超融合技术在图书馆基础网络架构中的应用

王继东

（天津市滨海新区图书馆，天津 300457）

1 现状概述

现代图书馆的发展已经颠覆了传统意义上图书馆在大众心目中的形象，为读者提供信息化服务已经成为整个图书馆行业的核心业务。公共图书馆信息化建设，对于书香社会的构建、文化城市的建设，以及各阶层、各行业读者专业技术及综合文化素质的提升都具有重要的意义，是社会经济高速发展的必然要求。

然而，经济全球化、市场化以及大数据时代的到来，对公共图书馆建设提出了更高的要求：公共图书馆要从单一的文化教育功能向教育咨询、知识管理、科学研究等多方面服务功能并行发展；从被动保障服务，以受众意愿为导向向主动知识推送服务转变；从传统的比较单调的纸质资源向数字化多媒体资源方向发展。这给传统图书馆的发展带来了极大的机遇与挑战。不可否认的是，图书馆信息化建设可以提升其在经济社会中的价值，拓展其潜在的功能，逐渐让其从幕后走向台前、边缘走向中心、辅助变为主角。

公共图书馆网络数据中心机房作为图书馆信息化、数字化建设的核心部门，发挥着至关重要的作用，网络架构是否科学，是否与图书馆发展趋势相匹配是决定一所公共图书馆能否持续发展和长期满足读者需求的首要参考指标。所以，做好图书馆网络架构设计非常重要。

2 传统图书馆信息网络架构的弊端

随着服务类型的不断丰富，服务项目的不断增加，公共图书馆的网络机房越来越大，基础架构变得过于复杂和脆弱。据统计，目前公共图书馆70%以上的IT 投资主要用于运维方面，而支撑战略性及创新型项目的预算变得极为有限。随着业务运行速度的加快，IT 对业务的响应要求越来越高，基于传统硬件堆叠技术的图书馆信息化硬件平台在处理能力和响应策略上均难以支撑图书馆的智能化发展。

2.1 基础架构无序增长

2.1.1 硬件设备数量剧增

在传统网络设施建设上，每一项业务均由单独的硬件设备支持，造成业务服务器的数量每年呈数量级增长，而X86 服务器个体使用独立分散造成系统资源使用不是特别的均衡，而且服务器配置不合理，使得资源无法实现有效共享，最终造成硬件设备使用率低下，机房体积膨胀严重。

2.1.2 网线交错，难于管理

硬件设备的增多，必然导致网线、电源线数量的增加，严重超过机房原始设计中线路数量规划负荷，跳线纵横、排列无序、强弱电交错成为机房管理难题；大量硬件堆积导致标签贴错、飞线的情况越来越多，维护难度越来越大。

2.1.3 架构固化，系统封闭

在当前的公共图书馆工作实践中，很多业务并不是长期性开展的，而是阶段性地存在，这就要求公共图书馆网络平台必须支持即插即拔的功能，而传统的公共图书馆数据中心的基础架构和运行系统相对封闭，扩展性较差，无法及时针对业务变化进行快速调整和部署，一旦开发新的业务就必须重新增添设备，甚至改变机房原有物理结构，势必会导致机房混乱不堪。

2.1.4 处理能力难以满足业务需求

图书馆的功能日益增多，同时也吸引越来越多的读者访问公共图书馆的网络数字平台，对外业务随着用户使用量的增加，正在逐年拓展，在业务高峰期系统表现出严重的性能瓶颈，存在业务办理响应时间变长，网络系统的可用性、可靠性差等一系列问题。

2.1.5 存储量扩展性差

传统架构的网络存储一般依靠磁盘阵列，纯硬件的存储空间只能满足网络系统运行后很短时间内的业务需求，由于存储阵列的容量及性能扩展性差，无法满足图书馆业务数据快速增长的趋势。

2.2 运维管理异常复杂

2.2.1 运管难，费人力

整个网络系统架构条块化严重，运维团队庞大，且责任割裂；系统运维、网络、存储等各自为政；整个网络架构缺少统一有效的监控平台，无法实现全面的、一体化的运维监控管理。每一项网络功能都是一个封闭的子系统，每一个子系统又因为专业不同，对运维人员的知识储备量和专业技术水平的要求相当高，运维人员需要熟悉多种软、硬件的操作，在学习的周期上投入越来越大。

