彭飛

摘要：解析高校數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的演化歷程，論述全新的數(shù)據(jù)中心解決方案——超融合技術(shù)的實現(xiàn)原理和實際的應(yīng)用場景，說明超融合技術(shù)適合高校的數(shù)據(jù)中心建設(shè)，比較三個廠商的超融合平臺，為高校技術(shù)選型提供參考。

關(guān)鍵詞：超融合;數(shù)據(jù)中心;分布式;SDS;SPOC

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）19-0014-02

云計算、大數(shù)據(jù)的迅猛發(fā)展和信息技術(shù)的不斷進步，促使傳統(tǒng)IT必須革新現(xiàn)有架構(gòu)，以滿足不斷增長的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)需求。數(shù)據(jù)中心作為IT的重要組成部分，已經(jīng)多次進行了改進，高校的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施也從最初的大型機系統(tǒng)逐步演變?yōu)槿诤舷到y(tǒng)，隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在又開始走向分布式云平臺。經(jīng)過總結(jié)一些高校的實施案例，本文提出，在現(xiàn)階段高校數(shù)據(jù)中心改、擴建前期，需要綜合考慮數(shù)據(jù)中心能夠承載的業(yè)務(wù)規(guī)模大小以及其具備隨業(yè)務(wù)需求而不斷動態(tài)擴張的能力，建議選擇超融合技術(shù)[1]，它是一種基于大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)數(shù)據(jù)中心的最佳實踐，實現(xiàn)了一種全新的web-scale（互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模擴展架構(gòu)）理念，包含當前及未來一段時間數(shù)據(jù)中心需要的關(guān)鍵技術(shù)：分布式計算、存儲系統(tǒng)、系統(tǒng)的自恢復(fù)能力等。

1 高校數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)演化

數(shù)據(jù)中心是由一組設(shè)備構(gòu)成的，包括服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)及電力制冷等，提供業(yè)務(wù)應(yīng)用所需要的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)這三項最重要的能力，經(jīng)過不斷變革，今天的數(shù)據(jù)中心逐步形成軟件定義的模塊化、智能化，取代以往的硬件模式。在近20年的高校數(shù)據(jù)中心的發(fā)展歷程中，數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施主要經(jīng)歷了分散式、整合式、虛擬化、融合系統(tǒng)這四個階段，如圖1所示。

在高校數(shù)據(jù)中心的發(fā)展初期，業(yè)務(wù)系統(tǒng)通常部署在單臺服務(wù)器中，使用服務(wù)器自帶的磁盤或外部DAS（直連存儲）提供存儲能力，這樣直接導(dǎo)致其計算、存儲能力被束縛在單臺服務(wù)器內(nèi)，無法有效的擴展。于是高校便開始將數(shù)據(jù)中心存儲設(shè)備由DAS變?yōu)榧惺焦蚕泶鎯AN，這種架構(gòu)有效地提高了存儲利用率、可管理性，加之系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的集群功能，可用性也進一步提高，但隨著服務(wù)器增多，導(dǎo)致服務(wù)器資源利用率降低[2]，不同的服務(wù)器品牌和型號使得運維困難，這時服務(wù)器虛擬化技術(shù)引入了整合式架構(gòu)，進化為虛擬化架構(gòu)，這樣便提高了資源利用率和運維效率[3]。但隨著虛擬機對于存儲空間的巨大消耗，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心需要的存儲設(shè)備不斷增多，成本越來越高，為了解決這些問題，有些資金充足的高校開始引入融合系統(tǒng)，即在一個大的機架中集成了服務(wù)器、存儲設(shè)備、存儲交換機和網(wǎng)絡(luò)交換機等設(shè)備，可以通過疊加模塊的方式進行橫向擴容，降低了用戶自行集成的復(fù)雜度，但融合系統(tǒng)通過硬件堆砌和軟件集成的方式，在集成效果上十分不理想，且只能使用同一標準的指定廠家設(shè)備，這樣造成高校的數(shù)據(jù)中心成本相比虛擬化架構(gòu)也是有增無減。

通過演化歷程發(fā)現(xiàn)，高校數(shù)據(jù)中心始終處于服務(wù)器、集中式共享存儲和存儲網(wǎng)絡(luò)這三層架構(gòu)，其成本、性能、可擴展性、可靠性、可維護性等都存在許多問題，所以現(xiàn)在高校急需選擇一種成本較低、性能優(yōu)越、擴展性強等優(yōu)點融為一身的體系結(jié)構(gòu)來建設(shè)數(shù)據(jù)中心。超融合技術(shù)通過分布式架構(gòu)、軟件定義存儲（SDS）[4]及自修復(fù)等核心體系結(jié)構(gòu)，具備更小顆粒的擴展性、較高的性價比和方便統(tǒng)一的運維平臺，使得其很快成為高校數(shù)據(jù)中心新建、更新的首選解決方案。

