高职院校新建数据中心超融合技术的应用∗

丁峰 王宁

（江苏建康职业学院 南京 210081）

高职院校新建数据中心超融合技术的应用∗

丁峰 王宁

（江苏建康职业学院 南京 210081）

近年来高校数据中心建设基本以FC-SAN传统技术架构进行构建，而目前以计算与存储相融合的超融合技术正向传统的以计算、网络、存储三者分离的架构发起强有力的挑战。针对传统数据中心架构面临的弊端，提出了新建数据中心超融合技术的应用趋势。并从产品和性能角度分析了几种主流超融合技术架构的特点。最后，对超融合技术架构在高职院校新建数据中心的应用进行了展望。

数据中心；超融合技术；分布式存储；Nutanix；VMware VSAN；FusionCube

1 引言

云计算与大数据、移动互联、物联网技术在高校信息化进程中不断得到实践，同时推动高校网络走向全联接，管理走向新业态。数据中心的建设作为IaaS层（IaaS：Infrastructure as a Service，IaaS提供基础设施层面的服务，包括服务器、操作系统、磁盘存储、数据库等）建设中最重要的关键部分，技术架构的选择必将显得非常重要，也成了决定Paas层及SaaS层服务能够获得成功的关键。

2 传统数据中心技术架构面临的弊端

目前的IaaS层多是以由服务器通过光纤通道（Fibre Channel）连接统一资源存储——磁盘阵列（RAID）组成的FC-SAN传统技术架构建立的数据中心，虽然相对IP-SAN来说FC-SAN的通信是通过SCSI命令，通过具有高传输速率的光通道的直接连接，提供内部任意节点之间的多路可选择的数据交换，并且将数据存储管理集中在相对独立的存储区域内。最终将实现在多种操作系统下最大限度的数据共享和数据优化管理，以及系统的无缝扩充。但是随着技术的发展也存在着几个主要的弊端。

2.1 部署的缺点

在FC-SAN中，有一些专用的硬件和软件。硬件包括FC卡、FC HUB、FC交换机、存储系统等，而数据中心的组成中还包含了防火墙、负载均衡、应用服务器、数据库服务器等各种设备及相应配套的软件等，各式各样的硬件堆叠，软件管理，经由多个厂商、多个批次、多种渠道的采购并提供服务，对部署和管理人员的要求极高，同时缺乏对资源统一的规划和调配。

2.2 扩容的缺点

由于传统技术架构中集群计算节点数依赖于集群软件，存储容量受限于存储机柜，都有I/O瓶颈，需要扩容时需要在多个维度（计算、交换、存储）同时增加节点，需要借助集群或者虚拟化技术实现资源的复用。随着节点的增加，存储控制机节点数也在增加，单节点I/O性能受限于控制机，无法实现线性的提升，扩容比较复杂。

2.3 数据可靠性的缺点

传统数据中心基础架构基本基于RAID保护机制或第三方备份机制，RAID实现，只容忍一块磁盘故障，如果为了保证数据安全，实现业务的连续性，需要进行双活或Rac配置。同时第三方备份机制构建成本高，且数据的重建时间较长。

2.4 运维的缺点

传统技术方式每个设备、不同厂家相对独立，拥有各自独立的管理界面，业务上线需要在不同节点上做连线和调配，技术要求高。

2.5 其他方面的缺点

通过表1对比了超融合架构与传统架构的主要优劣，可见超融合构架相对于传统构架具有较大优势。

表1 融合架构与传统架构特点对比图

3 超融合技术架构的应用趋势

由于传统技术架构越来越突出弊端，为了提高新建数据中心的性价比，灵活配置数据中心的各类设备，随着技术的发展和厂家各类管理协议的开放，计算、网络、存储、安全等资源的统一调配和管理成为共同的愿望，至此出现在恰当时机的超融合技术也由此迅速发展和推广，各信息管理人员的超融合意识也越来越强烈，接受度也越来越高。

超融合技术开始主要应用于企业VDI场景中部署，解决方案也多集中在中小企业等预算紧张的信息部门，而随着时间的推移和技术的进步目前在制造、金融等大型企业的Oralce数据库环境中也开始扮演重要角色，成为基础架构平台之一。而各厂家也通过一系列的推广活动，都在抢占超融合发展的先机，发掘更多适合超融合的应用场景，树立更多成功的用户样板。种种迹象表明，超融合已经成为引领IT市场变革的一股新势力。随着“互联网+”战略的落地，以及全新的业务模式不断涌现，传统IT基础架构已经不能满足用户的需求。数据中心需要一个能够快速部署、轻运维、高稳定、易扩展、低成本的基础架构，既能解决目前面临的IT挑战，又可以获得更多的价值。这也是超融合架构快速兴起的原因。

