高校數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)探究

彭飛

摘要：解析高校數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的演化歷程，論述全新的數(shù)據(jù)中心解決方案——超融合技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理和實(shí)際的應(yīng)用場景，說明超融合技術(shù)適合高校的數(shù)據(jù)中心建設(shè)，比較三個(gè)廠商的超融合平臺，為高校技術(shù)選型提供參考。

關(guān)鍵詞：超融合;數(shù)據(jù)中心;分布式;SDS;SPOC

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）19-0014-02

云計(jì)算、大數(shù)據(jù)的迅猛發(fā)展和信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，促使傳統(tǒng)IT必須革新現(xiàn)有架構(gòu)，以滿足不斷增長的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)需求。數(shù)據(jù)中心作為IT的重要組成部分，已經(jīng)多次進(jìn)行了改進(jìn)，高校的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施也從最初的大型機(jī)系統(tǒng)逐步演變?yōu)槿诤舷到y(tǒng)，隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在又開始走向分布式云平臺。經(jīng)過總結(jié)一些高校的實(shí)施案例，本文提出，在現(xiàn)階段高校數(shù)據(jù)中心改、擴(kuò)建前期，需要綜合考慮數(shù)據(jù)中心能夠承載的業(yè)務(wù)規(guī)模大小以及其具備隨業(yè)務(wù)需求而不斷動(dòng)態(tài)擴(kuò)張的能力，建議選擇超融合技術(shù)[1]，它是一種基于大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)數(shù)據(jù)中心的最佳實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了一種全新的web-scale（互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)展架構(gòu)）理念，包含當(dāng)前及未來一段時(shí)間數(shù)據(jù)中心需要的關(guān)鍵技術(shù)：分布式計(jì)算、存儲(chǔ)系統(tǒng)、系統(tǒng)的自恢復(fù)能力等。

1 高校數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)演化

數(shù)據(jù)中心是由一組設(shè)備構(gòu)成的，包括服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)及電力制冷等，提供業(yè)務(wù)應(yīng)用所需要的計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)這三項(xiàng)最重要的能力，經(jīng)過不斷變革，今天的數(shù)據(jù)中心逐步形成軟件定義的模塊化、智能化，取代以往的硬件模式。在近20年的高校數(shù)據(jù)中心的發(fā)展歷程中，數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施主要經(jīng)歷了分散式、整合式、虛擬化、融合系統(tǒng)這四個(gè)階段，如圖1所示。

在高校數(shù)據(jù)中心的發(fā)展初期，業(yè)務(wù)系統(tǒng)通常部署在單臺服務(wù)器中，使用服務(wù)器自帶的磁盤或外部DAS（直連存儲(chǔ)）提供存儲(chǔ)能力，這樣直接導(dǎo)致其計(jì)算、存儲(chǔ)能力被束縛在單臺服務(wù)器內(nèi)，無法有效的擴(kuò)展。于是高校便開始將數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)設(shè)備由DAS變?yōu)榧惺焦蚕泶鎯?chǔ)SAN，這種架構(gòu)有效地提高了存儲(chǔ)利用率、可管理性，加之系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的集群功能，可用性也進(jìn)一步提高，但隨著服務(wù)器增多，導(dǎo)致服務(wù)器資源利用率降低[2]，不同的服務(wù)器品牌和型號使得運(yùn)維困難，這時(shí)服務(wù)器虛擬化技術(shù)引入了整合式架構(gòu)，進(jìn)化為虛擬化架構(gòu)，這樣便提高了資源利用率和運(yùn)維效率[3]。但隨著虛擬機(jī)對于存儲(chǔ)空間的巨大消耗，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心需要的存儲(chǔ)設(shè)備不斷增多，成本越來越高，為了解決這些問題，有些資金充足的高校開始引入融合系統(tǒng)，即在一個(gè)大的機(jī)架中集成了服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、存儲(chǔ)交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備，可以通過疊加模塊的方式進(jìn)行橫向擴(kuò)容，降低了用戶自行集成的復(fù)雜度，但融合系統(tǒng)通過硬件堆砌和軟件集成的方式，在集成效果上十分不理想，且只能使用同一標(biāo)準(zhǔn)的指定廠家設(shè)備，這樣造成高校的數(shù)據(jù)中心成本相比虛擬化架構(gòu)也是有增無減。

通過演化歷程發(fā)現(xiàn)，高校數(shù)據(jù)中心始終處于服務(wù)器、集中式共享存儲(chǔ)和存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)這三層架構(gòu)，其成本、性能、可擴(kuò)展性、可靠性、可維護(hù)性等都存在許多問題，所以現(xiàn)在高校急需選擇一種成本較低、性能優(yōu)越、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)融為一身的體系結(jié)構(gòu)來建設(shè)數(shù)據(jù)中心。超融合技術(shù)通過分布式架構(gòu)、軟件定義存儲(chǔ)（SDS）[4]及自修復(fù)等核心體系結(jié)構(gòu)，具備更小顆粒的擴(kuò)展性、較高的性價(jià)比和方便統(tǒng)一的運(yùn)維平臺，使得其很快成為高校數(shù)據(jù)中心新建、更新的首選解決方案。

