超融合基礎架構

超融合基礎架構(Hyper-Converged Infrastructure)是一種集成了虛擬計算資源和存儲設備的信息基礎架構。在這樣的架構環境中，同一套單元設備中不但具備了計算、網絡、存儲和服務器虛擬化等資源和技術，而且多套單元設備可以通過網絡聚合起來，實現模塊化的無縫橫向擴展(Scale—Out)，形成統一的資源池。 ^[2] 

超融合基礎架構是以硬件服務器為基礎，最大限度實現數據中心容量擴展性和數據的可用性。超融合架構以虛擬機為核心，提升集羣的運算效能和存儲空間，具有簡單、高效、高性能、易部署等優勢。成本的控制和風險防範等方面，它不需要單獨採購服務器和存儲，節省了大量的機櫃空間，而且對電源的消耗較小。系統所採用的軟件和硬件都是統一的技術接口，而且不存在虛擬化環境的資源爭搶問題，可以靈活調配資源，方便快捷。在超融合架構模式下，用户所使用的虛擬機和存儲空間是利用軟件構建的，這樣就使得底層物理設備與用户之間保持隔離的狀態，實現了硬件資源與虛擬化平台的完整融合。用户可以以堆疊的形式實現節點的添加，進而實現超融合架構叢集容量的擴展。 ^[2] 

超融合技術主要組件有三大組成部分：計算虛擬化、存儲虛擬化、網絡虛擬化。計算虛擬化四大主流路線有KVM、VMWARE、Hyper-V、Xen，存儲虛擬化兩大主流路線glustfs、ceph，網絡虛擬化一般採用自研的方式，主要技術有VxLAN、SDN等。 ^[2] 

超融合系統將存儲和計算功能集成到一個單一節點（或節點集羣，每個節點都提供計算和存儲功能），超融合系統都具有以下通用核心組件： ^[3] 

（1）分佈式存儲系統：構建在虛擬化平台之上，在服務器虛擬化基礎上，通過部署存儲虛擬設備的方式，對本地存儲資源進行虛擬化，再經集羣整合成資源池，為應用虛擬機提供存儲服務。 ^[3] 

（2）高速網絡：GE/10GE以太網交換機，或者Infiniband光纖交換機為分佈式計算和存儲集羣提供可擴展和高可用性的網絡通道。 ^[3] 

（3）統一管理平台：其管理程序除了提供硬盤或SSD硬件抽象層之外，還提供工作負載鄰接、冗餘、故障遷移、管理和容器化作用。 ^[3] 

因此，超融合架構可以基於X86服務器等低單價企業服務器為基礎，對服務器的內置硬盤資源進行虛擬化，提供 raid後的存儲空間供服務器使用。服務器採用集羣的方式部署在數據中心的多個機架內，通過機架間及機架內的高速二層交換網絡提供極高的連接可靠性。整個超融合集羣系統，以一個2UX86機架服務器提供40TB裸容量為例，一個100個服務器組成的集羣可以提供4PB的存儲容量，可滿足90%以上企業的業務增長需求。通過批量採購的商用服務器可使基於超融合架構建設的數據中心具有較高的性價比。 ^[3] 

超融合基礎架構繼承了融合式架構的一些特性，同樣都是使用通用硬件服務器為基礎，將多台服務器組成含有跨節點統一儲存池的羣集，來獲得整個虛擬化環境需要的效能、容量擴展性與數據可用性，可透過增加羣集中的節點數量，來擴充整個羣集的運算效能與儲存空間，並透過羣集各節點間的彼此數據複製與備份，提供服務高可用性與數據保護能力。而為能靈活地調配資源，超融合架構也採用了以虛擬機(VM)為核心，軟件定義方式來規劃與運用底層硬件資源，然後向終端用户交付需要的資源。 ^[4] 

1、運算單元與儲存單元的融合

傳統的存儲區域網絡架構使用的運算和儲存單元是分離的。傳統的服務器外接SAN交換機、儲存設備等，超融合架構則將運算和儲存單元合二為一。這樣每個服務器節點單元同時可提供運算資源和儲存空間，每一台超融合架構的服務器節點就相當於傳統服務器外接SAN交換機和儲存設備，即使用服務器節點的磁盤驅動器來提供需要的儲存空間。 ^[4] 

