超融合基礎架構在圖書館數據中心的構建及應用

何玲慧 木楠 王霞

摘要：隨著圖書館數據中心對設備、存儲和管理等方面需求的提高，傳統架構數據中心已不能滿足需求。圖書館使用超融合架構管理圖書館數據中心代替傳統架構，將存儲、網絡、計算等資源整合，數據中心的資源利用率、管理方式、安全性和擴展性等方面得到了顯著的提升。通過對超融合管理平臺的概述、超融合在圖書館的部署概述和應用、傳統架構數據中心與超融合架構數據中心管理模式的優劣勢對比等方面，進行超融合平臺的管理模式探究。

關鍵詞：超融合基礎架[標紅分號刪除改為空格]構 數據中心 虛擬化 圖書館

中圖分類號：G258.6? ? ?文獻標識碼：A

Construction and Application of Hyper-Converged Infrastructure in Library Data Centers

HE Linghui? ?MU nan? ?WANG Xia*

（Naval Medical University， Shanghai，200433 China）

Abstract： With the increasing demand for equipment， storage and management in library data centers， traditional architecture data centers can no longer meet the demand. The library uses a hyper-converged architecture to manage its data center instead of the traditional architecture， and integrates resources such as storage， networks and computing， which significantly improves the resource utilization， management methods， security and scalability of the data center. By the overview of the hyper-converged management platform， the deployment overview and application of hyper-convergence in libraries， and the comparision of the advantages and disadvantages of the management modes of traditional architecture data centers and hyper-converged architecture data centers， this study explores the management mode of hyper-converged platforms.

Key Words： Hyper-converged infrastructure; Data center; Virtualization; Library

大學圖書館數據中心一直使用傳統物理架構，該架構依賴于機架式X86服務器和集中式IPSAN存儲。圖書館數據中心內置4臺機柜承載了30余臺物理服務器、10余臺存儲、若干網絡設備及其他硬件設備。在圖書館新增服務器和數據量逐年遞增的情況下，機柜的空間利用率、物理服務器和存儲資源已趨于飽和，還存在運維工作量大、投入成本高等方面的問題[1]。傳統物理架構的數據中心已無法滿足圖書館數據中心管理的需求，深信服超融合具有擴展性好、資源利用率高、維護方便、可靠性高等特點，解決了圖書館數據中心運維復雜、擴容困難的問題[2]。

1超融合基礎架構

1.1 超融合基礎架構概述

超[添加1.1 超融合基礎架構概述]融合基礎架構（Hyper-Converged Infrastructure，HCI）是面向下一代數據中心的軟件定義基礎架構，僅需通用的服務器和交換機硬件，利用軟件定義技術構建計算、存儲、網絡和安全的統一資源池，替代復雜的傳統煙囪式架構，實現基礎架構的極簡化，并提供運維管理、容災備份、智能監控等高級特性。

[去底紋]

圖1 超融合架構

如圖1所示，超融合基礎架構以通用第三方x86服務器或超融合一體機為基礎，多臺第三方服務器或超融合一體機通過交換機組成服務器集群，實現具備橫向擴展能力的基礎架構。HCI以虛擬化技術為核心，利用計算虛擬化aSV、存儲虛擬化aSAN、網絡虛擬化aNET、安全虛擬化aSEC等組件，將計算、存儲、網絡等虛擬資源融合到一臺標準X86服務器中，形成基準架構單元[3]。[段落下面添加二級標題1.2超融合資源池

1.2.1 aSV]

1.2 超融合資源池

1.2.1aSV

aSV為整個HCI的內核。計算資源虛擬化技術使服務器通過aSV 組件，讓使用者可以看到虛擬機。可以實現虛擬機資源熱添加、主機＼虛擬機故障遷移、虛擬機快速拉起等功能，特別是實現CPU、內存虛擬化解決了業務增長帶來的運維問題。

