软件定义超融合系统在信息化建设中的应用

丁峰 张红萍 花鸥

摘要：从互联网到数据中心再到移动设备，IT已成为推动现代经济快速发展的基础架构。一直以来都将基础设施看作是硬件，现在可能需要重新考虑这个问题了。作为院校，信息化管理人员少、后续资金投入少。由于信息化、智慧校园建设的需要，信息化在以信息中心为运营维护单位、多套业务系统及智慧校园不断推进深入的同时，来满足服务器计算资源的庞大消耗以及存储需求的不断激增。出于投资保护、原有设备利旧以及全校生产、测试环境的统一管理和调配等综合考虑，必须针对数据中心重新进行设计和布局。超融合的出现给数据中心建设带来了革命性的变化，使传统PaaS层硬件基础架构的方式发生了根本的变化：由原先的存储、服务器及交换等设备的堆叠到软件定义的存储、网络、计算服务的超融合节点。软件的崛起，逐渐成为现有数据中心真正的终结者。

关键词：超融合；软件定义；数据中心

中图分类号：TP393文献标志码：A文章编号：1008-1739（2019）06-62-5

0引言

传统IAAS层提出的所需资源能够实现动态化和自动化：要以一种便于使用的服务来提供，而不是以传统IT项目来提供。这种转变正在计算领域以一种势不可挡的势头顺利推进。通过服务器虚拟化替代服务器硬件被看做转型的第一步。这种方法提供了新的、更加强大和灵活的方式来利用和优化数据中心的资源[1]。

同时，数据中心存储亦面临多重挑战。首当其冲的是如何在满足不断激增的应用和存储需求的同时，满足客户的SLA。其次，存储厂家的兼容性和封闭性是故障排除的关键，通常需要资深管理人员的支持。再次，如何花费更少的时间，使用更少的成本来满足业务部门的SLA需要，在满足策略控制的前提下，简化和自动化管理流程，并确保服务在线和流畅，成为信息主管部门在存储领域的关注点[2]。

1软件定义超融合系统存储设计

信息化的迅猛发展，计算及存储资源呈几何级爆发式增长，大家都在被迫寻找能够以较少的成本获得更多计算和存储资源的方法。在降低人力成本支出的同时，对各种设备解耦合，以防被设备厂家捆绑。追求以极小的代价来管理更多的设备[3]。

软件定义数据中心超融合的存储旨在通过主机与底层硬件集成并对其进行抽象化处理的软件层，实现存储服务和服务级别协议的自动化。所有一切都需要通过软件进行资源的调度和再配置。既可以动态满足虚拟机存储要求，无需按照传统方式重新配置存储区域或卷，也可使虚拟机不去关注底层存储的挂载和配置，专注于存储的使用[4]。

2在信息化建设中的应用

2.1传统数据中心存储架构面临的问题

随着智慧校园等信息化应用建设的不断深入，所需的计算及存储资源不断被要求置留，一方面为承载信息化服务所需的基础软硬件种类与数量不断增加，复杂度也随硬件堆叠层数的增加呈几何级增加；另一方面，数据中心内软硬件的运行情况和学校各部门业务的捆绑越来越紧密，数据中心软硬件的运行和使用直接影响业务的开展，同时对学校数据中心的安全、运营和维护管理提出的要求也越高[5]。

早期，学校应用系统的上线运行基本都沿用传统服务器+应用+外挂存储的方式解决[6]。通过不断地购买服务器和存储来解决不同应用的上线问题，导致计算资源严重浪费，存储资源重复投入，设备耦合度越来越高。而多种品牌、多型号的节点部署方式也给业务的连续性和稳定性带来了很大的不确定性。机房内设备的繁杂性、多头管理性、分散性和无序性，导致管理成本不断提高，管理人员疲于各种操作和调整，效率低下[7]。

