作者：吴孔辉,尹思杰,高园
出版社：机械工业出版社
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Nutanix超融合基础架构权威指南试读：
前言
超融合是近年来企业数据中心中备受推崇的技术之一。超融合技术可以帮助企业实现大量的业务与技术价值，如简化数据中心管理、提高应用响应速度、降低总体拥有成本、加快业务系统的上市时间。超融合技术适用于各类应用场景，如关键应用系统、数据保护、桌面虚拟化、大数据、分支机构、开发测试场景等。
近年来各类互联网应用被用户广泛接受，互联网企业实现了在低廉成本建设数据中心的情况下提供大量用户接入使用的能力，这得益于互联网数据中心领先的Web-Scale架构。而如果使用传统数据中心方案来满足如此大量的用户访问是难以想象的。
超融合与传统的数据中心架构不同，超融合摆脱了传统三层架构的限制与束缚，其底层设计采用领先的Web-Scale架构，让数据中心具备横向扩展、按需采购、性能和成本可预测、高性能的特点。
从企业角度而言，在引入超融合技术前，需要对自身的业务需求进行梳理，并根据业务需求对超融合产品和资源进行选择，不适当的资源配置和选型都可能会对上面运行的业务系统造成影响。同时，超融合作为一种新的数据中心架构，数据中心建设者除了需要关心超融合系统的安装、配置、部署之外，还需要对日后的运维和管理工作量进行评估，只有这样才可以将采用超融合系统的风险降到最低。
此外，超融合技术由于整合了以往服务器、存储、虚拟化的功能角色，因此，基于超融合的数据中心在运维管理方面与传统架构的数据中心有着明显的不同，对于那些IT职责有着明显分工的IT部门而言，甚至可能需要对现有的IT人员的工作职责、技术服务流程等进行重构。
超融合凭借独有的技术优势与架构特点，可以适用于各种行业和使用场景，但是完善的规划设计、日常运维管理仍然不可或缺，只有这样企业才可以充分利用超融合的优势来提升业务能力，从而提升企业的竞争力。本书的写作目的
随着超融合采用率的不断攀升，包括传统架构提供商在内的众多企业也纷纷加入超融合市场，推出形态不一的超融合产品，这使得超融合市场鱼龙混杂，概念混乱。本书的作者团队作为国内最早接触超融合的技术人员，希望通过本书分享对超融合技术的体会和理解，并帮助读者更加全面地了解超融合市场、以Nutanix产品为代表的超融合技术和解决方案。本书的目标读者
本书适用于希望对超融合解决方案以及超融合产品有深入了解的读者，同时正在筹备、参与超融合项目建设的IT人员也可以将本书作为Nutanix超融合产品安装、规划与设计、部署与测试、运维与管理的参考书目。致谢
特别感谢Nutanix公司的技术总监夏峰和市场部总监吴启新以及Nutanix产品总监Harry Yang，他们对于本书的内容和出版提供了大量的建议。
同时，感谢Nutanix公司中国区工程师团队在本书写作过程中给予的意见与帮助，因为与他们的合作，本书才得以如期完成并顺利出版。
感谢本书策划编辑姚蕾、责任编辑陈佳媛在本书内容、出版方面给予的支持。第1章超融合系统发展历程及概述
随着IT技术的迅猛发展和影响范围的日趋扩大，尤其是大数据和互联网时代的到来，传统的IT架构面临着巨大的挑战。如何革新架构，使其更好地满足当下以及未来的数据、业务需求，是当前IT基础架构的核心考量。
IT技术不再仅仅是政府或企业所关注的，它已潜移默化地改变着人们的生活及工作方式。以前，技术革新对人们生活的影响如多米诺骨牌效应般慢慢蔓延开来；而现在，技术革新扩散和蔓延的速度却近似一种爆炸式的形态，这一切背后的重要推手就是IT技术的快速发展。
数据中心作为IT行业的重要组成部分，经历了多次变革，从最初的大型机系统逐步演变为独立的服务器系统，随着软件技术的发展，又开始走向分布式的云架构。这种变化是IT行业发展的必然结果，当这种结果反作用于IT行业时，也会推动IT行业转变关注焦点并让IT行业走上精细化发展的道路。数据中心作为IT行业发展的重要推动力，从最初的业务支撑中心，逐渐变为业务的驱动中心；数据中心的发展焦点，不再是有多大空间，可放置多少服务器和存储，而是能支撑多大规模的业务，是否具备敏捷地随业务需求而动态扩张的能力。
基于IT技术发展起来的大型互联网企业逐渐代替传统商业公司成为全球市场中的巨无霸，如谷歌（Google）、亚马逊（Amazon）、脸谱（Facebook）、百度（Baidu）、腾讯（Tencent）、阿里巴巴（Alibaba）等，这些企业最核心的资产是“数据”，而如何处理和利用这些“数据”，正是数据中心的职责所在和核心价值的体现。大型互联网企业的快速崛起正是由于各自的数据中心具备了当前IT行业最为领先的技术水平。基于大型互联网企业数据中心的最佳实践，一种全新的计算理念——Web-Scale（互联网规模扩展架构），正逐步成为当前数据中心建设的一个参考标准。而基于Web-Scale理念形成的超融合系统包含了当前及未来一段时间内数据中心所需的关键技术：基于机器学习的智能化，分布式自治系统，系统自恢复能力，基于API的自动化及分析能力。1.1 数据中心的演进
社会发展离不开信息技术，信息技术已经成为当今社会运转中不可或缺的一部分，小到我们日常生活所需的衣食住行，大到国计民生，都高度依赖着信息技术的支撑。而信息技术的运行离不开支撑其运行的数据中心基础架构。
