超融合架构在数据中心的应用

王 赓

（应通名气网络服务（深圳）有限公司，广东 深圳 518000）

0 引 言

超融合架构组件之间的关系比较复杂，多个组件高可用运行方式在排列组合的前提下能够呈现出多样性特征。如何对架构进行描述并给出一般评价方法，同时使用通用优化模式提出特定目标条件下的运行方式就显得至关重要。超融合架构在数据中心的应用可以节省空间并降低硬件成本，使整个数据中心的业务部署与业务迁移工作变得更加灵活和稳定[1]。

1 超融合架构的基础模型

1.1 高可用模型的构成

系统元素集描述的是基础架构当中的系统组成成分，也是维持系统正常运行的元素集合。在控制节点上的不同服务组件和存储节点上的服务组件都可以被认为是系统元素，生动形象地解释了基础架构的组成要求。除此之外，与元素相关的状态和数据也应该具备高可用特性，以维持系统的正常运行。数据元素本身是对系统元素状态数据的综合描述，系统元素和数据元素都需要有承载的位置，即系统元素的运行节点和承载节点[2]。无论是控制节点、执行节点还是其他节点，在节点被赋予角色位置之后，其位置集就已经被确定。

建模过程中，超融合基础架构可以通过建模流程转化为可用模型。一般情况下，基础架构中对应的高可用模型系统元素集和数据元素集在所有运行模式的约束下都可以呈现出不同的特性，通过完整性检查可以发现模型当中可能存在的漏洞现象。在所有系统元素和数据元素所组成的模型中，如果约束关系结构内的取值合理，则表明模型具有完整性，否则表明模型中存在高可用漏洞。漏洞与系统元素有关，此时可以考虑用算法进行检查。具体来看，按照所有的系统元素和数据元素构件约束关联结构，然后将其构建成向量，依据可用的支持元素寻找到对应的约束关系结构后按照算法描述写出代码信息。

1.2 模型优化流程

超融合架构中的每一个系统元素和数据元素都将所有可能存在的系统运行模式和限制关系扩展到了现有的基础架构中，并促使模型可以通过完整性检查。基础服务和管理服务部门在控制节点上运行，而虚拟化的网络服务和管理服务则应用至所有的计算节点[3]。模型优化环节需要考虑到可能出现的故障情况，例如一个系统元素在故障后必然导致其状态受到影响，对此可考虑选择故障隔离的方式，避免其他类型的系统元素影响到正常的系统元素。在物理节点出现故障后，节点级别的故障隔离可能会导致物理节点上的其他服务无法正常运作，此时超融合架构需要采用以服务组为单位的故障隔离与模型优化方式，系统元素提供的功能仍然可以由其他控制节点来提供。多次重启后故障仍然无法解决时，则当前节点上的虚拟计算层所有服务都会被关闭，此时可以在其他节点上启动虚拟计算层的服务组服务内容，以提供正常的服务。控制节点上的其他服务组元素和系统元素则不会受到故障本身的影响和干扰，控制权此时会被转移至其他的可用控制节点上，维持安全可靠的运行环境。通过提出服务组级别的故障隔离方法、CPU内存开销优化方法以及资源使用优化方法，整合改进超融合架构流程。

1.3 超融合架构要求下的数据中心

基于虚拟化的平台进行数据中心建设，根据硬件配置要求组建虚拟化的服务器集群，以开展统一管理。目前存储虚拟化主要分为集中式存储和分布式存储，两者都可以构建虚拟化平台支持下的资源池。随着超融合架构技术的不断发展和优化，数据中心的基础硬件配置、虚拟化配置、管理监控配置等也会更加完善，数据中心对于资源的分配、整合变得更加合理，虚拟化效率和硬软件重组能力显著提高[4]。

2 超融合架构在数据中心的应用

2.1 计算虚拟化

计算虚拟化是指通过虚拟化技术将一台计算机虚拟为多台逻辑计算机。在一台计算机上同时运行多个逻辑计算机，每个逻辑计算机可运行不同的操作系统，同时应用程序可以在相互独立的空间内运行且互不影响。虚拟机具备真实服务器的硬件设备（包括处理器、内存和网络设备等），其操作系统和应用程序与物理服务器上的运行方式保持相同，但组件间和服务器的配置不存在关联，可以实现分区隔离和封装移动。对于用户而言，可以在短时间内完成配置和组网。

在现代计算机体系中，一般存在两个以上的特权级，用以对系统软件和应用软件进行分离处理，同时关键资源的指令在执行阶段会进行访问评估。传统的虚拟化方法是利用特权解除方式将客户机的操作系统设定为非特权级，解除特权级之后大部分指令仍然可以在硬件上运行，除非特权指令才会陷入虚拟机监控器（Virtual Machine Monitor，VMM）模拟执行模块。超融合架构支持下的数据中心包含资源层、基础层以及服务层3个不同的模块。物理层的全部设备进行池化处理后，通过弹性计算服务或自动化部署等方式根据不同的需求来构建信息化的项目运作基础环境。其中涉及到内存的虚拟化设定，在内存虚拟化设置环节需要对虚拟地址、机器地址以及物理地址进行定义。如果客户机操作系统创建页表时，那么分配的页面涉及到的所有操作都被写入到VMM中进行验证，然后将物理地址转换为机器地址，将修改后的页表信息载入到（Memory Management Unit，MMU）内，实现虚拟地址到机器地址的转换[5]。

