超融合存儲關鍵技術及應用

韓銀俊 楊洪章

摘 要：近年來超融合存儲迎來了飛速發展。工業級和開源級超融合存儲系統存在諸多不足。中興通訊的超融合存儲在可靠性、一致性、兼容性、擴展性、性能等方面突破了一系列關鍵技術。基于超融合存儲的中興云桌面產品在陜西高校市場實現了規模商用，低成本是未來研究方向。

關鍵詞：超融合;存儲;可靠

1 超融合存儲概述

超融合基礎架構是指基于通用的x86服務器硬件，通過虛擬化和分布式軟件技術，提供計算、網絡和存儲的虛擬化資源服務，對外提供統一的資源池服務。超融合可以為數據中心帶來最優的效率、靈活性、規模、成本和數據保護。近年來超融合存儲迎來了飛速發展，多套存儲設備可以通過網絡聚合起來，實現模塊化的無縫橫向擴展，形成統一的存儲資源池。

2 超融合存儲發展現狀

當前，國內外超融合存儲軟件的研究開發被劃分為兩大陣營：工業級和開源級：

（1）工業級的超融合存儲系統包括：Nutanix、EMC ScaleIO、Vmware VSAN、SmartX ZBS等，其存在成本高昂、需要專業維護人員、幾乎被國外IT巨頭壟斷等缺陷。以Nutanix為例，2013年就已經進入中國市場，但是經過幾年的發展，市場份額始終難以達到預期。究其原因，Nutanix不能滿足國內客戶的真實需求，在中國只提供軟硬一體機，不單獨提供軟件服務，這就導致中國企業必須將機房所有服務器都更換成Nutanix的一體機，一次性投入過大。

（2）開源級的超融合存儲系統包括：Ceph RBD、Sheepdog、Gluster等，其存在穩定性不夠、功能不夠完善，不具備商用條件等缺陷。以Ceph為例，雖然在學術界引起了越來越多的關注，但代碼和系統的發展方向本質是由RedHat公司控制，真正應用在生產系統的少之又少。主要原因包括：數據與負載的分布均衡性較差、代碼質量低下、對小文件支持不足、整體性能不足。

為了克服上述工業級和開源級超融合存儲系統的不足，迫切地需要研究開發具有兼容性強、穩定性強、功能完善、易運行維護的超融合存儲系統。

3 中興超融合存儲的關鍵技術

ZXEBS是中興通訊的超融合存儲解決方案，在存儲的可靠性、一致性、兼容性、可擴展性、性能等方面突破了一系列關鍵技術。

3.1 存儲可靠性

可靠性方面通過多副本的方式，保證單個節點的損壞不會影響到數據的丟失。超融合存儲的可靠性主要依賴多副本機制保障，通過分布在不同主機上的多份數據副本，避免在發生節點/數據損壞時丟失數據。當系統檢測到節點故障時，需執行服務切換操作以保證可用性。在此過程中，應當保證用戶請求不中斷，無感知，同時，避免出現雙主機同時接受更新操作等問題，保證強一致性。

3.2 數據一致性

在數據一致性方面，通過日志的方式進行序列化和不同節點直接的數據同步，確保強一致。首先保證更新操作的完整性和正確性，解決多客戶端并發時的原子性和臟讀問題。其次是副本間一致性保證，解決在磁盤損壞、網絡分區等異常情況下，多個數據副本的一致性保證機制。

3.3 存儲兼容性

超融合存儲可直接用于替換本地磁盤、SAN等傳統存儲設備，保證上層應用無須作出任何修改。為保留現有軟硬件投入，基于虛擬塊設備驅動方式的訪問接口能提供最大限度的兼容性、降低遷移成本。通過在Linux內核IO層實現自定義的塊設備驅動，將IO請求通過網絡轉發到多個服務端并行處理，能夠提供比iSCSI協議更高的效率以及更好的擴展性。

3.4 存儲可擴展性

采用一致性HASH的方法，把數據均衡分布到節點中所有的磁盤上，充分發揮各個磁盤的能力，支持在線的服務節點的擴容和均衡。通過軟件方式實現集群的動態擴容、減容，實現存儲資源的按需分配，避免前期投入過大，降低后期擴容的實施復雜度。對于擴容＼＼減容，應當實現為在線的動態操作，避免停機影響線上業務。并在硬件資源調整后，通過數據遷移等方式，對數據、負載分布進行重新均衡，避免出現熱點或資源利用不充分的情況。

3.5 存儲高性能

通過SSD的加速，實現讀寫緩存的加速，大幅提升了存儲IO性能。對于塊設備，由于需要維護的元數據信息較少，其管理操作相對簡單。基于常規的文件系統實現軟件定義的塊設備存儲時，存在不必要的IO開銷，降低了系統性能。優選的方式是，針對塊設備的特點，開發本地KV文件系統作為替代，僅實現塊設備所需接口，并針對性塊設備的讀寫方式進行優化，提升性能。

4 中興超融合存儲的應用

基于超融合存儲架構的中興通訊uSmartView云桌面從2015年進入陜西高校市場，實現了在西北大學，陜西科技大學、西安電子科技大學等高校規模商用，提供軟硬件一體化的云課堂解決方案。云課堂解決方案將桌面虛擬化技術和計算機教室完美結合，改變了傳統計算機教室結構，實現了教學集中化、管理智能化、維護簡單化，支持互聯網方式訪問桌面，在電子閱覽室、多媒體教室、學校機房、老師辦公、圖書閱覽室等環境下，通過興云課堂教學管理軟件，承載主課教學，支持多種師生互動方式和課堂管理方式，為師生提供良好的教學體驗。

5 結論

中興通訊的超融合存儲解決方案在存儲的可靠性、一致性、兼容性、可擴展性、性能等方面突破了一系列關鍵技術。如何在低成本的前提下滿足上述關鍵技術特性，是未來的重點研究方向。

參考文獻：

[1]吳明虎，張惟.淺談“云”中的超融合[J].科技風，2017-08-15：75-76.

[2]楊騰飛，申培松，田雪，馮榮權.對象云存儲中分類分級數據的訪問控制方法.軟件學報，2017，28（9）：2334-2353.

[3]屠要峰.高性能、高可靠中興超融合架構關鍵技術解析[J].通信世界，2017（9）：55-56.

基金項目：深圳市科技創新委員會科技應用示范項目資金資助項目（No.SF20170036）

作者簡介：韓銀俊（1977-），男，高級工程師，主要研究方向為云計算平臺。