高職院校新建數據中心超融合技術的應用?

丁峰 王寧

（江蘇建康職業學院 南京 210081）

高職院校新建數據中心超融合技術的應用?

丁峰 王寧

（江蘇建康職業學院 南京 210081）

近年來高校數據中心建設基本以FC-SAN傳統技術架構進行構建，而目前以計算與存儲相融合的超融合技術正向傳統的以計算、網絡、存儲三者分離的架構發起強有力的挑戰。針對傳統數據中心架構面臨的弊端，提出了新建數據中心超融合技術的應用趨勢。并從產品和性能角度分析了幾種主流超融合技術架構的特點。最后，對超融合技術架構在高職院校新建數據中心的應用進行了展望。

數據中心；超融合技術；分布式存儲；Nutanix；VMware VSAN；FusionCube

1 引言

云計算與大數據、移動互聯、物聯網技術在高校信息化進程中不斷得到實踐，同時推動高校網絡走向全聯接，管理走向新業態。數據中心的建設作為IaaS層（IaaS：Infrastructure as a Service，IaaS提供基礎設施層面的服務，包括服務器、操作系統、磁盤存儲、數據庫等）建設中最重要的關鍵部分，技術架構的選擇必將顯得非常重要，也成了決定Paas層及SaaS層服務能夠獲得成功的關鍵。

2 傳統數據中心技術架構面臨的弊端

目前的IaaS層多是以由服務器通過光纖通道（Fibre Channel）連接統一資源存儲——磁盤陣列（RAID）組成的FC-SAN傳統技術架構建立的數據中心，雖然相對IP-SAN來說FC-SAN的通信是通過SCSI命令，通過具有高傳輸速率的光通道的直接連接，提供內部任意節點之間的多路可選擇的數據交換，并且將數據存儲管理集中在相對獨立的存儲區域內。最終將實現在多種操作系統下最大限度的數據共享和數據優化管理，以及系統的無縫擴充。但是隨著技術的發展也存在著幾個主要的弊端。

2.1 部署的缺點

在FC-SAN中，有一些專用的硬件和軟件。硬件包括FC卡、FC HUB、FC交換機、存儲系統等，而數據中心的組成中還包含了防火墻、負載均衡、應用服務器、數據庫服務器等各種設備及相應配套的軟件等，各式各樣的硬件堆疊，軟件管理，經由多個廠商、多個批次、多種渠道的采購并提供服務，對部署和管理人員的要求極高，同時缺乏對資源統一的規劃和調配。

2.2 擴容的缺點

由于傳統技術架構中集群計算節點數依賴于集群軟件，存儲容量受限于存儲機柜，都有I/O瓶頸，需要擴容時需要在多個維度（計算、交換、存儲）同時增加節點，需要借助集群或者虛擬化技術實現資源的復用。隨著節點的增加，存儲控制機節點數也在增加，單節點I/O性能受限于控制機，無法實現線性的提升，擴容比較復雜。

2.3 數據可靠性的缺點

傳統數據中心基礎架構基本基于RAID保護機制或第三方備份機制，RAID實現，只容忍一塊磁盤故障，如果為了保證數據安全，實現業務的連續性，需要進行雙活或Rac配置。同時第三方備份機制構建成本高，且數據的重建時間較長。

2.4 運維的缺點

傳統技術方式每個設備、不同廠家相對獨立，擁有各自獨立的管理界面，業務上線需要在不同節點上做連線和調配，技術要求高。

2.5 其他方面的缺點

通過表1對比了超融合架構與傳統架構的主要優劣，可見超融合構架相對于傳統構架具有較大優勢。

表1 融合架構與傳統架構特點對比圖

3 超融合技術架構的應用趨勢

由于傳統技術架構越來越突出弊端，為了提高新建數據中心的性價比，靈活配置數據中心的各類設備，隨著技術的發展和廠家各類管理協議的開放，計算、網絡、存儲、安全等資源的統一調配和管理成為共同的愿望，至此出現在恰當時機的超融合技術也由此迅速發展和推廣，各信息管理人員的超融合意識也越來越強烈，接受度也越來越高。

超融合技術開始主要應用于企業VDI場景中部署，解決方案也多集中在中小企業等預算緊張的信息部門，而隨著時間的推移和技術的進步目前在制造、金融等大型企業的Oralce數據庫環境中也開始扮演重要角色，成為基礎架構平臺之一。而各廠家也通過一系列的推廣活動，都在搶占超融合發展的先機，發掘更多適合超融合的應用場景，樹立更多成功的用戶樣板。種種跡象表明，超融合已經成為引領IT市場變革的一股新勢力。隨著“互聯網+”戰略的落地，以及全新的業務模式不斷涌現，傳統IT基礎架構已經不能滿足用戶的需求。數據中心需要一個能夠快速部署、輕運維、高穩定、易擴展、低成本的基礎架構，既能解決目前面臨的IT挑戰，又可以獲得更多的價值。這也是超融合架構快速興起的原因。