数据中心由各类服务器、存储、网络以及支持这些组件运行的电力、制冷等设备组成，提供了应用所需的网络、计算、存储这三项最为重要的能力。今天的数据中心经过不断的演化，正在告别以往由硬件定义的模式，逐渐形成由软件定义的智能化、模块化数据中心架构。
在最近20年数据中心的发展过程中，数据中心架构的变化经历了如下几个重要阶段，即分散式、整合式、虚拟化、融合系统、超融合（简称HCI）五个重要阶段，如图1-1所示。图1-1 数据中心架构演进
在数据中心发展初期，服务器主要使用其内部的磁盘或外部的直连存储（DAS），其架构如图1-2所示。
随着用户对应用的可用性、存储性能、存储容量等要求的提高，整合式的数据中心架构逐渐变成主流，数据中心的存储设备由直连存储演变为集中式的共享存储模式，服务器通过HBA、SAN交换机、FC线缆与存储设备连接，这种架构的推出，有效地提高了存储可用性、利用率、存储设备的可管理性，再加上操作系统及应用程序对于集群功能的支持（如Windows集群功能、SQL Server集群服务等），应用的可用性也随之提高。整合式的数据中心架构如图1-3所示。
各类组织对于IT技术寄予厚望，应用程序及其用户数量随之增加，数据中心内的服务器设备也变得越来越多，数据中心空间与电力不足、较低的服务器资源利用率、不同的服务器品牌和型号让数据中心的管理运维变得不堪重负。服务器虚拟化技术的引入整合了服务器资源，有效地减少了服务器设备的蔓延，应用程序被封装在虚拟机中运行，用户获得与物理服务器运行应用程序时一致的使用体验，同时还能提高资源利用率和运维效率。但这一类型的数据中心架构，仅仅是在服务器上实施了虚拟化，是服务器虚拟化技术与整合式数据中心架构的叠加，服务器与存储之间使用的仍然是三层架构，如图1-4所示。图1-2 分散式的数据中心架构图1-3 整合式数据中心架构
得益于虚拟化技术的引入，数据中心内的服务器数量得到一定程度的控制，但虚拟机数量的膨胀与超配消耗了巨大的存储空间，这使得数据中心内的存储设备数量逐年递增，占用大量空间，消耗越来越多的成本。传统的存储设备受限于其架构，无法提供灵活的纵向及横向扩展能力。
在上述情况下，IT供应商推出了融合系统（也称集成系统）方案，将服务器、存储设备、存储交换机、TOR网络交换机放置在同一个机架中以模块方式销售，并在设备出厂前进行兼容性验证和设备的预配置，同时针对特定工作负载进行测试验证，这种模块化、标准化的方式减少了用户侧的部署时间，降低了用户自行进行集成的复杂度。当用户需要扩容时，可以通过叠加模块的方式进行横向扩展。其架构如图1-5所示。图1-4 虚拟化数据中心架构图1-5 融合系统架构
融合系统的机架中包含了一个或多个供应商的产品组件，这些组件并不是专为融合系统设计的，供应商通过硬件堆砌以及软件集成的方式包装解决方案，但是在最终的集成度上并没有得到预想的效果。此外，用户的应用千差万别，融合系统更多的是为标准化的应用负载设计（如虚拟化服务器、虚拟桌面、Web服务器等），针对非标准化、混合型应用负载的表现并不理想。此外，供应商以机架为单位进行销售，如果用户的IT规模用不上一个模块或者用户希望以更小的颗粒进行横向扩展，融合系统的使用就会受到诸多限制。
此外，IT部门仍然要面对虚拟化管理的复杂性，虚拟机泛滥导致资源浪费，应用堆栈增多导致出现故障后故障定位和排错变得困难，存储设备因为不能支持虚拟机感知而无法直观显示虚拟机性能数据等。
由于服务器、存储网络、集中式共享存储构成的三层架构在性能、成本、可靠性、可管理性、扩展性等方面存在诸多问题，使得以Nutanix（路坦力）为代表的HCI解决方案迅速发展。Nutanix的HCI解决方案带来了基础架构平台的革命性变化，方案通过软件定义的方式降低了物理环境的复杂度，内置的管理平台提升了平台整体的运维能力，如图1-6所示。图1-6 HCI架构
超融合系统通过集成虚拟化、计算、存储及网络技术，摒弃了三层架构固有的问题，支持以更小的颗粒（一次只需添加一个节点）进行横向扩展，并通过分布式架构、软件定义技术及自修复等功能提供更高的可用性和可扩展性，这使其很快成为众多数据中心建设者在新建、更新数据中心时的首选方案。1.2 超融合系统概览
在开始介绍超融合系统之前，有必要对超融合系统的前身即融合系统进行介绍。
融合系统也称集成系统，是数据中心随着技术发展而产生的一种参考方案架构。从字面意思来看，融合就是将两个或多个组件组合在一起，形成一个融合的单元。业界对于融合系统并无一个统一的标准定义。但维基百科中对于融合系统的定义比较具有代表性：“融合系统是由一组不同的IT组件封装成为一个统一、优化的计算单元，这些不同的IT组件可能包含服务器、存储设备、网络设备及系统软件等，以便于实现IT基础架构的管理、自动化及编排配置。”
从维基百科的定义中不难看出：首先，融合系统包含了传统IT基础架构中的一个或多个组件，如服务器、存储设备或网络设备等；其次，融合系统不应是简单的硬件设备堆砌，而应该具备一定的预配置能力；最后，融合系统在管理上应该具有所包含资源的集中管控能力，并提供一个统一的控制面板。