同时，集中存储在扩容时可能面临被存储硬件厂商绑架，丧失议价能力情况。总结得出数据中心面临的主要问题有：①计算资源利用率低，资源重复投资；②统一运维管理压力大；③存储资源利用率低，无法水平或垂直扩展，扩容受制于前期硬件厂家[8]；④存储无法随应用SLA调整；⑤总体拥有成本居高不下[9]。

一方面是指数级上涨的需求，另一方面是使用管理问题呈现出巨大的压力。如何将压力转换为解决问题的动力，必然导致新技术的产生。软件定义的数据中心超融合系统，即所有的基础设施都被虚拟化，并以服务的形式提供，对数据中心的控制完全由软件自动化完成，能够完全和硬件融合[10]。

软件定义的数据中心超融合系统改变了传统数据中心的运行和管理模式。数据中心已经转由运行在基于x86服务器的虚拟化软件管理，这种转变提供了极大的灵活性和控制性，同时提高了效率，使数据中心从各厂家的紧耦合中解脱出来，大大降低了成本。软件定义数据中心最关键的组成部分是计算、网络和存储。

计算虚拟化已经非常成熟和广泛，而存储虚拟化相对于软件定义的数据中心则稍显滞后。VMware，Nutanix，Citrix以及华为等在服务器级别先进的技术正在促成一种新的存储模式———软件定义的存储（SDS）。

在控制层面和数据层面进行虚拟化是SDS的核心原则，通过软件并基于x86服务器平台的虚拟化层来交付存储资源是SDS的另外一个核心原则。同时，外接存储仍然在企业存储资源中扮演非常重要的角色。所以，把服务器直连存储和汇聚在虚拟化层的外接存储结合，建立一种可扩展、高性能且高可靠的存储架构，可以获得最高的性价比，这将轻松解决困扰数据中心及信息化管理人员面临的扩容和异构問题[10]。

不仅如此，软件定义数据中心计算资源的自由调配———可热添加和删除CPU资源；存储管理的简化———按虚机的存储管理和基于策略的存储自动化；降低拥有成本———自由选择存储选项（SAN，NAS，DAS），提高存储的效率和敏捷性；端到端的SLA交付———虚拟化管理程序存储抽象化，可独特地匹配虚拟机要求与硬件功能。这些都为软件定义数据中心的落地提供可期的前景[11]。

2.2软件定义超融合系统的特征

数据业务正在以指数形式增长。驱动数据业务增长的主要是新应用和现有应用的结合。随着社交媒体到大数据业务的广泛产生，现有的数据管理面临巨大挑战。有益于摩尔定律，正处于一个历史上数据业务增长最迅猛的时期。目前，平均的CPU将达到32线程，每个处理器插槽将拥有32个逻辑CPU———16核×2线程，HDD容量迅速扩展。而从一个高性价比的观点来看，SSD已经成为CPU/内存与HDD的重要纽带[12]。

软件定义的超融合存储是软件定义的数据中心的重要组成部分，由于Fc-san存储容量受制于硬件，且基本不可异构，扩容时不能按需进行，自由调配其扩充容量[13]。超融合节点的存储可对集群节点内的存储资源进行池化处理，通过VMware Vsan软件统一进行调配和管理，实现资源池内存储资源能够按需分发和回收。它们的优势也如出一辙：通过VMware Vsan软件全面革新了存储的传统基础架构，降低了网络设备及存储设备之间连接的耦合度，由于超融合节点的存在，使用户不需要去关注网络与存储的联通性，降低了实施和调试时的复杂度，同时对于现有物理服务器或存储服务资源中计算资源过多及存储资源过低的情况，可通过VMware vSphere软件功能进行横向扩容，实现池化资源的按需增减。综合来看，软件定义的超融合存储具备如下3个特征：①以应用为中心的策略，可实现存储使用自动化；②与硬件无关的虚拟化数据服务；③通过硬盘和固态磁盘虚拟化确保数据持久性[14]，如图1所示。