4 超融合技術架構

超融合技術架構（Hyper-Converged Infrastructure，HCI）是指在同一套單元設備中不僅僅具備計算、網絡、存儲和服務器虛擬化等資源和技術，而且還包括備份軟件、快照技術、重復數據刪除、在線數據壓縮等元素，而多套單元設備也可以通過網絡聚合起來，實現模塊化的無縫橫向擴展（scale-out），形成統一的資源池。超融合技術的實現目前存在兩種配置方式：

1）一種以Nutanix、Huawei、H3C等傳統廠家為代表：將計算、網絡和存儲都集成在一個設備內，通常由供應商預先配置好，差不多到手就可以使用。

2）另一種是實現“軟件定義數據中心”（SDDC）為目的的技術途徑。目前主要以KVM等開源軟件及Vmware等商業軟件為核心，軟件定義計算、網絡、存儲、安全。

5 超融合架構各家特點的分析對比

近年來，超融合架構系統市場發展迅猛，對傳統計算分離架構系統市場沖擊很大，特別是傳統外置存儲設備市場，以至于傳統存儲大廠也紛紛進入超融合架構和軟件定義存儲市場。在此將就目前幾家主流國內外廠家的超融合產品進行詳細分析介紹。

5.1 Nutanix

Nutanix可以在2U的空間安裝2～4個Nutanix節點（每個節點相當于1臺X86服務器），所以設備裝機密度可以很高。每個節點都安裝著虛擬化軟件，并且在虛擬化層之上再運行著一臺Nutanix的控制虛機（CVM），該虛機主要負責不同的Nutanix節點之間控制平面的通信。單個節點中配置有SSD硬盤與HDD硬盤，替代磁盤陣列作為存儲使用，單個節點有獨立的CPU與內存，作為計算節點使用。詳見下圖1。

圖1 Nutanix架構圖

Nutanix解決方案的優缺點如下。Nutanix方案優點：

1）本地落盤策略，確保虛機訪問存儲速度：虛機寫入的數據都在本物理節點的磁盤上，避免跨節點存儲訪問，確保訪問速度，減輕網絡壓力。

2）采用SSD磁盤作為數據緩存，大幅提升I/O性能。

3）永遠優先寫入SSD，確保高I/O性能。數據寫入HDD不參與，即使本地SSD容量滿了會將冷數據遷移到集群其他節點SSD，然后還是SSD進行讀寫，確保高I/O。后續異步將SSD冷數據遷移到HDD。

4）數據冷熱分層存儲。冷數據存放在HDD，熱數據保留在SSD，確保熱點數據高I/O讀取。

5）設備密度高，節省機房機架空間。2U可以配置4個節點，包含了存儲與計算，比以往機架式/刀片服務器與磁盤陣列的解決方案節省了大量的空間。

Nutanix方案缺點：

1）本地落盤及SSD緩存方案確保了高I/O，但是硬盤的帶寬得不到保證。傳統磁盤陣列，多塊SATA/SAS硬盤加入Raid組，數據寫入的時候，將文件拆分為多個block，分布到各個硬盤中，同個Raid組的硬盤同時參與該文件的block的讀寫。通過多塊硬盤的并行讀寫，從而提升I/O與帶寬性能。

而Nutanix的解決方案中，單個文件的讀寫遵循本地落盤的策略，因此不再對文件拆分到多塊硬盤進行并行讀寫，而只有本地節點的SSD硬盤會對該文件進行寫入。

因此Nutanix的解決方案適合用于高IO需求的業務類型，但是因為它的讀寫原理，則決定了它不合適低I/O、高帶寬的業務類型。

2）由上圖1可見VM的I/O需要經過控制虛擬機，再經過Hypervisor到存儲，路徑長，性能將會有一定的衰減。

3）由于Nutanix專注在存儲虛擬化的技術領域只提供一體機的方案，價格昂貴，不支持服務器利舊，計算虛化客戶需要從第三方單獨購買，基本為Vmware，松耦合帶來CVM消耗資源較高，NutanixCVM至少要24GB內存，8個vCPU。而且Nutanix計算和存儲分離，出故障時容易扯皮，同時售后服務在本土沒有研發團隊。

5.2 VMware VSAN

VMware VSAN，簡稱VSAN。我們可以把VSAN看成是一種vSphere Storage，是vSphere虛擬機后端的企業級高性能存儲。VSAN其實就是基于服務器端存儲的共享分布式對象存儲系統，可以用來取代vSphere后端的外置磁盤陣列。VMware在發布了vSAN之后，又發布了基于vSAN的VxRail一體機解決方案。詳見下圖2

