建設(shè)數(shù)據(jù)中心，同時也通過數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和應(yīng)用過程提升信息化管理人員的綜合業(yè)務(wù)能力。利用傳統(tǒng)架構(gòu)和超融合架構(gòu)都是數(shù)據(jù)中心建設(shè)的可選途徑，但通過對比分析，超融合系統(tǒng)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(shè)備兼容等各方面都具有不可替代的優(yōu)勢，利用超融合系統(tǒng)新建的私有云數(shù)據(jù)中心平臺，能夠有效地將計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)和安全四部分模塊有機融合，提高其數(shù)據(jù)交換性能、優(yōu)化用戶使用體驗、提供極簡管理平臺等方面為各企事業(yè)單位建設(shè)數(shù)據(jù)中心提供了一條優(yōu)選之路。通過超融合系統(tǒng)，可推動現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)進行系統(tǒng)再造，實現(xiàn)多種模式的系統(tǒng)集成，借以推進系統(tǒng)標準化建設(shè)，在方便師生、提高效率、節(jié)約成本、規(guī)范管理、改變模式等諸多方面提供了可以依靠的平臺，體現(xiàn)了超融合的巨大可用價值。目前已有眾多政府、企業(yè)、銀行、學校等機構(gòu)采用了超融合架構(gòu)的建設(shè)方案，超融合系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心建設(shè)的首選之日已經(jīng)到來。

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作者簡介：

林曉峰（1971-），男，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：計算機軟件，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù).