超融合存儲(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

韓銀俊 楊洪章

摘 要：近年來(lái)超融合存儲(chǔ)迎來(lái)了飛速發(fā)展。工業(yè)級(jí)和開(kāi)源級(jí)超融合存儲(chǔ)系統(tǒng)存在諸多不足。中興通訊的超融合存儲(chǔ)在可靠性、一致性、兼容性、擴(kuò)展性、性能等方面突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)。基于超融合存儲(chǔ)的中興云桌面產(chǎn)品在陜西高校市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)模商用，低成本是未來(lái)研究方向。

關(guān)鍵詞：超融合;存儲(chǔ);可靠

1 超融合存儲(chǔ)概述

超融合基礎(chǔ)架構(gòu)是指基于通用的x86服務(wù)器硬件，通過(guò)虛擬化和分布式軟件技術(shù)，提供計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)的虛擬化資源服務(wù)，對(duì)外提供統(tǒng)一的資源池服務(wù)。超融合可以為數(shù)據(jù)中心帶來(lái)最優(yōu)的效率、靈活性、規(guī)模、成本和數(shù)據(jù)保護(hù)。近年來(lái)超融合存儲(chǔ)迎來(lái)了飛速發(fā)展，多套存儲(chǔ)設(shè)備可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聚合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)模塊化的無(wú)縫橫向擴(kuò)展，形成統(tǒng)一的存儲(chǔ)資源池。

2 超融合存儲(chǔ)發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外超融合存儲(chǔ)軟件的研究開(kāi)發(fā)被劃分為兩大陣營(yíng)：工業(yè)級(jí)和開(kāi)源級(jí)：

（1）工業(yè)級(jí)的超融合存儲(chǔ)系統(tǒng)包括：Nutanix、EMC ScaleIO、Vmware VSAN、SmartX ZBS等，其存在成本高昂、需要專業(yè)維護(hù)人員、幾乎被國(guó)外IT巨頭壟斷等缺陷。以Nutanix為例，2013年就已經(jīng)進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，但是經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，市場(chǎng)份額始終難以達(dá)到預(yù)期。究其原因，Nutanix不能滿足國(guó)內(nèi)客戶的真實(shí)需求，在中國(guó)只提供軟硬一體機(jī)，不單獨(dú)提供軟件服務(wù)，這就導(dǎo)致中國(guó)企業(yè)必須將機(jī)房所有服務(wù)器都更換成Nutanix的一體機(jī)，一次性投入過(guò)大。

（2）開(kāi)源級(jí)的超融合存儲(chǔ)系統(tǒng)包括：Ceph RBD、Sheepdog、Gluster等，其存在穩(wěn)定性不夠、功能不夠完善，不具備商用條件等缺陷。以Ceph為例，雖然在學(xué)術(shù)界引起了越來(lái)越多的關(guān)注，但代碼和系統(tǒng)的發(fā)展方向本質(zhì)是由RedHat公司控制，真正應(yīng)用在生產(chǎn)系統(tǒng)的少之又少。主要原因包括：數(shù)據(jù)與負(fù)載的分布均衡性較差、代碼質(zhì)量低下、對(duì)小文件支持不足、整體性能不足。

為了克服上述工業(yè)級(jí)和開(kāi)源級(jí)超融合存儲(chǔ)系統(tǒng)的不足，迫切地需要研究開(kāi)發(fā)具有兼容性強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)、功能完善、易運(yùn)行維護(hù)的超融合存儲(chǔ)系統(tǒng)。

3 中興超融合存儲(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)

ZXEBS是中興通訊的超融合存儲(chǔ)解決方案，在存儲(chǔ)的可靠性、一致性、兼容性、可擴(kuò)展性、性能等方面突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 存儲(chǔ)可靠性

可靠性方面通過(guò)多副本的方式，保證單個(gè)節(jié)點(diǎn)的損壞不會(huì)影響到數(shù)據(jù)的丟失。超融合存儲(chǔ)的可靠性主要依賴多副本機(jī)制保障，通過(guò)分布在不同主機(jī)上的多份數(shù)據(jù)副本，避免在發(fā)生節(jié)點(diǎn)/數(shù)據(jù)損壞時(shí)丟失數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，需執(zhí)行服務(wù)切換操作以保證可用性。在此過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)保證用戶請(qǐng)求不中斷，無(wú)感知，同時(shí)，避免出現(xiàn)雙主機(jī)同時(shí)接受更新操作等問(wèn)題，保證強(qiáng)一致性。

