基于超融合架構(gòu)的高校數(shù)據(jù)中心研究與實現(xiàn)

于 涵

（河北旅游職業(yè)學院網(wǎng)絡(luò)安全與信息化中心 河北 承德 067060）

0 引言

近幾年，伴隨著虛擬化技術(shù)、大數(shù)據(jù)以及人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，IT 基礎(chǔ)架構(gòu)成為推動高校信息化快速發(fā)展的重要一環(huán)。 伴隨著計算和存儲資源激增，傳統(tǒng)的IT架構(gòu)面臨著對服務(wù)器和存儲數(shù)據(jù)有更強的依賴關(guān)系、難以實現(xiàn)硬件擴展、存在單點故障風險以及系統(tǒng)管理復雜等問題。 如何在工作人員數(shù)量不足、投入資金有限的情況下，建設(shè)高質(zhì)量的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)成為當下亟須解決的問題。超融合架構(gòu)因為具有高靈活性、高擴展性、高資源利用率、高運維保障性以及高安全性等特點，可以有效地解決當前建設(shè)高校數(shù)據(jù)中心架構(gòu)面臨的突出問題。

1 高校數(shù)據(jù)中心現(xiàn)狀分析

1.1 建設(shè)現(xiàn)狀

隨著高校信息化的不斷發(fā)展，大量的信息系統(tǒng)被引入，信息和數(shù)據(jù)量成倍增長，數(shù)據(jù)管理成為重要問題?！督逃畔⒒臧l(fā)展規(guī)劃（2010—2020 年）》中多次提到規(guī)范數(shù)據(jù)采集和管理流程、推進學校管理信息系統(tǒng)的建設(shè)和實施等［1］，由此可見，我國教育信息化事業(yè)尤為關(guān)注信息化帶來的大數(shù)據(jù)，作為高校大數(shù)據(jù)的使用主體，更應著力解決數(shù)據(jù)問題。 這也要求在建設(shè)智慧校園過程中，需將更多的注意力轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)中心建設(shè)上來。

在大力建設(shè)高校數(shù)據(jù)中心的過程中，其基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)歷了三個階段，即軟件和硬件強耦合的傳統(tǒng)物理架構(gòu)，軟件和硬件解耦的虛擬化架構(gòu)，以及計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲和軟件全融合的超融合架構(gòu)［2］。 逐步由集中式存儲轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际酱鎯Γ瑯O大地提高了數(shù)據(jù)中心的可擴展性和安全性。

1.2 存在問題

如今，高校計算的逐步發(fā)展使得數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器數(shù)量逐漸增加，這使得購置和維護服務(wù)器的成本大大增加，高校開始擺脫傳統(tǒng)的物理架構(gòu)，逐漸使用虛擬化技術(shù)來整合不同的硬件設(shè)備。 但是，隨著信息化理念的不斷推進，數(shù)據(jù)中心面臨以下幾方面問題。

第一，擴容能力不足。 服務(wù)器虛擬化與外部存儲相結(jié)合的架構(gòu)方案，雖然實現(xiàn)了計算資源的無縫擴展，但外部存儲是采用集中式存儲，如果需求逐漸增加，就必須購買更高質(zhì)量的外部存儲，這在一定程度上限制了信息技術(shù)應用的發(fā)展。

第二，架構(gòu)復雜，人員工作量大。 雖然服務(wù)器虛擬化與傳統(tǒng)架構(gòu)相結(jié)合的技術(shù)架構(gòu)實現(xiàn)了計算資源的整合，但由于目前存儲、網(wǎng)絡(luò)、安全等方面還比較分散，因此并沒有很好地完成IT 資源的整合、按需分配和管理單一平臺的工作。 當大量的業(yè)務(wù)系統(tǒng)需要部署或維護時，大量的存儲配置、網(wǎng)絡(luò)配置和安全計劃都需要手工完成。 因此，需要一個能夠自動部署IT 資源并實現(xiàn)最小化操作的平臺。

第三，不能滿足未來IT 規(guī)劃。 大部分院校、部門因業(yè)務(wù)需求會建立自己的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，沒有統(tǒng)一的IT 資源分配機制，多種虛擬化平臺孤立運行，需要建設(shè)統(tǒng)一的云平臺。

