 【摘要】超融合基础架构 (HCI) 是软件定义的统一系统，兼具传统数据中心的所有要素：存储、计算、网络连接和管理。本文从多个角度进行了传统架构和超融合架构的比较，以某企业实际应用为例讲解了超融合架构设计，并分析了超融合架构适合的场景。【作者】潘延晟，系统架构师，曾任吉林通钢自动化信息技术有限责任公司信息科副总工程师。有20年系统集成与信息化运维经验，参与建设并维护钢铁行业大型信息化网络，专注于钢铁行业信息化网络建设与规划。擅长领域：系统运维， 网络安全，数据安全，系统架构设计，网络架构设计。
前言
随着中国经济的高速增长，中国的信息化也有了显著的发展和进步，快速的发展缩小了与发达国家的距离。我国信息化正走过两个阶段朝向第三阶段迈进。第三阶段定位为新兴社会生产力，主要以物联网和云计算为代表，这两项技术掀起了计算机、通信、信息内容的监测与控制的4C革命，网络功能开始为社会各行业和社会生活提供全面应用。
科技的变革掀起了一次又一次次创新的浪潮，科技的变革掀起无数次创新的浪潮，人们对生产，生活的需求越来越多，这也衍生出了如今万物互联的网络社会，而网络、计算、存储作为网络社会中的基础建设，也飞速的发展来满足人们越来越多的需求。
一、信息架构的发展
1.简单的“竖井”架构
在信息化发展的第一阶段，以硬件投入为主，企业在信息化建设中主要以购买硬件为主，较少投入资源建设应用系统，信息化建设对企业产生的价值有限，通常情况下都是采用简单的不可网管的网络设备，把一台或几台服务器组合成一个简单的网络，每台服务器运行一个独立的业务，就如同一个个的“竖井”，每个“竖井”都独立工作，互不干涉，当有新的需求时就在开拓一个新的“竖井”，在发展初期，这种简单的架构可以快速的满足信息化建设的需求，又便于维护。
2.层层剥离
简单的“竖井”架构很快就在快速发展的信息化系统中出现了各种各样的弊端。缺少冗余保护的服务器一旦出现故障就会直接导致这项业务全面中断。有些应用的用户量不断增长之后就遭遇到了服务器硬件性能的瓶颈。在这样的需求下，人们开始尝试通过双机，读写库分离，应用层和数据库分离等方式来实现对系统架构的冗余保护，对业务性能的横向分散扩展。
3.被“逼出”的虚拟化
双机和业务分离的架构虽然在短时间内解决了冗余和性能的问题，却还是无法适应快速发展的应用需求。特别是此时的信息化已经开始在企业中占据一定的地位，很多企业的生产和办公都开始严重依赖于信息化。一旦某个业务服务器出现故障，可能会直接导致部分甚至全部生产和办公的瘫痪。新业务上线所需的服务器从采购、安装、调试到上线的过程复杂，很难适应现代企业快节奏的信息化需求。而新的硬件性能往往又无法得到充分的利用而造成资源浪费。同时，越来越多的服务器在管理上也开始变得困难，各个业务系统之间的数据难以互通。
 越来越多的问题开始迫使企业不得不放弃传统的“竖井”式架构，寻找新的解决方案。虚拟化技术也由此应运而生，逐渐替代了传统的“竖井”式架构。
 通过虚拟化软件+高性能服务器+磁盘阵列，将新的高性能服务器组建成虚拟化中央服务器集群。这样多台高性能的物理服务器就可以被划分成多台不同配置的虚拟服务器，根据不同的需求分配给不同的业务，并且可以根据业务的需求灵活的进行资源调整。
4.软件定义
虚拟化技术的出现在某种程度上简单粗暴的解决了很多问题，原本在“竖井”架构下的服务器资源浪费，可靠性差，维护复杂等问题都得到了解决，
随着X86服务器性能的飞速提升和虚拟化技术的发展，软件定义技术也开始普及。
所谓软件定义，就是用软件去定义硬件的功能，用软件为硬件赋能。软件定义的核心是API(Application Programming Interface)。在API之上，一切皆可编程；API之下，“如无必要、勿增实体”，其核心思想是：软件和硬件在逻辑上是等价的；以充分且必要的硬件为基础，通过软件可以实现任意丰富的功能。API解除了软硬件之间的耦合关系，使得两者可以各自独立演化，有助于软件向个性化方向发展、硬件向标准化方向发展。
