数据中心去小型机化可行性研究

王玉玺++周文军

（江苏第二师范学院数学与信息技术学院， 江苏 南京 210013）

摘 要： 数据中心对存储和计算的要求不断提高，传统的小型机构架出现弊端，以小型机服务器性能和数据中心业务需求分析为基础，结合主流架构和技术，研究了数据中心去小型机的必要性和可行性，提出了基于X86开放平台架构、基于虚拟化构架和基于公有云替代等三种替代方法，并根据实际应用场景进行了对比测试实验。结果表明：在数据中心，X86构架平台在设计合理的情况下，已具备替代小型机架构的能力。

关键词： 小型机； x86； 数据中心； 虚拟化

中图分类号：TP302 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）12-09-04

Abstract： With the increasing requirements of datacenter for storage and calculation， the disadvantages of traditional minicomputer have appeared. Combining with the mainstream architecture and technology of datacenter， the possibility and necessity of removing minicomputer from datacenter are studied， through the analysis of minicomputer servers' performance and datacenter's business demands. Three alternative solutions including the architecture based on X86 open platform， the architecture based on virtualization and the public cloud substitute mode， are presented. And the comparison tests have been done according to the actual application scenario. The results show that with reasonable design， the architecture based on X86 open platform has the ability to replace the minicomputer architecture.

Key words： minicomputer； x86； datacenter； virtualization

0 引言

随着数据中心的发展，尤其是云计算技术的出现，数据中心逐渐演变成集大数据存储、云服务为一体的高性能计算机资源池，在资源池化的基础上开发计算、存储、运维、管理等一系列的功能，可有效提高单位数量服务器的使用率[1]。传统数据中心核心业务和关键业务的计算及存储任务主要由RISC小型机完成，随着X86处理器性能及可靠性提升，这些业务正在逐步迁移至X86平台。根据最新市场报告，近年来RISC小型机市场占有率从70%降至不足20%[2]，数据中心“去小型机化”趋势明显。同时，数据中心的数据计算和存储需求总量迅速膨胀，将本地数据中心的计算和存储单元迁移至“公有云”环境的研究和实施工作也在逐步的展开。

1 数据中心小型机架构现状

传统数据中心选择小型机，一般作为重要数据库及核心业务的主要计算和存储单元[3]。出于设备的重要性和运维管理的难度，在小型机平台搭建完成后若干年内很少对其进行大规模升级。随着数据中心业务系统的扩张，非核心业务服务器会逐步升级、淘汰，但运行着核心业务的小型机却较难及时升级，导致小型机系统设备陈旧且超负荷运行，硬件故障率提高，数据丢失和业务中断的风险加大。小型机硬件和操作系统常来自同一厂商，属于封闭专用的计算机系统，替换速度慢。针对小型机进行部件升级时，往往设备、配件已经停产；而若对设备进行整体淘汰更新，新系统建设成本高，甚至需要对软件架构、业务逻辑进行重新梳理和升级，且在未来几年内又会遇到同样的设备老化等问题，制约着其业务扩展的能力。基于上述原因，研究一种易于业务部署且数据迁移快捷的小型机替代方案尤为重要，本文提出了三种替代方法。

2 数据中心小型机替代方法

2.1 基于x86开放平台的架构

传统数据中心普遍采用小型机服务器加FC-SAN存储架构，支撑核心、关键业务中的大型数据库系统，这类业务对CPU性能、磁盘性能和存储网络性能均有较高要求[4]，现有做法是依靠堆积小型机硬件或升级到大型机来满足性能需求，而在小型机的替代方法中应有效保证以上三者性能。

2.1.1 架构设计

结合数据中心对CPU、磁盘和存储网络性能需求，提出一种基于x86开放架构的小型机替代方法：计算节点使用X86服务器组建计算集群，存储节点使用x86服务器配置PCIE Flash存储提供高IO性能的存储服务；计算单元与存储单元通过Infiniband网络构建低延迟、高带宽、冗余性的存储网络，架构方法如图1。设计方法采用三层架构：分布式存储层、网络层、计算层。

