超融合基础架构在图书馆数据中心的构建及应用

何玲慧 木楠 王霞

摘要：随着图书馆数据中心对设备、存储和管理等方面需求的提高，传统架构数据中心已不能满足需求。图书馆使用超融合架构管理图书馆数据中心代替传统架构，将存储、网络、计算等资源整合，数据中心的资源利用率、管理方式、安全性和扩展性等方面得到了显著的提升。通过对超融合管理平台的概述、超融合在图书馆的部署概述和应用、传统架构数据中心与超融合架构数据中心管理模式的优劣势对比等方面，进行超融合平台的管理模式探究。

关键词：超融合基础架[标红分号删除改为空格]构 数据中心 虚拟化 图书馆

中图分类号：G258.6     文献标识码：A

Construction and Application of Hyper-Converged Infrastructure in Library Data Centers

HE Linghui   MU nan   WANG Xia*

（Naval Medical University， Shanghai，200433 China）

Abstract： With the increasing demand for equipment， storage and management in library data centers， traditional architecture data centers can no longer meet the demand. The library uses a hyper-converged architecture to manage its data center instead of the traditional architecture， and integrates resources such as storage， networks and computing， which significantly improves the resource utilization， management methods， security and scalability of the data center. By the overview of the hyper-converged management platform， the deployment overview and application of hyper-convergence in libraries， and the comparision of the advantages and disadvantages of the management modes of traditional architecture data centers and hyper-converged architecture data centers， this study explores the management mode of hyper-converged platforms.

Key Words： Hyper-converged infrastructure; Data center; Virtualization; Library

大学图书馆数据中心一直使用传统物理架构，该架构依赖于机架式X86服务器和集中式IPSAN存储。图书馆数据中心内置4台机柜承载了30余台物理服务器、10余台存储、若干网络设备及其他硬件设备。在图书馆新增服务器和数据量逐年递增的情况下，机柜的空间利用率、物理服务器和存储资源已趋于饱和，还存在运维工作量大、投入成本高等方面的问题[1]。传统物理架构的数据中心已无法满足图书馆数据中心管理的需求，深信服超融合具有扩展性好、资源利用率高、维护方便、可靠性高等特点，解决了图书馆数据中心运维复杂、扩容困难的问题[2]。

1超融合基础架构

1.1 超融合基础架构概述

超[添加1.1 超融合基础架构概述]融合基础架构（Hyper-Converged Infrastructure，HCI）是面向下一代数据中心的软件定义基础架构，仅需通用的服务器和交换机硬件，利用软件定义技术构建计算、存储、网络和安全的统一资源池，替代复杂的传统烟囱式架构，实现基础架构的极简化，并提供运维管理、容灾备份、智能监控等高级特性。

[去底纹]

图1 超融合架构

如图1所示，超融合基础架构以通用第三方x86服务器或超融合一体机为基础，多台第三方服务器或超融合一体机通过交换机组成服务器集群，实现具备横向扩展能力的基础架构。HCI以虚拟化技术为核心，利用计算虚拟化aSV、存储虚拟化aSAN、网络虚拟化aNET、安全虚拟化aSEC等组件，将计算、存储、网络等虚拟资源融合到一台标准X86服务器中，形成基准架构单元[3]。[段落下面添加二级标题1.2超融合资源池

1.2.1 aSV]

1.2 超融合资源池

1.2.1aSV

aSV为整个HCI的内核。计算资源虚拟化技术使服务器通过aSV 组件，让使用者可以看到虚拟机。可以实现虚拟机资源热添加、主机＼虚拟机故障迁移、虚拟机快速拉起等功能，特别是实现CPU、内存虚拟化解决了业务增长带来的运维问题。