融合系统上述三层内涵有着一个共同的目的，即降低IT基础架构的复杂度、提升部署及维护效率。图1-7 资源角色的逻辑分层
如图1-7所示，任何IT系统都可以按照如下三层进行分类定义，我们熟知的各个IT组件都可以归类到“资源消费者”“资源协调者”以及“资源供给者”三种角色当中，每个组件与其他组件间的协作就是我们熟知的集成能力，融合系统就是将传统IT架构中的各个组件进行集成，提升组件间的协作效率、降低协作成本，进而实现IT系统服务能力的最大化。按照IT技术架构的优化原则，对不同角色的IT组件进行深度优化和集成，实现系统整体的优化，将资源最大程度地供应给消费者使用，可以获得最大产出。
融合系统架构也同样遵循上述的技术架构优化原则，将提供计算资源的服务器、提供数据存储资源的存储系统和提供网络资源的网络系统这些“资源供给者”进行堆砌。这种通过硬件设备叠加来实现的模块化方案，作为融合系统的初期版本，实质是以物理形态为主的融合系统。IT供应商通常通过整机柜式数据中心的概念，将传统的标准服务器、存储设备和网络设备放置在一个标准机柜中，打包出售给用户。这种融合系统可以解决设备选型和物理部署配置上的一些问题，但从IT基础架构管控层面与传统的IT基础架构相比并无区别。
虚拟化技术被用户接受，等于在“资源协调者”层面有了优化集成的载体，融合系统供应商借助虚拟化的能力对原有的融合系统进行升级，在物理形态的融合系统基础上预配置了虚拟化层，融合系统开始进入硬件与软件集成的模式。这类产品包括大家所熟知的VCE推出的vBlock系统、Dell推出的vStart系统、Cisco联合NetApp推出的Flexpod，等等。这一类型的融合系统，已经不再是通过硬件堆砌实现简单物理形态的融合，而是发展成硬件和软件系统集成形态的融合，相较于传统IT架构，这一类融合系统提供了更为全面的预配置能力，大大降低了规划和选型复杂度，通过预集成，提高了交付和配置效率，预置的管理平台在一定程度上实现了IT资源的集中管控。但此类融合系统所采用的硬件设备或软件系统仍是基于传统架构设计或开发的，无论是在采购还是在运行过程中，同样存在传统IT基础架构所面临的资源浪费、性能瓶颈或者过度投资等问题。
出现硬件与软件集成的融合系统之后，有一段时间的相对稳定期，很多融合系统厂商开始细分融合系统的应用场景，也就是在“资源消费者”层面进行深耕细作，逐渐出现了各种基于应用系统深度集成的融合系统，如面向数据库应用的融合系统、面向SAP应用的融合系统、面向Hadoop集群的融合系统等。但是IT架构本身并未得到根本性的革新。
随着融合系统市场的成长，第三方研究机构IDC及Gartner也开始对融合系统进行定义及分类。根据IDC及Gartner发布的官方报告，两者对融合系统的分类如下：
·IDC将融合系统（Converged System）分为三类，分别是：
·集成系统（Integrated System）
·认证参考系统（Certified Reference System）
·超融合系统（Hyperconverged System）
Gartner则将融合系统称为集成系统（Integrated System），分为四类，分别为：
·集成基础设施系统（Integrated Infrastructure System）
·集成参考架构系统（Integrated Reference Architecture System）
·集成堆栈系统（Integrated Stack System）
·超融合集成系统（Hyperconverged Integrated System）
从上述分类中不难看出，Gartner对于融合系统的界定相比IDC更为细致，因此，接下来笔者将参照Gartner对融合系统的分类进行简要介绍：
·集成基础设施系统：将服务器、存储及网络硬件集成在一起，提供一个共享的计算基础设施，如VCE的vBlock系统和HPE Converged System700。
·集成参考架构系统：由一家或多家供应商所认证的一组具有特定规格的包含了多个硬件或软件系统的产品集合（理想情况下，由同一家供应商提供服务支持），所有列出的集成系统均可被视为参考架构，如Cisco与NetApp推出的FlexPod数据中心解决方案中包含了Cisco UCS服务器、Cisco Nexus交换机以及NetApp FAS存储，各服务器厂商基于VMware VSAN推出的VSAN Ready Node等。
·集成堆栈系统：将服务器、存储和网络硬件与应用软件集成，以提供应用一体机或类似应用一体机的功能，例如Oracle Exadata或Teradata。
·超融合集成系统：紧密地将计算、存储和网络硬件结合在一起，且无须传统的存储系统（SAN）；数据存储功能以及备份、恢复、复制、重复数据删除及数据压缩等功能均包含在管理软件或集成硬件中，与计算能力统一交付。主要的供应商有Nutanix、Scale Computing、Cisco HyperFlex和HPESimpliVity等。
了解了融合系统的定义与分类后，以下将对超融合系统进行介绍。
