超融合——IT架构革命

超融合利用了虚拟化技术和分布式存储技术,将IT资源抽象出来,以软件定义的方式将多种功能融合一体,提供了如整车一般的用户体验。现在,超融合正在掀起一场IT架构革命。本文详细介绍了超融合的概念并对其未来发展进行了展望。

一、超融合重新定义数据中心

首先通过一个简单的类比理解超融合。我们知道汽车是由发动机、油箱、车轮等核心组件构成,但是在日常购买中,我们基本不会分别去配置发动机等装备,而是直接去买整车。不过在企业IT系统的建设中,依然是分别采购服务器、存储、网络等设备来搭建自身的系统。服务器提供计算能力就如发动机提供动力;存储提供储存空间就如油箱提供能源储备;网络提供通信连接能力就如车轮连接整车,而超融合的诞生,将多种功能融合一体,提供了如整车一般的用户体验。但是,超融合并不是几种设备的简单堆叠,他是利用了虚拟化技术和分布式存储技术,将IT资源抽象出来,以软件定义的方式去呈现。核心还是软件技术。

从技术上说,超融合是一种新的云计算架构,相比于传统云计算侧重于计算层面的虚拟化,超融合对计算、存储、网络都进行虚拟化,通过软件定义实现计算、存储、网络融合。超融合架构中最根本的变化是存储,由原先的集中共享式存储(SAN/NAS)转向软件定义存储,特别是分布式存储。

超融合概念来自于Nutanix等存储初创厂商,Nutanix将Google/Facebook等互联网厂商采用的计算存储融合架构用于虚拟化环境,为企业客户提供一种基于X86硬件平台的计算存储融合产品或解决方案。“超”对应英文“Hyper-Converged”中的“Hyper”,特指虚拟化,对应虚拟化计算架构。

从数据中心架构发展看超融合的必要性。IT架构是一个不断演变的过程,其主要构成是计算(服务器)、存储(磁盘)、网络(路由、交换)三种设备。从90年代开始,数据中心已经作为企业的核心基础设施,随着软件,尤其是虚拟化技术的发展,云计算逐渐成为IT架构的主流。

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第一阶段:分散式和整合式的硬件时代。分散式是服务器与存储直连,整合式将直连变为共享。这是传统数据中心的布置,属于硬件化的堆积。在这种架构下,各设备独立承载自己的功能,并且独立管理;硬件资源利用率极低,且投资成本大;业务上线时间长,从市场调研,到预算规划,到硬件采购,到部署上线,周期在1个月到半年不等;管理维护难,而且扩容复杂。

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第二阶段:虚拟化进入云计算时代。这阶段的云计算主要是服务器虚拟化,然后与数据存储进行叠加,计算、网络、存储仍然是三层架构。服务器虚拟化构造了计算的资源池;通过虚拟机部署业务,实现平台上的统一管理;如果计算资源不够,可以方便弹性扩展。虽然服务器虚拟化提高了计算资源利用率,节约了部分成本,但是存储依然是从前的模式,扩容较难。

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第三阶段:物理融合与超融合时代。第一代融合系统是一种关注硬件的解决方案,服务器、存储、网络设备放在同一个机架中。虽然这些设备有预先配置,但是并没有冗余消除的效果。如果需要资源扩展,计算和内存由额外服务器来完成,存储由额外磁盘阵列完成。超融合通过虚拟化技术更进一步,计算、网络、存储资源集成到同一个设备中,将硬件资源抽离软件化。

超融合改变传统存储逻辑。云计算通过服务器虚拟化,大大提高了计算性能。但是仅仅靠越来越快、核数越来越多的CPU是不够的,传统存储磁盘太慢也是一大瓶颈,导致CPU大部分计算能力都空闲或者说在等待存储数据传输过来。传统存储容量和性能不具备和“计算能力”匹配的可扩展性,不能满足企业进行数据访问的需求。

传统SAN/NAS网络存储产品在I/O上的瓶颈,在超融合架构中得以解决。超融合完全去掉了传统存储,利用分布式文件系统来提供“不可限量”的性能和容量,在这个基础上,再通过Cache进行加速,甚至全部使用闪存(全闪存产品)来构建。通过虚拟化技术,实现了计算和存储的融合,I/O速度大幅提升。

超融合改变传统IT架构。传统云架构下不同功能的IT设备多达十几种,尤其是计算和存储分离,中间还需要SAN存储网络。但是在超融合架构下,计算和存储资源融合在一个设备里,即是超融合一体机。十几种设备,变成当前只需要X86服务器和交换机即可。

超融合下产品精简,部署轻松,运维方便。超融合使各种IT资源集成在一个一体机设备中,而且这种架构基于通用X86硬件即可完成。不用再像从前搭建各种设备连接,超融合一体机可以做到开箱即用,原来数周时间的设备部署可以在半小时内完成。超融合可以看作一个独立的数据中心节点,如果企业存在资源不够的情况,可以灵活购买,直接横向部署即可。同时超融合运维方便,不再是计算、存储各有一个管理界面,而是只有一个超融合管理界面,大幅降低使用难度。

二、超融合核心优势在方便易用和降低成本

从技术上看,超融合首先继承了分布式存储的优点。分布式存储利用多台存储服务器分担存储负荷,利用位置服务器定位存储信息。它不但提高了系统的可靠性、可用性和存取效率,还易于扩展,将通用硬件引入的不稳定因素降到最低。除此之外,技术指标上,超融合也具备明显优势。

