超融合技術在數(shù)據(jù)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(yè)單位的信息化資源也隨之增長，業(yè)務系統(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工作的不斷發(fā)展，根據(jù)實際需要，建設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)字化校園建設的過程中，數(shù)據(jù)中心是建設的重點。因為硬件性能的不斷提升和網(wǎng)絡速度越來越快，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、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)不再是人們關注的熱點。而隨著硬件技術的不斷發(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、安全與統(tǒng)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(shù)據(jù)中心、用軟件定義存儲與網(wǎng)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(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(shù)據(jù)中心的有效控制變得至關重要[1]。高校數(shù)據(jù)中心是承載著大量業(yè)務系統(tǒng)和海量教學資源的核心模塊。建設好數(shù)據(jù)中心，對數(shù)字化校園建設的成敗有著至關重要的地位。但現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心建設有著以下幾方面的問題急待解決：

一是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心依靠服務器+存儲+虛擬化的架構[2]，應對大量業(yè)務需求，經(jīng)常遇到計算瓶頸、存儲瓶頸和通信瓶頸，導致業(yè)務阻塞，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)中心還有架構復雜的缺點。傳統(tǒng)架構中網(wǎng)絡、存儲、計算等IT基礎資源仍然是分離的[3]，無法滿足統(tǒng)一調度和管理的數(shù)據(jù)中心極簡化的要求，在網(wǎng)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(xiàn)統(tǒng)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(chǎn)品不能兼容或兼容性不高，也導致不能滿足數(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，超融合架構具有的明顯優(yōu)勢使得各高校數(shù)據(jù)中心的建設由傳統(tǒng)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(shù)據(jù)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(tǒng)，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(xiàn)IT資源的動態(tài)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(tài)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(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，能夠實現(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。

與服務器虛擬化不同的是，服務器虛擬化面向的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)服務提供者，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，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(shù)據(jù)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(xiàn)了虛擬化技術的廣泛性和重要性。

（2）超融合數(shù)據(jù)中心的建設標準和要求

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(chǎn)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(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[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]，將超融合設備的基礎資源全面池化管理，實現(xiàn)統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調度、統(tǒng)一資源分配。二是保證數(shù)據(jù)中心可彈性擴展，構件模塊可按節(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?？梢詫嶋H小時級別的快速業(yè)務系統(tǒng)交付，為實現(xiàn)極簡化數(shù)據(jù)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(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的分布式存儲功能將數(shù)據(jù)容災、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 ? 總體技術架構

超融合基礎架構層：通過萬兆數(shù)據(jù)中心交換機連接超融合設備，超融合設備提供萬兆數(shù)據(jù)交換接口，以應對超融合數(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，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)一資源調配。超融合設備可實現(xiàn)“多虛一、一虛多”模式運行，在一個統(tǒng)一的管理平臺下，對超融合設備所有資源池化后統(tǒng)一管理與分配。具體架構如圖1所示。

數(shù)據(jù)中心業(yè)務層：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)一構建高效、靈活、高可擴展的數(shù)據(jù)中心，大幅度降低資源調配和數(shù)據(jù)中心業(yè)務系統(tǒng)管理的復雜度。

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(chuàng)建的一種虛擬資產(chǎn)，提供安全的網(wǎng)絡邊界防護，多條網(wǎng)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(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備內(nèi)部調整數(shù)據(jù)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(tǒng)及存儲介質同時混用，真正實現(xiàn)多系統(tǒng)兼容，是真正意義上的超融合。

（2）設備安裝與部署：三臺超融合設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(xiàn)了快速交付，與傳統(tǒng)虛擬化數(shù)據(jù)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(tǒng)架構采用了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)務工作負載必需的網(wǎng)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(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，以應對遷移、宕機甚至意外事件的發(fā)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(shù)據(jù)中心提供一個云環(huán)境，建設一個符合數(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。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，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，為學院的“智慧工程”建設奠定了堅實的基礎，助推學院將統(tǒng)一業(yè)務平臺、各應用系統(tǒng)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(huán)境，實現(xiàn)了從“網(wǎng)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(yè)務系統(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)務系統(tǒng)無感知認證和網(wǎng)絡登錄無感知認證，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)中心建設的所有要求。

4 ? 結論（Conclusion）

高校通過統(tǒng)一規(guī)劃，選擇合適的產(chǎn)品建設數(shù)據(jù)中心，同時也通過數(shù)據(jù)中心的建設和應用過程提升信息化管理人員的綜合業(yè)務能力。利用傳統(tǒng)架構和超融合架構都是數(shù)據(jù)中心建設的可選途徑，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，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、學校等機構采用了超融合架構的建設方案，超融合系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心建設的首選之日已經(jīng)到來。

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作者簡介：

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