虛擬化數(shù)據(jù)中心架構(gòu)探析

米保全

1 引言

隨著信息化的高速發(fā)展，各單位信息化業(yè)務逐漸增多，其業(yè)務周期與峰值各具特時。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心通常一個業(yè)務應用就需要購置一套相應設備，存在建設資金投入大、運營成本高、部署周期長、單點故障多、機房生態(tài)消耗大（空間、電力、制冷）、各業(yè)務不能共享硬件設備等缺點，且平時運行利用率低，造成資源的巨大浪費，而在高峰時段又顯得性能不夠，造成資源的急劇短缺。為了實現(xiàn)軟硬件資源按需分配、動態(tài)擴減、高度共享，出現(xiàn)了虛擬化技術、云計算技術等，虛擬化數(shù)據(jù)中心可以靈活適應資源配置、有效地減少部署時間、減輕管理人員工作負擔和工作量、提高服務保障水平，虛擬化數(shù)據(jù)中心的科學架構(gòu)問題是當今數(shù)據(jù)研究的焦點。

2 數(shù)據(jù)中心的功能要素

維基百科和谷歌對數(shù)據(jù)中心的定義，數(shù)據(jù)中心為多功能的建筑物，能容納多個服務器以及通信設備，這些設備被放置在一起是因為它們具有相同的環(huán)境要求以及物理安全上的需求，并且這樣放置便于維護，而并不僅僅是一些服務器的集合。數(shù)據(jù)中心是一整套復雜的設施，不僅包括計算機系統(tǒng)和其它與之配套的設備（如通信和存儲系統(tǒng)），還包含冗余的數(shù)據(jù)通信連接、環(huán)境控制設備、監(jiān)控設備以及各種安全裝置［1］。

由此看出數(shù)據(jù)中心至少包含數(shù)據(jù)運行核心（計算、傳輸、存儲、業(yè)務）和物理環(huán)境保障（溫度、濕度、防盜、消防、電力）兩大要素，數(shù)據(jù)中心具有三大功能：一是提供計算服務、數(shù)據(jù)存儲、通信網(wǎng)絡等相關硬件設備及設備的融合、管理與維護；二是提供操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、各業(yè)務系統(tǒng)等軟件的部署、管理與維護；三是提供堅實、可靠、高效、安全的業(yè)務運行生態(tài)和物理環(huán)境空間。

3 虛擬化技術的含義

虛擬化技術是通過虛擬化軟件把各類物理資源映射為統(tǒng)一的虛擬資源池，由虛擬化管理軟件從虛擬資源池為每個虛擬機（應用服務器）按需分配一套虛擬的硬件資源，虛擬服務器為業(yè)務應用提供服務，實現(xiàn)應用服務器和硬件服務器隔離［2］。虛擬化技術既可以一虛多（將硬件資源切片分配），又可以多虛一（將硬件資源組合分配）。虛擬化數(shù)據(jù)中心主要涉及計算虛擬化、存儲虛擬化、和網(wǎng)絡虛擬化。

計算虛擬化主要指服務器虛擬化，把行算機的處理器、內(nèi)存、輸入輸出設備分別整合，作為共享計算資源池，根據(jù)用戶需求進行按需分配和再分配［3］。即使在同一臺硬件服務器上，各個虛擬機之間也相互獨立、互不干擾、底層隔離。用戶的應用服務器計算能力配置不再由硬件廠商設定，而是根據(jù)用戶的需求來配置、購租，以實現(xiàn)資源的高效利用。

存儲虛擬化主要指外存陣列虛擬化，把固態(tài)硬盤、機械磁盤、磁帶等設備分別整合作為共享存儲資源池，根據(jù)用戶需求進行按需分配和再增配［4］。根據(jù)存儲設備的性價比和數(shù)據(jù)的熱點度，可實現(xiàn)分級存儲，利用磁盤鏡像技術有效提高數(shù)據(jù)的物理安全性。有效提高虛擬機的磁盤訪問速度、數(shù)據(jù)高可用性和數(shù)據(jù)安全性。

網(wǎng)絡虛擬化網(wǎng)絡虛擬化就是在一個物理網(wǎng)絡上模擬出多個邏輯網(wǎng)絡來。目前比較常見的網(wǎng)絡虛擬化應用包括虛擬局域網(wǎng)，即VLAN、虛擬專用網(wǎng)、VPN，以及虛擬網(wǎng)絡設備等。

4 虛擬化數(shù)據(jù)中心架構(gòu)

虛擬化數(shù)據(jù)中心的本質(zhì)是軟件定義數(shù)據(jù)中心（SDDC）、讓客戶以更小的代價來獲得更靈活的、快速的、彈性的業(yè)務部署、管理及實現(xiàn)，對計算、存儲、網(wǎng)絡、安全性等可用性服務，通過智能化的、策略驅(qū)動的軟件進行邏輯鏈接與管理。存儲是數(shù)據(jù)中心最核心的部分，根據(jù)存儲的技術和位置把數(shù)據(jù)中心分為集中式架構(gòu)和超融合架構(gòu)，下面對集中式架構(gòu)和超融合架構(gòu)作出詳細介紹。