2 超融合架構(gòu)的關(guān)鍵特征

2.1 超融合架構(gòu)的基本概念

超融合基礎(chǔ)架構(gòu)可以從根本上將計算、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)功能整合到同一套單元設(shè)備內(nèi)，依托物理服務(wù)器確保虛擬化軟件運行，提供給虛擬機使用［3］。 相較于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心架構(gòu)，超融合架構(gòu)更為適合當下的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)建設(shè)。在超融合系統(tǒng)中，每一個單一服務(wù)器節(jié)點都集成了存儲、計算以及網(wǎng)絡(luò)功能，實現(xiàn)硬件資源和虛擬化平臺有機融合，這里的服務(wù)器節(jié)點相當于傳統(tǒng)服務(wù)器外接SAN 交換機和存儲設(shè)備［4］。 同時，這樣的處理方式使其脫離了傳統(tǒng)以存儲為中心的拓撲結(jié)構(gòu)，有效解決了因集中存儲而產(chǎn)生的問題。

2.2 超融合架構(gòu)的主要特點

2.2.1 高可靠性和高性能

超融合架構(gòu)采用分布式存儲系統(tǒng)，通過分布式算法將數(shù)據(jù)分散開來，然后存儲于集群中的全部節(jié)點上［5］。 以此來提高數(shù)據(jù)的可靠性和系統(tǒng)性能。 此外，整個分布式系統(tǒng)中的每個數(shù)據(jù)節(jié)點都是無集中管理和控制的，不同節(jié)點之間都可以實現(xiàn)互替，并且可以依托于內(nèi)部的分布式協(xié)議來完成通信和協(xié)作。 超融合數(shù)據(jù)的重刪功能，使更多IO 操作可以在內(nèi)存和SSD 中完成的同時，增加數(shù)據(jù)存儲空間的利用率。 并且該系統(tǒng)可以對冷、熱數(shù)據(jù)進行智能化分層，在保持對數(shù)據(jù)熱度監(jiān)視的同時，及時完成所需的遷移數(shù)據(jù)，極大地提高了用戶數(shù)據(jù)安全性和最佳讀寫性能。

2.2.2 高冗余橫向擴展架構(gòu)

超融合架構(gòu)具有強大的橫向擴展能力，原因在于其采用分布式架構(gòu)。 通過軟件定義的方法實現(xiàn)分布存儲，存儲設(shè)備間通過虛擬化和自動化技術(shù)完成共享，服務(wù)器間通過分布式協(xié)議完成相互協(xié)作和通信［2］。 此時，邏輯單元號在存儲過程中不再起限制作用，所以該系統(tǒng)的靈活性明顯提高，技術(shù)上也不那么復雜。

在進行節(jié)點增加時，會在新的服務(wù)器上同步增加輸入輸出管理程序以及虛擬機控制器，使系統(tǒng)的存儲容量、吞吐量以及IOPS 得到同步線性增長。 這使得超融合架構(gòu)比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)擁有更好的彈性擴展能力。 管理員可在其他業(yè)務(wù)運行的同時新增或刪除節(jié)點，如有新增節(jié)點或硬盤發(fā)生時，超融合架構(gòu)可以在不影響應用訪問數(shù)據(jù)的情況下，自動完成最優(yōu)化的數(shù)據(jù)遷移和重新均衡。

此外，當管理員刪除節(jié)點或硬盤時，超融合架構(gòu)只對少量需要修改的數(shù)據(jù)進行重新分配，降低全部數(shù)據(jù)重新分配事件發(fā)生的概率，從而使系統(tǒng)更具穩(wěn)定性和高性能。

2.2.3 容災

分布式存儲可以利用虛擬機實現(xiàn)數(shù)據(jù)節(jié)點互替，極大地提高了數(shù)據(jù)中心的容災能力。 超融合平臺通過虛擬化管理控制中心創(chuàng)建、監(jiān)控和管理故障恢復方案［6］。 虛擬機的物理服務(wù)器發(fā)生故障時，會根據(jù)容錯機制自動進行故障切換，在不影響正常運轉(zhuǎn)的情況下即可完成故障恢復。 在業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)方面，采用雙鏈路聚合的方式，將兩臺千兆交換機接入核心交換機，構(gòu)建業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的高冗余性。

2.2.4 節(jié)省更多的資源成本

與傳統(tǒng)用共享存儲設(shè)備提供空間的方式相比，基于服務(wù)器的架構(gòu)可以跳過購買外置共享存儲設(shè)備和交換機的擴展步驟，采用在現(xiàn)有物理服務(wù)器上添加存儲磁盤或物理服務(wù)器，極大地降低了采購成本，有效擴展存儲空間。

3 基于超融合架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 需求分析

（1）對A 學院智慧校園建設(shè)進行深入分析，未來高校信息化對數(shù)據(jù)中心的性能有更高的要求，當前的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)改造應滿足該校5 年的信息化發(fā)展需求。