1.2.2aSAN[添加三級標題1.2.2 aSAN? ?段落另起一行]

aSAN[添加三級標題1.2.2 aSAN? ?段落另起一行]是分布式存儲系統。利用虛擬化技術“池化”集群存儲卷內通用X86服務器中的本地硬盤。與服務器虛擬化（aSV）結合使用時，可以在虛擬化或云平臺中管理存儲資源。可以實現存儲快照、虛擬機克隆、數據平衡、數據重建、磁盤亞健康掃描與修復、壞道預測等功能。

1.2.3aNET[添加三級標題1.2.3 aNET? 段落另起一行? ]

aNET[添加三級標題1.2.3 aNET? 段落另起一行? ]是網絡虛擬化組件。提供傳統應用、新型應用所需虛擬網絡環境，實現網絡資源的統一編排。aNet 提供了完整的邏輯網絡和安全性擴展能力，實現了網絡虛擬化、網絡功能虛擬化、分布式虛擬防火墻、業務邏輯拓撲所畫即所得等功能。

1.2.4aS[添加三級標題1.2.4 aSEC? ?段落另起一行]EC

aS[添加三級標題1.2.4 aSEC? ?段落另起一行]EC實現了安全設備虛擬化。使用 NFV 技術將7種安全產品組件（下一代防火墻、SSL VPN、上網行為管理等）融合在虛擬化平臺內部。

2超融合技術在圖書館數據中心的實施概述

2.1基礎硬件設置

項目最初的基礎硬件通過計算需替換服務器資料和未來資源擴展的需求，配置了7臺服務器節點組建超融合集群，每個節點配置2塊SSD硬盤和9塊機械硬盤；配置了4臺交換機與超融合設備連接，負責管理、業務和存儲網絡，每類網絡采用雙鏈路聚合方式進行組網，提升容錯性避免單鏈路故障，其中存儲網絡采用萬兆鏈路[4]。之后由于存儲容量擴充的需求，陸續新增兩個節點，配置了2塊讀密集型硬盤和10塊機械硬盤。新增了2臺千兆交換機負責新設備的連接。

2.2超融合aCloud平臺

硬件環境部署完成后，需要建立一個符合圖書館數據中心需要的云計算平臺來完成對全部資源的管理，深信服超融合aCloud通過標準的x86服務器設備組建集群高可用性資源池平臺，通過服務器虛擬化實現Web系統，系統主界面包括虛擬機的遷移和新增、虛擬機配置管理（CPU、內存、磁盤、光驅、網口、USB等）、虛擬網絡配置、存儲管理、實體機管理、可靠服務和系統管理[5]。

目前平臺已遷移和新增虛擬機共40多臺，使用4臺交換機搭配組成虛擬化集群內部管理和業務通路，并在接入層組建雙鏈路以提高網絡冗余性。使用兩臺萬兆交換機鏈接服務器集群內全部存儲資源，并利用虛擬化技術將其整合成資源池。在aCloud管理平臺的虛擬網絡管理組件中，根據實際網絡狀況劃分出多個二層接口，以滿足不同網段服務的接入需求。經3年多的運行使用，所有虛擬機都基本實現運行穩定。無數據丟失、系統功能異常等情況發生，滿足了圖書館數據中心平穩升級的需求。

3超融合系統在圖書館數據中心的應用

3.1虛擬機遷移

搭建完成超融合基礎架構管理平臺后的第一件事就是將圖書館現有的物理服務器上的操作系統連同全部應用程序和存儲數據全部轉移到平臺上。不同于以往繁瑣的安裝流程，P2V遷移可以將整個系統完整快捷的搬遷到新的平臺上，同時具備效率和實用性，在盡量不影響業務的情況下完成轉移。實現方法有開機遷移、關機遷移、ISO遷移等。在實施遷移工作前，需要對物理機的信息進行收集，包括操作系統信息、硬件配置信息、負載信息和業務系統類型信息。