分布式存储层：使用x86服务器，本地磁盘实现共享存储。设计思想是，通过软件对硬件存储单元统一管理和分配，实现存储资源统一交付，便于存储容量的扩展，同时解决了存储服务器对硬件过于依赖的问题。利用多台廉价x86服务器对磁盘IO压力进行均衡负载，利用闪存技术作为高速缓存或直接存储介质，解决存储的IO瓶颈。

网络层：基于Infiniband架构的存储网络提供了冗余链路，兼顾了高带宽和低延迟，尤其适用于大型数据库的应用。

计算层：基于x86服务器设计，为解决开放x86平台硬件可靠性不足的问题采用多计算节点设计，多节点间实现负载均衡且节点间互为备份。该设计方法优势在于，物理硬件故障不影响业务的正常交付，解决了业务对硬件资源的高依赖性，同时方便基础架构的升级和淘汰。

2.1.2 关键技术

分布式存储架构中的数据可靠性借助HA方案来解决，如图2所示。图2中的DRDB（Distributed Replicated Block Device）是一个基于软件实现的在服务器间进行块设备数据同步复制的解决方案[5]，这种策略通过网络在服务器之间实现块设备同步，辅助Heartbeat HA实现服务器之间的动态角色切换，可以有效规避因物理服务器损坏造成的分布式存储中的元数据丢失。

2.2 基于虚拟化的架构

传统数据中心的小型机除了作为大型数据库服务器外，也常作为关键核心业务的应用服务器，常出现性能过剩的情况。小型机服务器在硬件条件允许的情况下，可使用分区技术构建不同的逻辑服务器分配给多个应用环境使用。但是这种方法缺少统一的调度措施，对硬件资源的分配、回收、再利用灵活度较低，且较难实现应用的迁移。

利用虚拟化技术，基于x86服务器构建资源池，可以实现硬件资源的动态分配、回收，在资源池中部署的应用系统，可方便快捷的跨硬件迁移。有效地解决了资源浪费、资源分配回收难和管理繁杂等问题。以VMware产品构建虚拟化平台为研究对象，如图3使用ESXI作为x86服务器底层操作系统，首先构建出虚拟化集群，实现物理资源的池化，资源池使用统一的调度管理平台实现资源动态分配、回收。动态迁移[6]技术提升了资源池中应用系统的可靠性，满足应用在不停机情况下，在x86服务器之间动态“漂移”。

当虚拟化x86资源池进行大规模部署后，一个虚拟化集群可同时管理上千台x86服务器。基于这种大型的x86虚拟化资源池可作为实现“私有云”的基础设施[7]，以此为基础进行管理和优化实现软件定义的数据中心（SDDC）。

2.3 基于公有云的架构

与前述x86虚拟化资源池或私有云相比，公有云由第三方企业提供的“私有云”服务，通过共享的方式对资源池进行使用。公有云企业通过计费方式交付虚拟服务器、虚拟网络、虚拟存储、软件接口、安全服务给租户使用。根据服务类型云计算可以分为三个部分：基础设施即服务（Iaas）、平台即服务（Paas）、软件即服务（Saas）。由以上概念出发，利用公有云资源替代小型机的方案，应首先考虑Iaas层面的选型，即对自身业务需求进行统计和分类，迁移至公有云的业务是否属于核心业务或关键业务；同时对业务的计算、存储、网络、安全需求做全面分析；根据分析结果按需购买公有云的资源和服务。

3 实验测试

3.1 基于x86开放平台的架构压力测试环境

针对传统数据中心中的大型数据库应用场景，在本文提出的x86开放平台架构基础上，进行数据库压力测试，测试工具选择Apache Jmeter。单台计算节点配置双路Intel E5-2670 cpu，内存DDR3 128G；单台存储节点cpu为双路Intel E5-2620，内存DDR3 48G，本地存储使用400G PCI-Flash。压力测试结果如表1所示。

