冷迪

摘 要：近年來，企業(yè)數(shù)據(jù)中心計算與存儲融合的超融合架構(gòu)相對于傳統(tǒng)計算網(wǎng)絡(luò)存儲分離架構(gòu)發(fā)起了強有力的挑戰(zhàn)。文章通過分析傳統(tǒng)企業(yè)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)架構(gòu)面臨的弊端，提出了傳統(tǒng)構(gòu)架向超融合架構(gòu)的演進趨勢。并對超融合架構(gòu)的概念、組成和主要特點進行了詳細(xì)分析和介紹，從產(chǎn)品和市場角度分析了超融合架構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用趨勢。最后，作者對超融合架構(gòu)在電力行業(yè)云數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用給出了展望。

關(guān)鍵詞：云數(shù)據(jù)中心；超融合架構(gòu)；分布式存儲；Server SAN

1 企業(yè)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)演進趨勢

1.1 云計算趨勢下，企業(yè)數(shù)據(jù)中心建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)

數(shù)據(jù)中心在不斷進行演進過程中，云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)的需求日益高漲，基于此需求的近實時或?qū)崟r數(shù)據(jù)分析（OLAP、OLTP）等商業(yè)智能分析應(yīng)用得到越來越多企業(yè)用戶的關(guān)注。不論是私有云、公有云或是混合云，都面臨企業(yè)云數(shù)據(jù)中心建設(shè)的關(guān)鍵問題，即如何提高數(shù)據(jù)中心的資源利用率、如何降低整體成本、優(yōu)化管理、如何應(yīng)對業(yè)務(wù)的快速變化、如何伸縮自如等，這些都是數(shù)據(jù)中心建設(shè)者們需要積極思考的問題。

目前企業(yè)云數(shù)據(jù)中心的建設(shè)通常對服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、平臺及應(yīng)用軟件等部件獨立采購，而后再集成的方式。這在一定程度上降低了數(shù)據(jù)中心的初始購置成本。然而，隨著云數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷擴大，傳統(tǒng)的構(gòu)架會使企業(yè)將在后續(xù)運維運營上消耗過多的人力物力，進而導(dǎo)致IT效率低下，終將阻礙業(yè)務(wù)發(fā)展。企業(yè)需要不斷尋求改善IT環(huán)境的解決方法，來保證業(yè)務(wù)能夠穩(wěn)定、敏捷地運行。可以預(yù)見，未來企業(yè)IT希望購買到的是一個數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施整體方案，通過更多聚焦于IT技術(shù)對業(yè)務(wù)的響應(yīng)，為公司業(yè)務(wù)提供增值輔助，從而將傳統(tǒng)的成本中心轉(zhuǎn)為“利潤“中心。

1.2 超融合架構(gòu)是企業(yè)云數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)的大勢所趨

為應(yīng)對當(dāng)下云計算、虛擬化和大數(shù)據(jù)發(fā)展的趨勢，2014年第三方權(quán)威調(diào)查機構(gòu)Wikibon提出Server SAN名詞，自被提出就獲得很多關(guān)注和熱烈討論。Server SAN簡單來說是由多個獨立的服務(wù)器直連存儲組成的一個存儲資源池。服務(wù)器之間實現(xiàn)高速互聯(lián)（如InfiniBand或低延遲萬兆以太網(wǎng)），通過軟件進行統(tǒng)一管理。

Server SAN可以用標(biāo)準(zhǔn)的X86服務(wù)器、高速通用網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，省去了專用設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)成本。同時集合了超大規(guī)模、計算與存儲融合和閃存等技術(shù)優(yōu)勢，計算和存儲可以共享網(wǎng)絡(luò)，在擴展性和易管理上亦有不俗表現(xiàn)。因此，Server SAN是超融合架構(gòu)的產(chǎn)品化代表。目前超大規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)公司如Facebook、Google和亞馬遜等已經(jīng)開發(fā)了超融合Server SAN解決方案。目前已經(jīng)商品化的10Gb以太網(wǎng)技術(shù)不僅提升了數(shù)據(jù)的傳輸速度，降低延遲，而且傳輸距離更遠(yuǎn)?！败浖x”這一新興概念也逐漸被成果化，因此通過軟件作為媒介，將普通服務(wù)器內(nèi)部存儲組成一個存儲資源池，既保證了存儲需要的性能，又同時通過硬件加軟件的方式，提供了良好的擴展性。由此看來，Server SAN發(fā)展所需基礎(chǔ)都已經(jīng)逐漸成熟。