超融合系统（Hyperconverged System）或超融合基础设施（Hyper-Converged Infrastructure）这一概念最早由谁提出，难以考证，而且目前仍未形成一个严格的标准定义。经笔者调查，第一套超融合系统由Nutanix于2011年推出，并使用了融合基础设施来归类该产品。随着超融合市场热度的提升，无论是新兴厂商还是老牌厂商都陆续推出各自的超融合系统产品。于是各厂商和机构都对超融合系统给出了各自的定义：
·Nutanix：超融合架构是指在同一套设备单元中除具备计算、网络、存储和虚拟化能力之外，还具备数据备份、快照技术、重复数据删除、在线数据压缩等特性，且多套设备单元可以通过网络聚合起来，实现模块化的无缝横向扩展，形成统一的资源池，并通过统一的管理系统进行管控。Nutanix认为超融合架构（HCI）仅仅是通往企业云架构的一个阶段。
·IDC：超融合系统是集成系统新兴的一个分支，将计算、存储、网络功能整合到单一的软件解决方案或物理设备中，封装为单一的、高度集成化的解决方案。与传统IT基础设施的不同点在于，超融合系统实现了不同资源类型的深度集成，并由系统供应商提供统一的服务支持。
·Gartner：超融合集成系统是指，紧密地将计算、存储和网络硬件结合在一起，且无须传统的存储系统（SAN）；数据存储功能以及备份、恢复、复制、重复数据删除及数据压缩等功能，均已包含在管理软件或集成到硬件中，与计算能力统一交付。
虽然有不同的定义标准，但大家基本形成了一个统一的共识，即超融合系统是一个软件定义、可灵活配置、随需扩容的全堆栈IT基础设施，可以包含但不限于如下组件：
·标准化的COTS（Commercial-Off-The-Shelf）硬件环境
·软件定义计算（Hypervisor）
·软件定义存储（SDS）
·软件定义网络（SDN）
·统一的管理控制中心（Management System）
上述各组件间解耦，可以灵活组合，随需配置，所有组件均实现完全分布式，不存在任一单点故障。
对比之前融合系统的定义及不同分类，可以发现超融合系统区别于其他融合系统架构最主要的特点之一，就是将其他融合架构中仍需要外部存储控制器实现的数据存储能力，转化为通过软件定义的方式来实现。所以，可以将超融合系统出现之前的融合系统统称为物理融合架构，相较于超融合架构，两者之间的架构差异如图1-8所示。图1-8 物理融合架构与超融合架构示意图
超融合系统通过软件重新定义了资源的角色和功能，打破了物理架构的约束，实现数据管理和业务运行高效性的同时，提高了架构灵活性。
正是由于超融合系统自身所具备的架构优势，能够带来非常明显的客户价值，因此在互联网企业的大型数据中心中被广泛采用，以实现计算、存储和网络资源的快速部署、统一管理、灵活调度以及自动化运维，为数据中心带来前所未有的运行效率、业务灵活性、系统弹性、规模以及最优成本。
超融合系统正在逐步替代传统服务器加集中式共享存储的系统架构，并通过软件定义的方式，使得硬件架构变得更加清晰简单，进而简化了IT系统的设计复杂度，所以在考虑超融合系统时，不应仅仅把超融合系统视为传统存储系统的替代产品，因为软件定义存储仅是超融合系统的一个组成部分，超融合系统的作用是为多种业务应用场景和不同工作负载提供综合解决方案。作为超融合系统领域的领导者厂商，Nutanix对超融合系统的天然优势做了如下的总结：
·按需采购：改变采购模式，无须一次性大规模采购，按需购买，保护现有投资；
·快速交付：从上机架开始1小时内即可交付使用，部署快捷；
·简化管理：单一界面，统一管理计算、存储、虚拟化等资源，运维管理简单化；
·弹性扩展：分布式架构，线性扩展，无节点数限制，无单点故障，内置本地备份、同城和异地容灾能力；
·开放兼容：支持多种Hypervisor，并提供灵活开放的硬件、Hypervisor选择，满足用户不同业务服务等级的技术与成本要求；
·技术先进：单一架构可支持虚拟机、容器及云原生应用，并提供原生的公有云连接能力；
·单一支持：单一厂商保障所有软硬件，提供包括计算、存储和虚拟化的支持。1.3 超融合市场格局
正是由于上文提及的超融合系统的优势，使得超融合系统成为当下热门的技术领域，众多IT厂商都陆续推出各自的超融合系统产品或解决方案，本节依据第三方研究机构相关报告中的排名对国内外主流的超融合系统进行简要介绍。
·Nutanix：成立于2009年，自2011年以来一直是超融合系统市场及技术领域的领导者厂商，占据全球超融合系统市场份额的50%以上，拥有遍布全球100多个国家的6200多家客户。Nutanix在2016年9月完成IPO，成为第一家上市的超融合系统厂商。经过持续的研发投入，Nutanix逐步从超融合系统迈向数据中心整体解决方案——企业云架构，其提供了完整的Acropolis和Prism方案，包括Acropolis Hypervisor（AHV）、Acropolis File Services（AFS）、Acropolis Block Services（ABS）和Acropolis Container Services（ACS）等功能，并推出了基于机器学习、具有X-Fit专利的企业云管理平台Prism Pro。Nutanix除了自有的NX系列超融合系统之外，还与Dell、联想签订了全球OEM协议，共同推出了Dell XC系列及联想HX系列超融合系统，并通过系统认证的方式，对HPE Proliant系列服务器及Cisco UCS系列服务器提供超融合系统的支持。
