超融合架构在数据中心应用探究

本文基于对数据中心的发展历程以及软件定义数据中心阶段的探讨，进一步分析了超融合架构的自身优势与应用场景。

超融合架构（Hyper-Converged  Infrastructure）是指：在同一套x86 服务器中结合了计算、存储、网络等资源和服务器虚拟化技术，还具有缓存加速、重复数据删除、在线数据压缩、备份软件、快照技术等功能，并且将多套设备采用统一的管理软件通过网络进行聚合，从而形成统一管理的资源池，模块化的无缝横向扩展得以实现。超融合架构就是基于通用的服务器硬件，借助虚拟化和分布式技术，融合计算、存储、虚拟化为一体。

超融合的英文“Hyper-Converged”中的“Hyper”，意思就是虚拟化，因此超融合架构天然具备虚拟化的基因。存储技术的改变是超融合架构中最根本的变化，原先的集中共享式存储转变成了软件定义存储，特别是分布式存储。超融合架构的核心是分布式存储，分布式存储离不开软件定义存储，软件定义存储作为一种数据存储方式，是利用相对于物理存储硬件的外部软件进行所有存储相关的控制工作，这个软件是操作系统或虚拟层的一部分。

数据中心发展经历

1.数据中心的传统架构阶段

传统数据中心所采用的基础架构，是以大型服务器、小型服务器、x86服务器、集中式存储、网络、大型数据库、高可用软件和管理软件的复杂系统架构，需要很多集成商和不同硬件厂商提供技术服务团队。这种架构适合了数据大集中的发展趋势。随着企业应用的不断增加以及互联网应用发展带来的爆发性增长的数据，数据中心架构孤岛式的弊端也日益显露。

首先，应用的可靠性，严重依赖于硬件提供的可靠性、可用性和可维护性特性，硬件采购成本极为高昂。其次，烟囱式建设，离散式管理；设备种类繁多，运维难度大，运维的成本也随之增长。最后，由于系统结构复杂导致部署周期长，系统上线进度严重影响；资源调度灵活性不足，系统资源得不到充分利用。

超融合架构在数据中心应用探究

2.数据中心的虚拟化阶段

随着服务器虚拟化技术的出现，数据中心开始逐步向虚拟化数据中心转变，数据中心进入了虚拟化数据中心阶段。虚拟化技术就是在一个物理服务器上运行多个可移动的虚拟机，这些虚拟机共享底层硬件，拥有自己的虚拟资源如操作系统，计算、内存和存储等。虚拟机可以提高服务器的利用率，并且虚拟机支持操作系统的和数据的备份、实施更加灵活。数据中心应用服务器虚拟化技术的好处主要有以下几点。

一是由于利用虚拟化技术，可以减少对硬件数量需求的，从而使硬件采购成本大大降低。虚拟机技术使数据中心的硬件设备大幅度减少，从而使数据中心能耗降低，更加易于维护、随着时间的推移，虚拟化带来的成本降低是非常明显的。

二是应用部署的灵活性得到了极大的改善。随着虚拟化技术的发展，重新部署应用可以通过虚拟机的快照技术在几分钟之内就能够完成。同时，应用的备份和迁移同样也变得简单、方便。虚拟化技术提高了服务器的资源利用率，利用虚拟机在线迁移技术数据中心对服务器可靠性、可用性和可维护性的依赖大大降低。

数据中心的服务器资源利用率和高可用性的问题通过虚拟化技术得到解决，随着虚拟机数量的快速增长，对存储I/O的需求也随之大幅提升，在这种情况下传统FCSAN存储网络方式又引发了新的问题：第一是可靠性问题。由于集中存储非常依赖于存储设备的可靠性、可用性和可维护性，所以当存储设备发生故障时将会危及整个虚拟机资源池。第二是扩展性问题。存储设备之间的数据迁移非常困难，无法解决存储设备的性能孤岛和数据孤岛问题。第三是性能问题。虚拟机的I/O性能完全取决于后端存储的能力，而单一存储的I/O性能现在已经出现了明显的瓶颈。第四是运维问题。各个厂家的存储设备是互不兼容的，IP网络与FCSAN也是完全孤立的，加大了运维的工作量。第五是成本问题。对专用设备的依赖显著地增加了基础设施的成本。

