超融合助力科技发展
作者：盛瀚 北京银行
摘要：本文介绍超融合系统的概念及发展趋势，作为一种新兴的技术如何有效解决传统IT系统面临问题，实现资源合理配置和充分利用，提升基础设施和应用系统的可靠性、安全性、灵活性和操作性。
关键词：超融合，HCI，数据中心
1. 概述
1.1.什么是超融合
“超融合”概念最早是由NUTANIX提出的，2015年被公认为超融合元年，在软件定义存储SDS的推动下，超融合架构正在引领一场巨大的变革，成为软件定义数据中心SDDC的未来技术发展趋势。
对于超融合的定义国内外有一定的差异，一般将其称为超融合基础架构（Hyper-Converged Infrastructure，或简称“HCI”）,指在同一套单元设备中不仅仅具备计算、网络、存储和服务器虚拟化等资源和技术，而且还包括备份软件、快照技术、重复数据删除、在线数据压缩等元素，而多套单元设备可以通过网络聚合起来，实现模块化的无缝横向扩展（scale-out），形成统一的资源池。
相对于HCI架构来说，传统的物理数据中心采用的传统方式的基础架构，多定义为服务器、网络和共享存储系统相互连接的生态系统。而这些共享的存储系统，一般也是由多个服务器通过专门设计来实现使用块或文件数据的存储，在物理网络上的共享。而超融合架构它可以提供一个虚拟化基础设施，而不需要单独的物理服务器、网络和存储。
HCI是实现“软件定义数据中心”(SDDC)的终极技术途径。HCI类似Google、Facebook后台的大规模基础架构模式，可以为数据中心带来最优的效率、灵活性、规模、成本和数据保护。
1.2.国外超融合发展趋势
根据Wikibon的分析报告，2016年是真正云计算落地的开始，超融合和ServerSAN未来市场空间将超过600亿美金，年复合增长率达到20%以上。形成鲜明对比的是，传统存储逐渐被淘汰，未来市场份额仅占10%。超融合市场已经初步形成，传统IT厂商数据中心解决方案已经落后于新技术厂商，未来潜在市场空间是巨大的。
图 1Wikibon分析报告
IDC发布了全球2017年第一季度融合系统调查报告，全球融合系统市场收入同比增长4.6%至26.7亿美元。本季度新增存储容量1.48亿字节，同比增长7.1%。
图 2IDC分析报告
IDC表示：“融合系统已经成为数据中心基础设施市场创新和增长的重要来源。这些解决方案代表了推动数据中心现代化和效率(如闪存，软件定义基础设施和私有云平台)的关键技术的渠道。”
1.3.国内超融合技术发展现状
我国超融合技术未来发展动力强劲。运营商世界网发布《2016年度中国云服务及云存储市场分析报告》，通过对云服务及云存储市场全方位分析，揭示市场现状。报告数据显示，2015年，我国云计算市场达到378亿元，2016年达到516.6亿，同比增长36.6%，2013-2016年间CAGR为32%，而2017年预计这一数字将达到690亿。其中，私有云市场在我国云计算市场占比较高，2013-2016年间占比均超过70%。2015年，我国私有云规模为275.6亿元，2016年达到344.8亿元，同比增长25.5%，预计到 2020 年，市场规模将达762.4 亿元。私有云是超融合技术的主要应用方向，随着私有云的告诉增长，将为超融合在我国的高速发展提供强劲动力。
中国信息通信研究院最新发布的《中国云计算开源发展调查报告（2017）》显示，近七成的企业已经应用或测试OpenStack，金融行业的客户虽然对OpenStack保持谨慎态度，但也有超过一半的金融企业在测试OpenStack。OpenStack可以称得上是私有云的一个标准框架。近来，一些OpenStack厂商也感受到了来自超融合的竞争，特别是在一些中小型的云中，超融合的使用比例有逐渐上升的趋势。