2、實際的硬件資源與虛擬化平台的完整融合

超融合架構是通過虛擬化平台軟件來合理硬件資源的，運算資源和儲存資源都是通過虛擬機來合理調配使用，是一種以虛擬機為核心的虛擬化應用。另外，超融合架構的運算資源和儲存資源都是軟件定義化的，硬件部份只是一台普通的通用硬件服務器，用户使用的虛擬機與儲存空間完全依靠Hypervisor等軟件所構建，隔絕了用户與底層的物理設備。 ^[4] 

3、更易於管理的超融合架構

在融合式架構中，由於運算與儲存資源是由各自獨立的服務器與儲存設備來提供，操作管理也是獨立的，管理者必須分別透過不同的管理工具來管理這兩種設備。管理者須在儲存設備上從LUN、連接映像等這些設定着手，然後再將設定好的儲存裝置掛載到服務器主機上，通過Hypervisor提供給VM使用。超融合架構，運算與儲存二合一，只需單一的平台就可同時管理運算和儲存資源的設定。用户可根據自身需要來設定運算與儲存資源的服務等級，實際資源的分配可由管理平台自動完成，管理變得輕鬆而簡單。 ^[4] 

4、縱向構建和橫向擴展

超融合架構由於把運算與儲存融合在一台設備，每台超融合設備都含有獨立、完整的運算、儲存硬件資源，所以每台設備也就構成了一個獨立的基礎單元。通過叢集架構，用户可以以一台超融合設備為單元，以堆疊的方式將更多的節點加入到叢集中，來擴展整個超融合架構叢集的容量。 ^[4] 

超融合技術，又稱“超融合架構技術”，是指在單個一體化基礎架構中同時具備計算、存儲、網絡和虛擬化等資源和技術的架構。超融合架構打破了傳統的服務器、網絡和存儲的孤立界線，將CPU、內存、存儲、網絡、虛擬化技術整合在一台設備上，每一台設備作為一個單元節點，多節點通過網絡聚合實現模塊化的無縫橫向擴展，形成統一的資源池。 ^[5] 

超融合架構以通用x86服務器為基礎，通過集成計算、存儲、網絡及虛擬化技術，匯聚單台服務器的存儲形成跨多個節點統一存儲池的集羣，提供更好的性能和擴展性。通過增加集羣中的節點數量，即可擴展整個集羣的計算性能和存儲容量，並通過集羣各節點間彼此的數據複製與備份，提供服務高可用性與數據保護能力。 ^[5] 

1、融合

傳統架構下的計算資源和存儲資源是分離的，服務器通過SAN交換機與存儲設備連接獲取存儲空間。超融合技術改變了傳統服務器、存儲、網絡相互孤立的基礎架構，實現計算資源、存儲資源和網絡資源的統一融合，每一台超融合節點單元可同時提供計算資源和存儲空間。超融合架構採用軟件定義的體系結構，不再依賴於硬件，計算、存儲、網絡完全虛擬化並由軟件控制。服務器和存儲得到了統一的部署和管理，併為整個虛擬化體系提供了簡單、通用的管理和自動化平台。 ^[5] 

2、敏捷

超融合技術通過軟硬件一體化的融合，實現設備快速交付、架構彈性伸縮、業務敏捷部署和系統精簡運維。超融合一體機在出廠時已根據需求完成硬件的集成和軟件的安裝，設備上架開機即可交付使用，極大簡化了設備安裝調試的複雜度。超融合技術基於虛擬化和軟件定義，構建扁平化、隨需而變、彈性可擴展的敏捷架構，所有資源均可按需部署、靈活調度和動態擴展。傳統架構下的計算資源、存儲資源和網絡資源由不同的設備提供，管理者必須分別通過不同的管理工具管理多種設備，超融合架構下只需通過單一的平台即可同時管理計算、存儲和網絡資源，降低運維難度，實現精簡運維。 ^[5] 

3、安全

超融合技術實現了計算、存儲和網絡資源的融合，原來分散在不同服務器和存儲設備上的數據全部集中在超融合節點本地磁盤上，系統及數據的安全風險隨即凸顯。超融合架構採用集羣管理方式，系統出現故障時能夠自動在其他節點設備上重啓，避免物理環境的單點故障。數據多副本機制實現數據分散存放，不同數據副本放在不同的超融合節點上，當一個節點出現故障時，仍然可以依靠其他節點上的數據副本繼續對外提供服務，有效保障業務連續性和數據安全。 ^[5] 

