超融合在高校私有云建設(shè)中的研究與實(shí)踐

賈敏瑞

摘要： 私有云建設(shè)在當(dāng)前各高校信息化建設(shè)中處于非常重要的地位，在私有云的架構(gòu)選擇上存在很多觀點(diǎn)。本論文從技術(shù)的角度對IaaS傳統(tǒng)架構(gòu)和超融合架構(gòu)進(jìn)行了分析。超融合架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了計算虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化的統(tǒng)一整合，并且破除了傳統(tǒng)架構(gòu)中的集中式存儲，采用將各個計算節(jié)點(diǎn)的本地存儲進(jìn)行存儲虛擬化后形成統(tǒng)一調(diào)配的分布式存儲資源池，為私有云提供穩(wěn)定、冗余的存儲環(huán)境。超融合架構(gòu)以其靈活的擴(kuò)展性、穩(wěn)定性、冗余性必將在未來的高校私有云建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：超融合；私有云；虛擬化；IaaS

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）15-0038-02

近年來，隨著信息化建設(shè)步伐的不斷加快，促進(jìn)了信息技術(shù)與學(xué)校發(fā)展融合，回顧學(xué)校信息化建設(shè)，起步于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、逐步建設(shè)分散獨(dú)立的業(yè)務(wù)應(yīng)用，到現(xiàn)在的大數(shù)據(jù)時代，開始了基于云計算的數(shù)據(jù)中心的建設(shè)。在大數(shù)據(jù)、云計算、移動化、互聯(lián)網(wǎng)等信息浪潮的推動下，學(xué)校數(shù)據(jù)中心發(fā)展恰逢其時，將重新思考基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)化升級、創(chuàng)新業(yè)務(wù)應(yīng)用、整體安全規(guī)劃等各個方面[1]。

隨著“云計算”的升溫，基于云的應(yīng)用交付逐步成為IT行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。對于高校信息化建設(shè)者來說，在預(yù)算不變的前提下提升IT效率的最好方法也是搭建私有“云”架構(gòu)。而當(dāng)前的私有“云”必然建立在服務(wù)器虛擬化技術(shù)之上。此時用戶并不需要了解后臺采用了什么技術(shù)，采用了什么軟硬件平臺，用戶也不需要為系統(tǒng)的安全和數(shù)據(jù)保護(hù)而分心，用戶可以安心使用服務(wù)器虛擬化所提供功能和服務(wù)。這就是云計算所提供的功能。

1 私有云基礎(chǔ)架構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

在教育信息化“十二五”、“十三五”建設(shè)的推動下，我國高校在信息化建設(shè)上取得了長足的進(jìn)步，其中高校私有云的建設(shè)更是一個建設(shè)的重點(diǎn)。各高校陸續(xù)建設(shè)了虛擬化平臺、私有云?！笆濉背跗?，信息化技術(shù)較高的高校建立了虛擬化平臺，將原有分散的服務(wù)器資源整合在一起實(shí)現(xiàn)了計算自愿的虛擬化，隨后又在虛擬化平臺的基礎(chǔ)上建成了高校私有云。一些起步比較完的高校在新建私有云項(xiàng)目上有的繼續(xù)按照先進(jìn)院校的模式從虛擬化平臺開始逐步建設(shè)。另一部分高校則放棄傳統(tǒng)虛擬化建設(shè)模式直接采用最新的超融合架構(gòu)建設(shè)私有云。原來起步較早的高校在建成傳統(tǒng)架構(gòu)的私有云后正在嘗試建設(shè)超融合架構(gòu)的私有云。

2 虛擬化技術(shù)簡介

云計算服務(wù)主要有三種不同類型的服務(wù)，即IaaS基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)、PaaS平臺即服務(wù)、SaaS軟件即服務(wù)。高校私有云建設(shè)目前主要以IaaS為主，實(shí)現(xiàn)將硬件設(shè)備（服務(wù)器、存儲）的虛擬化，并向終端用戶提供虛擬硬件的云服務(wù)。IaaS中的關(guān)鍵技術(shù)包括：計算虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化，下面將對著三種技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 計算虛擬化

計算虛擬化是通過虛擬化軟件將X86服務(wù)器的硬件資源虛擬化為多臺標(biāo)準(zhǔn)虛擬機(jī)，虛擬機(jī)如同硬件廠家生產(chǎn)的系列化的產(chǎn)品一樣，具備系列化的硬件配置并使用相同的驅(qū)動程序。最終用戶可以在這些虛擬機(jī)上安裝各種軟件，掛載磁盤，調(diào)整配置，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)，就像普通的X86服務(wù)器一樣進(jìn)行使用。Hypervisor是一種運(yùn)行在物理服務(wù)器和操作系統(tǒng)之間的中間軟件層，允許多個操作系統(tǒng)和應(yīng)用共享一套基礎(chǔ)物理硬件，可以看作是虛擬環(huán)境中的“元”操作系統(tǒng)，它可以協(xié)調(diào)訪問服務(wù)器上的所有物理設(shè)備和虛擬機(jī)，也叫虛擬機(jī)監(jiān)視器（Virtual Machine Monitor ，VMM）。當(dāng)服務(wù)器啟動并執(zhí)行Hypervisor時，它會給每一臺虛擬機(jī)分配適量的內(nèi)存、CPU、網(wǎng)絡(luò)和磁盤，并加載所有虛擬機(jī)的客戶操作系統(tǒng)。從而實(shí)現(xiàn)了將一臺硬件服務(wù)器虛擬化為多臺虛擬的服務(wù)器。