2.传统科技IT系统面临的挑战
近些年来，随着市场的需求不断细分和互联网+的不断深化，传统IT架构不得不进行转型。一方面，企业多年来IT基础设施大量投入，各类衍生系统大量开发需求，消耗大量人力、财力和时间成本；另一方面，外部市场瞬息万变，市场竞争的压力使传统IT部门不仅要考虑短期产品开发效益，而且还要分析市场环境变化对自身业务系统的影响，最后，传统的三层架构在快速环境部署、高校运行维护、数据扩容等方面存在较大困难。
图 3传统科技系统面临的挑战
#p#副标题#e#3.超融合设计特点
3.1.基础架构
超融合基础架构取法于IT架构，拥有许多类似的特性，同样都是使用通用硬件服务器为基础，将多台服务器组成含有跨节点统一储存池的丛集，来获得IT环境需要的效能、容量扩展性与数据可用性，可透过增加丛集中的节点数量，来扩充整个丛集的运算效能与储存空间，并透过丛集各节点间的彼此数据复制与备援，提供服务高可用性与数据保护能力。
运算单元与储存单元的融合
传统IT架构使用分离的运算与储存单元，如以服务器搭配外接SAN储存设备等，超融合架构则将运算与储存单元合而为一，每个服务器节点单元同时兼有提供运算资源与储存空间的角色，也就是一种“Infrastructure in a box”的概念，每一台超融合架构的服务器节点，都是自身拥有完整基础设施的单元。
这也意味着，超融合架构是使用服务器节点本机的磁盘驱动器，来提供需要的储存空间。这种做法的一个疑虑，是单一服务器本身的磁盘驱动器不能满足容量需求，也不能提供足够的扩充性与可靠性。相较下，传统的企业级SAN磁盘阵列，不仅拥有双控制器设计带来的高可用性能力，还能透过串接扩充磁盘柜提供强大扩充性，并能藉由RAID确保基本的数据保护能力。 于是超融合架构采取将多个节点组成丛集的方式，既能透过增加丛集节点的方式提供扩充能力，也能透过丛集节点间的失效切换功能，来提供高可用性能力，并藉由丛集节点间的写入I/O镜像复制功能，来提供数据保护能力。
所以，让超融合架构摆脱了SAN与RAID的需要，借助构成丛集核心的分布式文件系统，直接使用服务器主机本身就能满足运算与储存需求。
实体硬件与虚拟化平台的完整融合
超融合架构是透过虚拟化平台软件来运用硬件资源，用户需要的运算资源是透过Hypervisor以VM的型式来提供，储存资源亦是透过与Hypervisor结合的分布式文件系统来提供给VM使用，是一种以VM为核心、更完全整合的虚拟化应用。
从另一个角度来说，超融合架构不仅运算资源是“软件定义化”的，储存资源也同样是软件定义化，硬件部份只是一台普通的通用硬件服务器，用户使用的VM与储存空间完全依靠Hypervisor等软件所建构，隔绝了用户与底层的物理设备。
3.2.平台架构特性
采用开源的技术，利用KVM计算虚拟化、分布式存储、SDN等技术基于普通的X86服务器构建计算虚拟化、网络虚拟化、存储虚拟化资源池，依据资源的性能和负载对其进行集中的智能调度和编排从而实现资源的最大 化利用和负载平衡。提供实时的监控、全面的日志及精确的资源使用计量能力便于系统的统一集中管理和智能运维。
同时，存储采用一款集先进的分布式技术、智能化的资源调度能力和管理能力于一体的分布式统一存储系统平台。具有高性能、大容量、弹性扩展、自动化管理等特点，可以满足文件服务和备份、流媒体、数字化视频监控、行为分析、日志监控等领域的应用。
图 4 管理平台架构示意
? 弹性可扩展的资源管理
统一主机资源管理，按需分配计算、网络、存储资源，实现资源的统一管理与弹性扩展。