圖2 Vmware vSAN架構圖

VMware VxRaill解決方案的優缺點如下。

VMware VxRail方案優點

1）分布式集群，把VM數據文件打散放在多個主機上，每個服務器的本地存儲網絡池化；

2）使用SSD作為讀寫緩存加速層。混合型的存儲策略，由SSD提供性能，普通SAS硬盤提供容量，適用的應用市場范圍更加廣闊；

3）Vsan中沒有lun也不需要做raid5或者raid0+1，使用vmdk為單位的對象存儲，所有虛擬化性能、容量、調優設置和存儲策略改變都是在vmdk范圍中完成；

4）Vsan嵌入vsphere內核中，I/O數據路徑短且性能高，管理員可以通過簡單的點擊操作與許可秘鑰配置啟用vsan功能，可以在vcenter界面管理vsan；

5）利用本地服務器的磁盤空間，降低共享存儲的采購成本和維護成本。

VMware VxRail方案缺點

1）VMware沒有涉足硬件產品。VxRail是VM-ware將vSphere、vSAN與硬件打包方案僅支持VM-ware平臺，是VMware專用存儲，封閉系統；

2）VxRail建議最少4臺，3個節點情況下，如果壞一節點，VSAN無法完成Rebuild。因此最小配置是24節點，但最大支持64節點；

3）EVxRail擴展時，要求每個節點配置完全相同；

4）VxRail必須使用VMware 的Enterprise Plus軟件許可（License費用高昂）。

因此VSAN與Nutanix最大的一個區別，就是是否完全遵循本地落盤的策略。VSAN可以通過設置條帶系數，將本地虛機的數據讀寫設置為橫跨多個節點的硬盤，默認條帶系數為1，最大可設置為12個，即一個虛機的數據寫入，可以同時采用12個節點的SSD硬盤并行讀寫。

通過這種方式，VSAN可以一定程度的彌補了Nutanix方案不適用于帶寬要求高，I/O要求低的業務類型的缺點。但是這種橫跨物理節點的訪問流量，在虛機數量眾多的情況下，肯定會給網絡帶來壓力，網絡帶寬可能會成為另一個瓶頸。

其次VSAN可以集成在Hypervisor層，而不需要像Nutanix在Hypervisor上面運行一個控制虛機CVM。

再次，Nutanix支持KVM、Hyper-V、ESXI等多種Hypervisor，而VSAN僅支持Vmware的產品。5.3 Huawei

圖3 FusionCube超融合基礎設施

Huawei的FusionCube是集合計算、分布式存儲、虛擬化和云管理為一體的融合基礎設施。FusionCube根據工作負載的不同，可靈活配置計算/存儲刀片槽位。作為華為FusionCube組件中分布式存儲的FusionStorage將所有的本地存儲虛擬化為集群式存儲資源池，其多節點、分布式的架構優勢突破了傳統RAID控制器造成的性能和寬帶瓶頸，提供更為優質的可靠性和可擴展性。數據被切片分布于各個內置磁盤中，提高了存儲利用率和性能，同時，容量的線性按需擴展，提升了擴展的便捷性，每TB數據重建耗時小于30min，最快可實現秒級虛擬機發放及數據恢復，省去了重新設計存儲架構的麻煩。

FusionCube方案優點

1）與UCS僅實現了計算與網絡的融合與統一管理，存儲仍需外掛昂貴的SAN存儲不同；Fusioncube是可以同時涵蓋計算、存儲、網絡資源的融合一體化基礎設施。

2）具有統一的管理界面，能夠在統一界面拉通管理存儲資源的管理，自動發現存儲資源

3）FusionStorage分布式存儲通過PCIE直達SSD存儲，通過share-nothing分布式系統，沒有了集中機頭的瓶頸，同時可以水平擴展容量。

FusionCube方案缺點

1）Huawei從FusionCube拆分出來的Fusion-Storage，通過Hypervisor集成或作為其堆棧的一部分而變成的“超融合”，但從規格、指標來看，與“原生”的超融合架構仍然存在差距（仍然基于存儲架構IPSAN架構，不適合I/O密集型業務）。

2）Huawei的FusionStorage則除了支持VMware和KVM外，自己也有基于Xen開發的FusionSphere虛擬化平臺，因此產品線較多，造成自身產品的重疊和沖突。