由表1的测试数据，x86开放平台架构在硬件满足需求、软件及架构配置合理的情况下，可满足传统数据中心的大型数据库业务要求。

3.2 虚拟化替代方法性能测试环境

Power服务器（CPU为Power7 v2.1@4.2GHz）与X86服务器（CPU为E5-2630L v2@2.40GHz），均使用同一种虚拟化技术，每台服务器各部署一个虚拟机，分配1个虚拟CPU和1G内存。使用相同的脚本进行测试，取Excel Throughput、Shell Scripts、System Call测试数据进行对比分析。

3.3 公有云替代方法性能测试环境

使用本地X86服务器虚拟机与公有云虚拟机性能对比测试，操作系统均选择Centos 6.7 x64系统，选择不同的内存配置，进行对比测试。使用相同的脚本进行测试，取Excel Throughput、Shell Scripts、System Call测试数据进行对比分析。

3.4 实验结果分析

分析测试实验结果发现，在CPU内核数与内存数相同的情况下x86服务器的三项性能指标比Power服务器高出5%至357%，测试结果显示，同样的虚拟化底层系统，基于X86的虚拟化性能优于基于power的虚拟化性能，对比结果如图4所示。

数据同时显示，服务器使用同级别的Intel cpu和power cpu时，在虚拟化计算性能上x86服务器性能优于小型机服务器，因此在需要对计算资源进行池化的应用环境中，x86服务器可以替代小型机服务器，主流的虚拟化技术和产品对x86平台的支撑更优，兼容性更好。

在CPU内核数相同的情况下，当所测的虚拟服务器内存从512MB提升至1G时，三项性能指标均有一定的提升，提升幅度为20%至55.9%。因此在X86平台虚拟化架构下，合理增加内存数可以有效提升虚拟机的计算性能，性能提升幅度如图5所示。

综合测试结果可知，相比传统的小型机在虚拟化方面，x86架构具有更强的性能优势。数据中心使用X86的虚拟化架构设计来替代小型机架构具有可行性。在实际应用中，应针对不同业务的存储需求和计算需求，对基础架构进行科学的规划和设计，进而充分发挥x86平台的虚拟化性能优势。

4 结束语

本文结合传统数据中心小型机架构的多种业务类型和应用场景，进行了小型机替代方法研究。基于x86开放平台的架构，设计出适合数据中心大型数据库应用的小型机替代方法；针对数据中心非数据库应用系统，研究讨论了基于x86虚拟化和公有云架构的小型机替代方法。对三种替代方法进行了实验测试，并对实验测试结果进行了分析归纳，证明基于x86的架构设计在数据中心多种业务类型和应用场景中，已经具备替代传统小型机架构的能力。

参考文献（References）：

[1] 李丹，陈贵海.数据中心网络的研究进展与趋势[J].计算机学

报，2014.37（2）：259-274

[2] 张振伦.基于云计算的去小型机研究[J].互联网天地，2014.4.

[3] 史文路，胡平.双机热备份系统的研究与进展[J].微处理机，

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[4] Lee S， Moon B， Park C. A Case for flash memory SSD in

enterprise database applications[C]. Proc of ACM SIGNOD'08 New York： ACM，2008：1075-1086

[5] M Riasetiawan，A Ashari，I Endrayanto. Distributed

Replicated Block Device （DRDB） implementation on cluster storage data migration [C]// Anonymous. 2015 International Conference on Data and Software Engineering. Yogyakarta： IEEE，2015：93-97

[6] 常德成，徐高潮.虚拟机动态迁移方法[J].计算机应用研究，

2013.30（4）：971-976

[7] 曾赛峰，朱立谷，李强等.企业级私有云中的虚拟化实现[J].计

算机工程与应用，2010.46（36）：70-73