2 超融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理和應(yīng)用場景分析

2.1 實(shí)現(xiàn)原理

超融合通過軟件定義存儲(chǔ)，將分布在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的磁盤形成一個(gè)虛擬的存儲(chǔ)系統(tǒng)，理論上存儲(chǔ)可以不受橫向擴(kuò)展的限制，這樣就涉及一些基本的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

（1）元數(shù)據(jù)（MetaData）

所謂元數(shù)據(jù)，簡而言之就是數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，例如原始數(shù)據(jù)的分布位置等原始數(shù)據(jù)的屬性描述信息。元數(shù)據(jù)是超融合平臺的核心，對于集群的擴(kuò)展性及彈性起到了至關(guān)重要的作用。由于分布式架構(gòu)原因，根據(jù)CAP理論 （Consistency/Availability/Partition Tolerrance，分區(qū)容錯(cuò)性理論）? 和BASE原則[5]，超融合平臺一般會(huì)把元數(shù)據(jù)復(fù)制成n份副本（元數(shù)據(jù)和n個(gè)副本一般為奇數(shù)個(gè)，即3、5或7等），并保存在不同的節(jié)點(diǎn)上，當(dāng)元數(shù)據(jù)寫入內(nèi)容（包括更新），會(huì)將內(nèi)容同時(shí)復(fù)制到其他對等節(jié)點(diǎn)上，多數(shù)節(jié)點(diǎn)同意后，內(nèi)容才會(huì)被提交，內(nèi)容的提交采用Paxos算法（也可以選用Raft算法）強(qiáng)制一致性，確保數(shù)據(jù)的強(qiáng)一致。

（2）冷熱數(shù)據(jù)分層

權(quán)衡成本和性能，節(jié)點(diǎn)的本地磁盤有時(shí)候會(huì)使用SSD和HDD組合的形式，這樣SSD就變成緩存層。超融合一般會(huì)智能的將冷熱數(shù)據(jù)進(jìn)行分層。基于程序訪問的局部性等原理，將經(jīng)常訪問的熱數(shù)據(jù)放置到SSD層，當(dāng)熱數(shù)據(jù)不經(jīng)常被訪問，就會(huì)當(dāng)成冷數(shù)據(jù)遷移到HDD。冷熱數(shù)據(jù)可以根據(jù)訪問的頻度智能遷移，當(dāng)順序I/O或者單個(gè)文件體積比較大時(shí)，會(huì)跳過SSD直接寫入HDD。

（3）副本

元數(shù)據(jù)具備n份備份，原始數(shù)據(jù)也會(huì)保存多個(gè)副本，這樣當(dāng)磁盤或節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，所有數(shù)據(jù)均會(huì)得到保護(hù)，集群會(huì)重建數(shù)據(jù)。此時(shí)正常元數(shù)據(jù)會(huì)掃描得到發(fā)生故障的設(shè)備上的數(shù)據(jù)副本的位置，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)重建任務(wù)。副本機(jī)制可以理解為數(shù)據(jù)備份，是分布式系統(tǒng)保證數(shù)據(jù)一致性和可靠性的基礎(chǔ)。在設(shè)備故障中，又可以分成磁盤故障、控制虛擬機(jī)故障和節(jié)點(diǎn)故障等不同的情況，但所有的故障，只要處于副本機(jī)制的可控閾值內(nèi)，系統(tǒng)都會(huì)正常運(yùn)行。

（4）數(shù)據(jù)本地化

傳統(tǒng)的共享存儲(chǔ)的方式，所有數(shù)據(jù)都不會(huì)如分布式存儲(chǔ)這樣離散的保存。在分布式架構(gòu)下，數(shù)據(jù)訪問模式發(fā)生了改變，數(shù)據(jù)不再集中在一個(gè)或幾個(gè)存儲(chǔ)中，而是會(huì)離散到集群中的不同節(jié)點(diǎn)上，虛擬機(jī)訪問的數(shù)據(jù)有可能不在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，尤其是經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，會(huì)帶來一定的延時(shí)（如果采用Infiniband這種高帶寬低延時(shí)，則基本不存在這方面問題）。

超融合技術(shù)一般還包括存儲(chǔ)容量優(yōu)化技術(shù)（糾刪碼、壓縮和重復(fù)數(shù)據(jù)刪除）等，以上技術(shù)實(shí)現(xiàn)都使得超融合技術(shù)可以將計(jì)算、存儲(chǔ)快速橫向擴(kuò)展，也具備企業(yè)級可用性和安全性等特點(diǎn)。