4 超融合技术架构

超融合技术架构（Hyper-Converged Infrastructure，HCI）是指在同一套单元设备中不仅仅具备计算、网络、存储和服务器虚拟化等资源和技术，而且还包括备份软件、快照技术、重复数据删除、在线数据压缩等元素，而多套单元设备也可以通过网络聚合起来，实现模块化的无缝横向扩展（scale-out），形成统一的资源池。超融合技术的实现目前存在两种配置方式：

1）一种以Nutanix、Huawei、H3C等传统厂家为代表：将计算、网络和存储都集成在一个设备内，通常由供应商预先配置好，差不多到手就可以使用。

2）另一种是实现“软件定义数据中心”（SDDC）为目的的技术途径。目前主要以KVM等开源软件及Vmware等商业软件为核心，软件定义计算、网络、存储、安全。

5 超融合架构各家特点的分析对比

近年来，超融合架构系统市场发展迅猛，对传统计算分离架构系统市场冲击很大，特别是传统外置存储设备市场，以至于传统存储大厂也纷纷进入超融合架构和软件定义存储市场。在此将就目前几家主流国内外厂家的超融合产品进行详细分析介绍。

5.1 Nutanix

Nutanix可以在2U的空间安装2～4个Nutanix节点（每个节点相当于1台X86服务器），所以设备装机密度可以很高。每个节点都安装着虚拟化软件，并且在虚拟化层之上再运行着一台Nutanix的控制虚机（CVM），该虚机主要负责不同的Nutanix节点之间控制平面的通信。单个节点中配置有SSD硬盘与HDD硬盘，替代磁盘阵列作为存储使用，单个节点有独立的CPU与内存，作为计算节点使用。详见下图1。

图1 Nutanix架构图

Nutanix解决方案的优缺点如下。Nutanix方案优点：

1）本地落盘策略，确保虚机访问存储速度：虚机写入的数据都在本物理节点的磁盘上，避免跨节点存储访问，确保访问速度，减轻网络压力。

2）采用SSD磁盘作为数据缓存，大幅提升I/O性能。

3）永远优先写入SSD，确保高I/O性能。数据写入HDD不参与，即使本地SSD容量满了会将冷数据迁移到集群其他节点SSD，然后还是SSD进行读写，确保高I/O。后续异步将SSD冷数据迁移到HDD。

4）数据冷热分层存储。冷数据存放在HDD，热数据保留在SSD，确保热点数据高I/O读取。

5）设备密度高，节省机房机架空间。2U可以配置4个节点，包含了存储与计算，比以往机架式/刀片服务器与磁盘阵列的解决方案节省了大量的空间。

Nutanix方案缺点：

1）本地落盘及SSD缓存方案确保了高I/O，但是硬盘的带宽得不到保证。传统磁盘阵列，多块SATA/SAS硬盘加入Raid组，数据写入的时候，将文件拆分为多个block，分布到各个硬盘中，同个Raid组的硬盘同时参与该文件的block的读写。通过多块硬盘的并行读写，从而提升I/O与带宽性能。

而Nutanix的解决方案中，单个文件的读写遵循本地落盘的策略，因此不再对文件拆分到多块硬盘进行并行读写，而只有本地节点的SSD硬盘会对该文件进行写入。

因此Nutanix的解决方案适合用于高IO需求的业务类型，但是因为它的读写原理，则决定了它不合适低I/O、高带宽的业务类型。

2）由上图1可见VM的I/O需要经过控制虚拟机，再经过Hypervisor到存储，路径长，性能将会有一定的衰减。

3）由于Nutanix专注在存储虚拟化的技术领域只提供一体机的方案，价格昂贵，不支持服务器利旧，计算虚化客户需要从第三方单独购买，基本为Vmware，松耦合带来CVM消耗资源较高，NutanixCVM至少要24GB内存，8个vCPU。而且Nutanix计算和存储分离，出故障时容易扯皮，同时售后服务在本土没有研发团队。

5.2 VMware VSAN

VMware VSAN，简称VSAN。我们可以把VSAN看成是一种vSphere Storage，是vSphere虚拟机后端的企业级高性能存储。VSAN其实就是基于服务器端存储的共享分布式对象存储系统，可以用来取代vSphere后端的外置磁盘阵列。VMware在发布了vSAN之后，又发布了基于vSAN的VxRail一体机解决方案。详见下图2