2 超融合架構(gòu)的關(guān)鍵特征

2.1 超融合架構(gòu)基本概念與組成

超融合架構(gòu)是一種新興的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施解決方案，從根本上將核心計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)功能集成到單一軟件解決方案或設(shè)備中。而傳統(tǒng)集成平臺和系統(tǒng)的自主計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是在工廠由供應(yīng)商或代理商進行集成的。超融合系統(tǒng)將存儲和計算功能集成到一個單一節(jié)點（或節(jié)點集群，每個節(jié)點都提供計算和存儲功能），超融合系統(tǒng)都具有以下通用核心組件：

（1）分布式存儲系統(tǒng)：構(gòu)建在虛擬化平臺之上，在服務(wù)器虛擬化基礎(chǔ)上，通過部署存儲虛擬設(shè)備的方式，對本地存儲資源進行虛擬化，再經(jīng)集群整合成資源池，為應(yīng)用虛擬機提供存儲服務(wù)。

（2）高速網(wǎng)絡(luò)：GE/10GE以太網(wǎng)交換機，或者Infiniband光纖交換機為分布式計算和存儲集群提供可擴展和高可用性的網(wǎng)絡(luò)通道。

（3）統(tǒng)一管理平臺：其管理程序除了提供硬盤或SSD硬件抽象層之外，還提供工作負(fù)載鄰接、冗余、故障遷移、管理和容器化作用。

因此，超融合架構(gòu)可以基于X86服務(wù)器等低單價企業(yè)服務(wù)器為基礎(chǔ)，對服務(wù)器的內(nèi)置硬盤資源進行虛擬化，提供raid后的存儲空間供服務(wù)器使用。服務(wù)器采用集群的方式部署在數(shù)據(jù)中心的多個機架內(nèi)，通過機架間及機架內(nèi)的高速二層交換網(wǎng)絡(luò)提供極高的連接可靠性。整個超融合集群系統(tǒng)，以一個2U X86機架服務(wù)器提供40TB裸容量為例，一個100個服務(wù)器組成的集群可以提供4PB的存儲容量，可滿足90%以上企業(yè)的業(yè)務(wù)增長需求。通過批量采購的商用服務(wù)器可使基于超融合架構(gòu)建設(shè)的數(shù)據(jù)中心可具有較高的性價比。

2.2 超融合架構(gòu)主要特點

2.2.1 分布式、無共享架構(gòu)的分布式存儲系統(tǒng)

超融合架構(gòu)分布式存儲系統(tǒng)一般采用分布式，無共享（Share Nothing）架構(gòu)設(shè)計理念，通過分布式計算算法，將數(shù)據(jù)分散式存放在集群中的所有節(jié)點上，不僅提升了數(shù)據(jù)可靠性，同時大大提升了系統(tǒng)性能。另外，整個分布式存儲系統(tǒng)也無集中管理和控制節(jié)點，每一個數(shù)據(jù)節(jié)點都有能力承擔(dān)另一數(shù)據(jù)節(jié)點的功能，節(jié)點之間通過內(nèi)部高效的分布式協(xié)議完成相互協(xié)作和通信。

2.2.2 計算與存儲融合

超融合架構(gòu)通過將計算服務(wù)器上的存儲設(shè)備組成一個高性能、高可靠的分布式存儲池，給服務(wù)器或者虛擬機上的應(yīng)用提供存儲空間。通常虛擬化、數(shù)據(jù)庫等對I/O延遲要求高的應(yīng)用將數(shù)據(jù)存放在應(yīng)用所在的物理服務(wù)器上，減少傳統(tǒng)外置共享存儲（SAN/NAS）帶來的網(wǎng)絡(luò)開銷，提升應(yīng)用的讀寫性能。

2.2.3 相對低廉的采購成本

然而使用傳統(tǒng)共享存儲設(shè)備提供空間，當(dāng)存儲空間不夠時，需要再次購買昂貴的專業(yè)存儲設(shè)備。然而基于服務(wù)器的構(gòu)架可避免購買傳統(tǒng)的外置共享存儲設(shè)備（SAN/NAS）和交換機，有效的降低采購成本。當(dāng)存儲空間不夠時，在現(xiàn)有物理服務(wù)器上添加性價比較高的存儲磁盤或者添加物理服務(wù)器即可有效擴展存儲空間。

2.2.4 高冗余橫向擴展架構(gòu)

