虚拟化数据中心架构探析

米保全

1 引言

随着信息化的高速发展，各单位信息化业务逐渐增多，其业务周期与峰值各具特时。传统的数据中心通常一个业务应用就需要购置一套相应设备，存在建设资金投入大、运营成本高、部署周期长、单点故障多、机房生态消耗大（空间、电力、制冷）、各业务不能共享硬件设备等缺点，且平时运行利用率低，造成资源的巨大浪费，而在高峰时段又显得性能不够，造成资源的急剧短缺。为了实现软硬件资源按需分配、动态扩减、高度共享，出现了虚拟化技术、云计算技术等，虚拟化数据中心可以灵活适应资源配置、有效地减少部署时间、减轻管理人员工作负担和工作量、提高服务保障水平，虚拟化数据中心的科学架构问题是当今数据研究的焦点。

2 数据中心的功能要素

维基百科和谷歌对数据中心的定义，数据中心为多功能的建筑物，能容纳多个服务器以及通信设备，这些设备被放置在一起是因为它们具有相同的环境要求以及物理安全上的需求，并且这样放置便于维护，而并不仅仅是一些服务器的集合。数据中心是一整套复杂的设施，不仅包括计算机系统和其它与之配套的设备（如通信和存储系统），还包含冗余的数据通信连接、环境控制设备、监控设备以及各种安全装置［1］。

由此看出数据中心至少包含数据运行核心（计算、传输、存储、业务）和物理环境保障（温度、湿度、防盗、消防、电力）两大要素，数据中心具有三大功能：一是提供计算服务、数据存储、通信网络等相关硬件设备及设备的融合、管理与维护；二是提供操作系统、数据库、各业务系统等软件的部署、管理与维护；三是提供坚实、可靠、高效、安全的业务运行生态和物理环境空间。

3 虚拟化技术的含义

虚拟化技术是通过虚拟化软件把各类物理资源映射为统一的虚拟资源池，由虚拟化管理软件从虚拟资源池为每个虚拟机（应用服务器）按需分配一套虚拟的硬件资源，虚拟服务器为业务应用提供服务，实现应用服务器和硬件服务器隔离［2］。虚拟化技术既可以一虚多（将硬件资源切片分配），又可以多虚一（将硬件资源组合分配）。虚拟化数据中心主要涉及计算虚拟化、存储虚拟化、和网络虚拟化。

计算虚拟化主要指服务器虚拟化，把行算机的处理器、内存、输入输出设备分别整合，作为共享计算资源池，根据用户需求进行按需分配和再分配［3］。即使在同一台硬件服务器上，各个虚拟机之间也相互独立、互不干扰、底层隔离。用户的应用服务器计算能力配置不再由硬件厂商设定，而是根据用户的需求来配置、购租，以实现资源的高效利用。

存储虚拟化主要指外存阵列虚拟化，把固态硬盘、机械磁盘、磁带等设备分别整合作为共享存储资源池，根据用户需求进行按需分配和再增配［4］。根据存储设备的性价比和数据的热点度，可实现分级存储，利用磁盘镜像技术有效提高数据的物理安全性。有效提高虚拟机的磁盘访问速度、数据高可用性和数据安全性。

网络虚拟化网络虚拟化就是在一个物理网络上模拟出多个逻辑网络来。目前比较常见的网络虚拟化应用包括虚拟局域网，即VLAN、虚拟专用网、VPN，以及虚拟网络设备等。

4 虚拟化数据中心架构

虚拟化数据中心的本质是软件定义数据中心（SDDC）、让客户以更小的代价来获得更灵活的、快速的、弹性的业务部署、管理及实现，对计算、存储、网络、安全性等可用性服务，通过智能化的、策略驱动的软件进行逻辑链接与管理。存储是数据中心最核心的部分，根据存储的技术和位置把数据中心分为集中式架构和超融合架构，下面对集中式架构和超融合架构作出详细介绍。