? 智能VM管理
通过模板或ISO进行秒级的VM部署，并对VM进行生命周期管理、迁移、克隆、快照等操作。
? 业务连续性保障（HA）
平台与虚拟机的高可用架构，实时检测主机的性能、负载和健康状态，当主机发生故障时，自动在负载较低的主机上创建并启动虚拟机。
? 智能运维的支持
依据业务系统特性，监测业务系统运行状态，当业务进入高峰时，平台将进行虚拟机的自动扩展与收缩（Auto Scaling）。支持定时任务管理，为运维人员提供便捷的自动化管理手段
? 多组织、资源计量
自定义的资源组织和ACL控制，层次化的资源组织和灵活的访问控制提供资源的报表统计，可按照组织、域、用户等不同维度统计VM数量、CPU利用率、内存利用率等信息。
4.超融合带来的价值
各个领域行业的信息化建设，经过从无到有的发展，目前的IT基础设施已经非常完善了。这个建设过程因为周期比较长，存在相当多的为不同业务搭建相应IT系统的问题。随着数据中心的生产价值重要性的提高，必须对数据中心进行改造，采用桌面虚拟化技术、服务器虚拟化技术、网络虚拟化技术、存储虚拟化技术，实现数据中心的设备融合和架构融合，然后再做到数据融合。在这种情况下，一种全新架构的出现就会成为必然。超融合技术和架构能够将计算、存储、网络等资源进行整合融合，形成一种新形态数据中心基础架构的部署模式。
对于企业而言，投资回报率(ROI)是企业需要思考的另外一项重要问题。以超融合架构为例，从安装、测试、部署和运维，能够缩短IT周期大约50%的时间，减少实施的费用。另外通过超融合架构去做多种应用平台的部署，能够大大提高整个资源的利用率，对于整个企业而言都是很重要的成本节约。
具体超融合的价值可以体现在以下几方面：
（1）可靠性
超融合架构，通过软件定义数据中心的方式，将计算、存储、网络包括安全形成一个大的资源池，可以灵活快速的构建数据中心里的业务系统，在不损失业务性能的情况下，还采用了多种技术来为业务系统提供了可靠性方面的保障。比如虚拟机的热迁移技术、虚拟机的HA技术、虚拟机数据备份和恢复、存储的多副本技术。
（2）安全性
超融合架构同样提供了为客户的业务系统安全性的保障。从虚拟化主机层面，为客户提供了虚拟机磁盘数据加密，保证了业务系统的安全性。
（3）灵活性
超融合相比传统架构，体现在管理上就是简单，相比传统架构虚拟化、服务器、存储、网络四层需要分别进行管理配置的复杂性和繁琐，超融合将这些集成到一个用户界面上，用户可以在一个界面上，实现计算和存储资源的池化、CPU/内存/HDD等资源的分配、虚拟机的创建和启动，无疑会为用户带来极大的便利性。在业务系统需要扩展升级时，只需增加相应的服务器计算节点，及可实现容量和性能的线性提升。
（4）易操作性
超融合架构在软件定义网络方面，舍弃了复杂的传统硬件厂商的复杂的解决方案、采用更加灵活和简单的方式来实现SDDC中的整体IT基础服务。实现多租户的业务安全隔离，简化了超融合架构下的数据中心运维和管理工作。
5.结束语
超融合架构大量采用软件定义的技术，将计算、存储、网络与专用硬件实现解耦，实现IT基础架构的真正融合，为云计算数据中心的实施与部署扫清最后一个障碍。超融合架构的优势和客户价值这个已经勿容置疑，全球和国内市场都已经初步形成，HCI是未来5-10年新一代数据中心基础架构的首选方案。以亚马逊、阿里、百度和腾讯等互联网公司为代表的云计算服务商都是基于标准化的X86服务器，通过软件定义技术心向客户提供计算、网络和存储服务。
目前超融合还属于一个新兴市场，资本的介入、技术的驱动、商业模式的创新、决策者的眼界和格局、市场的需求等多方面决定了产业的走向。