（2）傳統(tǒng)架構(gòu)中的硬件資源以及設(shè)備隨著使用年限的增長，會出現(xiàn)一定程度的損壞和資源缺乏，需要依托超融合架構(gòu)解決這些問題，并滿足當前需求。

（3）數(shù)據(jù)中心安全方面，原有數(shù)據(jù)中心架構(gòu)未將數(shù)據(jù)中心分段處理，導致數(shù)據(jù)中心受到安全攻擊時，不能及時對數(shù)據(jù)產(chǎn)生威脅的事物作出響應，需要通過微分段把數(shù)據(jù)中心分成不同的安全分段，實現(xiàn)虛擬機安全隔離，并對資源實時監(jiān)控，提高業(yè)務(wù)可靠性。

（4）原有架構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)部署方面未能實現(xiàn)自動化部署，無法將網(wǎng)絡(luò)虛擬化和安全虛擬化，需要改變他的部署方式，實現(xiàn)虛擬機全生命周期管理，以及運維自動化。

通過以上分析，學校的數(shù)據(jù)中心建設(shè)想要實現(xiàn)高效與穩(wěn)定，并且能更好地實現(xiàn)IT 服務(wù)，亟須進行基于超融合架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心建設(shè)。

3.2 總體框架

基于超融合架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心的整體框架包括基礎(chǔ)設(shè)施層、資源池化層、資源管理層以及業(yè)務(wù)應用層，如圖1 所示。

圖1 整體框架圖

3.3 基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計

3.3.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計

在超融合架構(gòu)中，統(tǒng)一的資源池由服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)交換機組成，所有業(yè)務(wù)的虛擬機和軟件都必須在資源池中運行，服務(wù)器的本地磁盤都統(tǒng)一歸軟件管理，形成一個高性能和高可靠性的存儲資源池［7］。

3.3.2 計算資源設(shè)計

硬件與操作系統(tǒng)之間通常用計算資源平臺作為軟件層，該平臺將服務(wù)器的處理器、內(nèi)存儲器、輸入輸出等物理設(shè)備轉(zhuǎn)變成可動態(tài)管理的邏輯資源［7］。

3.3.3 存儲資源設(shè)計

數(shù)據(jù)中心存儲資源包括分布式存儲和統(tǒng)一存儲陣列，用于存儲業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)［8］，分布式存儲數(shù)據(jù)可以為數(shù)據(jù)中心提供多級數(shù)據(jù)保護。 普通用戶數(shù)據(jù)采用定時備份進行保護，而核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)，可采用基于數(shù)據(jù)塊的I／O級別的CDP 持續(xù)數(shù)據(jù)保護。 統(tǒng)一存儲陣列則是由SAN 存儲構(gòu)成，采用數(shù)據(jù)庫集群技術(shù)實現(xiàn)集中式存儲。

3.4 虛擬化設(shè)計

3.4.1 計算虛擬化設(shè)計

虛擬機實現(xiàn)物理機的全部功能，每個虛擬機都可以安裝獨立的操作系統(tǒng)，采用分布式管理架構(gòu)。 通過虛擬機全生命周期管理，實現(xiàn)虛擬機模板部署、內(nèi)存超配、批量編輯虛擬機、批量快速全量克隆、虛擬機熱遷移等功能。 實現(xiàn)標記重要虛擬機、NUMA 綁定、基于AI 的性能調(diào)度、GPU虛擬化等功能，完成平臺高性能化。 為提高業(yè)務(wù)的可靠性，建立資源動態(tài)調(diào)度機制，實現(xiàn)資源動態(tài)復用，并且進行UPS 掉電保護、虛擬機藍屏重啟、主機運維模式、亞健康主機檢測、數(shù)據(jù)歸檔，智能化判斷是否需要添加CPU 和內(nèi)存以及是否進行虛擬機遷移。 還設(shè)置了資源實時監(jiān)控、虛擬機報表、告警項設(shè)置，及時獲得監(jiān)控告警，對資源進行相應的處理，以此保障業(yè)務(wù)的穩(wěn)定運行以及負載平衡。