由于超融合架構(gòu)采用分布式架構(gòu)，因此，具備強大的橫向擴展能力，一般都能支持成百上千個節(jié)點的集群，其分布式集群架構(gòu)消除了傳統(tǒng)計算和存儲分離導(dǎo)致的低性能、不易擴展、單點故障等問題，保證了節(jié)點擴容后無需遷移系統(tǒng)內(nèi)所有數(shù)據(jù)，可以快速達(dá)到負(fù)載均衡狀態(tài)；增加節(jié)點的同時，系統(tǒng)的IOPS、吞吐量等性能，以及系統(tǒng)存儲容量能夠?qū)崿F(xiàn)同步線性增長。傳統(tǒng)計算存儲分離架構(gòu)解決方案中的存儲系統(tǒng)被限制在少量的幾個硬件控制器上（中低端一般是兩個主備控制器），而對于超融合架構(gòu)系統(tǒng)而言，集群中的每個節(jié)點既是計算節(jié)點，又是存儲控制器，因此，隨著節(jié)點的增加，性能也能線性增長。

與傳統(tǒng)的計算存儲分離架構(gòu)相比，超融合架構(gòu)集群具備非常好的彈性擴展能力。在系統(tǒng)運行過程中，管理員可在不中斷業(yè)務(wù)的情況下新增和刪除節(jié)點。當(dāng)一個新節(jié)點或者一個新硬盤加入到集群中時，超融合架構(gòu)能實現(xiàn)集群內(nèi)數(shù)據(jù)的最優(yōu)化的自動重新分布和均衡。而整個數(shù)據(jù)的遷移和重新均衡的過程不會影響應(yīng)用對數(shù)據(jù)的訪問。因此，新增節(jié)點和硬盤，不僅提高的系統(tǒng)存儲容量，也同時提升了系統(tǒng)的訪問性能。當(dāng)管理員刪除節(jié)點或者硬盤時，系統(tǒng)能夠在通過數(shù)據(jù)遷移實現(xiàn)數(shù)據(jù)在其余節(jié)點的重新分布，以保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)均衡性。在所有數(shù)據(jù)的重新分布和均衡過程中，系統(tǒng)能夠保證只需盡可能少的數(shù)據(jù)進行重新分配，而無需對系統(tǒng)內(nèi)所有數(shù)據(jù)進行調(diào)整和遷移，提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能。

表1對比了超融合架構(gòu)與傳統(tǒng)計算、存儲分離架構(gòu)的主要優(yōu)劣，可見超融合構(gòu)架相對于傳統(tǒng)構(gòu)架具有較大優(yōu)勢。

3 超融合架構(gòu)產(chǎn)品與市場發(fā)展趨勢

3.1 超融合架構(gòu)產(chǎn)品發(fā)展趨勢

隨著軟件定義數(shù)據(jù)中心概念的興起，軟件定義存儲和計算存儲融合等概念和技術(shù)也成為了下一代存儲的熱點。近幾年來，在美國，以色列等IT先進國家，涌現(xiàn)出了一批面向企業(yè)云數(shù)據(jù)中心場景，研發(fā)軟件定義存儲和超融合系統(tǒng)的創(chuàng)新公司，比如Nutanix、ScaleIO、Simplivity、Nexenta、Maxta等。與此同時，傳統(tǒng)虛擬化和存儲大廠商也逐步看到了企業(yè)數(shù)據(jù)中心下一代基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，紛紛通過收購或自研進軍來布局軟件定義存儲和超融合架構(gòu)市場，比如EMC收購ScaleIO，HP收購LeftHand，Dell收購Equallogic，Vmware自研VSAN等。這些創(chuàng)新公司和傳統(tǒng)存儲公司，根據(jù)自身的發(fā)展或者產(chǎn)品布局需要，推出不同形態(tài)的超融合架構(gòu)產(chǎn)品，比如Nutanix、Simplicivity等推出軟硬結(jié)合的超融合架構(gòu)一體機，而EMC、Vmware、Nexenta等則推出純軟件的軟件定義存儲方案總體來說，新型創(chuàng)業(yè)公司走在了超融合架構(gòu)產(chǎn)品和市場的前列，他們占據(jù)了超融合架構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)施市場的大半壁江山。目前Nutanix，Simplivity、Nexenta等創(chuàng)新公司推出的產(chǎn)品最有競爭力，占據(jù)的市場份額也最大。

國內(nèi)的超融合架構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展速度總體上落后國外，但隨著融合存儲系統(tǒng)在國外越來越受到存儲大廠和大客戶的關(guān)注和重視，以及云計算、大數(shù)據(jù)、軟件定義存儲等新一代數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)的發(fā)展，目前國內(nèi)的主流存儲廠商，比如，華為、浪潮、曙光等公司，開始進行新一代大規(guī)模分布式存儲系統(tǒng)的研發(fā)，但其主要關(guān)注點在面向數(shù)據(jù)中心的海量數(shù)據(jù)存儲場景提供分布式文件或者分布式對象存儲集群。比如，華為公司的UDS對象存儲系統(tǒng)，中科院藍(lán)鯨大型分布式文件存儲系統(tǒng)等等，這些系統(tǒng)一般都面向公有云應(yīng)用場景。面向企業(yè)云數(shù)據(jù)中心環(huán)境的超融合軟件定義系統(tǒng)，國內(nèi)也出現(xiàn)了一批新型創(chuàng)業(yè)公司，比如深圳杉巖數(shù)據(jù)公司、北京志凌海納公司等推出的超融合架構(gòu)產(chǎn)品。

