超融合技術在醫學圖書館知識服務中的應用

隨著信息技術的不斷發展，圖書館經歷了傳統圖書館、數字圖書館、移動圖書館、智慧圖書館發展趨勢的演變。近年來，云計算、移動互聯、物聯網、大數據和人工智能等新技術的出現和廣泛應用，對圖書館的服務和管理產生了革命性影響，創造了圖書館服務的新空間和新形態，提高了圖書館服務的效率和效能。醫學圖書館作為醫學文獻信息資源的集散地，需要管理大量與醫學相關的數據資料，新技術對醫學圖書館發展與服務創新的作用不言而喻。

近年來，知識服務的理念逐漸滲透到圖書館領域，醫學圖書館如何合理存儲和管理海量醫學數據，通過深度挖掘和分析，對知識資源進行發現、整合、重組，開展個性化、專題化和智能化服務成為醫學圖書館未來知識服務的發展方向。知識服務需要強大的智能分析計算能力和高效的數據獲取存儲能力作為支撐，這對醫學圖書館的軟硬件基礎設施提出了巨大挑戰。傳統數據中心基礎架構下的存儲容量和性能與計算能力已無法滿足知識服務進行高速數據存儲訪問和分析計算的需求，因此需要一種新技術解決傳統架構的不足，為醫學圖書館知識服務提供有效支撐，超融合技術應運而生。

1 超融合技術

超融合技術，又稱“超融合架構技術”，是指在單個一體化基礎架構中同時具備計算、存儲、網絡和虛擬化等資源和技術的架構。超融合架構打破了傳統的服務器、網絡和存儲的孤立界線，將CPU、內存、存儲、網絡、虛擬化技術整合在一臺設備上，每一臺設備作為一個單元節點，多節點通過網絡聚合實現模塊化的無縫橫向擴展，形成統一的資源池[1]。

超融合架構以通用x86服務器為基礎，通過集成計算、存儲、網絡及虛擬化技術，匯聚單臺服務器的存儲形成跨多個節點統一存儲池的集群，提供更好的性能和擴展性。通過增加集群中的節點數量，即可擴展整個集群的計算性能和存儲容量，并通過集群各節點間彼此的數據復制與備份，提供服務高可用性與數據保護能力[2]。

2 超融合技術的特點

2.1 融合

傳統架構下的計算資源和存儲資源是分離的，服務器通過SAN交換機與存儲設備連接獲取存儲空間。超融合技術改變了傳統服務器、存儲、網絡相互孤立的基礎架構，實現計算資源、存儲資源和網絡資源的統一融合，每一臺超融合節點單元可同時提供計算資源和存儲空間。超融合架構采用軟件定義的體系結構，不再依賴于硬件，計算、存儲、網絡完全虛擬化并由軟件控制。服務器和存儲得到了統一的部署和管理，并為整個虛擬化體系提供了簡單、通用的管理和自動化平臺。

2.2 敏捷

超融合技術通過軟硬件一體化的融合，實現設備快速交付、架構彈性伸縮、業務敏捷部署和系統精簡運維。超融合一體機在出廠時已根據需求完成硬件的集成和軟件的安裝，設備上架開機即可交付使用，極大簡化了設備安裝調試的復雜度。超融合技術基于虛擬化和軟件定義，構建扁平化、隨需而變、彈性可擴展的敏捷架構，所有資源均可按需部署、靈活調度和動態擴展。傳統架構下的計算資源、存儲資源和網絡資源由不同的設備提供，管理者必須分別通過不同的管理工具管理多種設備，超融合架構下只需通過單一的平臺即可同時管理計算、存儲和網絡資源，降低運維難度，實現精簡運維。

2.3 安全

超融合技術實現了計算、存儲和網絡資源的融合，原來分散在不同服務器和存儲設備上的數據全部集中在超融合節點本地磁盤上，系統及數據的安全風險隨即凸顯。超融合架構采用集群管理方式，系統出現故障時能夠自動在其他節點設備上重啟，避免物理環境的單點故障。數據多副本機制實現數據分散存放，不同數據副本放在不同的超融合節點上，當一個節點出現故障時，仍然可以依靠其他節點上的數據副本繼續對外提供服務[3]，有效保障業務連續性和數據安全。

2.4 開放

超融合架構采用軟硬件解耦架構，在服務器層面，超融合架構能夠在任何x86服務器上運行，與物理服務器的硬件配置無關，無需修改上層系統和應用即可運行；在存儲層面，超融合架構支持與各種類型的外置存儲進行對接，將數據存儲到外置存儲或使用外置存儲作為備份介質；在網絡層面，超融合架構無需依賴任何支持特定協議的網絡設備，支持與現有網絡設備組網連接。超融合架構能夠為上層應用屏蔽底層復雜和異構的基礎架構，對主流操作系統和應用進行兼容性適配和性能優化集成。