·SimpliVity（HPE）：成立于2009年，是超融合系统领域的重要厂商，于2016年2月被HPE收购，收购之前，SimpliVity提供了名为OmniStack的数据虚拟化平台，并使用基于PCI-E接口的FPGA硬件加速卡提供数据加速。除了自有的OmniCube一体机设备产品之外，SimpliVity与Cisco、联想和Dell签订了OEM协议，提供了基于后者服务器硬件的OmniStack超融合系统。在HPE宣布收购SimpliVity之后，上述OEM协议延续情况并不明朗。根据HPE及SimpliVity官方网站发布的最新消息，SimpliVity原有产品线将与HPE原有的超融合产品线进行整合，面向客户推出HPE SimpliVity 380、基于HPE StoreVirtual VSA的HPE HC 380和HPE HC 250三个HPE超融合系统产品，SimpliVity将不再对外提供超融合系统产品。
·Pivot3：成立于2003年，专注于全闪存超融合系统，在2016年1月收购了NexGen Storage公司，并将后者的动态全闪存阵列产品集成到其超融合系统方案中，于2016年6月推出了全新版本的vSTAC超融合系统，提供vSTAC SLX 50、vSTAC SLX 100和vSTAC SLX 200三种配置的超融合型号，每个集群均可提供三个节点的HCI混合设备和一个基于NexGen全闪存阵列的N5全闪存设备。此外，Pivot3也通过OEM协议的方式与Cisco、Dell及联想合作，推出其认证的超融合系统方案。
·Dell：作为老牌的IT厂商，Dell与EMC合并之后，超融合系统产品线变得更为丰富，是目前最为全面的IT基础设施供应商之一。除了Dell和Nutanix合作推出的XC系列产品之外，又整合了源自EMC的基于VMware VSAN的VxRack和VxRail系列产品，其中Dell XC系列继承了Dell PowerEdge服务器与Nutanix超融合系统的优势，成为Dell在全球超融合系统市场的强势产品，与来自EMC的VxRail产品形成互补，前者涵盖了数据中心大部分业务场景，而后者则专注于基于VMware平台的应用场景，使得Dell在全球超融合系统市场成为最为全面的供应商之一。
·联想：兼顾个人与企业IT服务的IT厂商，在并购了IBM System x系列服务器产品线之后，在全球服务器市场份额持续领先，是目前最为全面的IT基础设施供应商之一。超融合系统作为数据中心热点，联想也积极涉足该领域，除了推出自有产品之外，也通过与其他超融合系统厂商签订OEM协议方式合作，其中最为成功的是与Nutanix合作推出的联想HX系列产品，该系列产品基于System x系列服务器和Nutanix超融合系统，继承了两者的优势，成为目前超融合系统市场竞争力突出的产品。除Nutanix之外，联想也与SimpliVity、Maxta等公司签订了OEM协议，随着联想与Nutanix合作加深，与SimpliVity、Maxta等公司OEM产品的关注度变得越来越低。
·华为：其产品线丰富，几乎涵盖了IT基础设施的各个层面，是目前IT业界最为全面的基础设施供应商之一。超融合系统是由其原有的一体机方案演变而来，名为FusionCube的超融合系统是FusionServer服务器、FusionSphere虚拟化软件以及整合面向对象的存储系统FusionStorage集成得到的，从方案架构和规格上来看，与“原生”的超融合系统仍存在较大差距，但华为FusionSphere作为国内发展最快的虚拟化Hypervisor，不仅提供了对VMware的支持，也提供了自有的基于Xen开发的虚拟化平台。在技术能力方面，华为FusionCube依托性能强劲的硬件平台，可以提供较好的运算速度和性能，此外，FusionCube还支持Infiniband组网方式。
·Cisco：Cisco基于其成熟的UCS生态系统，与其他超融合系统厂商如SimpliVity、Pivot3签订了OEM协议，推出基于UCS的超融合系统。此外Cisco也于2016年年初发布了自有的超融合系统产品HyperFlex Systems，该系统采用了SpringPath的超融合系统HXDP部署在其UCS服务器之上，经过将近一年多的版本更新，截至本书编写完成之时，发布了HyperFlex 2.5版本，但从其官网获知的信息来看，其超融合系统仍处在一个较初期的阶段，无论是产品扩展规模还是核心特性，都与其他超融合系统存在一定差距，也仅支持VMware虚拟化Hypervisor。HyperFlex提供四种型号，包括混合架构的HX220、HX240，以及全闪存架构的HXAF220和HXAF240。在一个HyperFlex集群中除了可以支持8个上述HX类型节点之外，还可以接入8个UCS B系列刀片服务器作为计算节点。1.4 软件定义存储与超融合系统