2.3軟件定义超融合系统的应用优势

随着虚拟化成为基础架构主要的工作负载机制，通过软件定义超融合系统为解决上述问题找到突破口：

（1）解决计算资源利用率低下，重复投入的问题

原先的部署方式通过单机方式进行部署，过剩的计算资源无法为其他应用提供额外的支持。通过软件定义超融合技术对计算资源进行虚拟化，可自由调配所需计算资源。过剩的计算资源进一步释放，最大限度地保护投资，避免重复投入情况的发生[15]。

（2）将解决多设备、多界面数据中心中管理复杂、僵化的问题

在传统FC-SAN架构的数据中心中如需更改虚拟机所利用的LUN、存储地址或卷的某些方面或功能，在许多情况下需要删除原始LUN或卷，这是一项耗时、耗力的操作，可能需要花费数周乃至更长的时间进行，调整后还需要进一步验证网络、存储及周边相关硬件设备的可靠性[16]。

（3）解决存储利用率低，扩容成本高的问题

由于传统FC-SAN对于IOPS要求很高，SLA要求不是很高的业务将无法发挥高效存储的优势，存储只能服务于核心应用。而对于需要大容量、高速响应的外置磁盘阵列的解决模式，将大幅提高整个虚拟化解决方案的成本。在后期扩容时，受制于厂家产品性能、技术手段、兼容属性及价格等因素都将影响扩容的可行性。

（4）解决无法确保差异化服务等级的问题

软件定义超融合的使用，在于打通底层存储资源，使之池化，所有虚拟机对存储资源的调用如果不做特别安排和置留，基本属于同一服务等级，避免出现差异化服务等级的问题。对于并发量较大、强烈依赖于资源调用及时性或充足性的服务，可进行资源的置留，保障业务的连续性和可靠性。

（5）解决拥有成本较高的问题

传统FC-SAN方案对于双活、灾备及业务连续性等情况都有着极高的要求，如果完成一整套架构需要付出的成本往往比较巨大，同时后期的维护和更迭也将需要花费巨额的开销。

软件定义超融合系统在应用中具有以下优势：①提供虚拟机精确控制，避免重复投资建设；②在应用高度整合的情况下满足性能要求；③相较于vSphere，其他软件定义数据中心产品在应用和数据移动性的情况；④支持快速调配零停机操作；⑤按需动态扩展；⑥支持VDI和大数据等新应用；⑦性能可以满足对关键应用的需求。

2.4软件定义超融合系统在校园信息化建设中的应用

通过有目的、有计划、系统地比较市场上的超融合设备，选用VMware vSAN方案进行我院软件定义数据中心超融合系统的建设，主要有以下几方面的应用。

2.4.1超融合节点管理平台（VMware vSphere）

VMware vSphere是对超融合架构IT资源进行综合管理和调度的系统，主要利用6个节点的x86服务器作为一个集群，在此基础上通过VMware vSphere进行资源配置和调节，通过管理界面实现网络添加、存储增减、虚机创建、数据备份及troubleshooting等一系列管理操作。虚拟化管理平台主要由计算虚拟化（VMware）、存储虚拟化（vSAN）和网络虚拟化（VMware Nsx）3部分组成。

2.4.2跨平台迁移

超融合平台提供类似VMware v Center Converter的物理机至虚拟机迁移工具，支持所有主流操作系统，也可实现快速虚拟机平台还原回物理机的回滚，保证业务数据不丢失。PtoV， VtoP以及针对不同虚拟化平台如VMware，Citrix及华为等虚拟化厂家的VtoV是实现原有数据中心现有虚机及测试虚机业务持续性和兼容性的有效保障。迁移时需要注意Windows操作系统主机迁移需要安装第三方插件，Linux操作系统主机需要关机使用ISO引导方式来迁移。

