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超融合技术白皮书 第四章:超融合技术架构及价值优势

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发表于 23:12 | 显示全部楼层 |阅读模式
4.1  超融合技术架构
                              

技术架构

技术架构
    超融合作为一种新兴的集成系统,从技术架构维度可分为4个层级,从下至上包括:硬件资源层、技术实现层、虚拟资源层、集中管理层。
   1.硬件资源层:以通用的X86服务器为标准载体,包含CPU、内存、固态硬盘、机械硬盘等基本配件,为上层技术实现层提供硬件资源。整个数据中心只需要通用的x86服务器和二/三层交换机硬件,通过计算、存储、网络、安全和管理的完全软件定义,即可替代复杂的传统基础架构,实现了架构的极简化。
   2.技术实现层:将服务器虚拟化、分布式存储、网络虚拟化等几大主流虚拟化技术进行深度融合,利用超融合技术对底层硬件进行全虚拟化,从而将服务器集群所包含的计算、存储、网络资源进行池化,形成虚拟资源池。
    (1)服务器虚拟化: 服务器虚拟化是整个超融合架构的核心组件,是将通用的 x86 服务器经过虚拟化,对最终用户呈现标准的虚拟机。这些虚拟机就像同一个厂家生产的系列化的产品一样,具备系列化的硬件配置,使用相同的驱动程序。
    虚拟机的定义: 虚拟机 (Virtual Machine) 是由虚拟化层提供的高效、独立的虚拟计算机系统,每台虚拟机都是一个完整的系统,它具有处理器、内存、网络设备、存储设备和BIOS,因此操作系统和应用程序在虚拟机中的运行方式与它们在物理服务器上的运行方式没有区别。虚拟机不是由真实的电子元件组成,而是由一组虚拟组件(文件)组成,这些虚拟组件与物理服务器的硬件配置无关,与物理服务器相比,虚拟机具有以下优势:
    i.抽象解耦
ü  可在任何 X86 架构的服务器上运行;
ü  上层应用操作系统不需修改即可运行;
    ii.分区隔离
ü  可与其他虚拟机同时运行;
ü  实现数据处理、网络连接和数据存储的安全隔离;
    iii.封装移动
ü  可封装于文件之中,通过简单的文件复制实现快速部署、备份及还原;
ü  可便捷地将整个系统(包括虚拟硬件、操作系统和配置好的应用程序)在不同的物理服务器之间进行迁移,甚至可以在虚拟机正常运行的情况下进行迁移;
    (2)分布式存储:业界典型的分布式存储技术主要有分布式文件系统存储、分布式对象存储和分布式块设备存储等几种形式。分布式存储技术及其相关产品已经日趋成熟,并在IT行业得到了广泛的使用和验证。在超融合架构中,分布式存储通过磁盘管理、缓存技术、存储网络、冗余副本等技术,管理集群内所有硬盘,“池化”集群所有硬盘的存储空间,通过向服务器虚拟化提供访问接口,使得虚拟机可以进行业务数据的保存、管理和读写等整个存储过程中的操作。分布式存储软件系统具有以下特点:
    高性能:数据分散存放,通过全局负载均衡和分布式缓存技术提高IO性能;
    高可靠:采用集群管理方式,不存在单点故障,灵活配置多数据副本,不同数据副本存放在不同的机架、服务器和硬盘上,单个物理设备故障不影响业务的使用,系统检测到设备故障后可以自动重建数据副本;
    高扩展:没有集中式存储控制器,支持平滑扩容,容量几乎不受限制;
    易管理:存储软件直接部署在服务器上,没有单独的存储专用硬件设备,通过Web 页面的方式进行存储的管理,配置和维护简单。
    (3)网络虚拟化:传统IT架构中硬件定义网络的方式,存在诸多问题:
ü  如何保障虚拟机在保持相应的网络配置策略不变的情况下进行虚机迁移。
ü  虚拟化后的数据中心涉及业务众多,对外部提供云接入服务时,传统的Vlan技术无法满足业务隔离的需求,解决大规模租户和租户之间、业务和业务之间的安全隔离是面临的重要问题。
ü  虚拟化后的数据中心的业务系统的构建和上线对网络功能的快速部署、灵活弹性乃至成本,提出了更高的要求。
ü  在传统网络中,不论底层的IT基础设施还是上层的应用,都由专属设备来完成。这些设备成本高昂,能力和位置固话,难以适应新业务对网络快速、灵活自动化部署的需求。
    为了解决上述问题,业界出现了多种解决方案,大体框架是对基础网络不进行大规模修改的条件下,实现应用在网络上的承载,并能与其它网络业务分离,并且以基于IP的基础网络技术为主。将原本传统的专业网元设备上的网络功能提取出来进行虚拟化,运行在通用的硬件平台上,业界称这种变化为网络功能虚拟化(NFV)。NFV的目标是希望通过广泛采用的硬件承载各种各样的网络软件功能,实现软件的灵活加载,在数据中心、网络节点和用户端等各个位置灵活配置,加快网络部署和调整的速度,降低业务部署的复杂度及总体投资成本,提高网络设备的统一化、通用化、适配性。
   3.虚拟资源层:从虚拟资源池获取相应的资源进行实例化,为应用提供丰富的虚拟化实例,从而大幅减少了专有硬件采购数量,降低总体投资成本,提高了业务部署、调整的速度和整体运维效率。
   4.集中管理层:通过集中式资源管理软件,对底层硬件资源、虚拟资源池和虚拟实例进行统一管理、监控,并支持为不同类型应用灵活分配资源。
    由此可见,超融合架构并不是将多种硬件进行堆砌,软件才是超融合架构的核心,利用超融合软件实现对计算、存储、网络、安全等资源的重新定义,为X86服务器赋予了更多的能力。

