數(shù)據(jù)中心去小型機化可行性研究

王玉璽++周文軍

（江蘇第二師范學(xué)院數(shù)學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院， 江蘇 南京 210013）

摘 要： 數(shù)據(jù)中心對存儲和計算的要求不斷提高，傳統(tǒng)的小型機構(gòu)架出現(xiàn)弊端，以小型機服務(wù)器性能和數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)需求分析為基礎(chǔ)，結(jié)合主流架構(gòu)和技術(shù)，研究了數(shù)據(jù)中心去小型機的必要性和可行性，提出了基于X86開放平臺架構(gòu)、基于虛擬化構(gòu)架和基于公有云替代等三種替代方法，并根據(jù)實際應(yīng)用場景進行了對比測試實驗。結(jié)果表明：在數(shù)據(jù)中心，X86構(gòu)架平臺在設(shè)計合理的情況下，已具備替代小型機架構(gòu)的能力。

關(guān)鍵詞： 小型機； x86； 數(shù)據(jù)中心； 虛擬化

中圖分類號：TP302 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）12-09-04

Abstract： With the increasing requirements of datacenter for storage and calculation， the disadvantages of traditional minicomputer have appeared. Combining with the mainstream architecture and technology of datacenter， the possibility and necessity of removing minicomputer from datacenter are studied， through the analysis of minicomputer servers' performance and datacenter's business demands. Three alternative solutions including the architecture based on X86 open platform， the architecture based on virtualization and the public cloud substitute mode， are presented. And the comparison tests have been done according to the actual application scenario. The results show that with reasonable design， the architecture based on X86 open platform has the ability to replace the minicomputer architecture.

Key words： minicomputer； x86； datacenter； virtualization

0 引言

隨著數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，尤其是云計算技術(shù)的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)中心逐漸演變成集大數(shù)據(jù)存儲、云服務(wù)為一體的高性能計算機資源池，在資源池化的基礎(chǔ)上開發(fā)計算、存儲、運維、管理等一系列的功能，可有效提高單位數(shù)量服務(wù)器的使用率[1]。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心核心業(yè)務(wù)和關(guān)鍵業(yè)務(wù)的計算及存儲任務(wù)主要由RISC小型機完成，隨著X86處理器性能及可靠性提升，這些業(yè)務(wù)正在逐步遷移至X86平臺。根據(jù)最新市場報告，近年來RISC小型機市場占有率從70%降至不足20%[2]，數(shù)據(jù)中心“去小型機化”趨勢明顯。同時，數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)計算和存儲需求總量迅速膨脹，將本地數(shù)據(jù)中心的計算和存儲單元遷移至“公有云”環(huán)境的研究和實施工作也在逐步的展開。

1 數(shù)據(jù)中心小型機架構(gòu)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心選擇小型機，一般作為重要數(shù)據(jù)庫及核心業(yè)務(wù)的主要計算和存儲單元[3]。出于設(shè)備的重要性和運維管理的難度，在小型機平臺搭建完成后若干年內(nèi)很少對其進行大規(guī)模升級。隨著數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)系統(tǒng)的擴張，非核心業(yè)務(wù)服務(wù)器會逐步升級、淘汰，但運行著核心業(yè)務(wù)的小型機卻較難及時升級，導(dǎo)致小型機系統(tǒng)設(shè)備陳舊且超負荷運行，硬件故障率提高，數(shù)據(jù)丟失和業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險加大。小型機硬件和操作系統(tǒng)常來自同一廠商，屬于封閉專用的計算機系統(tǒng)，替換速度慢。針對小型機進行部件升級時，往往設(shè)備、配件已經(jīng)停產(chǎn)；而若對設(shè)備進行整體淘汰更新，新系統(tǒng)建設(shè)成本高，甚至需要對軟件架構(gòu)、業(yè)務(wù)邏輯進行重新梳理和升級，且在未來幾年內(nèi)又會遇到同樣的設(shè)備老化等問題，制約著其業(yè)務(wù)擴展的能力?；谏鲜鲈颍芯恳环N易于業(yè)務(wù)部署且數(shù)據(jù)遷移快捷的小型機替代方案尤為重要，本文提出了三種替代方法。

2 數(shù)據(jù)中心小型機替代方法

2.1 基于x86開放平臺的架構(gòu)

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心普遍采用小型機服務(wù)器加FC-SAN存儲架構(gòu)，支撐核心、關(guān)鍵業(yè)務(wù)中的大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，這類業(yè)務(wù)對CPU性能、磁盤性能和存儲網(wǎng)絡(luò)性能均有較高要求[4]，現(xiàn)有做法是依靠堆積小型機硬件或升級到大型機來滿足性能需求，而在小型機的替代方法中應(yīng)有效保證以上三者性能。

