超融合云計(jì)算在高校數(shù)據(jù)中心的實(shí)踐

董慶杰

（哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院 黑龍江省哈爾濱市 150081）

現(xiàn)代社會(huì)虛擬化技術(shù)的成熟度不斷增加，而且成為高校建設(shè)與數(shù)據(jù)管理的主要技術(shù)手段，特別是數(shù)據(jù)中心建設(shè)，將服務(wù)器數(shù)量減少，也提高了資源配置合理性、管理精簡(jiǎn)性。采取虛擬化、云計(jì)算技術(shù)，也在高校數(shù)據(jù)中心內(nèi)部創(chuàng)建了具有動(dòng)態(tài)性的IT 設(shè)施環(huán)境，優(yōu)化數(shù)據(jù)中心架構(gòu)與管理形式。多樣化技術(shù)在高校中的運(yùn)用，增加了系統(tǒng)數(shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)中心運(yùn)行中產(chǎn)生與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，正在以幾何級(jí)數(shù)的態(tài)勢(shì)增長(zhǎng)，而且系統(tǒng)擴(kuò)展也使得服務(wù)器、存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互量增加，存儲(chǔ)速度必須同步提升，才能夠滿足數(shù)據(jù)交互需求。在此基礎(chǔ)上高校建設(shè)數(shù)據(jù)中心，開始采用超融合云計(jì)算技術(shù)，滿足智慧校園建設(shè)多方要求。

1 超融合云計(jì)算技術(shù)

超融合基礎(chǔ)架構(gòu)（Hyper Converged Infrastructure，HCI）屬于全新網(wǎng)絡(luò)共享存儲(chǔ)架構(gòu)形式，是在以往采用的標(biāo)準(zhǔn)通用硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，利用軟件定義，將計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)全面融合[1]。這種超融合云計(jì)算技術(shù)在高校數(shù)據(jù)中心中已經(jīng)得到廣泛使用，而且具備計(jì)算虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化的特點(diǎn)。計(jì)算資源虛擬化是運(yùn)用x86 服務(wù)器，搭配KVM技術(shù)、XEN技術(shù)等，為所有數(shù)據(jù)中心的用戶呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)虛擬機(jī)，虛擬機(jī)內(nèi)部則有系列化硬件配置。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以物理存儲(chǔ)設(shè)備為載體，搭建存儲(chǔ)資源池，也是高校數(shù)據(jù)資源儲(chǔ)存的虛擬平臺(tái)。該平臺(tái)包含若干個(gè)虛擬磁盤，是虛擬機(jī)必需的存儲(chǔ)空間，也可以儲(chǔ)存虛擬機(jī)操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序等重要數(shù)據(jù)。各個(gè)類型的物理存儲(chǔ)設(shè)備均可形成虛擬磁盤，將物理存儲(chǔ)容量、擴(kuò)展性等問題解決。網(wǎng)絡(luò)虛擬化主要指代的是軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Soft-ware Defined Network，SDN），利用OpenFlow技術(shù)、Overlay技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面、數(shù)據(jù)面之間的脫離，網(wǎng)絡(luò)流量控制更加靈活，超融合云計(jì)算架構(gòu)內(nèi)部所有網(wǎng)絡(luò)功能資源，均可結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行有效分配、調(diào)度，在高校數(shù)據(jù)中心建設(shè)中真正達(dá)到網(wǎng)絡(luò)虛擬化的目的[2]。

2 超融合云計(jì)算基礎(chǔ)上的高校數(shù)據(jù)中心優(yōu)勢(shì)

采用超融合云計(jì)算建設(shè)高校數(shù)據(jù)中心，主要在數(shù)據(jù)計(jì)算性能、存儲(chǔ)空間、數(shù)據(jù)備份量、安全性等方面有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。高校數(shù)據(jù)中心集成了若干個(gè)獨(dú)立服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，而且所有服務(wù)器節(jié)點(diǎn)均具備計(jì)算功能、存儲(chǔ)功能，以統(tǒng)一管理系統(tǒng)的形式實(shí)現(xiàn)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)整合。軟件定義集成之后，形成數(shù)據(jù)中心IT 基礎(chǔ)架構(gòu)，采用一體化管理形式，高校數(shù)據(jù)中心的用戶結(jié)合需求便可獲取虛擬資源[3]。