4、開放

超融合架構採用軟硬件解耦架構，在服務器層面，超融合架構能夠在任何x86服務器上運行，與物理服務器的硬件配置無關，無需修改上層系統和應用即可運行;在存儲層面，超融合架構支持與各種類型的外置存儲進行對接，將數據存儲到外置存儲或使用外置存儲作為備份介質;在網絡層面，超融合架構無需依賴任何支持特定協議的網絡設備，支持與現有網絡設備組網連接。超融合架構能夠為上層應用屏蔽底層複雜和異構的基礎架構，對主流操作系統和應用進行兼容性適配和性能優化集成。 ^[5] 

1、服務器虛擬化

服務器虛擬化是整個超融合架構中的核心組件，基於裸金屬架構的虛擬化程序直接運行在服務器上，實現對服務器物理資源的抽象，將CPU、內存、硬盤等服務器物理資源轉化為一組可統一管理、調度和分配的邏輯資源，並基於這些邏輯資源在單個物理服務器上構建多個同時運行、相互隔離的虛擬機執行環境，實現更高的資源利用率，減少系統管理的複雜度，加快對業務需求的響應速度，提供高可靠、高可用的應用服務。 ^[5] 

2、存儲虛擬化

存儲虛擬化是將集羣各節點服務器上獨立的硬盤存儲空間進行組織聚合，構成一個共享的存儲資源池，所有的存儲資源在這個存儲池中統一管理，實現存儲資源的自動化管理和分配，構建高效靈活的存儲架構與管理平台，提供高可靠、高性能存儲。存儲虛擬化基於分佈式存儲系統，融合了分佈式緩存、SSD讀寫緩存加速、多副本機制等多種存儲技術，在功能上與獨立共享存儲完全一致。存儲虛擬化通過SSD緩存，可以大幅提升服務器硬盤的I/O性能，實現高性能存儲和業務高效可靠運行。存儲虛擬化採用多副本機制，一份數據同時存儲在多個不同的物理服務器硬盤上，提升數據可靠性，保障關鍵業務安全穩定運行。此外，由於存儲和計算完全融合在一台服務器上，省卻了外置磁盤陣列的控制器、光纖交換機等設備，達到了降低成本的目的。 ^[5] 

3、網絡虛擬化

網絡虛擬化通過實現網絡中所需的各類網絡連接服務(包括路由、交換、安全、負載均衡等)按需分配和靈活調度，提供了全新的網絡連接運維模式，解決了傳統硬件網絡的眾多管理和運維難題，可滿足業務應用對網絡快速、靈活自動化部署的需求。 ^[5] 

1、極簡的架構

超融合架構直接將存儲分散部署到每台PC服務器上，在服務器上部署了快速的閃存盤和大容量傳統機械磁盤，來應對系統高IO需求和大容量存儲的需要。因此，超融合架構能實現高速訪問本地數據，無需跨網絡訪問。超融合架構還包括備份軟件、快照技術、重複數據刪除、在線數據壓縮等元素，多套單元設備可以通過網絡聚合起來，實現模塊化的無縫橫向擴展（scale-out），形成統一的資源池，它的擴展方式變為橫向增加節點即可。通過這種標準化的模塊，用來搭建數據中心無疑是非常方便的，這不僅大大方便客户的搭建管理，同時也增強了系統的靈活性，同時讓部署和運維都更簡單。 ^[6] 

（1）讓系統更靈活

隨着雲計算和大數據時代的來臨，企業需要IT系統能夠快速的跟上業務需求。超融合讓系統的擴展更靈活。客户只需要根據需求購買相同的配置，就可以快速的實現IT系統的擴展。 ^[6] 

（2）部署更簡單

超融合在於對服務器、存儲、網絡的融合，由於採用開箱即用的部署方式，大大簡化規劃、連接、配置等複雜的管理操作。像樂高積木一樣，只需要相同的模塊，根據客户的需求，就可以搭建出各種各樣的模型。樂高積木就相當於超融合，而搭建出來的模型就是數據中心。交付時間可以從過去的十幾天縮短到一兩天，大大縮短交付的時間。 ^[6] 

（3）運維更簡單

與傳統架構相比，超融合架構管理更為簡單，傳統架構下，虛擬化、服務器、存儲、網絡四層需要分別進行管理配置，非常的複雜和繁瑣，超融合將這些功能集成到一個用户界面上，用户可以在一個運維界面上，實現計算和存儲的資源池化、CPU/內存/存儲等資源的動態分配、虛擬機的創建和啓動，給用户帶來極大的便利。總的來説就是，超融合架構具備了統一的系統管理、監控、維護等特點。 ^[6] 