3）專業專注其硬件銷售，主要以華三為競爭對手，關注于大型方案，對中小企業客戶關注不多，整體方案以整柜方式提供及銷售，提高了入門的門檻。

6 結語

綜上可見，高職院校數據中心的建設與利用是一個系統工程，不能一蹴而就，應當統一規劃，分步推進；選擇適合自己的技術與產品。數據中心的建設與利用過程也是高校信息化能力提升的過程。雖然傳統架構和超融合都是可行的技術路線，但是用性價比、后期擴容、日常使用維護以及用戶體驗作為判斷準則；用戶使用過程中的任何便利，都是數據中心架構的有效提供者，也是息息相關的。這就極大地增加信息化部門的任務和責任，在確定數據中心是往傳統方向還是超融合方向發展時，信息化部門需要進行評估，因為這將是兩條不同的道路，將是不可逆轉的建設結果。

雖然Nutanix，Vmware VSAN等公司推出的產品最有競爭力，占據的市場份額也最大。但是隨著SDDC意識的逐步確立，不僅國內的主流廠商，比如：華為、浪潮、曙光等公司，同時專注網絡安全和軟件開發的創新公司比如：深信服、領航盛輝等公司也開始發力，進行大規模分布式存儲系統的研發和超融合技術的推廣部署。

目前，各級院校數據中心的IT基礎設施還是以傳統FC-SAN統一存儲架構為主建設，多數數據中心存儲基礎設備全部都是以傳統外置存儲系統SAN和小型機為主的計算、存儲分離架構。隨著數據中心規模的壯大和業務的增多，以及X86服務器虛擬化技術和應用的普及，數據量快速增長，基礎硬件設施逐步采用X86服務器替代小型機的轉型。因此，如何為未來基于X86服務器和虛擬化計算平臺的關鍵應用提供與之匹配的高可擴展性、高性能、高可靠性、和可維護性的存儲平臺、同時又能滿足核心業務按需、靈活的交付特性，是包括教育在內的各行業在向云計算、虛擬化和大數據等信息化建設轉型和發展面臨的重大挑戰。

而高職院校的信息系統具有并發集中且數據量大，應用場景多而雜，經費有限，管理人員有限等客觀條件的限制，因此超融合基礎架構在高職教育院校具有廣闊的發展前景。無論是從HCI的誕生過程，還是當前各大骨干廠商的研發看，超融合架構是業界高度認同的方向。因為超融合較好地解決了傳統虛擬化基礎架構的存儲所面臨的問題：維修費和升級費高昂，I/O擴展難；故障維修難度大，耗時長，影響廣（中心節點故障可能引發大面積服務癱瘓）；容災備災難度大，費用高，且在災難發生時，無法立刻啟用，其備份的數據根據性能和策略會有不同程度的滯后；無法對服務器本地硬盤資源進行最大化利用。

以存儲為例，可以粗略估算超融合架構的技術經濟價值，假設基礎存儲規模為100T，年擴展為50%，每T共享型存儲購買費用為1萬，每年維保費用為購買價格的20%，單塊1T硬盤價格0.3萬，因故障原因更換硬盤比例為10%。由所述不難看出，超融合架構會隨著時間推移存儲規模的不斷擴大，體現出較大的社會和經濟效益。

因此，江蘇建康職業學院目前正結合自身業務場景，積極開展超融合架構產品和技術在高職院校應用的探討和研究，計劃摸索出一套適用于教育行業數據中心超融合平臺建設規范和標準，為不同業務層級提供不同的超融合架構解決方案提供建議和參考依據，并且適用于云數據中心虛擬化、大數據業務應用的運行、管理、擴容等多種多樣的需求。并在未來將項目的研究成果在行業內以行業標準和規范進行廣泛共享和推廣，從而為學院創造更大的經濟效益。

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Application of New Data Center Superfusion Technology in Higher Vocational Colleges

DING FengWANG Ning
（Jiangsu Jiankang Vocntional College，Nanjing 210081）

In recent years，the construction of the data center basic to the traditional FC-SAN technology architecture has been constructed，and the current framework for computing，network storage，the three separated by computing and storing the integration of super fusion technology is the traditional strong challenge.In view of the disadvantages of traditional data center architecture，the application trend of the new data center super fusion technology is proposed.And the characteristics of several mainstream superfusion technology architecture from the point of view of product and performance are analyed.Finally，the application of the new data center of the superfusion technology architecture in higher vocational colleges is prospected.

data center，superfusion technoloty，distributed storage，Nutanix，VMware VSAN，FusionCube

TP308

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.11.017

Class Number TP308

2017年5月3日，

2017年6月7日

江蘇省衛生計生委科研課題《基于移動終端的臨床數據中心和消息中心的應用研究》（編號：X201507）資助。

丁峰，男，工程師，研究方向：計算機網絡。王寧，男，副教授，研究方向：衛生管理、醫院管理。