软件定义改变了传统意义上的基础架构，传统的基础设施，数据平面和管理平面紧密耦合在一起，因此在整个网络上进行改变时，每个设备都必须重新配置。这可能会导致在进行改变时需要几个月的筹备时间，这对数字化企业来说太久了。软件定义的系统将控制平面与数据平面分离开来，使控制平面能够集中化。这让工程师可以从一个集中的位置进行改变，并以接近实时的方式在整个网络上传播开来。向基于软件的系统转变是网络现代化的基础。
二、超融合架构
技术的多样新给企业有了更多的选择，系统的架构开始像积木一样可以根据企业自身的需求随意组装搭配，也可以根据资金和技术现状逐步实施。但同样也让整个信息化的架构变得复杂，这种复杂并不是指在前端的操作上，而是在架构的底层设计和建设上。
在前端的操作上，为了让运维人员更快更容易的接受，现在多数的架构操作都变得越来越简单，图形化的界面代替了传统的命令行，只需要用鼠标就可以完成大部分的操作。但是要搭建出这样一套使用简单的架构之前，用户首先面临的就是如何选择积木，选择什么样的服务器，网络上需要进行怎样的调整，选择开源开始商用的虚拟化，如何选择存储，如何避免存储成为整个架构中的单点故障，怎样保障整体架构的安全和冗余，是否便于扩展的等等这些问题让众多中小企业很是头痛。面对花样繁多的新技术，新概念不知道该如何选择。
需求决定市场，有了需求，就会产生相应的产品，而市场就是检验产品的标准。超融合架构也就是这样需求下的产物：客户在传统数据中心升级，或计划部署OA/网站群/行业应用等业务系统时，需要设计“软件+硬件”一体化解决方案，并至少满足稳定、安全、方便、弹性的特点。
稳定：要避免单点故障的出现就要所有的设备全部冗余，服务器双机、网络设备双机、存储多副本，保证在一部分，甚至一半设备都出现故障时候所有的业务还能完整的运行。
安全：保证系统稳定运行的同时，还要具有完整的TCP/IP三到七层安全防护，及结构安全，实现从网络层到应用层的全方位防护。
方便：用户可以随时随地任用何终端方便接入统一的管理接口，让运维管理更加便捷。
弹性：可以按需扩展、随时扩展、平滑扩展，计算资源，存储资源，网络资源的扩展都不会影响现有的业务运行。
超融合一体机的每个基础单元，都包含计算、网络、存储资源，通过软件定义数据中心的模式，利用标准基础单元搭建数据中心。
数据中心只需要少量的网络设备，结合超融合一体机，即可实现完整的IT构建，无需独立部署网络、存储等资源。
三、实际应用案例
对于资金相对有限，技术储备不足的众多中小企业来说，超融合在实现虚拟化，分布式存储，软件定义的同时又大大简化了整体架构，形成了超融合一体机计算节点。整体架构在搭建时候免去了传统架构中过于专业繁琐的配置，缩短了系统维护周期，也减少了设备的前期投资和后期运行成本。
 本文以某企业超融合架构为例，介绍超融合架构在企业中的实际应用。
案例中采用了4节点超融合一体机架构，所有硬件包括4台超融合一体机，两台万兆汇聚交换机，两台千兆汇聚交换机，空间占用12U。
整体计算资源如下：
设备名称
| CPU
| 内存
| 硬盘
| 网卡
| ser-1
| 2 * 16 * 2 核
CPU型号
Intel(R) Xeon(R) Gold 5218N CPU @ 2.30GHz
| 32G*12
| NVME 1T*2
SAS 600G*2
SATA 8T *4
| 1000M*4
10000M*4
| ser-2
| 2 * 16 * 2 核
CPU型号
Intel(R) Xeon(R) Gold 5218N CPU @ 2.30GHz
| 32G*12
| NVME 1T*2
SAS 600G*2
SATA 8T *4
| 1000M*4
10000M*4
| ser-3
| 2 * 16 * 2 核
CPU型号
Intel(R) Xeon(R) Gold 5218N CPU @ 2.30GHz
| 32G*12
| NVME 1T*2
SAS 600G*2
SATA 8T *4
| 1000M*4
10000M*4
| ser-4
| 2 * 16 * 2 核