2.2.2 严重依赖外援

由于大多数图书馆运维管理专业化程度不高，缺少专业化运维管理人员，维护复杂业务系统比较困难，运行维护工作严重依赖集成商或服务商，这就相当于将图书馆网络运行的安全性放在别人的手里，严重制约了图书馆数字化业务的开展。加之图书馆数字化、智能化服务的专业性，单独依靠外包维护服务很难达到图书馆对网络系统的要求。

2.2.3 维护责任不明

为了满足业务的需要，添加网络硬件设备成为较普遍的应对方案，从而造成网络系统硬件设备年年有新成员，且品牌不一的情况，系统一旦出现问题牵扯到多个厂家多个产品，一旦遇到很难精确定位的故障，就会造成难以确定维护责任的问题，从而浪费了大量的经费与时间，严重影响业务开展的连续性。

2.2.4 数据恢复难度大

大部分应用都是单机模式，如果某台服务器出现故障，相对应的业务就将中断，而数据中心产品过多，很难精确定位故障点。数据一旦丢失，在没有提前备份的情况下很难恢复，造成的影响和损失将难以估量。

2.3 机房投入越来越高

2.3.1 对机房环境要求持续增高

随着设备数量的增加，设备整体体积及散热量不断加大，整个网络系统对机房的空间、空调制冷、UPS等都提出更高的标准。机房作为信息化中心，无法轻易改变地点，而机房的空间和环境都是固定的，所以进行机房基建改造十分困难，久而久之便使机房环境陷入恶性循环。

2.3.2 质保投入大

每一种品牌的硬件设备在生产技术及使用方法上均具有其独特性，这样导致的结果就是对硬件设备的维护工作最好由其厂家负责，以致当硬件设备过保后不得不购买高价的原厂质保，而且时间越久费用越高。

3 解决方案对比与选择

除传统图书馆信息网络架构外，现在应用比较普遍的网络系统解决方案还有云计算方案和超融合方案。云计算模式看起来很适合应用于公共图书馆，但高昂的租用费用和数据存储非本地化的事实，让大多数图书馆望而却步。

而采取超融合方案有助于资源整合与共享，能够支持IT 与集中管理的单一优化平台的建成，使其利用率和可扩展性大幅度提高，系统搭建与运行成本大幅度降低，可以帮助图书馆在数字化工作和资源共享上获得更好的发展。从技术上讲，可以说超融合方案是图书馆自己的云系统，但在使用体验上与云计算无异，而其又是图书馆自己内部建立的网络系统，是独立于云系统的，在保护读者信息和图书馆数据主权上有着云方案无法比拟的优点。

虽然超融合技术存在存储副本量多、配置灵活性下降等缺点，但对于公共图书馆这一特定场景来说，这并不会对图书馆的信息化服务造成消极影响。图书馆对网络构架的要求更偏向于存储空间可持续扩充性、数据存储的安全性以及数据迁移的易行性等方面。公共图书馆对读者开展的绝大部分业务并不需要网络中心具有很强的计算能力，反而数据的安全性成为管理者的首要关注指标。尤其在针对已有机房改造上，超融合技术可以最大限度地利用旧设备，以高度安全的数据迁移模式进行资源整合。而提高数据中心的计算能力和存储水平只需要较低的费用投入和简单的软件配置即可。相比之下，选择超融合方案进行网络架构的搭建无疑是推进公共图书馆信息化建设的最佳方案。

4 超融合方案的应用解析

4.1 方案设计原则

搭建网络架构需要遵循统一的行业框架体系，符合国内外各种标准及规范，并且严格按照各项技术规格指标进行标准化的设计与施工，且能够满足多种业务需求。

技术和产品应该成熟稳定，确保能够适应各方面的需求，并满足未来业务增长的需要，从实践上看，超融合技术已经应用于各个高新领域，拥有丰富的成功案例和成熟的运营技术，具备支持图书馆业务工作的技术能力。

最大限度地避免投资浪费，不仅要求图书馆信息化系统能够满足目前业务开展的需求，还必须具备升级潜力，而超融合虚拟技术在纵向扩增以及平滑横向扩展上，具有其他技术不可比拟的优势，尤其是模块化的存储技术和支持热插拔的自动切换技术，均支持IT 基础架构在尽可能长的时间内与业务发展相适应。