4.1 集中式架构

集中式架构是把虚拟化数据中心的计算、存储、网络单独集中起来，由计算服务器、网络高速设备、独立存储器组成的虚拟化数据中心，主要由服务器虚拟化、网络虚拟化和存储虚拟化三部分构成［5］。计算设备和存储设备是分离的，所有的物理服务器组成一个服务器群集，形成计算资源池，利用虚拟化技术把独立的存储系统形成一个存储资源池，虚拟机之间通过数据中心交换机支持网络虚拟化来通信，根据业务需求按照需要在计算资源池、存储资源池、网络资源池上分配相应资源来部署虚拟机，虚拟机之间共享这些物理资源池。支持在物理服务器之间动态迁移运行中的虚拟机，是完善合理、高可用性的虚拟构架。用户可以通过客户端来监控管理物理服务器、虚拟机、存储池和网络等。

典型的集中式架构数据中心由虚拟化服务器、存储器阵列、数据中心交换机、管理服务器和桌面客户端组成，如图1所示。集中式架构数据中心包括下列组件：①计算服务器，在虚拟环境中称为独立主机，标准服务器祼机上安装运行虚拟化软件构成计算资源服务器，可将配置相似的多台服务器组合在一起构成计算服务器组、形成计算资源池；②存储网络和磁盘阵列，存储系统由存储管理机头、磁盘阵列（SAN阵列、NAS阵）、存储网路组成，存储磁盘阵列通过存储区域网络（光纤交换机）连接到服务器并在服务器之间共享，实现存储资源的聚合，并将这些资源分配给虚拟机，虚拟机可方便、灵活的存取数据；③IP通信网络，计算服务器连接到数据中心交换机，数据中心交换机可通过虚拟机间的网络数据交换，每台计算服务器有多个物理网络适配器，为虚拟机提供高带宽和高可靠的网络连接；④管理控制服务软件，提供主机的管理、虚拟机的管理（新建、快照、克隆）、资源配置与调整、访问控制、性能监控等功能；⑤远程管理客户端软件，数据中心管理和虚拟机访问提供方便的多种管理界面。

图1 集中式架构数据中心

4.2 超融合架构

超融合架构是为下一代云数据中心设计的横向扩展的软件定义架构，无固定中心节点，以横向扩展、软件定义、计算和存储融合、服务器端闪存为核心［6］。超融合架构应用虚拟化技术把存储功能融合到计算服务器中，在同一个单元当中同时具备了网络、计算、存储等资源，还可实现加速缓存、删除重复数据、备份、快照、压缩数据等功能，通过多个单元设备模块化的无缝横向扩展，实现资源与服务的统一与聚集，对运算和存储资源进行统一化管理。如图2所示超融合架构可实现软硬件的解耦，用户以堆叠的形式实现节点的添加，使多个节点设备（多台服务器）无缝聚合扩展，形成统一的资源池，实现超融合架构丛集容量的扩展。超融合架构的数据中心必须建立在高速网络通道的基础上。

超融合架构的特点［7，8］体现在：①采用了分布式的存储系统，利用虚拟化技术把本地存储资源通过集群形成资源池，将数据存放在集群中的全部节点之上，使数据的可靠性显著提升；②实现了计算与存储二者之间的融合，从根本上提升了业务数据的读写性能，因为利用本机的机械硬盘（扩充容量）和SSD硬盘（提高性能），极大提高了存储的I/O性能；③具备强大灵活的横向扩展能力，集群中的每个节点不仅仅是计算节点，而且还起到了存储控制器的作用，该架构可以通过增加节点的方式，进行运算和存储能力的扩展；④性价比较高，极大程度地降低了存储设备的采购成本，利用较为廉价的分布式存储技术替代传统集中式存储的独立存储，极大地降低了数据中心的建设费用和使用技术的技术门槛，超融合架构的技术核心是利用分布式文件系统（NDFS）来替代集中式架构中昂贵的专用SAN和NAS存储网络；⑤部署方式便捷，无需面对RAID、LUN、FC交换机、分区、多路径等问题。