3.2 超融合架構(gòu)市場發(fā)展趨勢

近年來，超融合架構(gòu)系統(tǒng)市場發(fā)展迅猛，對傳統(tǒng)計算分離架構(gòu)系統(tǒng)市場沖擊很大，特別是傳統(tǒng)外置存儲設(shè)備市場，以至于傳統(tǒng)存儲大廠也紛紛進入超融合架構(gòu)和軟件定義存儲市場。

據(jù)IDC最新發(fā)布的2014年全球融合存儲系統(tǒng)分析報告，基于軟件定義存儲的融合存儲系統(tǒng)正在強勢領(lǐng)跑全球存儲軟件市場，最近一個季度的收入規(guī)模達(dá)到38億美元，同比增幅為39.4%。根據(jù)ReportsnReports的預(yù)測，全球軟件定義存儲市場在2015年到2019年之間的年復(fù)合增長率預(yù)計為35%，覆蓋大中小各種類型的企業(yè)。企業(yè)級融合存儲市場在2013年全球銷售收入達(dá)2.7億美元，并且以50%左右的年復(fù)合增長率增長。HP、Nutanix、Simplivity占據(jù)了TOP 3的市場份額。另從國內(nèi)整體市場來看，超融合架構(gòu)系統(tǒng)正在從大型互聯(lián)網(wǎng)公司的數(shù)據(jù)中心逐步向公有云、私有云、以及混合云等企業(yè)云數(shù)據(jù)中心市場延伸和擴散。一方面，UnitedStack，EasyStack等公司利用OpenStack開源產(chǎn)品中的分布式存儲系統(tǒng)構(gòu)建公有云數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施；另一方面，華為推出的FusionStorage分布式存儲產(chǎn)品已經(jīng)在浙江電信云計算虛擬化平臺上得到應(yīng)用。華為，天璣科技，云和恩墨等公司紛紛推出基于軟件定義存儲的數(shù)據(jù)庫一體機，在運營商，金融，政府等行業(yè)中得到應(yīng)用。

4 超融合架構(gòu)在電力行業(yè)數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用展望

目前，電力行業(yè)數(shù)據(jù)中心的IT基礎(chǔ)設(shè)施還是以傳統(tǒng)的計算與存儲分離的架構(gòu)為主建設(shè)，以深圳供電局有限公司為例，數(shù)據(jù)中心存儲基礎(chǔ)設(shè)備全部都是以傳統(tǒng)外置存儲系統(tǒng)SAN和小型機為主的計算、存儲分離架構(gòu)。已經(jīng)延續(xù)了20多年的傳統(tǒng)外置存儲架構(gòu)和產(chǎn)品，在云計算、虛擬化和大數(shù)據(jù)應(yīng)用面前，暴露出了擴展性差，靈活性低，管理復(fù)雜，成本高等致命問題。隨著企業(yè)規(guī)模的壯大和業(yè)務(wù)的增多，以及X86服務(wù)器虛擬化技術(shù)和應(yīng)用的普及，數(shù)據(jù)量快速增長，基礎(chǔ)硬件設(shè)施逐步采用X86服務(wù)器替代小型機的轉(zhuǎn)型。因此，如何為未來基于X86服務(wù)器和虛擬化計算平臺的關(guān)鍵應(yīng)用提供與之匹配的高可擴展性、高性能、高可靠性、和可維護性的存儲平臺、同時又能滿足核心業(yè)務(wù)按需、靈活的交付特性，是包括電力在內(nèi)的各行業(yè)在向云計算、虛擬化和大數(shù)據(jù)等信息化建設(shè)轉(zhuǎn)型和發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)。

因此，深圳供電局有限公司目前正結(jié)合自身業(yè)務(wù)場景，積極開展超融合架構(gòu)產(chǎn)品和技術(shù)在電力行業(yè)應(yīng)用的探討和研究，計劃摸索出一套適用于電力行業(yè)數(shù)據(jù)中心超融合平臺建設(shè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，為不同業(yè)務(wù)層級提供不同的超融合架構(gòu)解決方案提供建議和參考依據(jù)，并且適用于云數(shù)據(jù)中心虛擬化、大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的運行、管理、擴容等多種多樣的需求。并在未來將項目的研究成果在行業(yè)內(nèi)以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進行廣泛共享和推廣，從而為公司創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。

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