4.2  超融合架构特点
超融合架构具备以下几个特点:
    基于通用X86服务器的全资源融合
    超融合架构基于标准的X86服务器,通过软件定义全部功能组件,即可为业务提供所需的计算、存储、网络、安全等资源,数据中心不再需要大量不同种类的硬件设备。
   按需横向扩展
    超融合架构具备模块化的无缝横向扩展能力,用户通过横向扩展更多的X86服务器,即可获得更高的计算能力、更大的存储容量、更高的I/O性能、更大的网络带宽,并且扩容期间业务不中断。
   全分布式架构
    超融合架构采用全分布式架构,软件分布在每一台主机上,数据被复制多份并跨主机保存,同时利用虚拟机HA技术和虚拟负载均衡等技术为应用提供高可靠性。任一主机一旦出现故障,都能保证集群管理不中断、数据不丢失和应用正常访问。
   开箱即用,交付简单
    一般来说,超融合厂商都提供一体化交付方案,即超融合一体机,实现“开箱即用”,设备插电即可进行业务部署工作。即使纯软件交付,也只需要花费很短的时间就能完成软件安装工作。
   资源统一管理
    基于可视化管理平台对计算、存储、网络、安全等资源进行统一管理,解决了传统数据中心多种硬件设备管理割裂而导致的运维复杂的问题,简化了运维工作。

4.3  超融合的客户价值
1.  更简单的建设运维

简单建设运维

简单建设运维
  
超融合精简了传统IT系统的三层架构,采用标准服务器高速互联,即可同时实现计算、存储网络、存储设备的功能,不仅大幅降低了设备的使用量,同时使IT系统的建设运维简单许多。用户只需部署好符合要求的服务器或者超融合一体机,很快就可以部署业务并上线。这点在传统三层IT架构下是很难想像的,传统架构复杂的IT拓扑不仅涉及多种软硬件的安装、连接、调试,同时整个拓扑环节中任何一个小模块的故障,都可能导致整套系统无法正常工作,且需要花费较大的精力和时间来排除故障。
在实施部署上,超融合系统的实施部署采用一体化甚至自动化安装的方式,只需数小时即可完成。而传统存储需要提前规划存储网络、业务网络、不同规格的设备空间、存储空间划分等需求,部分较专业的硬件必须由专业人士部署,差不多要花费一周的时间。超融合架构下用户只需登陆统一的管理界面,即可监控管理整个集群,包括云管理、虚拟机、存储卷、服务器节点、磁盘的全部信息,并能够统一配置管理。当硬盘或节点故障时,超融合系统可以通过告警快速定位故障,并通过更换硬件恢复至健康状态。在传统模式下,用户需要单独维护存储网络、存储设备、虚拟化平台、服务器硬件、以太网设备等,一旦出现故障,需要逐一排除,甚至停机手动修复。
2.  更低的投入成本
IT信息系统的TCO包括建设、运维、人力、能耗等多个方面。毫无疑问,更简单的架构和管理能给用户带来更低的使用成本。
由于超融合系统无需专用SAN存储及SAN存储设备,也无需使用大量HDD硬盘来堆叠出所需要IO性能,因此在同样的性能要求下,超融合产品一般只需传统架构的60%硬件设备;超融合系统实施快捷,时间成本和人力成本相对传统存储节省80%左右;运维成本上,超融合系统极其简便的运维方式,相对传统架构其运维成本甚至可以降低80%以上。另外在相同业务需求下,超融合架构需要更少的硬件,超融合一体机服务器甚至可以做到高密度整合、模块化配置,大幅节省机柜占用空间,电能节省最高可达40%。

