數據中心建設中超融合技術的應用研究

摘要：隨著信息化和數字化的發展，數據中心的規模和復雜性日益增加，傳統的架構和運維模式已難以滿足實際需求。因此，本文分析了超融合技術在數據中心建設中應用的優勢，探討了分布式存儲系統及其在數據保護和容災中的應用，展現了其出色的性能和擴展性，以期為數據中心的優化提供理論基礎和實踐路徑。

關鍵詞：數據中心；超融合技術；虛擬化

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.03.026

中圖分類號：TP 308 " " " " "文獻標志碼：A " " " " " "文章編碼：1672-7274（2025）03-00-03

Research on the Application of Super Fusion Technology in Data Center Construction

TANG Chunqin

（Jiangsu Second Traditional Chinese Medicine Hospital Data Center， Nanjing 210017， China）

Abstract： With the development of informatization and digitization， the scale and complexity of data centers are increasing day by day， and traditional architecture and operation and maintenance models are no longer able to meet practical needs. Therefore， this article analyzes the advantages of applying hyper fusion technology in data center construction， explores the implementation of distributed storage systems and their applications in data protection and disaster recovery， and demonstrates their excellent performance and scalability， in order to provide theoretical basis and practical path for optimizing the construction of data centers.

Keywords： data center; hyper fusion technology; virtualization

隨著信息技術和數據量的快速增長，傳統數據中心面臨資源利用率低、管理復雜、擴展性差和成本高等問題，難以滿足現代業務需求。作為網絡發展的基礎設施，數據中心不僅承擔著存儲、計算和網絡流量的處理任務，還在整個社會網絡的發展過程中起著關鍵作用。SDN/NFV網絡結構基于三級數據中心體系，包括核心數據中心、區域數據中心和邊緣數據中心[1]。

在傳統數據中心架構中，可以看到“煙囪式”管理模式所帶來的資源利用低下、擴展性不足以及管理復雜等一系列問題。正是在這種背景下，超融合架構應運而生。其將硬件資源虛擬化為軟件定義服務，成功打破了傳統模式的局限，從根本上提升了資源利用率。同時，資源池化管理使整個系統更加靈活且易于擴展，有效降低了硬件投入成本。此外，超融合技術通過簡化管理流程和采用集中化管理平臺，大幅提升了運維效率并降低了管理成本。由此，超融合架構不僅為傳統數據中心的轉型升級提供了有力支撐，也為邊緣數據中心的改造提供了高效解決方案。因此，本文將進一步探討超融合技術在數據中心建設中的具體應用，以及如何推動整體網絡架構向更高效、靈活的方向發展。

1 " 超融合技術在數據中心設計中的應用

1.1 傳統數據中心架構

如圖1所示，傳統數據中心架構包括服務器、存儲控制器等，數據的傳輸、共享和存儲依賴服務器之間的協作完成[2]。在該架構中，計算單元與存儲單元相互獨立，服務器需通過外部的SAN交換機連接存儲設備，導致數據傳輸流程復雜、效率較低。

圖1 傳統數據中心架構

在傳統架構中，實現資源共享與整合較為困難。為了適應日益擴大的服務要求，數據中心往往需要不斷添加服務器和存儲設備。但是，在采用了服務器的托管方式之后，新增應用配置中往往包括了線路布局、網絡選擇等內容，使得網絡的拓撲與布局更加復雜化。超融合架構通過虛擬化平臺整合計算和存儲設施，改變了數據中心的運營模式。

1.2 超融合數據中心技術優勢

超融合數據中心架構相比傳統數據中心架構更為簡化和穩健。通過將計算、存儲和網絡功能集成至單一X86服務器，并借助以太網交換機連接計算節點，可快速部署所需IT資源，顯著降低搭建復雜度[3]（如圖2所示）。此外，集群模式由多個計算節點組成，可有效消除單點故障風險，提升系統的穩定性與可靠性。

圖2 超融合系統架構示意圖

采用分布式存儲系統的超融合架構，通過虛擬化本地存儲資源并整合成資源池，為數據中心提供可靠的存儲服務。分布式存儲的多副本技術進一步增強了數據業務安全性和連續性。在成本方面，超融合架構簡單靈活，建設初期可按需采購設備，降低一次性投資壓力；擴展時無須中斷業務即可增加或刪除節點，支持水平擴展，簡化部署與管理[4]。

2 " 超融合數據中心體系

2.1 數據中心基礎設施

本文介紹的超融合數據中心系統中的架構主要由數據中心基礎設施、基礎架構平臺（包括虛擬化資源池和云服務管理平臺等）、應用支撐平臺和業務平臺等構成，如圖3所示。

圖3 超融合數據中心架構

超融合數據中心的基礎設施層集成了計算節點、存儲節點和網絡設備，通過X86服務器架構實現計算、存儲和網絡的深度融合。計算節點通常采用多核處理器和高性能內存，存儲節點使用分布式存儲技術，實現高性能和高可用性，網絡部分采用高速以太網或光纖通道進行連接，支持VXLAN（Virtual Extensible LAN）和RDMA（Remote Direct Memory Access）等高性能協議，實現高速數據傳輸和低延時通信。