高校數(shù)據(jù)中心運(yùn)用超融合云計(jì)算，在傳統(tǒng)計(jì)算虛擬化前提下，在存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、安全三個(gè)方面新增虛擬化，達(dá)到多集群資源池管理的目的，數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)存資源可以自動(dòng)化調(diào)度，規(guī)模得以擴(kuò)大，時(shí)間、空間更具靈活性，而且高校數(shù)據(jù)資源的彈性也得到提升。此外，數(shù)據(jù)安全方面，應(yīng)用冗余架構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，采取數(shù)據(jù)訪問控制方法，高校數(shù)據(jù)資源更具可靠性。搭建數(shù)據(jù)中心架構(gòu)經(jīng)過多階段演進(jìn)，已經(jīng)進(jìn)入到云化時(shí)期，云計(jì)算平臺(tái)不僅技術(shù)手段更加先進(jìn)，還具有節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，無需更大空間，方便了數(shù)據(jù)中心管理，在諸多高校中得到廣泛應(yīng)用。

3 高校數(shù)據(jù)中心建設(shè)中超融合云計(jì)算的應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)與私有云服務(wù)

3.1.1 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)在高校數(shù)據(jù)中心中屬于核心業(yè)務(wù)，代表的是高校重要的數(shù)據(jù)財(cái)產(chǎn)，所以數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)必須要具備可靠性、安全性。選擇硬件一般更關(guān)注方案成熟度，例如X86 服務(wù)器+光纖存儲(chǔ)。對(duì)比小型機(jī)硬件配件，解決了單一化、成本高的問題，X86 服務(wù)器前期與后期的成本投入比較少。數(shù)據(jù)庫(kù)、商業(yè)應(yīng)用、虛擬化三個(gè)層面的建設(shè)，一般在內(nèi)存、CPU 上有非常高的要求，憑借X86 服務(wù)器可靠性，為后期維護(hù)、系統(tǒng)更新提供了方便，一些關(guān)鍵性業(yè)務(wù)也為賦予可持續(xù)性[4]。服務(wù)器、光交換、存儲(chǔ)服務(wù)器架構(gòu)的設(shè)計(jì)，優(yōu)先采用雙節(jié)點(diǎn)高可用架構(gòu)，光纖存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用2 臺(tái)存儲(chǔ)服務(wù)器，而且每一臺(tái)存儲(chǔ)服務(wù)器安裝2 臺(tái)控制器，構(gòu)建對(duì)稱雙活系統(tǒng)。此系統(tǒng)即便是在其中1 個(gè)控制器離線狀態(tài)下運(yùn)行，也不會(huì)對(duì)業(yè)務(wù)帶來直接影響。如果3 個(gè)控制器均離線，也可以保證業(yè)務(wù)在線。系統(tǒng)中的存儲(chǔ)服務(wù)器設(shè)計(jì)階段配備128GB 緩存，優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)性能。

3.1.2 私有云服務(wù)

高校數(shù)據(jù)中心應(yīng)用超融合云計(jì)算技術(shù)，搭建云化基礎(chǔ)設(shè)置，架構(gòu)方面更具靈活性，也可以在統(tǒng)一資源池中實(shí)現(xiàn)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、安全的集成。計(jì)算與存儲(chǔ)配置方面，私有云平臺(tái)中共計(jì)節(jié)點(diǎn)20 個(gè)，集群規(guī)模超過40G，各個(gè)節(jié)點(diǎn)配置均采用了Intel Xeon Silver 4114處理器和128GB 內(nèi)存[5]。主控機(jī)一旦在運(yùn)行中發(fā)生故障，支持自動(dòng)化故障轉(zhuǎn)移，運(yùn)行資源需求無溢出資源池總量狀況下，可以支持若干個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)離線。該平臺(tái)可以調(diào)度集群資源，處于特殊場(chǎng)景時(shí)虛擬機(jī)在CPU、內(nèi)存利用率相對(duì)較高的主機(jī)，向低利用率主機(jī)遷移，降低高負(fù)載主機(jī)利用率。私有云平臺(tái)設(shè)計(jì)與搭建主要應(yīng)用分布式存儲(chǔ)技術(shù)、二副本策略，所有超融合節(jié)點(diǎn)均搭配了SAS，并且在HCI底層操作系統(tǒng)中安裝， SSD 則是以分布式存儲(chǔ)緩存盤的形式在系統(tǒng)中應(yīng)用，SATA 作為分布式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)盤。當(dāng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)初始化，實(shí)際可用存儲(chǔ)容量、最大讀速度、最大寫速度也會(huì)隨之調(diào)整，性能符合高校應(yīng)用場(chǎng)景需求。如果平臺(tái)運(yùn)行后期面臨存儲(chǔ)容量不足的問題，建議安裝SATA 盤實(shí)現(xiàn)容量擴(kuò)充。