CPU類型、內存大小、磁盤類型是否為特殊業務等條件決定了應該使用哪種遷移方式。圖書館大部分服務器都是Windows系統且遷移過程中不會產生增量數據，所以大部分選擇使用開機遷移方式遷移，一臺aCloud主機可以同時進行2個遷移任務。另外一部分涉及圖書館業務和數據量較大的服務器選擇在雙休日時間段用關機遷移方式遷移。整個P2V過程無須繁瑣的人工操作，原先物理服務器上的業務很快就可以繼續運行在虛擬平臺上了。遷移過后，舊有設備產生的故障不在對業務產生影響，虛擬機管理界面統一且直觀，極大的提高了運維效率與成本。

3.2虛擬機資源熱添加

虛擬機支持熱添加的功能極大地節約了運維成本。在傳統的模式中，添加硬件資源時，需要等到不影響業務的時間段如周末或深夜，到機房拆解服務器。而虛擬機上只需要在編輯頁面進行信息修改就可以滿足資源升級的要求。可編輯的資源包括處理器、內存、磁盤、網卡、光驅、USB等。其中，為虛擬機分配的vCPU核心數不能大于運行主機的物理CPU總線程數，內存同樣不能大于主機內存，且處理器和內存只可向上調整。其他硬件可根據業務需要進行新增、修改和刪除操作。硬件資源的熱添加特別是磁盤的擴容給數據庫的維護帶來了極大的便捷，圖書館數據庫可根據每次數據更新情況對磁盤進行擴容，不需要因為考慮未來數據增量而浪費存儲資源。

3.3虛擬機備份、快照

虛擬機備份是將虛擬機上的所有數據都完整地進行復制，當虛擬機出現故障后可以通過恢復備份來挽回數據并且能夠快速拉起虛擬機來保障業務運行。虛擬機在開機和關機狀態下均可備份，除第一次備份需要備份完整的數據外，之后的備份皆為增量備份以降低備份對主機、網絡和業務的影響。圖書館對幾個涉及核心業務的虛擬機進行備份并設置備份策略，以防止人為或技術錯誤造成數據的損壞和丟失。

3.4虛擬網絡搭建

虛擬網絡是利用虛擬化技術，將交換、路由、優化、安全等階層的功能，分割成多個模塊，分別以軟件方式實現。在操作上，不同于傳統架構受限于網卡、網口數量和需要實際去排線，虛擬網絡在易用方面有明顯優勢，不需要看任何說明書，在可視化圖形界面通過創建虛擬網絡設備（物理出口、交換機、路由器等）以點擊連線的方式編輯拓撲圖，就可以快速完成虛擬網絡的搭建。

4超融合數據中心和傳統數據中心管理模式的比較

4.1超融合數據中心的優勢

與傳統的數據中心相比，超融合在許多方面有突出的優勢。在可擴展性、數據可靠性、管理維護、總體成本等方面超融合架構數據中心管理模式優于傳統架構數據中心管理模式[6]。

4.1.1可擴展性

分布式儲存是可擴展性提升的本質，傳統架構的存儲容量受限于存儲機柜，有IO瓶頸，擴容復雜。超融合擴展簡單，僅需要增加標準X86服務器節點，系統復雜度不會隨擴容增加而增加，單集群最大能有64個節點，且支持數據自動負載均衡。

4.1.2數據可靠性

超融合通過多副本機制保障數據可靠性，數據分布式儲存，是一種將數據保存多份的冗余技術。不同于傳統的RAID保護機制，只能容忍一塊磁盤故障，超融合支持最多三副本，且具備磁盤壞道修復功能。副本機制情況下，寫入一段數據，該數據經過條帶化和分片之后，再經過副本復制模塊，分別寫入不同的節點中。所有副本寫入完成后，數據才算寫入成功。如圖2所示，每個數據都有兩個副本位于兩臺主機上。在無故障的情況下，所有副本數據始終保持一致。當發生網絡掉線、硬盤故障等情況時，可以通過aSAN的數據重建機制將數據還原回來。副本越多，數據安全性越高。