1.2.2aSAN[添加三级标题1.2.2 aSAN   段落另起一行]

aSAN[添加三级标题1.2.2 aSAN   段落另起一行]是分布式存储系统。利用虚拟化技术“池化”集群存储卷内通用X86服务器中的本地硬盘。与服务器虚拟化（aSV）结合使用时，可以在虚拟化或云平台中管理存储资源。可以实现存储快照、虚拟机克隆、数据平衡、数据重建、磁盘亚健康扫描与修复、坏道预测等功能。

1.2.3aNET[添加三级标题1.2.3 aNET  段落另起一行  ]

aNET[添加三级标题1.2.3 aNET  段落另起一行  ]是网络虚拟化组件。提供传统应用、新型应用所需虚拟网络环境，实现网络资源的统一编排。aNet 提供了完整的逻辑网络和安全性扩展能力，实现了网络虚拟化、网络功能虚拟化、分布式虚拟防火墙、业务逻辑拓扑所画即所得等功能。

1.2.4aS[添加三级标题1.2.4 aSEC   段落另起一行]EC

aS[添加三级标题1.2.4 aSEC   段落另起一行]EC实现了安全设备虚拟化。使用 NFV 技术将7种安全产品组件（下一代防火墙、SSL VPN、上网行为管理等）融合在虚拟化平台内部。

2超融合技术在图书馆数据中心的实施概述

2.1基础硬件设置

项目最初的基础硬件通过计算需替换服务器资料和未来资源扩展的需求，配置了7台服务器节点组建超融合集群，每个节点配置2块SSD硬盘和9块机械硬盘；配置了4台交换机与超融合设备连接，负责管理、业务和存储网络，每类网络采用双链路聚合方式进行组网，提升容错性避免单链路故障，其中存储网络采用万兆链路[4]。之后由于存储容量扩充的需求，陆续新增两个节点，配置了2块读密集型硬盘和10块机械硬盘。新增了2台千兆交换机负责新设备的连接。

2.2超融合aCloud平台

硬件环境部署完成后，需要建立一个符合图书馆数据中心需要的云计算平台来完成对全部资源的管理，深信服超融合aCloud通过标准的x86服务器设备组建集群高可用性资源池平台，通过服务器虚拟化实现Web系统，系统主界面包括虚拟机的迁移和新增、虚拟机配置管理（CPU、内存、磁盘、光驱、网口、USB等）、虚拟网络配置、存储管理、实体机管理、可靠服务和系统管理[5]。

目前平台已迁移和新增虚拟机共40多台，使用4台交换机搭配组成虚拟化集群内部管理和业务通路，并在接入层组建双链路以提高网络冗余性。使用两台万兆交换机链接服务器集群内全部存储资源，并利用虚拟化技术将其整合成资源池。在aCloud管理平台的虚拟网络管理组件中，根据实际网络状况划分出多个二层接口，以满足不同网段服务的接入需求。经3年多的运行使用，所有虚拟机都基本实现运行稳定。无数据丢失、系统功能异常等情况发生，满足了图书馆数据中心平稳升级的需求。

3超融合系统在图书馆数据中心的应用

3.1虚拟机迁移

搭建完成超融合基础架构管理平台后的第一件事就是将图书馆现有的物理服务器上的操作系统连同全部应用程序和存储数据全部转移到平台上。不同于以往繁琐的安装流程，P2V迁移可以将整个系统完整快捷的搬迁到新的平台上，同时具备效率和实用性，在尽量不影响业务的情况下完成转移。实现方法有开机迁移、关机迁移、ISO迁移等。在实施迁移工作前，需要对物理机的信息进行收集，包括操作系统信息、硬件配置信息、负载信息和业务系统类型信息。

CPU类型、内存大小、磁盘类型是否为特殊业务等条件决定了应该使用哪种迁移方式。图书馆大部分服务器都是Windows系统且迁移过程中不会产生增量数据，所以大部分选择使用开机迁移方式迁移，一台aCloud主机可以同时进行2个迁移任务。另外一部分涉及图书馆业务和数据量较大的服务器选择在双休日时间段用关机迁移方式迁移。整个P2V过程无须繁琐的人工操作，原先物理服务器上的业务很快就可以继续运行在虚拟平台上了。迁移过后，旧有设备产生的故障不在对业务产生影响，虚拟机管理界面统一且直观，极大的提高了运维效率与成本。