網(wǎng)絡(luò)配置方面，超融合云計(jì)算可以整合所有X86 單元設(shè)備，應(yīng)用以太網(wǎng)技術(shù)達(dá)到模塊化無縫橫向擴(kuò)展的效果，從而在私有云服務(wù)中搭建統(tǒng)一資源池。創(chuàng)建集群要有4 張網(wǎng)絡(luò)，即業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、VXLAN網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)。業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的作用是虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)南北向通訊，運(yùn)用堆疊技術(shù)、千兆接入交換機(jī)，將下行端口速率GE和服務(wù)器連接，上行端口速率則要控制在lOGE，lOGE 鏈路聚合方式需要和核心交換機(jī)連接，以此來搭建冗余業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)二層通信和分布式存儲(chǔ)，支持所有超融合節(jié)點(diǎn)之間儲(chǔ)存數(shù)據(jù)通信。搭建存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)采用全萬兆接入交換機(jī)達(dá)到雙交換機(jī)鏈路聚合效果，確保性能符合要求之后，提升網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)健壯性。VXLAN（Virtual eXtensible Local Area Network）網(wǎng)絡(luò)同樣屬于二層通信，運(yùn)用千兆介入交換機(jī)達(dá)到堆疊的效果，也是虛擬機(jī)東西向流量的主要承載介質(zhì)。構(gòu)建管理網(wǎng)絡(luò)一般應(yīng)用千兆介入交換機(jī)堆疊，也可以在物理服務(wù)器IPMI（Intelligent Platform Management Interface）遠(yuǎn)程管理中發(fā)揮作用，是平臺(tái)終端用戶操作虛擬界面的主要提供者。設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）具有分離網(wǎng)絡(luò)功能、專有硬件設(shè)備的作用。按照高校實(shí)際業(yè)務(wù)種類劃分類別，包括：

（1）業(yè)務(wù)子網(wǎng)—互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)區(qū)；

（2）內(nèi)網(wǎng)業(yè)務(wù)區(qū)；

（3）教學(xué)科研區(qū)。

各個(gè)區(qū)域中的業(yè)務(wù)群均可配備獨(dú)立虛擬機(jī)交換機(jī)，達(dá)到精細(xì)化管理業(yè)務(wù)群、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置、實(shí)時(shí)監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的效果[6]。

災(zāi)備與安全方面，超融合云計(jì)算平臺(tái)主要提供了虛擬機(jī)整機(jī)備份、CDP（Continuous Data Protection）備份兩種形式。第一種虛擬機(jī)整機(jī)備份是按照各項(xiàng)業(yè)務(wù)重要程度配置備份。第一種CDP 備份，如果是正在運(yùn)行狀態(tài)的核心業(yè)務(wù)、核心數(shù)據(jù)庫(kù)虛擬機(jī)，利用CDP便可達(dá)到虛擬機(jī)所有寫入數(shù)據(jù)的I/0 級(jí)備份，對(duì)高校中關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行安全保護(hù)。

私有云服務(wù)在設(shè)計(jì)與建構(gòu)階段應(yīng)做好安全防護(hù)，通過超融合私有云平臺(tái)中的分布式防火墻功能，所有業(yè)務(wù)VLAN 虛擬機(jī)可以在各個(gè)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)中間進(jìn)行橫向隔離處理，如果其中一臺(tái)虛擬機(jī)遭受病毒，可以避免病毒發(fā)生橫向蔓延。南北向流量采用雙層安全防護(hù)策略，高校數(shù)據(jù)中心的核心交換機(jī)前置硬件防火墻、私有平臺(tái)云，主要負(fù)責(zé)云WAF（Web Application Firewall)的運(yùn)行，符合高校各項(xiàng)業(yè)務(wù)在安全方面的要求。分別在南北向、東西向搭建安全防護(hù)機(jī)制，對(duì)于私有云業(yè)務(wù)安全也是非常有效地保護(hù)方法。

3.2 業(yè)務(wù)擴(kuò)容與集群優(yōu)化

為了滿足高校數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)不斷增長(zhǎng)的需求，超融合云平臺(tái)節(jié)點(diǎn)計(jì)算和存儲(chǔ)資源可能需要滿足擴(kuò)容要求。數(shù)據(jù)中心進(jìn)行二期建設(shè)，按照機(jī)框可容納空間便可以升級(jí)內(nèi)存容量，在系統(tǒng)中增加存儲(chǔ)刀片，將平臺(tái)計(jì)算、存儲(chǔ)資源等方面存在問題解決。為了提高云數(shù)據(jù)保護(hù)安全性，建議應(yīng)用冗余架構(gòu)，系統(tǒng)中儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)經(jīng)過冗余條帶化管理。因?yàn)橄到y(tǒng)業(yè)務(wù)和底層物理硬件為獨(dú)立的關(guān)系，可以使集群調(diào)整狀態(tài)下的業(yè)務(wù)不會(huì)面臨停機(jī)問題，高校業(yè)務(wù)部門即便運(yùn)行業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)量不斷增多，也可以滿足業(yè)務(wù)持續(xù)性需求。系統(tǒng)存儲(chǔ)擴(kuò)容支持在線進(jìn)行，集群負(fù)載調(diào)整更加平衡，數(shù)據(jù)安全、集群穩(wěn)定性也會(huì)隨之提升。當(dāng)高校數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)需求量持續(xù)性增加之后，開展三期建設(shè)可以增加超融合云平臺(tái)，以此提高數(shù)據(jù)中心保障實(shí)力。