4.1 集中式架構(gòu)

集中式架構(gòu)是把虛擬化數(shù)據(jù)中心的計算、存儲、網(wǎng)絡單獨集中起來，由計算服務器、網(wǎng)絡高速設備、獨立存儲器組成的虛擬化數(shù)據(jù)中心，主要由服務器虛擬化、網(wǎng)絡虛擬化和存儲虛擬化三部分構(gòu)成［5］。計算設備和存儲設備是分離的，所有的物理服務器組成一個服務器群集，形成計算資源池，利用虛擬化技術把獨立的存儲系統(tǒng)形成一個存儲資源池，虛擬機之間通過數(shù)據(jù)中心交換機支持網(wǎng)絡虛擬化來通信，根據(jù)業(yè)務需求按照需要在計算資源池、存儲資源池、網(wǎng)絡資源池上分配相應資源來部署虛擬機，虛擬機之間共享這些物理資源池。支持在物理服務器之間動態(tài)遷移運行中的虛擬機，是完善合理、高可用性的虛擬構(gòu)架。用戶可以通過客戶端來監(jiān)控管理物理服務器、虛擬機、存儲池和網(wǎng)絡等。

典型的集中式架構(gòu)數(shù)據(jù)中心由虛擬化服務器、存儲器陣列、數(shù)據(jù)中心交換機、管理服務器和桌面客戶端組成，如圖1所示。集中式架構(gòu)數(shù)據(jù)中心包括下列組件：①計算服務器，在虛擬環(huán)境中稱為獨立主機，標準服務器祼機上安裝運行虛擬化軟件構(gòu)成計算資源服務器，可將配置相似的多臺服務器組合在一起構(gòu)成計算服務器組、形成計算資源池；②存儲網(wǎng)絡和磁盤陣列，存儲系統(tǒng)由存儲管理機頭、磁盤陣列（SAN陣列、NAS陣）、存儲網(wǎng)路組成，存儲磁盤陣列通過存儲區(qū)域網(wǎng)絡（光纖交換機）連接到服務器并在服務器之間共享，實現(xiàn)存儲資源的聚合，并將這些資源分配給虛擬機，虛擬機可方便、靈活的存取數(shù)據(jù)；③IP通信網(wǎng)絡，計算服務器連接到數(shù)據(jù)中心交換機，數(shù)據(jù)中心交換機可通過虛擬機間的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換，每臺計算服務器有多個物理網(wǎng)絡適配器，為虛擬機提供高帶寬和高可靠的網(wǎng)絡連接；④管理控制服務軟件，提供主機的管理、虛擬機的管理（新建、快照、克?。①Y源配置與調(diào)整、訪問控制、性能監(jiān)控等功能；⑤遠程管理客戶端軟件，數(shù)據(jù)中心管理和虛擬機訪問提供方便的多種管理界面。

圖1 集中式架構(gòu)數(shù)據(jù)中心

4.2 超融合架構(gòu)

超融合架構(gòu)是為下一代云數(shù)據(jù)中心設計的橫向擴展的軟件定義架構(gòu)，無固定中心節(jié)點，以橫向擴展、軟件定義、計算和存儲融合、服務器端閃存為核心［6］。超融合架構(gòu)應用虛擬化技術把存儲功能融合到計算服務器中，在同一個單元當中同時具備了網(wǎng)絡、計算、存儲等資源，還可實現(xiàn)加速緩存、刪除重復數(shù)據(jù)、備份、快照、壓縮數(shù)據(jù)等功能，通過多個單元設備模塊化的無縫橫向擴展，實現(xiàn)資源與服務的統(tǒng)一與聚集，對運算和存儲資源進行統(tǒng)一化管理。如圖2所示超融合架構(gòu)可實現(xiàn)軟硬件的解耦，用戶以堆疊的形式實現(xiàn)節(jié)點的添加，使多個節(jié)點設備（多臺服務器）無縫聚合擴展，形成統(tǒng)一的資源池，實現(xiàn)超融合架構(gòu)叢集容量的擴展。超融合架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心必須建立在高速網(wǎng)絡通道的基礎上。