3.4.2 存儲虛擬化設(shè)計

建立數(shù)據(jù)重建優(yōu)先級機制，在本機制中可由用戶自主指定優(yōu)先恢復的虛擬機，確保重要數(shù)據(jù)不丟失，重要業(yè)務(wù)不耽誤。 在重建數(shù)據(jù)的過程中，加入智能限速功能，防止此過程中出現(xiàn)大量IO 性能占用的問題，提高業(yè)務(wù)安全性。配置混合硬盤資源池，將SSD 與HDD 結(jié)合使用，充分實現(xiàn)數(shù)據(jù)分層。 并同時提供塊、文件、對象存儲服務(wù)，滿足用戶多樣存儲需求。 可以進行向?qū)桨惭b，降低部署復雜度。為降低故障對系統(tǒng)的影響，建立2 個或以上副本，各副本互斥存儲集群中不同的節(jié)點，實現(xiàn)副本冗余功能。 當有故障發(fā)生時，由于副本的存在仍能正常進行數(shù)據(jù)訪問。

3.4.3 網(wǎng)絡(luò)虛擬化設(shè)計

學校各部門管理員可以使用云平臺提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，根據(jù)自己的需求特點搭建相應的虛擬網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)間的互通、隔離及對外部網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通等［9］。 通過建立分布式虛擬交換機、分布式防火墻、虛擬路由器、網(wǎng)絡(luò)通信探測，為廣大師生提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)。 建立網(wǎng)絡(luò)連通域管理平臺，用戶可以通過簡單的操作完成網(wǎng)絡(luò)拓撲的構(gòu)建，在不用到達機房的情況下完成虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)的更改以及快速地實現(xiàn)整個業(yè)務(wù)邏輯，實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯拓撲“所畫即所得”。 以此平臺為媒介實現(xiàn)虛擬設(shè)備的統(tǒng)一管理，在降低人員技術(shù)能力需求的同時提高運維管理的效率。

3.5 基于超融合架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心改造實踐

（1）基于超融合架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心改造情況如下：核心機房由5 臺高性能服務(wù)器組成超融合集群，并通過云平臺實現(xiàn)虛擬化。 通過為每臺云計算服務(wù)器配置2 塊240 G的系統(tǒng)盤SSD、2 塊960 G 的SSD 緩存盤和多塊HDD，以及16 T 的SATA 數(shù)據(jù)盤來實現(xiàn)超融合分布式存儲。 結(jié)合分布式存儲將數(shù)據(jù)池盤化，當有一個節(jié)點宕機后，集群可將故障節(jié)點服務(wù)器的虛擬機遷移到無故障節(jié)點服務(wù)器，直到故障節(jié)點恢復，在這個過程中，無需進行人工干預，有效解決了單點故障問題。 并且在運行資源需求量在資源池總量內(nèi)的情況下，平臺主控機可實現(xiàn)多節(jié)點離線。 為保障數(shù)據(jù)實時通信與交換，部署支持堆疊技術(shù)的華為S6720 S萬兆交換機2 臺、華為S5735 S 交換機2 臺，搭建了健壯的雙交換機鏈路網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，進一步確保網(wǎng)絡(luò)性能。

（2）數(shù)據(jù)中心改造的效益。 建設(shè)完基于超融合架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心，主要帶來以下幾點效益：第一，安全防護體系得到了升級，形成了端到端的立體體系，并且在各層次上都實現(xiàn)了事前、中、后三位一體的防御體系；第二，可以根據(jù)學校業(yè)務(wù)發(fā)展需求調(diào)整數(shù)據(jù)中心規(guī)模，通過數(shù)據(jù)中心管理平臺對所需數(shù)據(jù)進行分享和調(diào)用，降低建設(shè)成本和運營成本的同時，提高資源的利用率；第三，采用分布式存儲，提高了數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的擴展性，極大地滿足了學校信息化發(fā)展的需求，并且完成多副本冗余功能，降低單點故障發(fā)生的可能性；第四，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心管理的簡潔化，以及多資源池的統(tǒng)一運維管理，管理員通過管理平臺可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)部署的自動化，減少運維過程中的實際工作量。

4 小結(jié)

高校信息化建設(shè)離不開數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，而在建設(shè)數(shù)據(jù)中心的過程中，如何在提高數(shù)據(jù)中心安全性、可靠性的同時，降低數(shù)據(jù)中心的維護難度還需進行更多的研究。 基于超融合架構(gòu)的出現(xiàn)，為學校各項信息化業(yè)務(wù)系統(tǒng)的平穩(wěn)運行提供了可靠的保障。 在對學校信息化進行現(xiàn)狀需求分析后，將實際情況與超融合架構(gòu)進行融合，打磨出高校數(shù)據(jù)中心建設(shè)方案。 最終實現(xiàn)對現(xiàn)有軟硬件進行調(diào)整時，無須中斷其他服務(wù)，管理員即可通過管理端對數(shù)據(jù)中心進行管理，有效地提升數(shù)據(jù)中心對信息處理的工作質(zhì)量和效率，從而提升學校的信息化管理效果。