4.2 超融合技术原理

如图1所示，存储虚拟化是基于集群设计的一个分布式存储系统，基本原理是将不同服务器上的物理硬盘存储空间经过映射、组合，形成一个虚拟的、共享的存储资源空间，可以对数据进行高可靠、高性能的存储。分布式存储系统的功能与独立共享存储的基本功能是一样的，即一份数据被存储在多个独立物理服务器的硬盘上，相互同步备份，提升了数据的可靠性；此外，为了提升硬盘的读、写性能，数据经过SSD 缓存，最终实现数据的高性能存储。同时，由于分布式存储系统的高集成性，存储设备与计算设备被完全集成在同一个硬件平台上，完全可以不依赖两者之间的网络连接器（FC SAN或者iSCSI SAN），直接进行数据的传输与沟通，大大降低了购买设备的成本。

图1 存储虚拟化原理

4.2.1 采用服务器虚拟化技术

超融合架构计算资源池由服务器虚拟化软件aSV 提供，其采用X86 虚拟化技术，将服务器的物理资源抽象成一组逻辑资源，并对其CPU、Memory、硬盘等设备资源进行统一管理、调度及分配，可以运用这些逻辑资源，同时在单个服务器上创建不同的、相互独立的虚拟机执行环境，这样可以更有效地利用系统资源，提高系统资源的利用率，并且可以灵活、动态地分配资源给需求者，从而降低运营成本、提升业务效率。

4.2.2 采用网络虚拟化技术

网络虚拟化aNet，即通过改变传统硬件网络运营方式，解决了很多老式网络运营方式中存在的管理及运维的疑难杂症，并大大提升了数据中心管理员解决问题的敏捷性及经济性。

网络虚拟化aNet 与服务器虚拟化aSV 有机结合，就在物理网络和虚拟机之间打通了一条顺畅的逻辑网络设备、连接和服务渠道，支持虚拟路由器、分布式虚拟交换机、虚拟下一代防火墙、虚拟广域网优化等虚拟网络、安全设备的无障碍应用；甚至支持VXLAN 等增强网络协议，实现与物理网络的对接，从而简化了网络配置管理；此外，还可以通过虚拟化管理平台实现网络拓扑部署、网络管理及网络故障探测等功能。

在应用实践上，可以清楚地看到aNet 在短时间内部署在不同应用系统网络环境上，且具有自动调整网络配置、排查网络故障等功能，从而提升网络的首次准备、加急扩展速度和管理运维效率，从经济角度和技术复杂性方面降低数据中心网络的搭建成本。

4.3 采用超融合方案的优势

图书馆网络面临的最大挑战是如何提高服务器的利用率，因为这决定了图书馆需要多少计算机、网络和存储资源以满足今后三到五年的发展，以避免过度配置资源。而这恰恰是超融合技术在网络管理、可扩展性和支持方面最有价值的原因。利用超融合技术，能够简单地实现图书馆基础网络架构有序增长。

在超融合架构下，实现图书馆存储空间持续扩展的技术方法简单易行。aSAN 存储虚拟化方案存在立体化扩展空间，既支持增加服务器数量，又支持增加单台服务器的硬盘数量的扩展方式。扩展方法简单易行，只需将拟增添的服务器连入原有的集群，扩展后服务器集群既可实现容量上的增加，也能达到加强性能的目的，aSAN 是一个非常具有可行性的存储集群搭建方案。

图书馆采用aSAN 存储虚拟化方案进行数据中心的搭建，可以顺利避免因长期存储规划不准确或者遇到突然增加存储量而造成已有硬件设备全部报废的情况。在存储虚拟化方案里，存储设备就像一个集合里的元素，具有独立性和无限增添性，且存储能力和工作性能均具有可叠加性，图书馆只要考虑现在的存储需求就可以进行施工，只要机房里的空间和服务器工作环境允许，在后期的工作中，像搭积木一样增添设备就可以了，能够大大降低机房长期规划难度和设备报废率，从而降低经济成本。

由于虚拟化存储是通过软件部署进行存储集群的搭建，而软件部署具有便捷和可复制的特性，与传统FC 存储相比，具备了并平滑扩展性能，从而大大降低了必须迁移数据存储所带的高风险。

如图2 所示，利用超融合虚拟网络技术，有助于图书馆网络结构趋于扁平。网络虚拟化aNet的部署，将彻底改变大多图书馆里现行的纵向多层串式的网络结构，通过网络虚拟化软件的部署，实体地接入交换、路由器、防火墙等传统网络、负载均衡、安全硬件设备，均以虚拟化的方式运行在服务器里。整个网络结构会变得非常扁平，服务器全部接入到大二层的网络，物理连线变成运行在服务器里的程序编码。