超融合的核心技术在于虚拟化和软件定义存储,这些技术在公有云中已经有应用,我们可以将超融合理解为把公有云资源封装成一个package,来建设自己的私有云。所以其一个节点就是一个小型数据中心单元,搭建用户自己的私有云将非常方便,只需要横向拓展节点即可(Scale-out),其性能和资源可以做到线性增长。传统拓展资源的方法,则是纵向拓展(Scale-up),即分别增加服务器和存储,配置和升级复杂性大大提高。因此方便易用的超融合架构首先降低了运维成本。

根据Wikibon的研究,详细拆分了超融合架构和传统x86白盒基础设施的整体IT运营成本。研究中采用的是,使用Oracle高可用性数据库机(ODA)及Oracle数据库企业版和Oracle真正应用集群(RAC)作为超融合模型。研究中假设ODA的硬件成本略高于白盒,但软件和支持成本低得多,因此相同资源配置下,超融合架构3年运维总成本节省123.2万美元,比传统架构成本降低36%。

从实际产品案例看超融合节省成本。相比与超融合模式,集中式架构下需要额外采购DELL的网络存储双控设备,交换机也需要昂贵的光纤交换机,服务器和存储需要分别采购。而超融合架构只需要四个一体机节点即可,外加两台普通网络交换机。超融合首先在设备上节省了一定采购成本。

在完成相同性能工作的配置下,超融合的计算和内存,由于要负责融合存储功能而有额外一部分消耗,但这部分占比不到10%。在超融合一体机中,计算和存储的比例是固定的,所以存储容量可能超过传统架构所需的部分。直观上能明显看出超融合一体机设备所需空间远小于传统架构,耗电也只有传统架构的60%,每年可节省大量电费。

三、超融合最适合大中型企业

超融合属于私有云的一种解决方案,目前受到市场的强烈追捧。企业上云是大势所趋,但是并不是所有企业的所有内容都适合上公有云,而自建私有云往往十分复杂和昂贵。超融合的出现则填补了这块市场。

目前,超融合在政府市场规模最大,其次是教育、运营商、制造业。基于超融合灵活方便的原因,更适合中型企业上云的需求,尤其是企业并没有足够的IT支持团队。除此之外,比如分支机构这种应用场景,也非常适合使用超融合。

资料来源:H3C

另一方面,虽然理论上超融合节点可以无限扩张,而且Nutanix的宣传中也有大型企业购买数千节点构建集群的案例,但是超融合也并非完美。超融合并不适合大规模应用:第一、超融合作为一个新兴技术,目前还不够稳定,在超大规模集群中,节点通信复杂度快速上升,会造成系统的负荷过大。第二、超融合节点的计算和存储资源是固定封装好的,该架构决定了节点扩张时各种资源的线性增长,即如果需要大量计算资源,并不要求大量存储资源时,会造成一定浪费。从当前国内技术发展水平看,国内主要布置超融合架构的方案节点均在20个以下。

还是以上文汽车来举例。如果我们需要开车穿越时空,那只需要瞬时速度超光速即可,这辆车需要足够多的发动机,并不需要太多油箱,类比超融合的方案,这个时候就会浪费很多“油箱”,就是存储资源;再比如我要开车环游世界,这种场景我不需要车速太快,但是希望油箱多多益善,省去加油的烦恼,类比超融合方案,这个时候就会浪费大量“发动机”,也即是计算资源。因此,并非所有场景都适用超融合。

以华为在光大银行构建全国分行二级资源池案例,看超融合具体应用。光大银行目前在全国有38家分行,1家总行。从前各个分支机构IT设备独立采购和部署,造成设备众多难以管理的局面。光大银行考虑采用私有云的方案对分支机构进行整改,整体部署分为两级资源池。总行为一级资源池包含传统的融合架构资源池,存储资源和网络资源,部署总、分行生产交易系统,以及总、分行间流量较小的办公类应用。因为总行对于IT资源稳定性要求极高,而且大规模部署,所以依然采用主流的“两地三中心”传统架构,超融合并不适用。但是在二级资源池中,主要需要部署的是分行本地流量比较少的应用,如影像平台、邮件、办公系统等,这一部分就非常适合采用超融合架构。

在此案例中,华为对分支机构采用超融合一体机FusionCube 6000来构建光大银行的二级资源池。在每个分行部署2框6节点FusionCube 6000,部署所有分行应用(含数据库)。由于超融合部署方便,38家分行仅在3个月内完成全部安装、配置及应用的迁移工作。超融合不仅使各分行IT建设大瘦身,还让总、分行所有资源纳入云管理平台统一管理。

根据华为的介绍,分支机构不再需要专业IT运维人员,一个界面就能实现远程的统一管理;大幅减少运维成本,节省TCO至少35%以上。传统分行同城灾备中心的建设成本约为300万,网络级灾备中心仅需要约30万,38家一级分行共节省资金约一个亿。

资料来源:华为官网

超融合正在掀起一场IT架构革命。从市场反馈来看,超融合增速不断超预期,全球超融合市场17年已经达到36.4亿美元,大幅超出IDC预期的24亿美元。市场玩家主要是传统IT巨头,Gartner在2018年首次发布了超融合的魔力象限,处于领导者的是Nutanix、Dell、VMware、惠普。中国厂商只有华为入选了挑战者象限。中国市场在2015年开始迅速火热,主导厂商一直是传统IT设备商华为和新华三,但是深信服在15年推出超融合产品后,市场表现出色,快速成为市场三巨头之一。因此,我们认为超融合市场目前处于蓬勃发展的阶段,在未来IT产业变革中将占据一席之地。同时,超融合给企业上私有云提供了一个新的选择,未来有潜力成为平滑登录混合云的台阶。

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