在介绍超融合系统的定义时，本文提到了软件定义存储（Software Defined Storage，以下简称SDS）这一概念，那么什么是软件定义存储，软件定义存储与超融合有着什么样的关系呢？“软件定义”这一说法最早是从“软件定义网络”（Software Defined Network）这一概念衍生而来的，逐渐蔓延到计算和存储，甚至提出了“软件定义一切”的设想。从技术发展趋势来讲，“软件定义”这一概念已经被广泛接受和认可。“软件定义数据中心”“软件定义存储”以及“软件定义网络”等概念与超融合系统类似，并无统一的标准定义，不同的厂商或机构都有着各自的理解。
SDS主要是针对传统架构下使用专用硬件构建的存储系统而言的，通过软件系统将开放式的硬件平台作为资源池实现传统存储系统所提供的数据服务相关功能的解决方案，解决方案从逻辑架构上可以分为数据平面和控制平面。SDS除了实现传统存储系统所提供的功能以外，在可用性、扩展性、灵活性、管理便捷性以及总体拥有成本等方面也具有天然的优势。
业界SDS产品众多，有的面向专用的应用系统，有的则是提供相对通用的底层架构框架。典型的SDS方案有Nutanix DSF、VMware VSAN、RedHat Ceph、RedHat Gluster、Dell ScaleIO和微软Windows Server Storage Space Direct（S2D），等等。上述产品主要应用于Server SAN这一产品形态，关于Server SAN，可以参考第三方研究机构Wikibon给出的定义：“通过连接到多个独立服务器的存储设备组成的一个存储资源池，然后通过高速互联的方式（如InfiniBand或低时延以太网）构建一个提供数据存储一致性服务的解决方案。”
从上述定义中不难看出，SDS的定位在于解决数据存储服务问题，其出现并被市场快速接受的主要原因包括：
·当下互联网时代，数据量急速膨胀，传统存储架构已经无法满足当前应用数据爆炸式增长的需求；
·硬件技术跨越式发展，尤其是x86架构和高速网络互联技术的快速发展，为软件定义及分布式架构提供了坚实的硬件基础；
·数据中心架构的更新，尤其是超融合系统的快速发展，也推动了SDS的快速发展。
从超融合系统与软件定义存储的定义不难看出，软件定义存储是超融合系统必不可少的组成部分，相较于其他融合系统而言，超融合系统使用软件定义存储来替代传统存储方案，突破传统存储架构的各种限制，使得存储特性可以满足当下及未来数据中心业务对数据存储的需求。可以说软件定义存储是超融合系统的必要但不充分条件，没有软件定义存储，超融合架构是不完整的，但仅通过软件定义存储结合虚拟化Hypervisor就自称是超融合系统也是不准确的。软件定义存储可以独立于超融合系统单独存在，其定位是通过Server SAN的产品形态来替代传统存储方案，降低存储的总体拥有成本，带来更高的灵活性和扩展性。
按照Wikibon对Server SAN的定义标准，笔者重新梳理了目前Server SAN以及超融合系统的市场布局，供读者参考，如表1-1所示。表1-1 Server SAN及超融合系统的市场布局
从表1-1中不难看出Server SAN与超融合系统的层次关系，两者之间是相互渗透、相互影响的，超融合系统的重点是将标准化的COTS（Commercial-Off-The-Shelf）硬件环境、软件定义计算（Hypervisor）、软件定义存储（SDS）、软件定义网络（SDN）以及统一的管理控制中心（Management System）相融合，以便获得最佳的使用体验，而软件定义存储（SDS）则更加专注于数据存储服务，以提升数据管理效率。最为理想的软件定义存储方案应该与超融合系统一样具有开放性、兼容性，能够支持多种Hypervisor和硬件，以满足各种业务场景的应用需求。
参考第三方研究机构的选型建议，笔者整理了Server SAN的选型建议，具体如下：
·广泛的生态支持能力：
·虚拟化Hypervisor：支持VMware ESXi、微软Hyper-V、KVM等；
·物理设备：支持非虚拟化环境；
·硬盘介质：支持全闪存架构及固态硬盘与机械磁盘混合架构；
·云集成能力：可以与主流的公有云平台实现无缝对接。
·扩展性：具有强大的扩展能力，可以满足单集群上百节点的部署需求。
·可管理性：提供完善的API接口，满足自动化的运维管理需求。
·易用性：架构简单、运行稳定、操作方便。1.5 数据中心面临的挑战
基于虚拟化技术的数据中心架构在过去10年间成为数据中心的主流，但其仍然是以服务器、存储网络、存储设备三大组件叠加形成的传统三层架构，如图1-9所示。图1-9 传统数据中心三层架构
随着应用和用户数的激增，图1-9中的三层架构在数据中心建设和运维过程中暴露出诸多问题：
·服务器虚拟化技术带来了如提高服务器资源利用率和应用的可靠性等优势，但是并没有解决数据中心内的存储和网络的管理、成本、性能等方面遇到的问题。虽然可以通过采购额外的组件来解决当前网络、存储的问题，但这种堆砌叠加的方式必然会引入新的问题，如额外的管理负载、较差的性能等。
·在以虚拟化为基础架构的数据中心环境里，虚拟化技术让应用摆脱了服务器硬件的束缚，但也可能会造成用户被虚拟化软件绑定的现象。
·在存储方面，传统集中式共享存储并不是专门为虚拟化环境设计的，不具备虚拟机感知能力，无法通过虚拟化或存储控制台对虚拟机的性能进行直观了解。这是因为传统存储以LUN为基础，一个LUN中同时存储着多个虚拟机（虽然一个LUN也可以只存储一个虚拟机，但存储管理的工作量会激增），在存储控制台中无法对单个虚拟机的性能数据进行展示。