图2 网络结构对比

通过网络虚拟化aNet 的部署，可以降低硬件交换机的配置要求，类似TRILL/SPB/VPLS 等协议不再成为制约交换机选择的条件，在降低网络接入层搭建成本的同时，更降低了协议配置难度。

以超融合技术构建图书馆网络架构，运维管理简单便捷。尤其在简化网络配置、架构平滑迁移、降低机房建设成本以及提高数据安全性等方面存在巨大的优势。

虚拟网络aNet的部署，与物理交换机相比较，虚拟机网络流量将会变得透明，物理交换机上的网络策略将被大大简化，具备简单的大二层转发功能即可。VLAN、QoS、ACL 等网络配置策略，在虚拟网络环境下均打包部署在aSwitch上。aSwitch会一直与每台虚拟机绑定，无论是虚拟机迁移，还是虚拟设备的删除，始终不会改变任何网络配置策略，网络策略实现自动跟随，网络配置参数会根据虚拟机的变化而自动调整，虚拟机迁移基本不需要网络运维人员的参与。

利用虚拟化管理平台VMP对超融合架构进行IT资源全面管理和调度，实现存储虚拟化、服务器虚拟化，对物理主机、网络虚拟化等设备和组件进行虚拟资源配置和调度、资源负载监控、网络设备策略配置、网络故障排查、存储资源管理等。充分发挥网络拓扑部署功能，只需要在界面上画出组网拓扑，业务系统将在数分钟内就绪，做到“所画即所得”。

为了保证整个网络的安全，可以对管理员的权限进行层级管理和划分，且管理员的操作权限可以根据其具体管理的业务层级进行“可上可下”的调级与定制，为多租户业务场景的管理工作做好准备。整个网络只需要一个管理界面，就可高效、简便地实现云计算中心IT资源的部署、运维。

高性能SSD 缓存技术的应用有效地降低了机房投入成本。由于传统的sata 盘、sas 盘的性能均低于7200 转，iops 无法支持众多应用系统的使用。而存储虚拟化aSAN 在硬件配置上通常采用SSD双缓存结构，读和写均由不同的SSD硬盘来进行，充分发挥SSD高效缓存的优势，能够让用户花费同样的费用却获得更优质的体验。另一方面，通过虚拟技术的算法优化功能，业务系统所调用的数据均可直接读取到本地磁盘上的副本，存储响应速度将会大幅提升，与整体存储的IOPS 性能相比，优势不言而喻。

利用多副本技术，加强系统的可靠性。如图3所示，虚拟化存储aSAN 与传统FC 存储存在根本上的区别，完全抛弃raid 方式，而是运用多副本技术将数据复制成多份副本，并将副本进行异地存储。在日常数据处理系统的搭建上，只需要以常规手段在服务器挂载存储硬盘，虚拟化存储平台自动在不同的物理服务器硬盘里创建2—3个一样的副本，并进行实时自动存储，确保数据的一致性。

图3 多副本存储

在排除故障的时效上，超融合技术与传统物理机相比存在着巨大的优势。在实践中，排除一个发生在传统的物理网络中的故障需要花费几个小时，而在虚拟化网络中，却以秒为维护时间单位，图书馆不用担心设备出现宕机的情况，可持续正常地进行业务数据处理工作。

从规避单点故障工作原理上看，超融合系统利用应用层协议栈技术把需要处理的数据转发到了应用层，有效地防止了因设备宕机而出现系统崩溃的情况，利用分布式的虚拟交换机和虚拟路由，实现故障路径秒级切换，从技术上规避了虚拟设备的单点故障风险。从链路设计上看，超融合虚拟架构与传统物理架构不同的是，其采用链路聚合和集群部署方式，能够完全避免物理环境中出现的单点故障。

5 结语

利用超融合技术有助于图书馆降低网络机房基础设施的部署和管理的复杂性，利用超融合架构的存储设备模块化特性和支持热插拔的优势，能够在较低的经济成本下实现业务工作长时间不停机的目的，适应图书馆数据存储空间需求大且增长快的业务特点，并且运用虚拟技术大幅度提升网络安全和存储安全，达到数据易管理、易恢复的目的。