圖2 數據多副本分布[顏色統一修改為黑色。圖中英文補充中文翻譯]

4.1.3管理維護[圖中文恩子不清晰，請修改]

超融合擁有統一且直觀的可視化[標黃的字母改為小寫字母]Web管理平臺。所有功能模塊都能通過Web界面進行管理，除了基本的維護操作外，可直觀地查看到超融合平臺的CPU、內存、網絡、存儲空間、中間件系統、告警系統、應用系統的詳細情況并能進行管理操作，且大量操作被自動化，極大地簡化了操作復雜度和提升了管理效率[7]。

4.1.4總體成本

超融合架構對資源的整合，有效地減少了實體機數量，提高了存儲等資源的利用率，實現硬件成本的降低。減少了傳統架構需要的專用且昂貴網絡硬件設備和外置存儲設備等的采購，投入成本降低超過40%。減少了需要占用機柜和物理空間，電耗降低超過60%。并且在后續部署中，空間和耗能節省優勢明顯。顯然，服務器+超融合軟件的采購運行成本和傳統服務器加中高端存儲設備的采購運行成功相比有較大幅度降低。

4.2超融合數據中心的不足

超融合系統是適用于各種虛擬化場景，但對于需要外接使用實體設備的情況時操作相較傳統物理服務器復雜。比如使用外接設備更新數據或安裝軟件。由于是使用統一的管理平臺，虛擬機在使用外接設備時要先經過系統的識別，而不同的外接設備（硬盤、USB等），系統識別的速度有快有慢，影響操作效率。識別到后需要指定到虛擬機才可以使用，且使用后不僅要彈出設備還要手動去編輯頁面刪除硬件，否則該外接設備的信息就一直綁定在指定虛擬機上，操作相較于傳統物理服務器的即插即用步驟要繁復。由此可見，在外接設備的使用上超融合系統在效率和便捷性上要弱于傳統模式。

操作繁復的問題同樣出現在更換壞盤和超融合平臺大版本更新或跨多個版本更新上。在更換壞盤上，由于使用的是第三方服務器而非配套的超融合一體機，最初硬盤燈無法自動或手動點亮，需要工程師先從底層定位并點亮硬盤燈。區別于傳統物理機壞盤后的直接替換，超融合需先在管理平臺里確認數據重建完成后方可進行硬盤更換，更換過程中需要在超融合硬盤管理界面進行手動點擊替換硬盤等一系列操作，且替換磁盤后會觸發數據重建，對業務有影響，需要在業務空閑時操作。整個過程等待時間長，操作復雜。而超融合平臺大版本的更新或跨多個的版本更新需要關閉服務器完成升級，需要關閉所有虛擬機，并在無業務時間段進行操作。

5結語

時至今日，超融合基礎架構管理平臺在圖書館投入使用已有三年多，總體運行穩定。通過對比傳統架構數據中心，超融合架構數據中心的運維工作量大幅減少，在性能提升、網絡構建、存儲擴容、能耗降低、成本降低、日常維護等各個方面業務響應能力提升。部署高效快捷且除后期擴展外不需要額外投入硬件成本，設備兼容和數據直觀展示方面擁有突出優勢。總之，將超融合基礎架構管理平臺應用到圖書館數據中心，有效地實現了計算、存儲、網絡資源的整合，提升了數據中心運行的整體效率，提升了圖書館數據中心為讀者提供更加優質服務的能力。

參考文獻[參考文獻6未在文章中上標，請修改]

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[3]吳海明.超融合架構在數據中心的應用研究[J].現代信息科技，2020，4（17）：114-116.

[4]林曉峰.超融合技術在數據中心建設中的研究與應用[J].軟件工程，2019，22（6）：26-28.

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[6]姚春雷.數據中心超融合系統架構應用研究[J].信息與電腦（理論版），2019（13）：130-131.

[7]唐凱軍.超融合技術在高校數據中心基礎架構中的應用研究[J].信息記錄材料，2020，21（5）：125-126.