融合基础架构系统-谭园华（UIS 融合架构）

融合基础架构系统

文/谭园华

在数据大集中的趋势下，数据中心的规模越来越庞大。随着服务器、存储、网络规模的成倍增加，硬件成本也水涨船高，同时管理众多的基础设施的维护成本也随着增加。

传统模式下，用户搭建IT系统往往采用的是不同厂家的产品，进行简单的产品堆叠。用户根据需求采购业务系统软件、承载该应用的服务器、与服务器网卡类型匹配的网络设备、以及存储设备，设备到齐之后开始业务上线调试。由于是在现场调试，而且存在来自不同的设备厂家实施人员的配合问题，往往需要几周甚至几个月之后业务系统才能够上线。并且，这种以搭积木方式搭建的业务系统，由于其IT基础设施和上层业务软件来自不同厂商，设备之间没有做一定的适配调优，两者之间协同工作并不能发挥设备的最佳性能。同时，不同厂家的设备难以集中部署，分开供电与散热的模式带来了大量的空间、电力、能耗等方面的浪费，维护也较为困难。

如何将这些设备“融合”成统一的架构成为厂商与IT管理者关注与考虑的课题。根据Gartner2013年最新报告，目前已有近1/3用户已经部署或正在部署融合基础架构系统。经测试统计得出，采用融合基础架构设备，可以提升至少3倍的服务器利用率，降低至少75%的空间占用，减少至少27%的电力消耗，降低初始购买和后期运维成本。为了降低数据中心的硬件成本和管理难度，对大量的IT硬件基础资源进行整合成了必然的趋势。

“融合基础架构是把多个信息技术（IT）组件进行融合，组成一个单一的、优化的计算解决方案。融合基础架构解决方案的组件包括服务器，数据存储设备，网络设备和IT基础设施管理，自动化和业务流程的软件。”根据维基百科的定义，融合基础架构的不是把IT系统核心要素进行简单的堆叠，而是有一套优化融合的解决方案，使整个IT系统性能更优、成本更低、管理更简单。

由于融合基础架构产品具有一体化交付的特点，因此被称为一体机。目前市场上的一体机大致分为两种类型：以应用为核心和以硬件基础架构为核心。以下面针对这两种类型进行详细介绍。

 

一、   以应用为核心的一体机

以应用为核心的一体机设备是集成了服务器、存储、网络、上层应用软件的软硬一体化设备（如数据库一体机、虚桌面一体机等，），系统整体性能较传统建设模式更优，用户无需关心承载该应用的硬件基础设施。其硬件形式有机架和刀片两种。目前，各厂商纷纷推出一体机设备，如Oracle数据库一体机exadata、EMC大数据一体机Greenplum、华为FusionCloud虚桌面一体机等等，虽然它们承载的应用不尽相同，但都有一个共同特点：硬件设备在厂内安装调试完成并预装上层软件，经过反复测试出能够使上层软件性能发挥最佳的硬件配置和软件配置，提升业务软件性能。待用户需要采购此应用软件时，直接根据一体机厂商推荐的配置选择相应的产品即可，免去漫长的设备调试时间；而且各一体机都有不同应用场景、不同应用规模下的推荐配置，对于用户业务系统规划来讲，更加方便灵活。

但由于以应用为核心一体机设备的强绑定，服务器、存储和网络设备一般不会给其他应用系统用，因此会造成设备无法复用、资源利用率不高的弊端。特别是存储设备，每套一体机都带有一台或多台存储设备，不同一体机之间的存储设备一般无法统一管理和复用；多采购一套一体机，便会增加一套存储设备，从而带来存储设备无法统一管理、资源利用率不高的问题。

 

