米保全

1 引言

隨著信息化的高速發(fā)展，各單位信息化業(yè)務(wù)逐漸增多，其業(yè)務(wù)周期與峰值各具特時(shí)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心通常一個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用就需要購(gòu)置一套相應(yīng)設(shè)備，存在建設(shè)資金投入大、運(yùn)營(yíng)成本高、部署周期長(zhǎng)、單點(diǎn)故障多、機(jī)房生態(tài)消耗大（空間、電力、制冷）、各業(yè)務(wù)不能共享硬件設(shè)備等缺點(diǎn)，且平時(shí)運(yùn)行利用率低，造成資源的巨大浪費(fèi)，而在高峰時(shí)段又顯得性能不夠，造成資源的急劇短缺。為了實(shí)現(xiàn)軟硬件資源按需分配、動(dòng)態(tài)擴(kuò)減、高度共享，出現(xiàn)了虛擬化技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等，虛擬化數(shù)據(jù)中心可以靈活適應(yīng)資源配置、有效地減少部署時(shí)間、減輕管理人員工作負(fù)擔(dān)和工作量、提高服務(wù)保障水平，虛擬化數(shù)據(jù)中心的科學(xué)架構(gòu)問(wèn)題是當(dāng)今數(shù)據(jù)研究的焦點(diǎn)。

2 數(shù)據(jù)中心的功能要素

維基百科和谷歌對(duì)數(shù)據(jù)中心的定義，數(shù)據(jù)中心為多功能的建筑物，能容納多個(gè)服務(wù)器以及通信設(shè)備，這些設(shè)備被放置在一起是因?yàn)樗鼈兙哂邢嗤沫h(huán)境要求以及物理安全上的需求，并且這樣放置便于維護(hù)，而并不僅僅是一些服務(wù)器的集合。數(shù)據(jù)中心是一整套復(fù)雜的設(shè)施，不僅包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和其它與之配套的設(shè)備（如通信和存儲(chǔ)系統(tǒng)），還包含冗余的數(shù)據(jù)通信連接、環(huán)境控制設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備以及各種安全裝置［1］。

由此看出數(shù)據(jù)中心至少包含數(shù)據(jù)運(yùn)行核心（計(jì)算、傳輸、存儲(chǔ)、業(yè)務(wù)）和物理環(huán)境保障（溫度、濕度、防盜、消防、電力）兩大要素，數(shù)據(jù)中心具有三大功能：一是提供計(jì)算服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通信網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)硬件設(shè)備及設(shè)備的融合、管理與維護(hù)；二是提供操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、各業(yè)務(wù)系統(tǒng)等軟件的部署、管理與維護(hù)；三是提供堅(jiān)實(shí)、可靠、高效、安全的業(yè)務(wù)運(yùn)行生態(tài)和物理環(huán)境空間。

3 虛擬化技術(shù)的含義

虛擬化技術(shù)是通過(guò)虛擬化軟件把各類(lèi)物理資源映射為統(tǒng)一的虛擬資源池，由虛擬化管理軟件從虛擬資源池為每個(gè)虛擬機(jī)（應(yīng)用服務(wù)器）按需分配一套虛擬的硬件資源，虛擬服務(wù)器為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)器和硬件服務(wù)器隔離［2］。虛擬化技術(shù)既可以一虛多（將硬件資源切片分配），又可以多虛一（將硬件資源組合分配）。虛擬化數(shù)據(jù)中心主要涉及計(jì)算虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化、和網(wǎng)絡(luò)虛擬化。

計(jì)算虛擬化主要指服務(wù)器虛擬化，把行算機(jī)的處理器、內(nèi)存、輸入輸出設(shè)備分別整合，作為共享計(jì)算資源池，根據(jù)用戶(hù)需求進(jìn)行按需分配和再分配［3］。即使在同一臺(tái)硬件服務(wù)器上，各個(gè)虛擬機(jī)之間也相互獨(dú)立、互不干擾、底層隔離。用戶(hù)的應(yīng)用服務(wù)器計(jì)算能力配置不再由硬件廠(chǎng)商設(shè)定，而是根據(jù)用戶(hù)的需求來(lái)配置、購(gòu)租，以實(shí)現(xiàn)資源的高效利用。

存儲(chǔ)虛擬化主要指外存陣列虛擬化，把固態(tài)硬盤(pán)、機(jī)械磁盤(pán)、磁帶等設(shè)備分別整合作為共享存儲(chǔ)資源池，根據(jù)用戶(hù)需求進(jìn)行按需分配和再增配［4］。根據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的性?xún)r(jià)比和數(shù)據(jù)的熱點(diǎn)度，可實(shí)現(xiàn)分級(jí)存儲(chǔ)，利用磁盤(pán)鏡像技術(shù)有效提高數(shù)據(jù)的物理安全性。有效提高虛擬機(jī)的磁盤(pán)訪(fǎng)問(wèn)速度、數(shù)據(jù)高可用性和數(shù)據(jù)安全性。