图2 Vmware vSAN架构图

VMware VxRaill解决方案的优缺点如下。

VMware VxRail方案优点

1）分布式集群，把VM数据文件打散放在多个主机上，每个服务器的本地存储网络池化；

2）使用SSD作为读写缓存加速层。混合型的存储策略，由SSD提供性能，普通SAS硬盘提供容量，适用的应用市场范围更加广阔；

3）Vsan中没有lun也不需要做raid5或者raid0+1，使用vmdk为单位的对象存储，所有虚拟化性能、容量、调优设置和存储策略改变都是在vmdk范围中完成；

4）Vsan嵌入vsphere内核中，I/O数据路径短且性能高，管理员可以通过简单的点击操作与许可秘钥配置启用vsan功能，可以在vcenter界面管理vsan；

5）利用本地服务器的磁盘空间，降低共享存储的采购成本和维护成本。

VMware VxRail方案缺点

1）VMware没有涉足硬件产品。VxRail是VM-ware将vSphere、vSAN与硬件打包方案仅支持VM-ware平台，是VMware专用存储，封闭系统；

2）VxRail建议最少4台，3个节点情况下，如果坏一节点，VSAN无法完成Rebuild。因此最小配置是24节点，但最大支持64节点；

3）EVxRail扩展时，要求每个节点配置完全相同；

4）VxRail必须使用VMware 的Enterprise Plus软件许可（License费用高昂）。

因此VSAN与Nutanix最大的一个区别，就是是否完全遵循本地落盘的策略。VSAN可以通过设置条带系数，将本地虚机的数据读写设置为横跨多个节点的硬盘，默认条带系数为1，最大可设置为12个，即一个虚机的数据写入，可以同时采用12个节点的SSD硬盘并行读写。

通过这种方式，VSAN可以一定程度的弥补了Nutanix方案不适用于带宽要求高，I/O要求低的业务类型的缺点。但是这种横跨物理节点的访问流量，在虚机数量众多的情况下，肯定会给网络带来压力，网络带宽可能会成为另一个瓶颈。

其次VSAN可以集成在Hypervisor层，而不需要像Nutanix在Hypervisor上面运行一个控制虚机CVM。

再次，Nutanix支持KVM、Hyper-V、ESXI等多种Hypervisor，而VSAN仅支持Vmware的产品。5.3 Huawei

图3 FusionCube超融合基础设施

Huawei的FusionCube是集合计算、分布式存储、虚拟化和云管理为一体的融合基础设施。FusionCube根据工作负载的不同，可灵活配置计算/存储刀片槽位。作为华为FusionCube组件中分布式存储的FusionStorage将所有的本地存储虚拟化为集群式存储资源池，其多节点、分布式的架构优势突破了传统RAID控制器造成的性能和宽带瓶颈，提供更为优质的可靠性和可扩展性。数据被切片分布于各个内置磁盘中，提高了存储利用率和性能，同时，容量的线性按需扩展，提升了扩展的便捷性，每TB数据重建耗时小于30min，最快可实现秒级虚拟机发放及数据恢复，省去了重新设计存储架构的麻烦。

FusionCube方案优点

1）与UCS仅实现了计算与网络的融合与统一管理，存储仍需外挂昂贵的SAN存储不同；Fusioncube是可以同时涵盖计算、存储、网络资源的融合一体化基础设施。

2）具有统一的管理界面，能够在统一界面拉通管理存储资源的管理，自动发现存储资源

3）FusionStorage分布式存储通过PCIE直达SSD存储，通过share-nothing分布式系统，没有了集中机头的瓶颈，同时可以水平扩展容量。

FusionCube方案缺点

1）Huawei从FusionCube拆分出来的Fusion-Storage，通过Hypervisor集成或作为其堆栈的一部分而变成的“超融合”，但从规格、指标来看，与“原生”的超融合架构仍然存在差距（仍然基于存储架构IPSAN架构，不适合I/O密集型业务）。

2）Huawei的FusionStorage则除了支持VMware和KVM外，自己也有基于Xen开发的FusionSphere虚拟化平台，因此产品线较多，造成自身产品的重叠和冲突。