2.2 基礎架構平臺

基礎架構平臺是超融合數據中心的核心管理平臺，主要包含虛擬化資源池和云服務管理平臺[5]。虛擬化資源池利用虛擬化技術，將物理服務器、存儲設備和網絡設備抽象成邏輯資源，形成一個共享的資源池，供上層應用按需調取和使用。云服務管理平臺提供了一個統一的界面，用于管理和監控整個數據中心的資源。平臺支持RESTful API調用，能夠自動進行資源調配、負載均衡、備份和恢復等操作。云服務管理平臺使用分布式調度算法（如Kubernetes和OpenStack）進行資源分配和任務調度，支持高可用性架構，確保99.99%的服務可用性。

2.3 應用支撐平臺

應用支撐平臺負責為各類應用程序提供基礎服務和運行支持，在超融合數據中心體系中，應用支撐平臺的主要任務是實現結構化與非結構化存儲數據資源的整合，為上層業務應用提供強大的數據訪問和處理能力[6]。

為提升數據中心性能，本文采用基于K-means聚類算法，對分布式數據庫的部分特征進行定性分析，以描述用戶行為特征。聚類效果通過輪廓系數（Silhouette Coefficient）進行評估，該系數綜合考慮了聚類的凝聚度和分離度，數值越大表明聚類效果越佳，其計算公式為：

（1）

式中，表示某數據點與同簇內其他數據點的平均距離；表示該數據點與最近簇內數據點的平均距離。

2.4 業務平臺

業務平臺通過子域技術實現有針對性的數據服務分配，子域技術允許將不同用戶劃分到不同的服務域中，每個域可以根據用戶需求提供特定的服務。例如，對于高性能計算應用，可以提供快速的IO拷貝服務；對于數據冗余要求較高的用戶，可以實現地域間的故障隔離和數據備份。

平臺采用分片技術進行數據存儲和管理。分片技術能夠將數據按塊切分并分布在多個存儲節點上，以實現冷熱數據的分級存儲。不常訪問的冷數據被存儲在速度相對較慢但容量較大的存儲介質上，而頻繁訪問的熱數據則保存在高速存儲器中，提高了存儲效率，實現了動態負載均衡，使系統資源利用率最大化。

3 " 應用研究

3.1 控制節點及驗證節點

采用本文提出的超融合架構建立一個云平臺系統（如圖5所示）。控制節點會生成三個數據副本，這些副本在不同的存儲節點之間分布，從而防止單點故障對數據完整性的影響。控制節點還與OpenStack對接，通過與OpenStack集成，為GRESS和CINDER提供后臺存儲服務。

驗證節點確保新增加的服務器能夠與OpenStack系統及其他組件（如GRESS和CINDER）高效集成，具體而言，驗證節點會執行以下操作：一是對新服務器進行硬件和軟件的配置檢查，確保其符合系統要求；二是將新服務器加入現有的存儲集群中，并進行數據同步和驗證；三是通過對新服務器的性能進行測試，確保其能夠在不影響現有服務的情況下，達到預期的性能水平。

圖5 采用超融合架構的云平臺系統

3.2 實驗及性能評估

本文中，單獨應用K-means聚類算法和傳統聚類算法分別部署512個節點，并通過實驗數據進行性能評估。在超融合系統中單獨應用K-means聚類算法進行節點部署，并收集了兩種主要作業組的運行數據：運行一小時深度學習的算法作業組和運行一小時高性能的算法作業組，并記錄兩個作業組在不同算法下的運行時長。

從實驗結果來看（如圖6所示），在單獨應用K-means聚類算法的部署方式下，集群的作業運行時長相比傳統多框架應用部署方式明顯減少。具體來說，K-means聚類算法通過將作業特征進行精確分組，減少了節點間的負載不均衡現象，優化了數據傳輸和計算資源分配。從對比結果來看，超融合架構下應用K-means聚類算法能夠顯著提升集群的性能，縮短作業運行時長，從而提高數據中心的整體效率。

圖6 對比結果

4 " 結束語

本文提出了基于超融合技術的數據中心架構，與傳統方式相比，超融合架構將計算、存儲和網絡資源整合到統一平臺上，簡化了部署和管理流程，降低了建設和運營成本。通過分布式存儲和多副本技術，提升了數據的安全性和可靠性，確保數據中心在高負載和故障恢復時表現出更高的性能，以滿足現代網絡運營對高效、可擴展和安全的數據中心的需求。

參考文獻

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[2] 張建嬌.超融合虛擬化架構在云計算領域的應用研究[J].信息記錄材料，2018，19（7）：94-95.

[3] 童遙.數據中心超融合技術研究[J].辦公自動化，2018，23（24）：24-25，37.

[4] 賴培源，吳家隱.云數據中心超融合架構技術及測試評估方法研究[J].衛星電視與寬帶多媒體，2020，516（11）：116-118.

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[6] 曹春江，鮑開鋒.基于server SAN超融合架構的電子政務異地災備中心研究[J].電信科學，2018，34（10）：163-168.