基于超融合技術(shù)的無線電管理存儲架構(gòu)設(shè)計

薛 宇，許夢竹，費 偉，魏 文，孟德良

（國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037）

0 引言

“十三五”期間我國無線電管理信息化水平快速提升，各級無線電管理機構(gòu)研發(fā)了眾多業(yè)務(wù)軟件，積累了涉及監(jiān)測、頻率、臺站、衛(wèi)星、檢測等業(yè)務(wù)的海量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對存儲系統(tǒng)的計算、傳輸、擴容和容災(zāi)提出了更為苛刻的要求。傳統(tǒng)集中式存儲架構(gòu)[1]，因承載負荷過高、容量擴展性差、資源利用率低、運維管理復(fù)雜、存儲割裂豎井化等原因，已無法滿足當前海量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的計算分析需求，數(shù)據(jù)中心IT基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)必將產(chǎn)生顛覆性變化。為支撐無線電管理業(yè)務(wù)工作的有效開展，進一步提升“十四五”期間無線電管理信息化水平，本文提出了一種基于超融合技術(shù)的無線電管理存儲架構(gòu)。

1 無線電管理傳統(tǒng)存儲架構(gòu)

“十三五”早期，我國無線電管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的采集分析主要以頻率、臺站、檢測等結(jié)構(gòu)化小文件為主體，整體數(shù)據(jù)量接近GB級。因此，技術(shù)相對成熟、協(xié)議效率更高、性能較穩(wěn)定、兼容性和廠商支持度更好的光纖通道存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Fibre Channel Storage Area Network，簡稱FC-SAN）成為無線電管理的主要存儲體系架構(gòu)。

無線電管理傳統(tǒng)存儲架構(gòu)分為三個層級[2]：計算服務(wù)器、光纖交換機、存儲設(shè)備。如圖1所示，計算服務(wù)器與存儲設(shè)備可通過光纖交換機建立任意連接，組成專用存儲網(wǎng)絡(luò)，I/O請求通過光纖交換機發(fā)送到存儲設(shè)備。FC-SAN存儲設(shè)備一般采用雙控制器架構(gòu)，兩者互為備份，如果一個控制器損壞，系統(tǒng)性能將降低50%，且穩(wěn)定性也隨之下降，影響存儲的正常使用；同時，交換機的網(wǎng)絡(luò)帶寬決定了數(shù)據(jù)傳輸速度，極易成為整個存儲性能的瓶頸。此外，傳統(tǒng)架構(gòu)的存儲控制器最多可擴展至16個，不支持大規(guī)模橫向擴展，而僅通過縱向增加磁盤數(shù)量的擴容方式無法有效提升存儲設(shè)備的對外服務(wù)能力，即存在I/O性能瓶頸。

圖1 無線電管理傳統(tǒng)存儲架構(gòu)

2 基于超融合技術(shù)的無線電管理存儲架構(gòu)

隨著X86平臺實現(xiàn)全部切換，眾多業(yè)務(wù)軟件已完成計算虛擬化改造，數(shù)據(jù)中心對海量無線電管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行了集中式存儲。但是，傳統(tǒng)的集中式存儲平臺互相割裂、橫向擴展性差、資源利用率低、運維管理復(fù)雜，如遇新上業(yè)務(wù)或業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)激增，傳統(tǒng)的集中式存儲性能和存儲容量將無法滿足上層業(yè)務(wù)軟件對易用性和敏捷性的需求。同時，隨著軟件定義技術(shù)[3]和固態(tài)硬盤（SSD）及容器技術(shù)的不斷發(fā)展，無線電管理機構(gòu)對數(shù)據(jù)中心IT基礎(chǔ)架構(gòu)提出了更多需求。在尋求解決方案的過程中，本文引進了基于超融合技術(shù)的無線電管理存儲架構(gòu)[4]。

基于超融合技術(shù)的無線電管理存儲架構(gòu)分為兩個層級：計算和存儲。如圖2所示，超融合架構(gòu)使用X86服務(wù)器替代傳統(tǒng)架構(gòu)中昂貴的專用計算服務(wù)器，并通過軟件定義技術(shù)及虛擬化技術(shù)，將服務(wù)器集群所包含的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等資源進行統(tǒng)一池化管理，形成計算資源池、分布式存儲資源池和網(wǎng)絡(luò)資源池，使得整個IT基礎(chǔ)架構(gòu)更加清晰簡單?；诔诤霞夹g(shù)的無線電管理存儲架構(gòu)具備無單點故障、無性能瓶頸、可彈性擴展等能力，能為數(shù)據(jù)中心提供可靠的連續(xù)業(yè)務(wù)、方便的運維管理和更好的存儲性能。

圖2 基于超融合技術(shù)的無線電管理存儲架構(gòu)

3 傳統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)與超融合架構(gòu)的對比分析

超融合架構(gòu)將計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等資源進行統(tǒng)一池化管理，與傳統(tǒng)架構(gòu)有著本質(zhì)區(qū)別，下面對兩種架構(gòu)進行對比分析。