3.3 規(guī)避云平臺(tái)安全風(fēng)險(xiǎn)

3.3.1 加強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)防范

超融合云計(jì)算平臺(tái)在一直以來的運(yùn)維管理中，設(shè)備硬件逐漸進(jìn)入到故障高發(fā)階段，所有產(chǎn)品均面臨過保和成本增加等問題。另外，應(yīng)用規(guī)模不斷拓寬，逐漸出現(xiàn)業(yè)務(wù)集中現(xiàn)象，超融合云平臺(tái)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，也面臨數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)安全問題，增加了系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。建議加強(qiáng)運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)防范，提高物理機(jī)房環(huán)境的安全性，降低空調(diào)設(shè)備發(fā)生故障概率，重點(diǎn)防范電力故障等引發(fā)的系統(tǒng)宕機(jī)問題。超融合云計(jì)算平臺(tái)的可靠性非常高，為高校數(shù)據(jù)中心安全提供保障，但也會(huì)縮短物理硬件使用期限，那么在運(yùn)維環(huán)節(jié)建議定期進(jìn)行虛擬機(jī)的業(yè)務(wù)備份。如果發(fā)現(xiàn)故障，必須馬上更換相應(yīng)硬件、存儲(chǔ)盤，超融合云計(jì)算平臺(tái)定期進(jìn)行病毒查殺。

3.3.2 系統(tǒng)故障監(jiān)督與預(yù)警

監(jiān)控集群主機(jī)、業(yè)務(wù)虛機(jī)在運(yùn)行過程中，采集運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合云平臺(tái)運(yùn)行產(chǎn)生數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督。根據(jù)CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)呈現(xiàn)的總利用率數(shù)據(jù)，再結(jié)合資源分配現(xiàn)狀，展開業(yè)務(wù)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)監(jiān)督，了解到資源實(shí)際應(yīng)用、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。因?yàn)槌诤显朴?jì)算系統(tǒng)具有故障監(jiān)控功能，可以了解到系統(tǒng)存在的網(wǎng)絡(luò)異常、資源緊缺、操作異常等故障，并且及時(shí)發(fā)出預(yù)警。采用TOP 預(yù)警統(tǒng)計(jì)方法及時(shí)分析預(yù)警趨勢(shì)，對(duì)發(fā)出的預(yù)警信息展開在線處理，可以采用預(yù)警信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)姆椒ㄍㄖ夹g(shù)人員及時(shí)處理。

3.3.3 快速應(yīng)急恢復(fù)

超融合云平臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)部集群節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)、硬件等一旦發(fā)生故障，極有可能引發(fā)單點(diǎn)、集中風(fēng)險(xiǎn)，必須在運(yùn)維環(huán)節(jié)做好風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估、應(yīng)急處理。高校搭建數(shù)據(jù)中心時(shí)，需要提前建立流暢的信息共享通道，逐漸專業(yè)水平高的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，面對(duì)故障可以快速響應(yīng)。通過電話、郵件等形式及時(shí)通知技術(shù)人員，快速排查排障，系統(tǒng)運(yùn)維、硬件維保方面也要提高技術(shù)保障水平，數(shù)據(jù)中心在運(yùn)行中才可以保證安全、穩(wěn)定，為高校提供水平高的云管理平臺(tái)。

4 結(jié)束語

綜上所述，現(xiàn)如今高校數(shù)據(jù)中心架構(gòu)包括傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)和以云計(jì)算為基礎(chǔ)的私有云服務(wù)兩個(gè)部分，真實(shí)提高了應(yīng)用服務(wù)、系統(tǒng)調(diào)度的靈活性、安全性。此外，業(yè)務(wù)擴(kuò)容與集群調(diào)整、云平臺(tái)安全風(fēng)險(xiǎn)管理兩個(gè)方面，也發(fā)揮出超融合云計(jì)算的作用。為此，針對(duì)超融合云計(jì)算在高校數(shù)據(jù)中心建設(shè)中的應(yīng)用，應(yīng)該結(jié)合高校業(yè)務(wù)需求搭建超融合云計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)，滿足數(shù)據(jù)處理要求，保證數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性，提升高校數(shù)據(jù)中心運(yùn)維管理水平，從而為實(shí)現(xiàn)智慧校園建設(shè)不懈努力。