超融合架構(gòu)的特點［7，8］體現(xiàn)在：①采用了分布式的存儲系統(tǒng)，利用虛擬化技術把本地存儲資源通過集群形成資源池，將數(shù)據(jù)存放在集群中的全部節(jié)點之上，使數(shù)據(jù)的可靠性顯著提升；②實現(xiàn)了計算與存儲二者之間的融合，從根本上提升了業(yè)務數(shù)據(jù)的讀寫性能，因為利用本機的機械硬盤（擴充容量）和SSD硬盤（提高性能），極大提高了存儲的I/O性能；③具備強大靈活的橫向擴展能力，集群中的每個節(jié)點不僅僅是計算節(jié)點，而且還起到了存儲控制器的作用，該架構(gòu)可以通過增加節(jié)點的方式，進行運算和存儲能力的擴展；④性價比較高，極大程度地降低了存儲設備的采購成本，利用較為廉價的分布式存儲技術替代傳統(tǒng)集中式存儲的獨立存儲，極大地降低了數(shù)據(jù)中心的建設費用和使用技術的技術門檻，超融合架構(gòu)的技術核心是利用分布式文件系統(tǒng)（NDFS）來替代集中式架構(gòu)中昂貴的專用SAN和NAS存儲網(wǎng)絡；⑤部署方式便捷，無需面對RAID、LUN、FC交換機、分區(qū)、多路徑等問題。

軟件定義的分布式存儲和虛擬化計算是超融合架構(gòu)本質(zhì)。超融合架構(gòu)以虛擬機為核心，能提升集群的運算效能和存儲空間，具有簡單、高效、高性能、易部署等優(yōu)勢。在成本的控制和風險防范等方面，超融合架構(gòu)表現(xiàn)出了極大的優(yōu)越性，不需要單獨采購服務器和存儲，節(jié)省了大量的機柜空間，而且對電源的消耗較小。

圖2 超融合架構(gòu)數(shù)據(jù)中心

5 分析結(jié)論

從高性能、高可用性、高可靠性、高擴展性等幾個衡量數(shù)據(jù)中心的重要指標入手，對集中式架構(gòu)數(shù)據(jù)中心和超融合架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心的優(yōu)缺點、異同點等方面進行介紹和分析。其最大區(qū)別是存儲系統(tǒng)的實現(xiàn)技術，集中式架構(gòu)的存儲系統(tǒng)獨立于服務器，由單獨的存儲單元設備組成，在分布式的架構(gòu)中存儲系統(tǒng)融合在服務器當中，利用分布式的存儲技術、虛擬化技術把本地存儲資源通過集群形成存儲資源池。

數(shù)據(jù)的價值是無法估量，高可靠性是存儲系統(tǒng)最基礎的特性，超融合架構(gòu)將數(shù)據(jù)存放在集群服務器的每個節(jié)點之上，使得數(shù)據(jù)的可靠性顯著提升。集中式架構(gòu)中數(shù)據(jù)由單獨的存儲單元設備管理與存儲，獨立存儲就顯得尤為主要，一旦故障，全部虛擬機業(yè)務就無法繼續(xù)。

隨著信息化業(yè)務快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的擴展與提升就很重要，超融合架構(gòu)具備強大、靈活、容易的橫向擴展能力，可以根據(jù)需求進行運算和存儲能力同時擴展。集中式架構(gòu)可按照需求定向的擴展所需資源，如增加計算服務器節(jié)點、內(nèi)存節(jié)點、獨立存儲或磁盤陣列節(jié)點。

性價比、高性能是數(shù)據(jù)中心又一主要指標，集中式架構(gòu)中的存儲單元的價格相當昂貴，專用SAN和NAS存儲網(wǎng)絡性能好、價格貴，超融合架構(gòu)利用較為廉價的分布式存儲技術替代傳統(tǒng)集中式架構(gòu)中昂貴的存儲的獨立存儲，極大程度地降低了存儲設備的采購成本，降低了數(shù)據(jù)中心的初建費用和技術門檻。

數(shù)據(jù)中心承載各種業(yè)務服務，其高可用性就顯得尤為重要，集中式架構(gòu)和超融合架構(gòu)都很重視數(shù)據(jù)的高可用性，遷移、容錯等功能都很成熟，集中式架構(gòu)數(shù)據(jù)中心起步早，方案、技術、市場更為成熟，超融合架構(gòu)是這幾年出現(xiàn)的新架構(gòu)，應用在逐漸變多。

集中式架構(gòu)數(shù)據(jù)存儲不占服務器的計算資源，有獨立的存儲管理機頭，超融合架構(gòu)中存儲本身要占用服務器的計算資源來管理存取數(shù)據(jù)，減少極端情況下CPU資源的占用率是產(chǎn)品實現(xiàn)中需要解決的問題。相比于集中式架構(gòu)，分布式存儲系統(tǒng)需要避免單一的故障點及多節(jié)點多角色的一致性問題等。

總之，集中式架構(gòu)和超融合架構(gòu)各有利弊，建設和提升數(shù)據(jù)中心可根據(jù)具體需求來選擇更適合的架構(gòu)。集中式架構(gòu)在存儲和計算差距（小計算大存儲或大計算小存儲容量的狀況）較大的場合更為適用，超融合架構(gòu)適合于存儲和計算同步增加的場合。超融合架構(gòu)其高I/O、易擴展、低成本、易管理等明顯特性決定其在一段時間內(nèi)將成為數(shù)據(jù)中心發(fā)展的主要方向。

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