3 超融合技術在醫學圖書館的應用

醫學圖書館作為醫學文獻資源的匯聚中心及醫學知識傳播中心，在醫學科研支撐和醫學知識傳播中發揮著重要作用[4]。醫學圖書館由于自身的專業性，擁有大量數字化的專業圖書、期刊和數據庫等結構化數據，以及用戶信息、借閱信息、瀏覽記錄、檢索歷史等非結構化數據[5]。隨著醫學文獻資源類型的多樣化，數據量及非結構化數據的迅速增長，需要不斷擴大存儲空間和計算規模[6]，數據中心服務器數量、網絡復雜程度及存儲容量急劇增長，傳統數據中心架構的弊端也逐漸顯現，煙囪式的建設模式導致設備種類繁多，設備配置獨立，管理割裂，不僅帶來高昂的硬件成本和運營成本(空間、電力、制冷、管理人員等)，而且新的服務器、存儲和網絡設備部署周期較長，導致業務部署緩慢。隨著虛擬化技術的不斷發展和廣泛應用，醫學圖書館通過采用虛擬化技術有效解決了資源利用率和高可用性的問題，但并未改變業務部署過程中的復雜性。而且，傳統虛擬化架構極度依賴外部存儲磁盤陣列，只能通過專用的存儲網絡訪問存儲資源，計算資源與存儲資源分離的部署模式依然沒有改變。因此，醫學圖書館數據中心基礎架構必須能夠優化計算、網絡和存儲資源之間的關系，實現真正的靈活部署以及彈性擴展，才能支撐起知識服務的應用需求。

3.1 解決方案

超融合架構(圖1)是基于軟件定義數據中心理念下的解決方案，能夠實現計算、網絡、存儲資源的全面融合，通過全虛擬化的方式構建基礎架構資源池，所有資源均可按需部署、靈活調度、動態擴展。通過超融合一體機或超融合操作系統能夠在短時間內充分利用現有硬件基礎架構，將業務系統安全、穩定、高效地遷移到超融合平臺中，滿足業務應用高性能、高可靠和高可用的要求，提高基礎架構的自動化水平。

圖1 超融合架構

如圖1所示，超融合架構以通用x86服務器或超融合一體機為基礎架構，單臺服務器或超融合一體機通過交換機進行網絡聚合，實現具備橫向擴展能力的基礎架構?；谔摂M化技術構建超融合架構層，實現網絡虛擬化、服務器虛擬化和存儲虛擬化，通過軟件化的方式構建統一的資源池，實現基礎架構資源的管理和調配，提供數據中心基礎架構所需的全部資源。多業務模板層能夠快速構建出業務邏輯，實現虛擬資源的動態調配和靈活擴展，部署簡單快速，管理輕松便捷。應用層通過超融合架構實現云服務模式，提升組織管理和業務管理效率，降低平臺運維難度和運營工作量，提升應用服務的敏捷性和快速響應能力，從而提高醫學圖書館業務管理水平和服務效率。

3.2 主要技術

3.2.1 服務器虛擬化

服務器虛擬化是整個超融合架構中的核心組件，基于裸金屬架構的虛擬化程序直接運行在服務器上，實現對服務器物理資源的抽象，將CPU、內存、硬盤等服務器物理資源轉化為一組可統一管理、調度和分配的邏輯資源，并基于這些邏輯資源在單個物理服務器上構建多個同時運行、相互隔離的虛擬機執行環境[7]，實現更高的資源利用率，減少系統管理的復雜度，加快對業務需求的響應速度，提供高可靠、高可用的應用服務。

3.2.2 存儲虛擬化

存儲虛擬化是將集群各節點服務器上獨立的硬盤存儲空間進行組織聚合(圖2)，構成一個共享的存儲資源池，所有的存儲資源在這個存儲池中統一管理，實現存儲資源的自動化管理和分配，構建高效靈活的存儲架構與管理平臺，提供高可靠、高性能存儲。

如圖2所示，存儲虛擬化基于分布式存儲系統，融合了分布式緩存、SSD讀寫緩存加速、多副本機制等多種存儲技術，在功能上與獨立共享存儲完全一致。存儲虛擬化通過SSD緩存，可以大幅提升服務器硬盤的I/O性能，實現高性能存儲和業務高效可靠運行。存儲虛擬化采用多副本機制，一份數據同時存儲在多個不同的物理服務器硬盤上，提升數據可靠性，保障關鍵業務安全穩定運行。此外，由于存儲和計算完全融合在一臺服務器上，省卻了外置磁盤陣列的控制器、光纖交換機等設備，達到了降低成本的目的。