2.1.1 架構(gòu)設(shè)計

結(jié)合數(shù)據(jù)中心對CPU、磁盤和存儲網(wǎng)絡(luò)性能需求，提出一種基于x86開放架構(gòu)的小型機替代方法：計算節(jié)點使用X86服務(wù)器組建計算集群，存儲節(jié)點使用x86服務(wù)器配置PCIE Flash存儲提供高IO性能的存儲服務(wù)；計算單元與存儲單元通過Infiniband網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建低延遲、高帶寬、冗余性的存儲網(wǎng)絡(luò)，架構(gòu)方法如圖1。設(shè)計方法采用三層架構(gòu)：分布式存儲層、網(wǎng)絡(luò)層、計算層。

分布式存儲層：使用x86服務(wù)器，本地磁盤實現(xiàn)共享存儲。設(shè)計思想是，通過軟件對硬件存儲單元統(tǒng)一管理和分配，實現(xiàn)存儲資源統(tǒng)一交付，便于存儲容量的擴展，同時解決了存儲服務(wù)器對硬件過于依賴的問題。利用多臺廉價x86服務(wù)器對磁盤IO壓力進行均衡負載，利用閃存技術(shù)作為高速緩存或直接存儲介質(zhì)，解決存儲的IO瓶頸。

網(wǎng)絡(luò)層：基于Infiniband架構(gòu)的存儲網(wǎng)絡(luò)提供了冗余鏈路，兼顧了高帶寬和低延遲，尤其適用于大型數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用。

計算層：基于x86服務(wù)器設(shè)計，為解決開放x86平臺硬件可靠性不足的問題采用多計算節(jié)點設(shè)計，多節(jié)點間實現(xiàn)負載均衡且節(jié)點間互為備份。該設(shè)計方法優(yōu)勢在于，物理硬件故障不影響業(yè)務(wù)的正常交付，解決了業(yè)務(wù)對硬件資源的高依賴性，同時方便基礎(chǔ)架構(gòu)的升級和淘汰。

2.1.2 關(guān)鍵技術(shù)

分布式存儲架構(gòu)中的數(shù)據(jù)可靠性借助HA方案來解決，如圖2所示。圖2中的DRDB（Distributed Replicated Block Device）是一個基于軟件實現(xiàn)的在服務(wù)器間進行塊設(shè)備數(shù)據(jù)同步復(fù)制的解決方案[5]，這種策略通過網(wǎng)絡(luò)在服務(wù)器之間實現(xiàn)塊設(shè)備同步，輔助Heartbeat HA實現(xiàn)服務(wù)器之間的動態(tài)角色切換，可以有效規(guī)避因物理服務(wù)器損壞造成的分布式存儲中的元數(shù)據(jù)丟失。

2.2 基于虛擬化的架構(gòu)

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的小型機除了作為大型數(shù)據(jù)庫服務(wù)器外，也常作為關(guān)鍵核心業(yè)務(wù)的應(yīng)用服務(wù)器，常出現(xiàn)性能過剩的情況。小型機服務(wù)器在硬件條件允許的情況下，可使用分區(qū)技術(shù)構(gòu)建不同的邏輯服務(wù)器分配給多個應(yīng)用環(huán)境使用。但是這種方法缺少統(tǒng)一的調(diào)度措施，對硬件資源的分配、回收、再利用靈活度較低，且較難實現(xiàn)應(yīng)用的遷移。

利用虛擬化技術(shù)，基于x86服務(wù)器構(gòu)建資源池，可以實現(xiàn)硬件資源的動態(tài)分配、回收，在資源池中部署的應(yīng)用系統(tǒng)，可方便快捷的跨硬件遷移。有效地解決了資源浪費、資源分配回收難和管理繁雜等問題。以VMware產(chǎn)品構(gòu)建虛擬化平臺為研究對象，如圖3使用ESXI作為x86服務(wù)器底層操作系統(tǒng)，首先構(gòu)建出虛擬化集群，實現(xiàn)物理資源的池化，資源池使用統(tǒng)一的調(diào)度管理平臺實現(xiàn)資源動態(tài)分配、回收。動態(tài)遷移[6]技術(shù)提升了資源池中應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性，滿足應(yīng)用在不停機情況下，在x86服務(wù)器之間動態(tài)“漂移”。

當(dāng)虛擬化x86資源池進行大規(guī)模部署后，一個虛擬化集群可同時管理上千臺x86服務(wù)器。基于這種大型的x86虛擬化資源池可作為實現(xiàn)“私有云”的基礎(chǔ)設(shè)施[7]，以此為基礎(chǔ)進行管理和優(yōu)化實現(xiàn)軟件定義的數(shù)據(jù)中心（SDDC）。

2.3 基于公有云的架構(gòu)