2.2 存儲虛擬化

存儲虛擬化（Storage Virtualization）是對存儲硬件資源進(jìn)行抽象化表現(xiàn)。存儲虛擬化基于底層Hypervisor之上，通過主機(jī)管理、磁盤管理、緩存技術(shù)、存儲網(wǎng)絡(luò)、冗余副本等技術(shù)，管理集群內(nèi)所有硬盤，“池化”集群所有硬盤存儲的空間，通過向虛擬機(jī)提供訪問接口，使得虛擬機(jī)可以進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的保存、管理和讀寫等整個存儲過程中的操作。

2.3 網(wǎng)絡(luò)虛擬化

SDN （ Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）是一種創(chuàng)新性的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它通過標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制層面和數(shù)據(jù)層面的分離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)流量的靈活化、集中化、細(xì)粒度的控制，從而為網(wǎng)絡(luò)的集中管理和應(yīng)用的加速創(chuàng)新提供了良好的平臺，由此可獲得對網(wǎng)絡(luò)的可編程性、自動化和控制能力，使網(wǎng)絡(luò)很容易適應(yīng)變化的業(yè)務(wù)需求，從而建立高度可擴(kuò)展的彈性網(wǎng)絡(luò)。

3 傳統(tǒng)IaaS架構(gòu)

傳統(tǒng)IaaS架構(gòu)主要由服務(wù)器、集中式存儲、光纖交換機(jī)、虛擬化軟件組成。虛擬化軟件將多臺X86服務(wù)器的計算資源整合為一個資源池，根據(jù)具體業(yè)務(wù)的需要將資源池內(nèi)的CPU、內(nèi)存、接口等資源分配給多臺虛擬機(jī)，每個虛擬機(jī)以文件的形式存放在集中存儲上。集中存儲與計算資源池中的每臺物理服務(wù)器之間通過光纖和與交換機(jī)進(jìn)行物理連接，形成FC-SAN的存儲網(wǎng)絡(luò)。整體架構(gòu)如圖1所示：

4 超融合IaaS架構(gòu)

隨著虛擬化技術(shù)的不斷發(fā)展私有云建設(shè)的基礎(chǔ)架構(gòu)也在不斷升級。存儲虛擬化技術(shù)的成熟使超融合IaaS架構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)。超融合架構(gòu)由專門的刀片服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)，每個刀片都作為一個主機(jī)節(jié)點(diǎn)，沒個節(jié)點(diǎn)配置多顆CPU、大內(nèi)存、閃存硬盤和機(jī)械硬盤。虛擬軟件將個節(jié)點(diǎn)的CPU、內(nèi)存進(jìn)行了計算虛擬化，將固態(tài)硬盤和機(jī)械硬盤進(jìn)行存儲虛擬化，形成分布式存儲。計算資源與存儲資源進(jìn)行通訊的網(wǎng)絡(luò)由刀片服務(wù)器內(nèi)部專用總線實(shí)現(xiàn)，無須進(jìn)行萬兆存儲網(wǎng)的搭建，這種設(shè)計即簡化了分布式網(wǎng)絡(luò)的搭建也大大提高了分布式存儲網(wǎng)絡(luò)的帶寬及性能。另外業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)帶寬的靈活分配和業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的隔離提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性。超融合架構(gòu)的每個節(jié)點(diǎn)中的固態(tài)硬盤在分布式存儲中極大地提高了整個存儲的IOPS，閃存硬盤加機(jī)械硬盤的方式在實(shí)驗(yàn)室測試中性能基本可達(dá)到全閃盤的存儲IOPS。整個超融合架構(gòu)中的每個節(jié)點(diǎn)即承擔(dān)計算功能也承擔(dān)存儲功能，每個節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了計算冗余和存儲冗余，任意一個節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障都不會影響上層業(yè)務(wù)的使用。整體架構(gòu)的擴(kuò)展性很好，只需要增加相應(yīng)數(shù)量的超融合一體機(jī)便可以實(shí)現(xiàn)性能的擴(kuò)展。

5 結(jié)論

超融合架構(gòu)的IaaS不論在性能上、穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性上都優(yōu)于傳統(tǒng)架構(gòu)的IaaS，是未來私有云建設(shè)的發(fā)展趨勢。

超融合架構(gòu)改變了原有集中式存儲作為私有云的存儲載體，將存儲資源分散到各個計算節(jié)點(diǎn)中，在存儲擴(kuò)展上更加靈活，成本更低，傳統(tǒng)架構(gòu)在存儲擴(kuò)容上需要購買價格昂貴的集中式存儲，而超融合架構(gòu)只需要增加超融合一體機(jī) 的，一體機(jī)中的每個刀片的配置可以更加靈活，價格也更加低廉。

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