2.2 网络虚拟化

虚拟化之后的数据中心内部有着大量的业务流程，对系统构建与网络功能部署要求变得更高，传统技术已经无法满足业务隔离等方面的实际需求。对于此类问题，网络虚拟化是最有效的技术措施之一。软件定义网络（Software Defined Network，SDN）是最为普遍的一种虚拟化方案，按照标准化技术的方式来实现网络设备层面和数据层面的分离，完成对于流量的集中化控制和优化。广义上的网络虚拟化包括功能虚拟化和OverLay，而狭义的SDN则通过OpenFlow来实现。网络功能虚拟化的核心是提取原有的传统网元设备上的网络功能，将其运用到硬件平台上替代专有部分，然后在数据中心、网络节点等区域展开灵活配置。软件定义网络和网络功能虚拟化可以实现有效配合和互补，在一定范围内实现资源按需调整[6]。

在网络虚拟化的底层设计中，通用操作系统可以完成跨内核和跨进程的全局内存池设计，完成进程的共享和应用。内存池进行自动回收，避免中断处理，即调度程序在确定运行另一个线程时不必要进行上下文的切换。在理论情况下如果数据包到达系统，则数据包中所有需要处理的信息都被缓存在本地的资源库中，直接完成对于数据的整合处理而不是对外部访问进行重新定位，应用层的数据面会更加稳定[7]。系统内部的所有报文信息都可以由数据线程直接接收，在数据面的支持下实现应用功能的拓展。

在网络虚拟化的架构方面，虚拟路由器和虚拟交换机是其中的主要组成模块。即便实际的路由器运行出现故障，也能将其迁移到正常运行的主机上，从而完成对于故障的恢复和管控，减少因网络故障所导致的业务中断问题，确保系统能够安全稳定运行。而虚拟分布式交换机则减少了单独的配置过程，简化了网络连接阶段的管控和部署工作，即便是大规模的网络部署也不需要耗费过多的时间和精力。在部分特殊情况下还要配置虚拟防火墙，用以检测网络流量和应用层可能出现的风险内容，提高安全防护能力，降低管理成本。

2.3 存储虚拟化

存储虚拟化在数据中心应用环节的主要优势在于提高了服务器的资源利用率，让业务部署过程更加便捷。分布式存储技术在现阶段已经得到了广泛应用，性能稳定、可靠性良好、扩展性强且配置维护难度低[8]。而虚拟机借助存储虚拟化可以完成数据的保存和管理等相关操作。在磁盘管理方面，两台主机的磁盘数量保持相同时，主机之间的磁盘会对应地组成复制卷，逻辑方面达到了文件副本的跨主机工作要求。

在出现数据故障和磁盘故障后，如果没有人工介入处理，则存储虚拟化会自动地进行数据重建，以确保数据的可靠性。存储虚拟化采取自动替换动作，在其他主机上完成副本的重建过程，即便主机出现故障，数据也不会因此受到严重干扰。主机副本自动重建和故障硬盘重建本身没有明显差异，都是完成故障盘的重建过程。对于数据的修复工作，则要考虑到存储虚拟化的其他功能配置。传统的磁盘配置方案需要对业务规模和特征进行预估，但往往会因为预估结果不准确而导致资源分配不均。自动精简技术应用后，分配给用户的实际上是一个虚拟的容量信息而非固定的物理空间，只有用户自身向逻辑资源写下数据之后才会按照预先设计的策略要求从物理空间内分配对应的容量。在存储资源规划方面，要综合考虑存储性能和存储容量两方面的要求配置好主机、交换机，以便保障系统的扩展性。在建设数据中心的架构过程中，则要基于资源稳定访问要求做好综合配置。

2.4 云平台架构

云计算数据中心管理平台能够将存储虚拟化、网络虚拟化等进行融合，对基础硬件、常用软件做好统一调度，从而向用户提供更加丰富的云服务，包括弹性计算、均衡负载、数据库配置和大数据处理等。云管理平台调用开放接口来维持基础设施架构的稳定性，协助用户构建并管理自定义云平台内容，具备安全管理、知识库分析等功能。整个云管理平台中包含自动化云服务系统和自助服务系统等。其中云服务系统管理人员可以直接在数据中心对所有业务展开综合控制，而云管控中心则可以对云环境中的物理资源、虚拟资源和自动化功能进行应用[9,10]。

3 结 论

现代企业信息化建设的步伐不断加快，数据中心也开始朝着现代化的方向不断推进。通过评估了超融合架构的基础模型，基于超融合架构要求设计了计算虚拟化、网络虚拟化、存储虚拟化、云平台和安全模块，从而高效完成资源和信息的整合。未来在各项技术更新和升级的前提下，还可以在资源交付、动环监控等方面进行深入研究，从而使数据中心的运营更加完善。