2.4.3虚拟化存储vSAN平台硬件兼容性

由于虚拟化平台的迁移，原先的应用及数据将逐步从单机向虚拟化平台迁移。迁移后，原先的设备及存储将释放出多余的资源，成为超融合节点。而为了匹配VMware Exsi系统，需要对相关的利旧节点进行硬件兼容性测试，通过固件升级或更换相应设备的通过兼容性测试的节点，就可以进行利旧处理，成为后期扩容资源的潜在资源池。投资的保护和节点的扩容都能兼顾，从而使软件定义的超融合数据中心更具有性价比。

2.4.4超融合节点网络冗余

在传统架构中，服务器、存储及网络极易出现单点故障，由于网络通信的复杂性，故障的定位及排查需要逐步进行。而通过超融合节点在校园信息化中的应用，由于网络的虚拟化，当网络中出现单点故障时，可以及时进行节点直接的迁移，同时关闭vSAN网络中端口的相互备份，也能做到既是物理端口ESXI Server上的物理端口，也是集群状态处于网络连通状态，实现网络配置的冗余[17]。

2.4.5超融合节点的HA

在超融合节点中，由于副本的存储方式，即使单个节点断电的情况下，也能通过鉴证机制和副本机制，迅速实现业务系统及虚拟机的重建。当虚拟机运行的ESXi server主机节点断电后，通过超融合节点的HA可直接在其他server上拉起服务，实现故障主机的旁路维修，不会影响集群内其他主机的正常工作[18]。

2.4.6超融合节点的功能性应用

在超融合节点中由于计算、存储和网络的虚拟化，其功能性应用与传统刀片式服务器或单个x86服务器的应用有一定的区别，主要体现在：

①虚拟机的使用：包含了虚机的申请、资源的分配、虚拟主机的创建、转换、部署、迁移、维护、调整以及资源的回收；

②超融合存储资源的使用：超融合存储主要由超融合节点的缓存盘（主要应用与Esxi server主机系统的安装及RAID阵列的设置）和超融合节点的容量盘（主要存放应用系统及业务系统的相应数据包含了结构化和非结构化数据）组成；

③超融合计算资源的使用：超融合计算主要包含了集群内节点资源的池化，池化后的资源能够按照PAAs层的给予方式自由提供计算资源的供給，从而满足校园信息化业务对计算资源的需求；

④备份的使用：数据的安全性是所有信息化建设的最低要求。超融合节点的+1的存储方式提供了有效的备份机制。VMware超融合节点及vSAN的使用通过压缩和删重技术在不影响数据有效性及存储空间的前提下，通过虚机快照或第三方组件的方式备份业务及数据，实现业务的连续性。

3结束语

软件定义的超融合存储是软件定义的数据中心的重要支柱之一，它把应用于服务器的先进技术运用于存储领域，可对异构存储资源进行抽象化处理，以支持存储在逻辑上的池化、复制和按需分发。

软件定义在存储方面的计划主要侧重于本地存储、共享存储和存储/数据服务。目前，市场上无论是基于VMware或是基于KVM，都以无比的热情投身于数据中心超融合系统的开发和应用中，既有商业软件，也有开源软件。而类似于DELL、华为、深信服及Nutanix等国内外厂商都能够帮助完成软件定义数据中心超融合系统的设计和实施。

对于高等院校而言，标准x86服务器、松耦合架构及模块化设计给数据中心的建设提供了便利，作为软件定义的超融合软件定义数据中心，软件能否智能管理和服务，通过分布式进行存储，可提供线性、可预期的横向扩展，同时具备在本地和异地可快速自恢复的系统，并且技术架构是未来5～10年数据中心的主流架构，能够克服单点故障和单点瓶颈，以及“永远在线操作”的业务系统，跨软/硬组件的深度分析能力，简单、简单、再简单的运营管理和维护，同时具备初步的虚拟化能力的云数据中心紧紧地吸引着软件定义数据中心的应用。

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