二、   以硬件基础架构为核心的一体机

以硬件基础架构为核心的一体机给用户带来的是集成式的硬件基础架构，通过厂内调优和集成，交付给用户一体式的硬件基础设施，同样免去设备在用户现场临时安装、布线、调试等复杂的过程，加速了业务上线的速度。与以应用为核心的一体机相比，该一体机更聚焦在硬件产品的交付。由于它没有捆绑应用系统销售，只是提供IT基础设施承载用户的各种应用，因此可以被大部分应用系统复用，资源利用率较高。由于一体机提供的IT组件比较全，往往涉及服务器、存储、网络，甚至虚拟化软件，对于用户来说，这就需要对所有IT基础设施的统一化管理。

目前市场上主流的以硬件基础架构为核心的一体机基本都是刀片形态（如VCE联盟出的Vblock、H3CUIS、华为FusionCube，Cisco和NetApp联合提出的FlexPod等）。刀片系统采用背板设计方式，将服务器和交换机模块化化，刀片服务器与刀片交换机之间通过背板相连，无需繁杂的电缆连接、无需购买昂贵的光模块和光纤，降低了用户设备采购费用。

但是，仅仅实现设备层面的融合是不够的，为提升一体机设备整体性能，还需要服务器、存储、网络和虚拟化软件之间有相应融合的解决方案。

 

三、   计算与网络的融合解决方案

1.1   

1.        虚拟机网络感知（VEPA）技术

服务器虚拟化技术的出现使得计算服务以虚拟机为单位来提供，同时为了满足同一物理服务器内虚拟机之间的数据交换需求，服务器内部引入了网络功能部件虚拟交换机vSwitch，提供虚拟机之间、虚拟机与外部网络之间的通讯能力（如图1所示），但同时也给云计算数据中心的运行带来了以下两大问题。

图1 虚拟机交换网络架构

¡ 虚拟机流量无法检测。如果某个vSwitch下的虚拟机想要交互，在服务器内部直接通过该vSwitch转发，管理员无法检测到虚拟机之间的流量和报文内容，对于安全性要求较高的场景，用户无法接受。

¡虚拟机迁移，网络策略无法全部自动跟随。vSwitch上只能实现非常简单的网络策略的设置（如VLAN、单向QoS），而大部分的网络特性（如ACL、ARP防攻击、流量镜像等）必须在物理交换机上进行配置，因此当虚拟机迁移时，无法实现所有网络策略的自动跟随。

为了解决上述问题，华三通信提出了将虚拟机的所有流量都引至外部接入交换机的解决方案^[1]，与虚拟机相关的流量监控、访问控制策略和网络配置迁移问题均可以得到很好的解决（如图2所示）。该方案的落地需要vSwitch与物理交换机都支持VEPA标准，实现计算与网络深度融合。目前H3C UIS可以完美的实现VEPA解决方案。

图2 EVB标准的转发架构图

2.        无状态计算技术

目前业界很多应用软件为了防止盗版，会与服务器的物理属性进行捆绑，如H3CiMC软件安装时会捆绑服务器网卡MAC地址；有些用户为了提高接入层的安全性，会在接入层交换机侧做端口绑定工作（绑定服务器网卡MAC地址、IP地址、端口号等）。而传统刀片服务器在更换网卡或整机更换时，MAC地址或WWN也发生变化，因此需要对服务器的某些策略（如VLAN、BIOS、网卡虚拟化、PXE、端口绑定、软件注册等）重新进行配置，一般需要花费3个小时以上的时间。

无状态计算技术在刀片服务器和刀片交换机之间增加了一层软件层，实现了服务器硬件与策略的解关联，该软件层保存了刀片服务器的很多物理信息（如MAC、WWN、UUID、VLAN、PXE、BIOS等）。服务器插入刀箱之后，可以不将服务器的物理属性（如MAC地址、WWN地址）对外发布，而用UIS自带的MAC、WWN地址资源池里的地址。因此如果更换服务器网卡或整机更换时，再用覆盖老服务器的软件层的参数来覆盖新服务器的物理参数，即应用软件读取的是原服务器的参数，因此软件读取的服务器参数并没有发生变化，服务器的配置无需改变。无状态计算可以大大简化运维管理员的工作，几分钟内便可轻松完成服务器的替换。刀片服务器的网卡和刀片交换机都需要支持无状态计算的特性，是计算与网络深度融合的解决方案的代表。