2 超融合技術(shù)實現(xiàn)原理和應(yīng)用場景分析

2.1 實現(xiàn)原理

超融合通過軟件定義存儲，將分布在各個節(jié)點上的磁盤形成一個虛擬的存儲系統(tǒng)，理論上存儲可以不受橫向擴展的限制，這樣就涉及一些基本的技術(shù)實現(xiàn)。

（1）元數(shù)據(jù)（MetaData）

所謂元數(shù)據(jù)，簡而言之就是數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，例如原始數(shù)據(jù)的分布位置等原始數(shù)據(jù)的屬性描述信息。元數(shù)據(jù)是超融合平臺的核心，對于集群的擴展性及彈性起到了至關(guān)重要的作用。由于分布式架構(gòu)原因，根據(jù)CAP理論 （Consistency/Availability/Partition Tolerrance，分區(qū)容錯性理論）? 和BASE原則[5]，超融合平臺一般會把元數(shù)據(jù)復(fù)制成n份副本（元數(shù)據(jù)和n個副本一般為奇數(shù)個，即3、5或7等），并保存在不同的節(jié)點上，當元數(shù)據(jù)寫入內(nèi)容（包括更新），會將內(nèi)容同時復(fù)制到其他對等節(jié)點上，多數(shù)節(jié)點同意后，內(nèi)容才會被提交，內(nèi)容的提交采用Paxos算法（也可以選用Raft算法）強制一致性，確保數(shù)據(jù)的強一致。

（2）冷熱數(shù)據(jù)分層

權(quán)衡成本和性能，節(jié)點的本地磁盤有時候會使用SSD和HDD組合的形式，這樣SSD就變成緩存層。超融合一般會智能的將冷熱數(shù)據(jù)進行分層?；诔绦蛟L問的局部性等原理，將經(jīng)常訪問的熱數(shù)據(jù)放置到SSD層，當熱數(shù)據(jù)不經(jīng)常被訪問，就會當成冷數(shù)據(jù)遷移到HDD。冷熱數(shù)據(jù)可以根據(jù)訪問的頻度智能遷移，當順序I/O或者單個文件體積比較大時，會跳過SSD直接寫入HDD。

（3）副本

元數(shù)據(jù)具備n份備份，原始數(shù)據(jù)也會保存多個副本，這樣當磁盤或節(jié)點發(fā)生故障，所有數(shù)據(jù)均會得到保護，集群會重建數(shù)據(jù)。此時正常元數(shù)據(jù)會掃描得到發(fā)生故障的設(shè)備上的數(shù)據(jù)副本的位置，進而進行數(shù)據(jù)重建任務(wù)。副本機制可以理解為數(shù)據(jù)備份，是分布式系統(tǒng)保證數(shù)據(jù)一致性和可靠性的基礎(chǔ)。在設(shè)備故障中，又可以分成磁盤故障、控制虛擬機故障和節(jié)點故障等不同的情況，但所有的故障，只要處于副本機制的可控閾值內(nèi)，系統(tǒng)都會正常運行。

（4）數(shù)據(jù)本地化

傳統(tǒng)的共享存儲的方式，所有數(shù)據(jù)都不會如分布式存儲這樣離散的保存。在分布式架構(gòu)下，數(shù)據(jù)訪問模式發(fā)生了改變，數(shù)據(jù)不再集中在一個或幾個存儲中，而是會離散到集群中的不同節(jié)點上，虛擬機訪問的數(shù)據(jù)有可能不在一個節(jié)點上，尤其是經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸時，會帶來一定的延時（如果采用Infiniband這種高帶寬低延時，則基本不存在這方面問題）。

超融合技術(shù)一般還包括存儲容量優(yōu)化技術(shù)（糾刪碼、壓縮和重復(fù)數(shù)據(jù)刪除）等，以上技術(shù)實現(xiàn)都使得超融合技術(shù)可以將計算、存儲快速橫向擴展，也具備企業(yè)級可用性和安全性等特點。