·存储设备的性能和容量受限于存储的控制器和盘柜，数据中心在采购存储设备时兼顾未来业务发展，往往存在超额购置存储设备的情况，而这无疑会造成资金和资源的浪费。归根结底是因为集中式共享存储的性能无法真正实现随业务发展的按需扩容。
·存储控制器决定了存储的整体性能，因其内嵌在存储设备中，无法实现横向的扩展。当虚拟机数量以及IO需求大量增加时，巨量的数据访问请求会导致控制器拥塞，造成性能瓶颈。因此，当有新的应用需要上线时，只能通过购置新的存储设备解决现有环境中存储设备性能瓶颈问题。正是由于存储设备缺乏线性扩展能力，致使业务发展受限，无法及时响应业务发展需求。
·在成本方面，传统集中式存储依赖RAID机制来保证数据的冗余，依赖多个控制器多活的方式来保障控制器的冗余能力，但是在其中一个或多个控制器损坏的情况下，剩余的控制器可能因为突发的数据访问请求而导致性能衰减甚至访问故障。引入存储设备双活方案提高设备可用性，带来成本压力的同时，也带来了管理上的复杂性。
·存储设备的高级特性如数据压缩、重复数据删除、复制特性以及SAN交换机的端口均需购买额外的授权才能激活使用，这意味着成本的增加。
·不同品牌和型号的存储、服务器使用不同的控制台进行管理，管理员需要经过专门的培训才可以使用，这给管理员的运维管理工作带来了额外的负担。
·在管理方面，通常服务器与存储管理由不同的工作人员或工作组负责，当服务器管理员有存储需求时，需要向存储管理员提出申请。而存储管理员除了需要负责存储设备的运维管理之外，还需要兼顾存储网络的管理，如存储交换机的安全配置等。这种使用和管理模式也必然带来资源层的隔离，如服务器管理员并不了解存储的配置是否适用于业务应用，而存储管理员对应用系统的计算和数据访问特性不了解，无法准确地提供应用系统所需的存储资源。
·在部署运维方面，三层架构需要进行复杂的连线、上架才可以开始安装，安装配置的过程复杂，通常需要数周甚至更长的时间，在互联网化的今天，系统上线时间直接决定了业务成功与否。
·软件及硬件因为功能升级或缺陷，不可避免地需要进行软件和硬件固件升级。但是传统架构在升级时需要有较长的停机窗口，同时升级过程中会要求应用停机，这造成了业务不可以持续运行。另外，在大规模的数据中心里，升级更新过程需要经过严格的变更管理、审批流程，这也导致了日常的升级更新成为管理员的噩梦。
综上所述，随着应用数量及用户规模的增长以及用户对于系统可用性要求的提高，三层架构因其架构复杂、维护难度大、成本高等不足，已经无法适应当前企事业单位业务发展的要求，数据中心建设及管理部门急切需要一种新的基础架构来解决上述问题。1.6 超融合出现的诱因
企业越来越依赖信息技术，业务要求数据中心具备支持多样性的应用负载以及对应用变化即时响应和快速调整的能力。同时，IT人力资源和运维成本的受限使得数据中心需要采用新的架构与技术应对成本上的挑战。以业务视角来审视IT，要求IT系统的能力必须能够度量，可以通过服务等级协议（简称SLA）的方式来衡量应用的业务回报。另外，业务对敏捷性和灵活性的需求，也要求数据中心具备类似于公有云环境的灵活性，可以实现公有云平台和混合云平台进行混合管理的能力，并能满足业务的安全需求。
另一方面，近年来超融合系统的流行也与相关技术的成熟有直接关系，如SSD及低时延网络技术。SSD和低时延网络因为性能提升及成本的降低，已经逐渐成为当前数据中心建设时的标配。
一些富有远见的IT行业先锋开始思考是否能将大型互联网企业在数据中心建设和运行方面的经验进行提炼而为企业数据中心提供更具技术前瞻性的产品和服务。于是，超融合技术领域逐渐从技术研究发展成一个行业，促使以Nutanix为代表的一系列HCI公司迅速发展。
Nutanix汲取来自Google、Facebook等互联网巨头的数据中心精华技术（包括分布式、Web-Scale、横向扩展、虚拟化等技术），面向企业级市场推出了超融合系统解决方案，将计算、存储组件进行高度集成，其产品在设计时遵循：
·采用通用的x86服务器，并在同一个服务器上实现计算虚拟化、存储功能。
·通过软件定义的方式实现，而不锁定特定品牌的硬件或板卡。
·所有组件均采用分布式架构（如配置数据库、元数据、数据、服务），保证了数据和服务的冗余性。
·内嵌自修复功能来保证集群在出现组件故障时进行自动的修复和切换，减少了人工管理的成本并提高了系统的可用性。
·完备的API，允许与第三方系统集成并可以实现自动化管理，内置的Prism控制台可以实现图形化、智能化的配置与分析。
Nutanix超融合系统解决方案的特点如图1-10所示。图1-10 Nutanix HCI技术特点1.7 超融合适用的应用场景
按照应用类别来看，当前数据中心中承载的应用主要包括核心业务应用、私有云和混合云、大数据、分支机构、数据保护与灾难恢复、桌面云、协作与统一通信。随着超融合技术在过去数年的应用与实践，已经完全适用于上述的所有应用场景，并提供高效稳定的运行体验，如图1-11所示。图1-11 HCI适用的应用场景
本节只对超融合系统适用的应用场景进行简要介绍，如需要了解更详细的解决方案介绍，可参见第7章。
·核心业务应用