3.2虚拟机资源热添加

虚拟机支持热添加的功能极大地节约了运维成本。在传统的模式中，添加硬件资源时，需要等到不影响业务的时间段如周末或深夜，到机房拆解服务器。而虚拟机上只需要在编辑页面进行信息修改就可以满足资源升级的要求。可编辑的资源包括处理器、内存、磁盘、网卡、光驱、USB等。其中，为虚拟机分配的vCPU核心数不能大于运行主机的物理CPU总线程数，内存同样不能大于主机内存，且处理器和内存只可向上调整。其他硬件可根据业务需要进行新增、修改和删除操作。硬件资源的热添加特别是磁盘的扩容给数据库的维护带来了极大的便捷，图书馆数据库可根据每次数据更新情况对磁盘进行扩容，不需要因为考虑未来数据增量而浪费存储资源。

3.3虚拟机备份、快照

虚拟机备份是将虚拟机上的所有数据都完整地进行复制，当虚拟机出现故障后可以通过恢复备份来挽回数据并且能够快速拉起虚拟机来保障业务运行。虚拟机在开机和关机状态下均可备份，除第一次备份需要备份完整的数据外，之后的备份皆为增量备份以降低备份对主机、网络和业务的影响。图书馆对几个涉及核心业务的虚拟机进行备份并设置备份策略，以防止人为或技术错误造成数据的损坏和丢失。

3.4虚拟网络搭建

虚拟网络是利用虚拟化技术，将交换、路由、优化、安全等阶层的功能，分割成多个模块，分别以软件方式实现。在操作上，不同于传统架构受限于网卡、网口数量和需要实际去排线，虚拟网络在易用方面有明显优势，不需要看任何说明书，在可视化图形界面通过创建虚拟网络设备（物理出口、交换机、路由器等）以点击连线的方式编辑拓扑图，就可以快速完成虚拟网络的搭建。

4超融合数据中心和传统数据中心管理模式的比较

4.1超融合数据中心的优势

与传统的数据中心相比，超融合在许多方面有突出的优势。在可扩展性、数据可靠性、管理维护、总体成本等方面超融合架构数据中心管理模式优于传统架构数据中心管理模式[6]。

4.1.1可扩展性

分布式储存是可扩展性提升的本质，传统架构的存储容量受限于存储机柜，有IO瓶颈，扩容复杂。超融合扩展简单，仅需要增加标准X86服务器节点，系统复杂度不会随扩容增加而增加，单集群最大能有64个节点，且支持数据自动负载均衡。

4.1.2数据可靠性

超融合通过多副本机制保障数据可靠性，数据分布式储存，是一种将数据保存多份的冗余技术。不同于传统的RAID保护机制，只能容忍一块磁盘故障，超融合支持最多三副本，且具备磁盘坏道修复功能。副本机制情况下，写入一段数据，该数据经过条带化和分片之后，再经过副本复制模块，分别写入不同的节点中。所有副本写入完成后，数据才算写入成功。如图2所示，每个数据都有两个副本位于两台主机上。在无故障的情况下，所有副本数据始终保持一致。当发生网络掉线、硬盘故障等情况时，可以通过aSAN的数据重建机制将数据还原回来。副本越多，数据安全性越高。

图2 数据多副本分布[颜色统一修改为黑色。图中英文补充中文翻译]

4.1.3管理维护[图中文恩子不清晰，请修改]

超融合拥有统一且直观的可视化[标黄的字母改为小写字母]Web管理平台。所有功能模块都能通过Web界面进行管理，除了基本的维护操作外，可直观地查看到超融合平台的CPU、内存、网络、存储空间、中间件系统、告警系统、应用系统的详细情况并能进行管理操作，且大量操作被自动化，极大地简化了操作复杂度和提升了管理效率[7]。