2、高可靠性

通過全部功能組件的全部軟件定義，企業級雲實現了硬件無關的分佈式架構，可以做到硬件故障不影響業務。平台內嵌的CDP功能，當管理員誤刪除數據庫或業務系統遭遇勒索病毒時，可將數據一鍵恢復到過去3天內的任意1秒。DRX/DRS智能調度技術，保障業務不因資源不足而導致不可用。 ^[6] 

3、高性能

企業級雲通過分佈式存儲分層技術、邏輯條帶化技術，以及通過優化NUMA和大頁內存技術等，充分滿足互聯網業務、實時交易系統、BI分析等業務，以及OracleRAC、MySQL等數據庫集羣和ERP、MES、HIS等關鍵應用對性能的高需求。 ^[6] 

4、高安全性

企業級雲能夠為用户提供平台安全、數據安全、應用安全、邊界安全+雲端安全的4+1立體式安全防護體系，由內而外構建數據中心堅固的安全防護堡壘。當用户有安全合規需求時，通過安全中心提供完整的安全規劃建議、安全建設模板，真正做到安全可視，幫助用户快速構建自己的雲安全體系。 ^[6] 

5、高性價比

採用超融合架構，用户的整體擁有成本（TCO）將明顯降低；利用超融合設備，不但可以快速搭建出一個數據中心，更重要的是，利用超融合這種方式，能夠讓客户在搭建過程更方便，客户不需要再對基礎設施進行調研，只需要瞭解自己的需求，同時瞭解到超融合設備，這樣就能夠快速的實現搭建。在應用方面無疑大大節省了企業的成本。 ^[6] 

超融合基礎架構的迅速發展使得管理員可以在更多的虛擬化存儲解決方案當中進行選擇。

儘管市場上已經擁有多種軟件定義存儲和存儲虛擬化解決方案，但是存儲的本質並沒有發生變化。虛擬機體積不會減小，數量也不會降低。對於已經擁有超融合基礎架構的企業來説，部署和管理專用超融合基礎架構和網絡是一種十分寶貴的經驗。儘管這種方式通常需要在硬件和人員方面進行大量投資，但是可靠性和性能表現也是非常值得稱道的。超融合基礎架構產品也能夠提供很多相關功能，比如數據鏡像、去重複化、加密和災難恢復等。

融合和超融合基礎架構的出現為企業帶來了存儲方面的困惑：如何為現有虛擬化環境選擇理想的存儲解決方案，保證其能夠適應未來的發展趨勢為了做出正確的決定，管理員需要理解融合和超融合基礎架構之間的區別，以及傳統存儲硬件將繼續扮演怎樣的角色。

超融合基礎架構將計算、網絡和存儲等資源作為基本組成元素，根據系統需求進行選擇和預定義。這種方式基於現有的硬件模塊，因此能夠實現快速擴展，並且如果不同模塊之間相互兼容，那麼擴展過程將會非常簡單。超融合基礎架構這種預配置產品前期會產生大量開銷，因為企業不僅需要支付技術費用，還需要請廠商完成完成相關集成工作。隨着時間延長，超融合基礎架構總擁有成本能夠控制在合理範圍之內。用户在更改和升級基礎組件方面擁有部分靈活性，但僅限於超融合基礎架構廠商允許的範圍之內。在超融合基礎架構當中，存儲控制器仍然是硬件設備，並且由“傳統”存儲區域網絡（SAN）或者網絡附加存儲（NAS）解決方案所控制。這種方式更加類似於將傳統的數據中心組件封裝在一個專用容器當中。

“超級”融合基礎架構意味着既利用融合基礎架構的現有優勢，又增加了額外的軟件層，將計算、網絡和存儲等資源封裝在單個容器當中，而不是以基礎組件的形式提供。藉助於Nutanix或者EVO:RAIL等相關產品，超融合基礎架構可以在存儲硬件當中不再使用存儲控制器，將這項功能加入到hypervisor層的軟件服務當中。將存儲控制器轉換為軟件服務可以在功能方面提供更大的靈活性。這種“分散式”超融合基礎架構能夠降低專用超融合基礎架構和網絡的複雜性。在降低本地存儲開銷的同時，提供許多高級特性，比如複製和去重複化。　由於能夠解決企業當中的許多存儲問題，融合和超融合基礎架構產品已經獲得了大量關注。如果超融合基礎架構嘗試在存儲平台當中使用標準服務器，那麼會在硬件耐用性和性能方面遇到問題。因此可以通過在超融合基礎架構當中應用軟件定義存儲特性來解決這些問題，因為超融合基礎架構主要用途就是處理虛擬環境當中的負載。