核心业务应用是指那些如果停机或性能下降会对业务造成影响的应用，这些应用包括核心数据库、ERP和CRM等。将这些应用部署在HCI上，可以提高系统的性能、可扩展性、可用性、可管理性。将这些应用从物理环境迁移到HCI环境，也可以降低管理和维护成本。另外，在技术支持方面，HCI是否与这些应用供应商合作发布最佳实践或取得相关认证也至关重要。
·私有云和混合云
私有云对于数据中心的建设与管理至关重要。无论是开发测试还是正式的生产环境都可以基于私有云环境构建。私有云以虚拟化和资源池为基础，并以流程化的云管理平台为依托，且支持用户自助服务。基于HCI构建的私有云可以为用户提供安全可控且具有弹性的云环境。
混合云的特点是将公有云（如AWS/Azure等）的弹性与私有云的安全可控相结合，通过在HCI上构建混合云方案，可以让弹性负载（如应用服务器）放在公有云，将对安全性有要求的应用和数据（如数据库）放在私有云，从而实现公有云和私有云的对接。
·大数据
通过大数据，企业最大化利用数据的价值来帮助业务发展。而随着大数据应用的普及，用户对于大数据的实时性也提出了要求。因此，这也要求基础架构可以提供更好的性能和扩展性。基于HCI来构建大数据平台，在满足大数据系统对计算性能、存储容量需求的同时，也提供了更好的扩展性和伸缩性。此外，在HCI上可以同时运行多种不同的工作负载，如白天HCI环境主要为用户提供虚拟云环境，而当夜间环境的负载降低后，可以用这些闲置出来的资源完成大数据的分析负载。这无疑提高了基础架构的利用率，降低了数据中心的成本。
·分支机构
分支机构一直是IT管理上的难点，通常分支机构的IT力量比较薄弱，不具备专业数据中心和专业IT人员的条件。
通过采用HCI构建分支机构IT环境，可以让IT部门在单一控制台进行统一的IT管理与监控，并可以设置数据保护与灾难恢复策略来保护分支机构的系统和数据，防止因为系统停机或数据丢失对组织造成业务上的影响。
·数据保护与灾难恢复
数据保护与灾难恢复可以防止数据中心因为电力、网络、系统故障导致的系统停机或数据丢失。通过HCI构建灾备站点，可以让系统和数据跨数据中心存储和运行，当灾难发生时，系统可以自动化或手工进行系统和数据的恢复。针对不同的业务要求和场景，HCI可以满足不同级别的RTO/RPO要求。此外，HCI需要支持不同的备份软件和方案，并得到这些厂商的官方认证。
·桌面云
通过建设桌面云，可以帮助组织提高数据安全性并简化IT管理。通过HCI构建桌面云可以满足桌面云所需的性能、可用性、可扩展性，同时也可以降低桌面云的建设成本并可以进行多个数据中心、多种虚拟化平台的统一管理。这就要求HCI能够与主流的桌面云厂商进行官方合作并得到相关的认证。
·协作与统一通信
协作与统一通信系统是组织内部、组织与外部进行沟通的重要系统。同时，最终用户需要通过这些系统实现收发邮件、即时通信、语音电话等功能。用户体验关乎协作与统一通信系统的成功与否，通过HCI构建协作与统一通信平台，可以提高系统的可用性，并可以随着用户规模的增长进行扩展。HCI可以伴随组织规模的增长而增长，并且在集群扩展时得到可预测的性能。
不同的应用场景对于HCI的技术要求不同，以核心业务系统为例，其更加关注性能、数据冗余和可靠性等指标，而对存储服务能力（如是否支持压缩、重复数据删除）和多租户支持不太关注，针对上述七种应用场景的技术关注点的矩阵可以参考表1-2。表1-2 应用场景与技术关注点矩阵
注：●为关键，为需要但不关键，为不适用或不重要。1.8 引入超融合的时机
超融合系统作为一种先进的数据中心架构，并不要求用户废弃数据中心已有的投资和架构，而是可以与数据中心现有的系统和架构共存。
得益于HCI独有的特点，用户不需要像传统架构一样进行资源的提前购买，而是可以按业务的增长同步进行扩容。正是由于这个特点，用户可以从小规模入手采用HCI并逐渐扩展。
以下是笔者总结的一些引入HCI的时机，供读者参考。
·数据中心更新换代：数据中心因为设备淘汰需要进行更新换代，通过引入超融合架构可以让组织得到更多优势。
·新的数据中心建设：在新的数据中心建设时采用HCI可以让数据中心具备分布式、横向扩展、自修复等技术特点。
·空间与电力不足：数据中心在发展过程中可能会面临空间和电力不足的问题，通过高密度的HCI可以使用更小的空间与电力来支撑应用。
·性能瓶颈：使用三层架构的情况下，随着业务的增长不可避免地遇到性能瓶颈，通过HCI的横向扩展能力可以解决现有的性能问题并确保未来没有性能瓶颈。
·可用性困境：采用传统三层架构的情况下，存储设备通常存在单点故障，采用HCI后可以避免系统的单点故障，可接受一个或多个组件、节点、机箱的故障。
·新应用上线：IT部门可以在新的应用上线时采用HCI，并可以结合HCI的特点进行应用架构的优化与调整，让应用具备分布式、横向扩展等特性。
·灾备数据中心建设：许多组织将灾备数据中心建设加入IT建设议程，使用HCI建设灾备中心不仅可以节省空间和成本，也能提高管理效率。
·分支机构集中管理：无论是建设新的分支机构IT环境还是对现有的分支机构IT系统实现集中管控，使用HCI可以减少分支机构的IT管理维护成本。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]