4.1.4总体成本

超融合架构对资源的整合，有效地减少了实体机数量，提高了存储等资源的利用率，实现硬件成本的降低。减少了传统架构需要的专用且昂贵网络硬件设备和外置存储设备等的采购，投入成本降低超过40%。减少了需要占用机柜和物理空间，电耗降低超过60%。并且在后续部署中，空间和耗能节省优势明显。显然，服务器+超融合软件的采购运行成本和传统服务器加中高端存储设备的采购运行成功相比有较大幅度降低。

4.2超融合数据中心的不足

超融合系统是适用于各种虚拟化场景，但对于需要外接使用实体设备的情况时操作相较传统物理服务器复杂。比如使用外接设备更新数据或安装软件。由于是使用统一的管理平台，虚拟机在使用外接设备时要先经过系统的识别，而不同的外接设备（硬盘、USB等），系统识别的速度有快有慢，影响操作效率。识别到后需要指定到虚拟机才可以使用，且使用后不仅要弹出设备还要手动去编辑页面删除硬件，否则该外接设备的信息就一直绑定在指定虚拟机上，操作相较于传统物理服务器的即插即用步骤要繁复。由此可见，在外接设备的使用上超融合系统在效率和便捷性上要弱于传统模式。

操作繁复的问题同样出现在更换坏盘和超融合平台大版本更新或跨多个版本更新上。在更换坏盘上，由于使用的是第三方服务器而非配套的超融合一体机，最初硬盘灯无法自动或手动点亮，需要工程师先从底层定位并点亮硬盘灯。区别于传统物理机坏盘后的直接替换，超融合需先在管理平台里确认数据重建完成后方可进行硬盘更换，更换过程中需要在超融合硬盘管理界面进行手动点击替换硬盘等一系列操作，且替换磁盘后会触发数据重建，对业务有影响，需要在业务空闲时操作。整个过程等待时间长，操作复杂。而超融合平台大版本的更新或跨多个的版本更新需要关闭服务器完成升级，需要关闭所有虚拟机，并在无业务时间段进行操作。

5结语

时至今日，超融合基础架构管理平台在图书馆投入使用已有三年多，总体运行稳定。通过对比传统架构数据中心，超融合架构数据中心的运维工作量大幅减少，在性能提升、网络构建、存储扩容、能耗降低、成本降低、日常维护等各个方面业务响应能力提升。部署高效快捷且除后期扩展外不需要额外投入硬件成本，设备兼容和数据直观展示方面拥有突出优势。总之，将超融合基础架构管理平台应用到图书馆数据中心，有效地实现了计算、存储、网络资源的整合，提升了数据中心运行的整体效率，提升了图书馆数据中心为读者提供更加优质服务的能力。

参考文献[参考文献6未在文章中上标，请修改]

[1]王文梁.超融合技术在高校信息化建设中的应用研究[J].网络安全和信息化，2023（4）：65-68.

[2]范兴亮.超融合系统架构在高校数据中心建设中的应用[J].电脑编程技巧与维护，2022（7）：80-82.

[3]吴海明.超融合架构在数据中心的应用研究[J].现代信息科技，2020，4（17）：114-116.

[4]林晓峰.超融合技术在数据中心建设中的研究与应用[J].软件工程，2019，22（6）：26-28.

[5]王霞，木楠，何玲慧，等.超融合架构在图书馆数据中心的应用[J].中华医学图书情报杂志，2020，29（3）：32-36.

[6]姚春雷.数据中心超融合系统架构应用研究[J].信息与电脑（理论版），2019（13）：130-131.

[7]唐凯军.超融合技术在高校数据中心基础架构中的应用研究[J].信息记录材料，2020，21（5）：125-126.