3）专业专注其硬件销售，主要以华三为竞争对手，关注于大型方案，对中小企业客户关注不多，整体方案以整柜方式提供及销售，提高了入门的门槛。

6 结语

综上可见，高职院校数据中心的建设与利用是一个系统工程，不能一蹴而就，应当统一规划，分步推进；选择适合自己的技术与产品。数据中心的建设与利用过程也是高校信息化能力提升的过程。虽然传统架构和超融合都是可行的技术路线，但是用性价比、后期扩容、日常使用维护以及用户体验作为判断准则；用户使用过程中的任何便利，都是数据中心架构的有效提供者，也是息息相关的。这就极大地增加信息化部门的任务和责任，在确定数据中心是往传统方向还是超融合方向发展时，信息化部门需要进行评估，因为这将是两条不同的道路，将是不可逆转的建设结果。

虽然Nutanix，Vmware VSAN等公司推出的产品最有竞争力，占据的市场份额也最大。但是随着SDDC意识的逐步确立，不仅国内的主流厂商，比如：华为、浪潮、曙光等公司，同时专注网络安全和软件开发的创新公司比如：深信服、领航盛辉等公司也开始发力，进行大规模分布式存储系统的研发和超融合技术的推广部署。

目前，各级院校数据中心的IT基础设施还是以传统FC-SAN统一存储架构为主建设，多数数据中心存储基础设备全部都是以传统外置存储系统SAN和小型机为主的计算、存储分离架构。随着数据中心规模的壮大和业务的增多，以及X86服务器虚拟化技术和应用的普及，数据量快速增长，基础硬件设施逐步采用X86服务器替代小型机的转型。因此，如何为未来基于X86服务器和虚拟化计算平台的关键应用提供与之匹配的高可扩展性、高性能、高可靠性、和可维护性的存储平台、同时又能满足核心业务按需、灵活的交付特性，是包括教育在内的各行业在向云计算、虚拟化和大数据等信息化建设转型和发展面临的重大挑战。

而高职院校的信息系统具有并发集中且数据量大，应用场景多而杂，经费有限，管理人员有限等客观条件的限制，因此超融合基础架构在高职教育院校具有广阔的发展前景。无论是从HCI的诞生过程，还是当前各大骨干厂商的研发看，超融合架构是业界高度认同的方向。因为超融合较好地解决了传统虚拟化基础架构的存储所面临的问题：维修费和升级费高昂，I/O扩展难；故障维修难度大，耗时长，影响广（中心节点故障可能引发大面积服务瘫痪）；容灾备灾难度大，费用高，且在灾难发生时，无法立刻启用，其备份的数据根据性能和策略会有不同程度的滞后；无法对服务器本地硬盘资源进行最大化利用。

以存储为例，可以粗略估算超融合架构的技术经济价值，假设基础存储规模为100T，年扩展为50%，每T共享型存储购买费用为1万，每年维保费用为购买价格的20%，单块1T硬盘价格0.3万，因故障原因更换硬盘比例为10%。由所述不难看出，超融合架构会随着时间推移存储规模的不断扩大，体现出较大的社会和经济效益。

因此，江苏建康职业学院目前正结合自身业务场景，积极开展超融合架构产品和技术在高职院校应用的探讨和研究，计划摸索出一套适用于教育行业数据中心超融合平台建设规范和标准，为不同业务层级提供不同的超融合架构解决方案提供建议和参考依据，并且适用于云数据中心虚拟化、大数据业务应用的运行、管理、扩容等多种多样的需求。并在未来将项目的研究成果在行业内以行业标准和规范进行广泛共享和推广，从而为学院创造更大的经济效益。

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Application of New Data Center Superfusion Technology in Higher Vocational Colleges

DING FengWANG Ning
（Jiangsu Jiankang Vocntional College，Nanjing 210081）

In recent years，the construction of the data center basic to the traditional FC-SAN technology architecture has been constructed，and the current framework for computing，network storage，the three separated by computing and storing the integration of super fusion technology is the traditional strong challenge.In view of the disadvantages of traditional data center architecture，the application trend of the new data center super fusion technology is proposed.And the characteristics of several mainstream superfusion technology architecture from the point of view of product and performance are analyed.Finally，the application of the new data center of the superfusion technology architecture in higher vocational colleges is prospected.

data center，superfusion technoloty，distributed storage，Nutanix，VMware VSAN，FusionCube

TP308

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.11.017

Class Number TP308

2017年5月3日，

2017年6月7日

江苏省卫生计生委科研课题《基于移动终端的临床数据中心和消息中心的应用研究》（编号：X201507）资助。

丁峰，男，工程师，研究方向：计算机网络。王宁，男，副教授，研究方向：卫生管理、医院管理。