網(wǎng)絡(luò)虛擬化網(wǎng)絡(luò)虛擬化就是在一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)上模擬出多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)來(lái)。目前比較常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)虛擬化應(yīng)用包括虛擬局域網(wǎng)，即VLAN、虛擬專(zhuān)用網(wǎng)、VPN，以及虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。

4 虛擬化數(shù)據(jù)中心架構(gòu)

虛擬化數(shù)據(jù)中心的本質(zhì)是軟件定義數(shù)據(jù)中心（SDDC）、讓客戶(hù)以更小的代價(jià)來(lái)獲得更靈活的、快速的、彈性的業(yè)務(wù)部署、管理及實(shí)現(xiàn)，對(duì)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、安全性等可用性服務(wù)，通過(guò)智能化的、策略驅(qū)動(dòng)的軟件進(jìn)行邏輯鏈接與管理。存儲(chǔ)是數(shù)據(jù)中心最核心的部分，根據(jù)存儲(chǔ)的技術(shù)和位置把數(shù)據(jù)中心分為集中式架構(gòu)和超融合架構(gòu)，下面對(duì)集中式架構(gòu)和超融合架構(gòu)作出詳細(xì)介紹。

4.1 集中式架構(gòu)

集中式架構(gòu)是把虛擬化數(shù)據(jù)中心的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)集中起來(lái)，由計(jì)算服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)高速設(shè)備、獨(dú)立存儲(chǔ)器組成的虛擬化數(shù)據(jù)中心，主要由服務(wù)器虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化和存儲(chǔ)虛擬化三部分構(gòu)成［5］。計(jì)算設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備是分離的，所有的物理服務(wù)器組成一個(gè)服務(wù)器群集，形成計(jì)算資源池，利用虛擬化技術(shù)把獨(dú)立的存儲(chǔ)系統(tǒng)形成一個(gè)存儲(chǔ)資源池，虛擬機(jī)之間通過(guò)數(shù)據(jù)中心交換機(jī)支持網(wǎng)絡(luò)虛擬化來(lái)通信，根據(jù)業(yè)務(wù)需求按照需要在計(jì)算資源池、存儲(chǔ)資源池、網(wǎng)絡(luò)資源池上分配相應(yīng)資源來(lái)部署虛擬機(jī)，虛擬機(jī)之間共享這些物理資源池。支持在物理服務(wù)器之間動(dòng)態(tài)遷移運(yùn)行中的虛擬機(jī)，是完善合理、高可用性的虛擬構(gòu)架。用戶(hù)可以通過(guò)客戶(hù)端來(lái)監(jiān)控管理物理服務(wù)器、虛擬機(jī)、存儲(chǔ)池和網(wǎng)絡(luò)等。

典型的集中式架構(gòu)數(shù)據(jù)中心由虛擬化服務(wù)器、存儲(chǔ)器陣列、數(shù)據(jù)中心交換機(jī)、管理服務(wù)器和桌面客戶(hù)端組成，如圖1所示。集中式架構(gòu)數(shù)據(jù)中心包括下列組件：①計(jì)算服務(wù)器，在虛擬環(huán)境中稱(chēng)為獨(dú)立主機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器祼機(jī)上安裝運(yùn)行虛擬化軟件構(gòu)成計(jì)算資源服務(wù)器，可將配置相似的多臺(tái)服務(wù)器組合在一起構(gòu)成計(jì)算服務(wù)器組、形成計(jì)算資源池；②存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和磁盤(pán)陣列，存儲(chǔ)系統(tǒng)由存儲(chǔ)管理機(jī)頭、磁盤(pán)陣列（SAN陣列、NAS陣）、存儲(chǔ)網(wǎng)路組成，存儲(chǔ)磁盤(pán)陣列通過(guò)存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（光纖交換機(jī)）連接到服務(wù)器并在服務(wù)器之間共享，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)資源的聚合，并將這些資源分配給虛擬機(jī)，虛擬機(jī)可方便、靈活的存取數(shù)據(jù)；③IP通信網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算服務(wù)器連接到數(shù)據(jù)中心交換機(jī)，數(shù)據(jù)中心交換機(jī)可通過(guò)虛擬機(jī)間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換，每臺(tái)計(jì)算服務(wù)器有多個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)適配器，為虛擬機(jī)提供高帶寬和高可靠的網(wǎng)絡(luò)連接；④管理控制服務(wù)軟件，提供主機(jī)的管理、虛擬機(jī)的管理（新建、快照、克?。?、資源配置與調(diào)整、訪(fǎng)問(wèn)控制、性能監(jiān)控等功能；⑤遠(yuǎn)程管理客戶(hù)端軟件，數(shù)據(jù)中心管理和虛擬機(jī)訪(fǎng)問(wèn)提供方便的多種管理界面。