與前述x86虛擬化資源池或私有云相比，公有云由第三方企業(yè)提供的“私有云”服務(wù)，通過共享的方式對資源池進行使用。公有云企業(yè)通過計費方式交付虛擬服務(wù)器、虛擬網(wǎng)絡(luò)、虛擬存儲、軟件接口、安全服務(wù)給租戶使用。根據(jù)服務(wù)類型云計算可以分為三個部分：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Iaas）、平臺即服務(wù)（Paas）、軟件即服務(wù)（Saas）。由以上概念出發(fā)，利用公有云資源替代小型機的方案，應(yīng)首先考慮Iaas層面的選型，即對自身業(yè)務(wù)需求進行統(tǒng)計和分類，遷移至公有云的業(yè)務(wù)是否屬于核心業(yè)務(wù)或關(guān)鍵業(yè)務(wù)；同時對業(yè)務(wù)的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、安全需求做全面分析；根據(jù)分析結(jié)果按需購買公有云的資源和服務(wù)。

3 實驗測試

3.1 基于x86開放平臺的架構(gòu)壓力測試環(huán)境

針對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心中的大型數(shù)據(jù)庫應(yīng)用場景，在本文提出的x86開放平臺架構(gòu)基礎(chǔ)上，進行數(shù)據(jù)庫壓力測試，測試工具選擇Apache Jmeter。單臺計算節(jié)點配置雙路Intel E5-2670 cpu，內(nèi)存DDR3 128G；單臺存儲節(jié)點cpu為雙路Intel E5-2620，內(nèi)存DDR3 48G，本地存儲使用400G PCI-Flash。壓力測試結(jié)果如表1所示。

由表1的測試數(shù)據(jù)，x86開放平臺架構(gòu)在硬件滿足需求、軟件及架構(gòu)配置合理的情況下，可滿足傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的大型數(shù)據(jù)庫業(yè)務(wù)要求。

3.2 虛擬化替代方法性能測試環(huán)境

Power服務(wù)器（CPU為Power7 v2.1@4.2GHz）與X86服務(wù)器（CPU為E5-2630L v2@2.40GHz），均使用同一種虛擬化技術(shù)，每臺服務(wù)器各部署一個虛擬機，分配1個虛擬CPU和1G內(nèi)存。使用相同的腳本進行測試，取Excel Throughput、Shell Scripts、System Call測試數(shù)據(jù)進行對比分析。

3.3 公有云替代方法性能測試環(huán)境

使用本地X86服務(wù)器虛擬機與公有云虛擬機性能對比測試，操作系統(tǒng)均選擇Centos 6.7 x64系統(tǒng)，選擇不同的內(nèi)存配置，進行對比測試。使用相同的腳本進行測試，取Excel Throughput、Shell Scripts、System Call測試數(shù)據(jù)進行對比分析。

3.4 實驗結(jié)果分析

分析測試實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在CPU內(nèi)核數(shù)與內(nèi)存數(shù)相同的情況下x86服務(wù)器的三項性能指標比Power服務(wù)器高出5%至357%，測試結(jié)果顯示，同樣的虛擬化底層系統(tǒng)，基于X86的虛擬化性能優(yōu)于基于power的虛擬化性能，對比結(jié)果如圖4所示。

數(shù)據(jù)同時顯示，服務(wù)器使用同級別的Intel cpu和power cpu時，在虛擬化計算性能上x86服務(wù)器性能優(yōu)于小型機服務(wù)器，因此在需要對計算資源進行池化的應(yīng)用環(huán)境中，x86服務(wù)器可以替代小型機服務(wù)器，主流的虛擬化技術(shù)和產(chǎn)品對x86平臺的支撐更優(yōu)，兼容性更好。

在CPU內(nèi)核數(shù)相同的情況下，當(dāng)所測的虛擬服務(wù)器內(nèi)存從512MB提升至1G時，三項性能指標均有一定的提升，提升幅度為20%至55.9%。因此在X86平臺虛擬化架構(gòu)下，合理增加內(nèi)存數(shù)可以有效提升虛擬機的計算性能，性能提升幅度如圖5所示。

綜合測試結(jié)果可知，相比傳統(tǒng)的小型機在虛擬化方面，x86架構(gòu)具有更強的性能優(yōu)勢。數(shù)據(jù)中心使用X86的虛擬化架構(gòu)設(shè)計來替代小型機架構(gòu)具有可行性。在實際應(yīng)用中，應(yīng)針對不同業(yè)務(wù)的存儲需求和計算需求，對基礎(chǔ)架構(gòu)進行科學(xué)的規(guī)劃和設(shè)計，進而充分發(fā)揮x86平臺的虛擬化性能優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心小型機架構(gòu)的多種業(yè)務(wù)類型和應(yīng)用場景，進行了小型機替代方法研究?；趚86開放平臺的架構(gòu)，設(shè)計出適合數(shù)據(jù)中心大型數(shù)據(jù)庫應(yīng)用的小型機替代方法；針對數(shù)據(jù)中心非數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)，研究討論了基于x86虛擬化和公有云架構(gòu)的小型機替代方法。對三種替代方法進行了實驗測試，并對實驗測試結(jié)果進行了分析歸納，證明基于x86的架構(gòu)設(shè)計在數(shù)據(jù)中心多種業(yè)務(wù)類型和應(yīng)用場景中，已經(jīng)具備替代傳統(tǒng)小型機架構(gòu)的能力。

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