2.2 應(yīng)用場景分析

作為一種先進(jìn)的高校數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方案，超融合技術(shù)不強(qiáng)求用戶廢棄之前的投資和架構(gòu)，而是可以與現(xiàn)有架構(gòu)共存，也不需要對資源進(jìn)行提前采購，而是按業(yè)務(wù)增長而不斷擴(kuò)容，所以高校可以從小規(guī)模采用超融合技術(shù)并逐步擴(kuò)展。本文經(jīng)過分析實(shí)踐案例，認(rèn)為以下場景適合引入超融合技術(shù)：（1）數(shù)據(jù)中心更新?lián)Q代，（2）新數(shù)據(jù)中心建設(shè)，（3）空間與電力不足，（4）性能瓶頸，（5）可用性困難，（6）新應(yīng)用上線，（7）災(zāi)備數(shù)據(jù)中心，（8）高校分支機(jī)構(gòu)建立需要集中管理，（9）快速上線應(yīng)用等。在某些高校，超融合技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于其核心業(yè)務(wù)、大數(shù)據(jù)、桌面云及私有云和混合云等場景，在超融合平臺上部署和運(yùn)行著諸如OA、網(wǎng)站群、小規(guī)模限制性在線課程（簡稱SPOC）等系統(tǒng)，并且十分穩(wěn)定。

2.3 三種超融合技術(shù)對比

超融合優(yōu)越的技術(shù)特點(diǎn)使得其市場迅猛發(fā)展，許多廠家也紛紛加入，高校需要根據(jù)自身需求對眾多超融合技術(shù)進(jìn)行選型，本文選取市場上的常見的三種超融合技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析介紹，如表1所示。

通過表1可以看出，路坦力、思科和華為分別實(shí)現(xiàn)了超融合技術(shù)里的分布式存儲(chǔ)，雖然這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)有所區(qū)別，但技術(shù)原理與本文所述一致。

路坦力的超融合技術(shù)，采用定制或者OEM的X86服務(wù)器，每個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝虛擬化軟件，并在虛擬化層運(yùn)行著路坦力的控制虛擬機(jī)（CVM），這個(gè)控制虛擬機(jī)是路坦力技術(shù)的核心，其主要負(fù)責(zé)跨越不同節(jié)點(diǎn)之間的存儲(chǔ)信息的溝通及節(jié)點(diǎn)本地磁盤的管理等。路坦力解決方案中，本地落盤策略、SSD緩存、冷熱數(shù)據(jù)分層及設(shè)備高密度都是其優(yōu)點(diǎn)所在，雖然本地落盤及SSD緩存保證高I/O，但硬盤的帶寬無法得到保證，故而路坦力的超融合技術(shù)適合應(yīng)用于高IO需求的業(yè)務(wù)，不適合應(yīng)用于低IO、高帶寬的業(yè)務(wù)，而且其CVM會(huì)消耗比較多的資源，也不能使用原有的舊設(shè)備，使其性價(jià)比大大打折。

思科的超融合技術(shù)除了計(jì)算、存儲(chǔ)分布式之外，還實(shí)現(xiàn)了底層網(wǎng)絡(luò)的分布式，但其HXDP主要部署在UCS服務(wù)器之上，一般還必須使用其SDN技術(shù)ACI，所以售價(jià)十分昂貴，成本比較高，不建議高校場景使用。

華為的超融合技術(shù)是由其原有的一體機(jī)方案演變而來，從架構(gòu)上與其它超融合平臺還是存在一些差距，但華為不斷創(chuàng)新，依托其強(qiáng)勁的硬件也可以提供較為出色的計(jì)算速度和性能，此外，其還支持Infiniband網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使其超融合技術(shù)獨(dú)樹一幟，十分具有競爭力。

以上除了這三家超融合技術(shù)以外，還有基于vSAN技術(shù)的VMware、基于開源Ceph或GlusterFS等技術(shù)的一些國內(nèi)廠商[6]，根據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的不同，他們的產(chǎn)品各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，在高校數(shù)據(jù)中心建設(shè)的技術(shù)選型時(shí)期，一定要多對比，按照自己實(shí)際需求來選擇適合的超融合平臺。

3 結(jié)論

在高校的信息化建設(shè)過程中，數(shù)據(jù)中心始終處于中心地位[7]，如果能將計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源等有效的整合在一起[8]，突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)資源的最大化共享和利用，將是數(shù)據(jù)中心建設(shè)一直追求的目標(biāo)?？梢灶A(yù)見在未來的一段時(shí)期內(nèi)，高校數(shù)據(jù)中心會(huì)逐步向超融合階段邁進(jìn)，本文僅對于超融合實(shí)現(xiàn)的機(jī)理和應(yīng)用場景進(jìn)行論述，希望可以為高校的數(shù)據(jù)中心建設(shè)起到一定的參考作用。

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【通聯(lián)編輯：李雅琪】