圖1 集中式架構(gòu)數(shù)據(jù)中心

4.2 超融合架構(gòu)

超融合架構(gòu)是為下一代云數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的橫向擴(kuò)展的軟件定義架構(gòu)，無(wú)固定中心節(jié)點(diǎn)，以橫向擴(kuò)展、軟件定義、計(jì)算和存儲(chǔ)融合、服務(wù)器端閃存為核心［6］。超融合架構(gòu)應(yīng)用虛擬化技術(shù)把存儲(chǔ)功能融合到計(jì)算服務(wù)器中，在同一個(gè)單元當(dāng)中同時(shí)具備了網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)等資源，還可實(shí)現(xiàn)加速緩存、刪除重復(fù)數(shù)據(jù)、備份、快照、壓縮數(shù)據(jù)等功能，通過(guò)多個(gè)單元設(shè)備模塊化的無(wú)縫橫向擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)資源與服務(wù)的統(tǒng)一與聚集，對(duì)運(yùn)算和存儲(chǔ)資源進(jìn)行統(tǒng)一化管理。如圖2所示超融合架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)軟硬件的解耦，用戶(hù)以堆疊的形式實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的添加，使多個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備（多臺(tái)服務(wù)器）無(wú)縫聚合擴(kuò)展，形成統(tǒng)一的資源池，實(shí)現(xiàn)超融合架構(gòu)叢集容量的擴(kuò)展。超融合架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心必須建立在高速網(wǎng)絡(luò)通道的基礎(chǔ)上。

超融合架構(gòu)的特點(diǎn)［7，8］體現(xiàn)在：①采用了分布式的存儲(chǔ)系統(tǒng)，利用虛擬化技術(shù)把本地存儲(chǔ)資源通過(guò)集群形成資源池，將數(shù)據(jù)存放在集群中的全部節(jié)點(diǎn)之上，使數(shù)據(jù)的可靠性顯著提升；②實(shí)現(xiàn)了計(jì)算與存儲(chǔ)二者之間的融合，從根本上提升了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)性能，因?yàn)槔帽緳C(jī)的機(jī)械硬盤(pán)（擴(kuò)充容量）和SSD硬盤(pán)（提高性能），極大提高了存儲(chǔ)的I/O性能；③具備強(qiáng)大靈活的橫向擴(kuò)展能力，集群中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)不僅僅是計(jì)算節(jié)點(diǎn)，而且還起到了存儲(chǔ)控制器的作用，該架構(gòu)可以通過(guò)增加節(jié)點(diǎn)的方式，進(jìn)行運(yùn)算和存儲(chǔ)能力的擴(kuò)展；④性?xún)r(jià)比較高，極大程度地降低了存儲(chǔ)設(shè)備的采購(gòu)成本，利用較為廉價(jià)的分布式存儲(chǔ)技術(shù)替代傳統(tǒng)集中式存儲(chǔ)的獨(dú)立存儲(chǔ)，極大地降低了數(shù)據(jù)中心的建設(shè)費(fèi)用和使用技術(shù)的技術(shù)門(mén)檻，超融合架構(gòu)的技術(shù)核心是利用分布式文件系統(tǒng)（NDFS）來(lái)替代集中式架構(gòu)中昂貴的專(zhuān)用SAN和NAS存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)；⑤部署方式便捷，無(wú)需面對(duì)RAID、LUN、FC交換機(jī)、分區(qū)、多路徑等問(wèn)題。

軟件定義的分布式存儲(chǔ)和虛擬化計(jì)算是超融合架構(gòu)本質(zhì)。超融合架構(gòu)以虛擬機(jī)為核心，能提升集群的運(yùn)算效能和存儲(chǔ)空間，具有簡(jiǎn)單、高效、高性能、易部署等優(yōu)勢(shì)。在成本的控制和風(fēng)險(xiǎn)防范等方面，超融合架構(gòu)表現(xiàn)出了極大的優(yōu)越性，不需要單獨(dú)采購(gòu)服務(wù)器和存儲(chǔ)，節(jié)省了大量的機(jī)柜空間，而且對(duì)電源的消耗較小。