2.2 應(yīng)用場景分析

作為一種先進的高校數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方案，超融合技術(shù)不強求用戶廢棄之前的投資和架構(gòu)，而是可以與現(xiàn)有架構(gòu)共存，也不需要對資源進行提前采購，而是按業(yè)務(wù)增長而不斷擴容，所以高?？梢詮男∫?guī)模采用超融合技術(shù)并逐步擴展。本文經(jīng)過分析實踐案例，認為以下場景適合引入超融合技術(shù)：（1）數(shù)據(jù)中心更新?lián)Q代，（2）新數(shù)據(jù)中心建設(shè)，（3）空間與電力不足，（4）性能瓶頸，（5）可用性困難，（6）新應(yīng)用上線，（7）災(zāi)備數(shù)據(jù)中心，（8）高校分支機構(gòu)建立需要集中管理，（9）快速上線應(yīng)用等。在某些高校，超融合技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于其核心業(yè)務(wù)、大數(shù)據(jù)、桌面云及私有云和混合云等場景，在超融合平臺上部署和運行著諸如OA、網(wǎng)站群、小規(guī)模限制性在線課程（簡稱SPOC）等系統(tǒng)，并且十分穩(wěn)定。

2.3 三種超融合技術(shù)對比

超融合優(yōu)越的技術(shù)特點使得其市場迅猛發(fā)展，許多廠家也紛紛加入，高校需要根據(jù)自身需求對眾多超融合技術(shù)進行選型，本文選取市場上的常見的三種超融合技術(shù)進行詳細的分析介紹，如表1所示。

通過表1可以看出，路坦力、思科和華為分別實現(xiàn)了超融合技術(shù)里的分布式存儲，雖然這些技術(shù)實現(xiàn)有所區(qū)別，但技術(shù)原理與本文所述一致。

路坦力的超融合技術(shù)，采用定制或者OEM的X86服務(wù)器，每個節(jié)點安裝虛擬化軟件，并在虛擬化層運行著路坦力的控制虛擬機（CVM），這個控制虛擬機是路坦力技術(shù)的核心，其主要負責跨越不同節(jié)點之間的存儲信息的溝通及節(jié)點本地磁盤的管理等。路坦力解決方案中，本地落盤策略、SSD緩存、冷熱數(shù)據(jù)分層及設(shè)備高密度都是其優(yōu)點所在，雖然本地落盤及SSD緩存保證高I/O，但硬盤的帶寬無法得到保證，故而路坦力的超融合技術(shù)適合應(yīng)用于高IO需求的業(yè)務(wù)，不適合應(yīng)用于低IO、高帶寬的業(yè)務(wù)，而且其CVM會消耗比較多的資源，也不能使用原有的舊設(shè)備，使其性價比大大打折。

思科的超融合技術(shù)除了計算、存儲分布式之外，還實現(xiàn)了底層網(wǎng)絡(luò)的分布式，但其HXDP主要部署在UCS服務(wù)器之上，一般還必須使用其SDN技術(shù)ACI，所以售價十分昂貴，成本比較高，不建議高校場景使用。

華為的超融合技術(shù)是由其原有的一體機方案演變而來，從架構(gòu)上與其它超融合平臺還是存在一些差距，但華為不斷創(chuàng)新，依托其強勁的硬件也可以提供較為出色的計算速度和性能，此外，其還支持Infiniband網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使其超融合技術(shù)獨樹一幟，十分具有競爭力。

以上除了這三家超融合技術(shù)以外，還有基于vSAN技術(shù)的VMware、基于開源Ceph或GlusterFS等技術(shù)的一些國內(nèi)廠商[6]，根據(jù)技術(shù)實現(xiàn)的不同，他們的產(chǎn)品各有自己的優(yōu)缺點，在高校數(shù)據(jù)中心建設(shè)的技術(shù)選型時期，一定要多對比，按照自己實際需求來選擇適合的超融合平臺。

3 結(jié)論

在高校的信息化建設(shè)過程中，數(shù)據(jù)中心始終處于中心地位[7]，如果能將計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源等有效的整合在一起[8]，突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)資源的最大化共享和利用，將是數(shù)據(jù)中心建設(shè)一直追求的目標?？梢灶A(yù)見在未來的一段時期內(nèi)，高校數(shù)據(jù)中心會逐步向超融合階段邁進，本文僅對于超融合實現(xiàn)的機理和應(yīng)用場景進行論述，希望可以為高校的數(shù)據(jù)中心建設(shè)起到一定的參考作用。

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【通聯(lián)編輯：李雅琪】