 

四、   计算与存储的融合解决方案

传统的存储设备都是软硬件一体，通过在专门的硬件平台上搭载特定的存储软件，实现数据存储功能。这种硬件和软件的强绑定关系导致了存储设备都比较贵。并且，传统存储设备大多以机头+磁盘柜这种scale-up架构的形态销售，而机头决定了此存储设备能够支持的硬盘个数和存储容量。由于机头一般无法升级，如果存储容量不够，则必须更换购置一台更为昂贵、可扩展更多存储容量的存储设备。这将带来复杂的数据迁移工作，随时可能导致数据的丢失，并对用户的投资将带来极大的浪费。

软件定义的存储技术通过在标准的X86服务器上安装存储软件，将所有服务器本地硬盘作为共享存储设备。随着虚拟化技术的成熟，又出现了虚拟化软件和存储软件的融合，不但实现服务器本地硬盘作为共享存储，还实现服务器作为计算单元运行多个虚拟机，这种scale-out架构的存储能够轻易快速的扩展存储容量。典型技术代表如H3CvStor零存储解决方案，通过把硬盘划分为小块虚拟硬盘，再在小块虚拟硬盘基础上做存储设备的逻辑卷管理，实现共享存储。其特点如下

¡   分布式LUN设计。每台服务器是一个存储节点，除了安装平台软件的系统盘外，其他所有磁盘空间都被划分为大小相等的存储块（称为“chunk”）。vStor会使整个LUN的chunk尽量均匀分布在所管理的全部节点和物理磁盘上，使得对LUN的I/O操作能利用整个系统中全部节点和磁盘的性能，即用户创建的LUN将横跨全部服务器节点（如图3所示）。

图3 零存储原理

¡  高可用性设计。用户可以根据业务需要为数据设置副本数量，使得不同的副本分布在不同的服务器和物理磁盘上，当一台或多台服务器故障时，系统仍能正常工作，保证数据不丢失。vStor允许同一数据的不同副本存放在不同的机柜中，当机柜损坏时，vStor把虚拟机启动到其他机柜的服务器上并自动恢复丢失的副本以保证完整的容错能力。

¡  高性能设计。零存储云平台提供的虚拟SAN本质上是一种分布式架构（单一集群最大能管理256个服务器节点），其存储容量和性能随着服务器节点的增加而线性增加。由于每个LUN都横跨全部服务器节点和物理磁盘，所以每个LUN都可以利用全部服务器和物理磁盘的性能，从而提供比传统存储更高的性能。

 

五、   结束语

以应用为核心的一体机产品由于对应用软件具有强烈的捆绑性，产品的定位较为单一，一旦采购，一般无法用于其他普通应用系统，产品资源利用率较低，因此此类产品用户接受度比较低。而以IT基础架构为核心的一体机产品，它既可以承载用户大部分的应用软件，又实现了厂内预装集成、加速业务上线的优势。随着此类产品继续的推广和市场的培育，必将成为主流供应模式和实现用户业务快速上的首选。

 

 

附：H3C UIS融合基础架构系统

H3C UIS是华三通信面向云计算IaaS（基础设施即服务）层推出的融合基础架构产品。整个UIS以UIS8000刀箱为基本载体，单个机框高为10U，可以容纳8个全高或16个半高服务器、8个刀片存储、8个网络模块、2个管理模块、10个散热模块和6个电源模块。同时，UIS还可以融合互联交换机、服务器虚拟化平台和统一管理平台，与UIS8000内的服务器、存储、交换机等模块一起，提供云计算所需的所有基础架构资源。

UIS统一基础机构系统

 

 

注释：

[1] 详细技术介绍请参考《IP领航》2012年第3期（总第22期）“EVB，让互联网随“虚”而动——面向虚拟化的新一代云计算数据中心网络技术”焦点文章