3.2 數(shù)據(jù)一致性

在數(shù)據(jù)一致性方面，通過(guò)日志的方式進(jìn)行序列化和不同節(jié)點(diǎn)直接的數(shù)據(jù)同步，確保強(qiáng)一致。首先保證更新操作的完整性和正確性，解決多客戶端并發(fā)時(shí)的原子性和臟讀問(wèn)題。其次是副本間一致性保證，解決在磁盤損壞、網(wǎng)絡(luò)分區(qū)等異常情況下，多個(gè)數(shù)據(jù)副本的一致性保證機(jī)制。

3.3 存儲(chǔ)兼容性

超融合存儲(chǔ)可直接用于替換本地磁盤、SAN等傳統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備，保證上層應(yīng)用無(wú)須作出任何修改。為保留現(xiàn)有軟硬件投入，基于虛擬塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)方式的訪問(wèn)接口能提供最大限度的兼容性、降低遷移成本。通過(guò)在Linux內(nèi)核IO層實(shí)現(xiàn)自定義的塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)，將IO請(qǐng)求通過(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到多個(gè)服務(wù)端并行處理，能夠提供比iSCSI協(xié)議更高的效率以及更好的擴(kuò)展性。

3.4 存儲(chǔ)可擴(kuò)展性

采用一致性HASH的方法，把數(shù)據(jù)均衡分布到節(jié)點(diǎn)中所有的磁盤上，充分發(fā)揮各個(gè)磁盤的能力，支持在線的服務(wù)節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)容和均衡。通過(guò)軟件方式實(shí)現(xiàn)集群的動(dòng)態(tài)擴(kuò)容、減容，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)資源的按需分配，避免前期投入過(guò)大，降低后期擴(kuò)容的實(shí)施復(fù)雜度。對(duì)于擴(kuò)容＼＼減容，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)為在線的動(dòng)態(tài)操作，避免停機(jī)影響線上業(yè)務(wù)。并在硬件資源調(diào)整后，通過(guò)數(shù)據(jù)遷移等方式，對(duì)數(shù)據(jù)、負(fù)載分布進(jìn)行重新均衡，避免出現(xiàn)熱點(diǎn)或資源利用不充分的情況。

3.5 存儲(chǔ)高性能

通過(guò)SSD的加速，實(shí)現(xiàn)讀寫緩存的加速，大幅提升了存儲(chǔ)IO性能。對(duì)于塊設(shè)備，由于需要維護(hù)的元數(shù)據(jù)信息較少，其管理操作相對(duì)簡(jiǎn)單?；诔Ｒ?guī)的文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟件定義的塊設(shè)備存儲(chǔ)時(shí)，存在不必要的IO開(kāi)銷，降低了系統(tǒng)性能。優(yōu)選的方式是，針對(duì)塊設(shè)備的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)本地KV文件系統(tǒng)作為替代，僅實(shí)現(xiàn)塊設(shè)備所需接口，并針對(duì)性塊設(shè)備的讀寫方式進(jìn)行優(yōu)化，提升性能。

4 中興超融合存儲(chǔ)的應(yīng)用

基于超融合存儲(chǔ)架構(gòu)的中興通訊uSmartView云桌面從2015年進(jìn)入陜西高校市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了在西北大學(xué)，陜西科技大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等高校規(guī)模商用，提供軟硬件一體化的云課堂解決方案。云課堂解決方案將桌面虛擬化技術(shù)和計(jì)算機(jī)教室完美結(jié)合，改變了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)教室結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)集中化、管理智能化、維護(hù)簡(jiǎn)單化，支持互聯(lián)網(wǎng)方式訪問(wèn)桌面，在電子閱覽室、多媒體教室、學(xué)校機(jī)房、老師辦公、圖書閱覽室等環(huán)境下，通過(guò)興云課堂教學(xué)管理軟件，承載主課教學(xué)，支持多種師生互動(dòng)方式和課堂管理方式，為師生提供良好的教學(xué)體驗(yàn)。

5 結(jié)論

中興通訊的超融合存儲(chǔ)解決方案在存儲(chǔ)的可靠性、一致性、兼容性、可擴(kuò)展性、性能等方面突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)。如何在低成本的前提下滿足上述關(guān)鍵技術(shù)特性，是未來(lái)的重點(diǎn)研究方向。

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基金項(xiàng)目：深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)科技應(yīng)用示范項(xiàng)目資金資助項(xiàng)目（No.SF20170036）

作者簡(jiǎn)介：韓銀?。?977-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樵朴?jì)算平臺(tái)。