圖2 存儲虛擬化

3.2.3 網絡虛擬化

網絡虛擬化通過實現網絡中所需的各類網絡連接服務(包括路由、交換、安全、負載均衡等)按需分配和靈活調度，提供了全新的網絡連接運維模式，解決了傳統硬件網絡的眾多管理和運維難題，可滿足業務應用對網絡快速、靈活自動化部署的需求(圖3)。

圖3 網絡虛擬化

如圖3所示，網絡虛擬化與服務器虛擬化相結合，以底層物理網絡作為數據包轉發底板，在虛擬機和物理網絡之間構建網絡虛擬化層，以軟件形式提供一整套完整的邏輯網絡設備、連接和服務，實現與物理網絡的無縫互連，降低網絡復雜度，簡化網絡的配置管理。網絡虛擬化可以快速完成不同應用系統的網絡部署、網絡配置的自動化調整、網絡故障排查等工作，提供靈活且適應性強的網絡連接功能，提升網絡調配速度并精簡運維，顯著增強了網絡安全性，大幅降低網絡建設成本。

3.3 應用效果

3.3.1 基礎架構簡化

超融合技術實現了計算、存儲、網絡的融合，原有服務器依靠交換機連接存儲控制器和磁盤陣列的架構模式，現只需要超融合一體機和交換機即可滿足業務需求，架構簡單。傳統架構無法支持存儲空間和性能的橫向彈性擴展，超融合架構具有很高的自動化程度，擴展簡單方便，只需將新的服務器加入原來的集群，即可實現性能和容量的自動同步擴展。

3.3.2 降低成本

超融合技術能夠有效降低數據中心基礎設施成本和運營維護成本，包括物理空間、機柜、網線、電力、制冷和人力成本等。采用傳統虛擬化架構模式，雖然服務器數量有所減少，但存儲、光纖交換機等設備的投入卻明顯增加。超融合架構能夠控制和減少服務器數量，明顯提高服務器資源利用率。由于省卻了外置存儲磁盤陣列的控制器、存儲交換機等設備，極大降低了建設成本，并避免了傳統存儲無法平滑擴展性能，且需要遷移存儲數據帶來的風險。

3.3.3 提高運維效率

與傳統架構相比，超融合架構管理更為簡單，能夠實現資源的高效部署、運維、管理[8]。傳統架構下，服務器、存儲、網絡設備和虛擬化系統來自不同的供應商，需要分別進行管理配置，運維復雜繁瑣。超融合將計算、存儲、網絡、虛擬化集成到一個界面上，通過同一運維界面，可以對物理主機、服務器虛擬化、存儲虛擬化、網絡虛擬化等設備和組件進行資源管理和調配、負載監控、網絡拓撲部署、網絡策略配置、系統數據備份等操作，實現資源的全面管理和調度，極大簡化了復雜的運維工作。

3.3.4 高可靠

超融合技術通過多副本機制保證數據的可靠性，與傳統存儲的RAID方式不同，多副本機制把每份數據復制成多份副本進行存儲，同一份數據在不同的物理服務器硬盤創建2～3個相同的副本，當服務器或硬盤發生故障時，可通過分散到其他服務器節點上的副本讀取數據，不會中斷存儲服務。當數據發生變化時，所有副本通過網絡進行同步，確保了數據的一致性。多副本的同步存儲方式能夠在最大程度上確保數據的互備效果，實現存儲的高可靠高可用性。

3.3.5 高性能

傳統存儲架構基于SAN進行數據存儲訪問，存儲控制器決定了存儲的整體性能。隨著業務的不斷增長，當I/O需求大量增加時，巨量的數據訪問請求會導致控制器阻塞，造成性能瓶頸，而且傳統存儲的SAS硬盤、SATA硬盤讀取緩慢，難以滿足眾多應用系統高速數據訪問的性能要求。超融合技術以軟件定義存儲代替傳統SAN存儲，在集群各服務器節點上部署快速的SSD盤和大容量傳統SAS、SATA硬盤，借助于SSD盤的高效緩存技術，大幅提升服務器硬盤的I/O性能，增強存儲的響應速度，滿足數據快速訪問性能要求和大容量存儲空間的需要。

4 結語

隨著醫學圖書館知識服務的廣泛開展，數據中心業務快速增長，各類業務應用對數據中心的性能要求直線上升。超融合架構能夠突破以硬件為中心的傳統架構的限制，不僅具備極大的易用性和簡化部署，還可以有效提升業務敏捷性和響應速度。采用超融合技術，將傳統服務器、存儲、交換機和其他網絡設備的豎井式疊加架構模式，簡化為只有 x86 服務器和交換機的扁平式架構模式，不僅能夠實現計算、存儲、網絡的統一管理，還極大降低了數據中心的成本和運維壓力。因此，超融合架構能夠有效提升數據中心的運行效率，為醫學圖書館知識服務提供有力支撐。