3.1 存儲可靠性對比

業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)[5]對存儲的可靠性要求頗高。在系統(tǒng)冗余度上，超融合能允許兩個節(jié)點（三個副本）損壞，而傳統(tǒng)存儲最多只能允許一個控制器或磁盤損壞；在系統(tǒng)故障自愈能力上，超融合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)恢復(fù)速度至少為80-100MB/s，而傳統(tǒng)存儲的數(shù)據(jù)恢復(fù)速度一般為60MB/s。如圖3所示。傳統(tǒng)存儲通過人工更換熱備磁盤恢復(fù)數(shù)據(jù)，這會影響磁盤正常讀寫操作，甚至出現(xiàn)二次故障，而超融合系統(tǒng)可以控制數(shù)據(jù)重建速度，從而保障正在運行的業(yè)務(wù)不受影響，并完成數(shù)據(jù)恢復(fù)。

圖3 存儲可靠性對比

3.2 存儲性能對比

存儲性能直接決定了上層業(yè)務(wù)的響應(yīng)速度。超融合架構(gòu)采用分布式存儲作為I/O支撐，相對傳統(tǒng)架構(gòu)可實現(xiàn)較好的多節(jié)點并發(fā)性能；相比于高延時的傳統(tǒng)FC鏈路，超融合同一物理節(jié)點的I/O鏈路為內(nèi)部總線，可實現(xiàn)最短路徑的I/O吞吐，進而支撐更高性能的業(yè)務(wù)；超融合系統(tǒng)相對傳統(tǒng)架構(gòu)可利用SSD充當緩存對性能進行優(yōu)化加速，滿足虛擬化環(huán)境的多種應(yīng)用需求；最重要的一點，傳統(tǒng)架構(gòu)的存儲性能會隨著存儲容量的增加而先增后降，存在性能瓶頸，但超融合的存儲性能可隨硬盤容量線性增加。如圖4所示。

圖4 存儲性能對比

3.3 存儲擴展性對比

存儲擴展性關(guān)系到IT基礎(chǔ)架構(gòu)的重大發(fā)展規(guī)劃。當計算、存儲資源不足或性能不能滿足上層業(yè)務(wù)需求時，超融合架構(gòu)可通過橫向擴展同時增加計算、存儲資源，提高系統(tǒng)I/O性能，整個擴容過程時間短、業(yè)務(wù)不中斷，容量幾乎不受限制，并在存儲擴容完成后能自動進行負載均衡，將數(shù)據(jù)打散在所有節(jié)點，充分利用所有節(jié)點的I/O并發(fā)性能。而傳統(tǒng)存儲架構(gòu)，只能通過增加RAID擴展柜進行有限存儲容量的縱向擴展，不僅受限于性能瓶頸，還不支持數(shù)據(jù)自動負載均衡。

3.4 運維復(fù)雜度對比

簡化運維工作對管理人員至關(guān)重要。在實施部署上，超融合架構(gòu)設(shè)備開箱即用，30分鐘完成安裝配置，而傳統(tǒng)架構(gòu)需專業(yè)人士提前規(guī)劃，耗費2天時間完成部署；在使用運維上，如遇存儲故障，超融合系統(tǒng)可以自動快速恢復(fù)數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)存儲必須人工更換磁盤或存儲控制器；在擴容方面，超融合架構(gòu)簡單快捷，將新節(jié)點納入資源池即可，而傳統(tǒng)存儲操作復(fù)雜，需手動均衡數(shù)據(jù)；在管理維護上，超融合系統(tǒng)通過Web界面實現(xiàn)統(tǒng)一管理維護，方便高效，而傳統(tǒng)存儲需配置專業(yè)管理軟件實現(xiàn)LUN、卷、Raid組劃分，過程繁瑣復(fù)雜。

3.5 成本對比

IT基礎(chǔ)架構(gòu)的成本是領(lǐng)導(dǎo)決策的關(guān)鍵因素。在采購成本上，同樣的硬件配置，超融合系統(tǒng)無須專用SAN存儲和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，只需傳統(tǒng)架構(gòu)成本的60%；在實施成本上，超融合系統(tǒng)的實施快捷高效，人力、時間、財力成本相對傳統(tǒng)架構(gòu)能節(jié)省80%左右；在能耗成本上，超融合一體機能做到高密度整合、模塊化配置，電能相對傳統(tǒng)架構(gòu)最高能節(jié)省40%；在空間成本上，同樣的計算存儲硬件配置，超融合架構(gòu)相對傳統(tǒng)架構(gòu)能節(jié)省5U空間，大幅減少機柜租賃費用。

4 結(jié)束語

當前，IT基礎(chǔ)硬件設(shè)施架構(gòu)已發(fā)生顛覆性變化，國家級無線電管理機構(gòu)迎勢而上，充分發(fā)揮虛擬化技術(shù)和超融合技術(shù)的巨大優(yōu)勢，將全國無線電管理數(shù)據(jù)中心向軟件定義、分布式存儲、敏捷化的模式轉(zhuǎn)變，通過打造多個虛擬資源池進行統(tǒng)一池化管理，簡化日常運維流程，提升無線電管理工作效率，保障眾多業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)正常運行。國家級無線電管理機構(gòu)將繼續(xù)積極轉(zhuǎn)換思維，利用新技術(shù)不斷提高數(shù)據(jù)中心信息化水平，更好地為無線電業(yè)務(wù)保駕護航。