圖2 超融合架構(gòu)數(shù)據(jù)中心

5 分析結(jié)論

從高性能、高可用性、高可靠性、高擴(kuò)展性等幾個(gè)衡量數(shù)據(jù)中心的重要指標(biāo)入手，對(duì)集中式架構(gòu)數(shù)據(jù)中心和超融合架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心的優(yōu)缺點(diǎn)、異同點(diǎn)等方面進(jìn)行介紹和分析。其最大區(qū)別是存儲(chǔ)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，集中式架構(gòu)的存儲(chǔ)系統(tǒng)獨(dú)立于服務(wù)器，由單獨(dú)的存儲(chǔ)單元設(shè)備組成，在分布式的架構(gòu)中存儲(chǔ)系統(tǒng)融合在服務(wù)器當(dāng)中，利用分布式的存儲(chǔ)技術(shù)、虛擬化技術(shù)把本地存儲(chǔ)資源通過(guò)集群形成存儲(chǔ)資源池。

數(shù)據(jù)的價(jià)值是無(wú)法估量，高可靠性是存儲(chǔ)系統(tǒng)最基礎(chǔ)的特性，超融合架構(gòu)將數(shù)據(jù)存放在集群服務(wù)器的每個(gè)節(jié)點(diǎn)之上，使得數(shù)據(jù)的可靠性顯著提升。集中式架構(gòu)中數(shù)據(jù)由單獨(dú)的存儲(chǔ)單元設(shè)備管理與存儲(chǔ)，獨(dú)立存儲(chǔ)就顯得尤為主要，一旦故障，全部虛擬機(jī)業(yè)務(wù)就無(wú)法繼續(xù)。

隨著信息化業(yè)務(wù)快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的擴(kuò)展與提升就很重要，超融合架構(gòu)具備強(qiáng)大、靈活、容易的橫向擴(kuò)展能力，可以根據(jù)需求進(jìn)行運(yùn)算和存儲(chǔ)能力同時(shí)擴(kuò)展。集中式架構(gòu)可按照需求定向的擴(kuò)展所需資源，如增加計(jì)算服務(wù)器節(jié)點(diǎn)、內(nèi)存節(jié)點(diǎn)、獨(dú)立存儲(chǔ)或磁盤(pán)陣列節(jié)點(diǎn)。

性?xún)r(jià)比、高性能是數(shù)據(jù)中心又一主要指標(biāo)，集中式架構(gòu)中的存儲(chǔ)單元的價(jià)格相當(dāng)昂貴，專(zhuān)用SAN和NAS存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)性能好、價(jià)格貴，超融合架構(gòu)利用較為廉價(jià)的分布式存儲(chǔ)技術(shù)替代傳統(tǒng)集中式架構(gòu)中昂貴的存儲(chǔ)的獨(dú)立存儲(chǔ)，極大程度地降低了存儲(chǔ)設(shè)備的采購(gòu)成本，降低了數(shù)據(jù)中心的初建費(fèi)用和技術(shù)門(mén)檻。

數(shù)據(jù)中心承載各種業(yè)務(wù)服務(wù)，其高可用性就顯得尤為重要，集中式架構(gòu)和超融合架構(gòu)都很重視數(shù)據(jù)的高可用性，遷移、容錯(cuò)等功能都很成熟，集中式架構(gòu)數(shù)據(jù)中心起步早，方案、技術(shù)、市場(chǎng)更為成熟，超融合架構(gòu)是這幾年出現(xiàn)的新架構(gòu)，應(yīng)用在逐漸變多。

集中式架構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不占服務(wù)器的計(jì)算資源，有獨(dú)立的存儲(chǔ)管理機(jī)頭，超融合架構(gòu)中存儲(chǔ)本身要占用服務(wù)器的計(jì)算資源來(lái)管理存取數(shù)據(jù)，減少極端情況下CPU資源的占用率是產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)中需要解決的問(wèn)題。相比于集中式架構(gòu)，分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)需要避免單一的故障點(diǎn)及多節(jié)點(diǎn)多角色的一致性問(wèn)題等。

總之，集中式架構(gòu)和超融合架構(gòu)各有利弊，建設(shè)和提升數(shù)據(jù)中心可根據(jù)具體需求來(lái)選擇更適合的架構(gòu)。集中式架構(gòu)在存儲(chǔ)和計(jì)算差距（小計(jì)算大存儲(chǔ)或大計(jì)算小存儲(chǔ)容量的狀況）較大的場(chǎng)合更為適用，超融合架構(gòu)適合于存儲(chǔ)和計(jì)算同步增加的場(chǎng)合。超融合架構(gòu)其高I/O、易擴(kuò)展、低成本、易管理等明顯特性決定其在一段時(shí)間內(nèi)將成為數(shù)據(jù)中心發(fā)展的主要方向。

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