3.  更具弹性的IT基础设施
IT架构的扩展性是一个非常重要的问题,企业管理者需要考虑IT整体架构规划、业务发展速度、数据资源打通、重建成本等多方面的问题。
横向扩展性是超融合架构的最大优势之一,得益于超融合的集群弹性架构设计,当资源不足或性能不够时只需增加相应的超融合节点即可相应地增加计算资源和存储资源,满足业务扩展性的需求。超融合的虚拟化集群与分布式存储原生的支持在线轻松扩展,扩展过程时间短且不需停机,也不会影响业务的连续性,当完成存储资源扩容后系统会自动进行容量均衡,这种数据全打散的方式不但能够充分利用整个集群的IO并发性能,而且不会因为本地读写的问题导致某些节点存储使用过少或者过多的情况。传统IT架构只能支持scale-up扩展,在需要扩展容量的时候只能增加扩展柜加大容量,但控制器数量的扩展却十分有限,从而成为性能瓶颈。在需要扩展计算能力的时候,需要手动添加新的服务器资源,并从存储设备中增加硬盘划分新的卷给服务器使用,扩展成本高,且扩展幅度极其有限。
弹性架构.png
4.  更高的业务可靠性
超融合系统采用无中心的分布式架构,任意一个节点均可被无差别地替换;虚机HA、数据多副本机制、系统自检自愈功能能够及时恢复因故障缺失的数据副本,使上层应用可以抵御多次多样的故障,获得持续不断的稳定服务能力。因此在可靠性方面,超融合架构具有明显的优势。在业务层面,超融合集成了虚拟化集群的虚机高可用优势,可以在保证存储安全的前提下,实现原生的跨主机故障切换转移。同时还可以基于虚拟化层的快照、克隆、导入技术,对业务虚机进行有效的逻辑备份。在存储层面,超融合采用的是标准的分布式存储技术,分布式存储所具有的多副本冗余机制、数据打散均衡机制、故障域、纠删码等机制,都能完好的保护超融合系统的数据安全可用。
在冗余模式上,超融合的2/3副本的方式比传统存储的RAID5/6更加可靠,当然3副本的情况下空间损耗也比较多。在冗余度上,超融合可以损坏两个节点(3副本情况下),而传统存储最多只能损坏一个控制器或者损坏一两块磁盘。  在管理粒度上,超融合系统可以根据存储池划分不同副本级别,而传统存储是以RAID组为单位。在恢复速度上,超融合系统数据恢复能力取决于节点数和磁盘数,可轻松达到30分钟1TB的恢复速度,并可以控制数据恢复速度(避免影响正在运行的业务),而传统存储的数据恢复受限于单个数据盘的性能,恢复1TB数据往往需要数小时,二次故障的可能性极高。在恢复能力上,超融合系统可以自动恢复环境到健康状态,而传统存储需要人工更换热备盘。
综上,超融合架构对于传统存储来说更加可靠。
5.  更好的存储性能
由于采用分布式存储作为IO支撑,超融合架构可实现较好的多节点并发性能。部分超融合平台采用数据本地化设计,采用SSD作为加速缓存,将VM所有数据都实现本地化吞吐,因此单业务系统即可实现高速的IO吞吐,多业务并发时的总体性能更是传统IT架构无法比拟的。
在架构上,首先超融合相对传统存储其IO路径更短,超融合系统中,业务虚机与存储介质存在于同一个物理节点,其IO链路即内部总线,而非延时很高的外部以太网或FC链路,因此可以实现最短路径的IO吞吐,实现高性能业务支撑;同时超融合系统天然亲和闪存介质,每个节点都会配置SSD缓存,并在SSD缓存设计上做出深度的优化;此外超融合系统可以通过横向扩展来单个整套系统性能。传统中端阵列8:2 8K混合随机读写性能约3-5万IOPS,还需要海量的HDD硬盘来实现性能支撑。而对于较好的超融合产品,单个节点8:2 8K混合随机读写很容易达到3-5万以上IOPS,10个左右节点就可以达到30-50万IOPS,更多的IO性能保证了在上层能运行更多、更快的业务系统。

作者:中国超融合产业联盟

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