软件定义的分布式存储和虚拟化计算是超融合架构本质。超融合架构以虚拟机为核心，能提升集群的运算效能和存储空间，具有简单、高效、高性能、易部署等优势。在成本的控制和风险防范等方面，超融合架构表现出了极大的优越性，不需要单独采购服务器和存储，节省了大量的机柜空间，而且对电源的消耗较小。

图2 超融合架构数据中心

5 分析结论

从高性能、高可用性、高可靠性、高扩展性等几个衡量数据中心的重要指标入手，对集中式架构数据中心和超融合架构的数据中心的优缺点、异同点等方面进行介绍和分析。其最大区别是存储系统的实现技术，集中式架构的存储系统独立于服务器，由单独的存储单元设备组成，在分布式的架构中存储系统融合在服务器当中，利用分布式的存储技术、虚拟化技术把本地存储资源通过集群形成存储资源池。

数据的价值是无法估量，高可靠性是存储系统最基础的特性，超融合架构将数据存放在集群服务器的每个节点之上，使得数据的可靠性显著提升。集中式架构中数据由单独的存储单元设备管理与存储，独立存储就显得尤为主要，一旦故障，全部虚拟机业务就无法继续。

随着信息化业务快速发展，数据中心的扩展与提升就很重要，超融合架构具备强大、灵活、容易的横向扩展能力，可以根据需求进行运算和存储能力同时扩展。集中式架构可按照需求定向的扩展所需资源，如增加计算服务器节点、内存节点、独立存储或磁盘阵列节点。

性价比、高性能是数据中心又一主要指标，集中式架构中的存储单元的价格相当昂贵，专用SAN和NAS存储网络性能好、价格贵，超融合架构利用较为廉价的分布式存储技术替代传统集中式架构中昂贵的存储的独立存储，极大程度地降低了存储设备的采购成本，降低了数据中心的初建费用和技术门槛。

数据中心承载各种业务服务，其高可用性就显得尤为重要，集中式架构和超融合架构都很重视数据的高可用性，迁移、容错等功能都很成熟，集中式架构数据中心起步早，方案、技术、市场更为成熟，超融合架构是这几年出现的新架构，应用在逐渐变多。

集中式架构数据存储不占服务器的计算资源，有独立的存储管理机头，超融合架构中存储本身要占用服务器的计算资源来管理存取数据，减少极端情况下CPU资源的占用率是产品实现中需要解决的问题。相比于集中式架构，分布式存储系统需要避免单一的故障点及多节点多角色的一致性问题等。

总之，集中式架构和超融合架构各有利弊，建设和提升数据中心可根据具体需求来选择更适合的架构。集中式架构在存储和计算差距（小计算大存储或大计算小存储容量的状况）较大的场合更为适用，超融合架构适合于存储和计算同步增加的场合。超融合架构其高I/O、易扩展、低成本、易管理等明显特性决定其在一段时间内将成为数据中心发展的主要方向。

参考文献：

［1］360 百科.https：//baike.so.com/doc/5640747-5853378.

［2］许玉焕.基于VMware的高校云计算数据中心设计与实现［J］.网络安全技术与应用，2016，（8）.

［3］丁有伟.云环境下能量高效的任务调度方法研究与应用［D］.南京航空航天大学，2016.

［4］阮顺领.基于虚拟架构的模块化数据中心节能管理研究［D］.西安建筑科技大学，2015.

［5］徐达宇.云计算环境下资源需求预测与优化配置方法研究［D］.合肥工业大学，2014.

［6］包宇等.超融合云数据中心架构解析［J］.邮电设计技术，2017，（06）.

［7］张光华.超融合系统架构在数据中心的应用研究［J］.通讯世界，2017，（09）.

［8］尹劲梅.基于超融合架构的机房建设浅析［J］.电脑知识与技术，2016，（30）.