软件定义数据中心阶段

超融合架构替代传统架构的变革，带来了数据中心开始向软件定义数据中心发展。传统服务器虚拟化技术的资源的虚拟化和管理是通过专用的硬件设备得以实现，并没有彻底实现硬件资源与虚拟化管理软件之间的分离。这使得这类技术并不适用于大规模的虚拟数据中心环境。而软件定义的技术实现了存储、计算、网络与专用硬件的分离，从而实现了IT基础架构的真正融合。

软件定义数据中心让数据中心的存储设备、服务器和网络等重要基础设施减少了对基础物理硬件的依赖，变得更为灵活，更自动化。由于传统的DAS、NAS和SAN具有技术要求高、成本高、灵活性差等缺陷，所以软件定义技术取代专用硬件逐步成为数据中心基础架构的发展趋势。此外，超融合架构优点还包括以下几个方面。

一是功能丰富。超融合架构不单纯是一个分布式存储系统，还可以通过缓存加速、备份、快照、重复数据删除、数据压缩等强大的功能，来保证数据对存储的高效利用，保证系统的稳定运行，并能降低能源消耗。

二是建设费用低。超融合架构通过软件定义使用X86服务器自身的硬盘，从而使存储的硬件成本极大降低。

三是部署便捷。相对于传统存储解放方案的复杂性，超融合平台部署相对简单。对于LUN、RAID、FC交换机、分区、掩码、注册表状态变更通知或复杂的存储多路径等问题不必面对。

四是横向扩展能力灵活。超融合架构在需要性能扩展时可以通过增加不同功能节点的方式进行，按照需求扩展所需要资源，分别独自扩展如CPU运算节点，内存节点，GPU节点，存储容量节点，提升所需要的性能。系统建设时期的设计和预算压力得到了极大的减轻。

五是提高了I/O性能。超融合架构技术采用了分布式存储技术，配置的SSD硬盘来提高性能，利用本机的机械硬盘来扩充容量，极大提高了存储的I/O性能。

超融合架构的具体应用场景

1.提升数据中心的存储性能

超融合架构存储系统采用的软件定义技术，传统集中存储的性能问题得到了很好的解决。传统架构的存储设备已无法满足对存储性能和灵活性的需求，超融合架构存储是分布式的，可以彻底摆脱传统IT架构对存储系统的性能约束。超融合存储通过完全去掉传统存储，利用分布式文件系统来提供按线性增长的性能和容量，并且可以通过SSDCache进行加速，甚至可以全部使用SSD来构建整个分布式存储系统。

2.业务快速部署，降低成本

超融合基础架构首先给用户带来的价值是加快业务部署。传统的项目要经过一个非常长的项目设计、规划，然后到整个采购，之后要去进行集成、部署、测试等相关工作。而超融合架构一般都预集成封装虚拟化平台、云平台管理软件、SDN网络和分布式存储，集成整个存储、计算和网络以及应用软件让整个IT架构的搭建简化了很多。超融合架构大部分都是基于X86硬件设备，可以显著降低IT采购成本，运维成本也会降低。

3.大数据分析平台

超融合架构具备横向扩展的特性，针对海量数据存储应用，可以实现大规模通用集群存储。超融合架构存储系统通过网络技术将大量基本X86存储单元整合起来协同工作，对外提供统一数据存储服务，替代传统集中式的存储设备。

4.支撑虚拟桌面、私有云等虚拟化计算应用

超融合架构可以将计算、存储和网络资源整合到一起，提供软硬一体的解决方案。在虚拟桌面（VDI）应用方面，由于各种应用部署在单一的共享资源池里，可以不需要担心存储系统I/O影响虚拟机性能。此外，超融合架构的大容量分布式存储环境为系统灵活掌控随机和顺序负载提供可能。而且采用SSD加速的分布式存储集群可以保障足够的IOPS应对VDI启动和登入风暴等严峻的负载挑战。在虚拟化应用方面，包括存储、备份、复制、负载均衡在内所有策略的制定，都会围绕支持虚拟机进行。例如数据保护策略，超融合架构就将其集成在虚拟机层。管理员只需在虚拟机层操作，就可以在不同数据中心之间或不同应用间（备份、复制等）进行负载迁移。