CPU型号
Intel(R) Xeon(R) Gold 5218N CPU @ 2.30GHz
| 32G*12
| NVME 1T*2
SAS 600G*2
SATA 8T *4
| 1000M*4
10000M*4
|
超融合集群在逻辑上分为五个网络平面：管理网络、业务网络、存储外网、存储内网和公网。各网络之间使用VLAN隔离。
| 管理网络 | eth2、eth3 （前两个千兆网口动态链路聚合） | | 业务网络 | eth4、eth5（后两个千兆网口动态链路聚合） | | 存储外网 | eth0、eth6（两个万兆网卡的第一个网口动态链路聚合） | | 存储内网 | eth1、eth7（两个万兆网卡的第二个网口动态链路聚合） |
网络拓扑：
 存储规划（单台服务器说明）：
系统盘
| 2块600GB HDD RAID 1
| 缓存盘
| 1块900GB NVMe SSD
| 数据盘
| 4块8TB SATA HDD 2副本
| cloudos
| 1块900GB NVMe SSD
|
本套4节点超融合集群目前共上线虚拟系统28套，资源分配及运行状况如下：
名称
| 状态
| 管理IP地址
| 虚拟机概要
| CPU
| 内存
| CPU利用率
| 内存利用率
| 磁盘容量
| ser-1
| 正常
| *.*.*.60
| 7[启动6关闭1]
| 64
| 376.33GB
| 19.67%
| 42.99%
| 363.08GB
| ser-2
| 正常
| *.*.*.61
| 0[启动0关闭0]
| 64
| 376.33GB
| 5.08%
| 10.72%
| 363.08GB
| ser-3
| 正常
| *.*.*.62
| 10[启动10关闭0]
| 64
| 376.33GB
| 25.29%
| 92.89%
| 381.85GB
| ser-4
| 正常
| *.*.*.64
| 11[启动11关闭0]
| 64
| 376.33GB
| 7.71%
| 86.87%
| 381.85GB
|
目前上线虚拟机28台，分布在3个运算节点(预留一节点作为资源冗余)上。
四、超融合架构适用的场景
基于X86架构的虚拟化技术让4台高性能计算节点运行了28套业务（部分业务占分配资源较高），预计满载可以运行40-50台虚拟机。既实现了应用业务的冗余，又避免了硬件资源的浪费，减少了传统“竖井”式架构的单服务器所占用的大量空间和高耗电。软件定义的分布式存储取代了传统的FC SAN存储网络，简化了存储网络结构，同时也减少了故障点。软件定义网络使整个超融合架构保证网络质量的同时又可以又足够的安全保障。
那么，超融合架构的这些优点都适用在那些场景中呢？
1.需要快速交付的场景：相比传统的虚拟化架构和SAN网络，超融合采用了一体机的整体化交付，开箱即用。对于一些项目时间紧，要求快速交付的场景，可以快速上线交付。虽然在硬件平台选择和扩容利旧方面缺少灵活性，却因为有着统一的硬件和接口，整机的兼容性经过很好的验证而更可靠，并且整体化的交付方式避免了传统架构中多个产品厂商在出现问题时互相推诿的情况，保障了系统的稳定。
2.业务发展不明确或处于不断调整阶段的场景：由于信息化发展有着各种各样的不确定性，除了部分金融，制造，医疗，教育等特征明确的行业以外，绝大多数企业对于信息化的发展还是缺少长远的规划的，这也就导致多数企业的信息化发展存在着各种各样的变数，这种变数给企业信息化的基础架构建设也带来了困难，超融合的灵活性很好的解决了这些问题，虚拟化的架构使上层的业务可以灵活的部署，整体的资源也可以通过增加超融合节点实现整体扩展，让企业可以按照实际的需求逐步搭建硬件架构。
3.技术储备不足，运维能力欠缺的场景：IT行业有着众多的分类，各种各样的技术领域融汇支撑起了最终的信息化业务，这其中包括操作系统，数据库、中间件、应用业务编程、网络架构、网络安全、服务器硬件架构、存储架构、日常运维、数据安全、业务容灾等等各方面的技术要求。超融合的一体化设计在最大程度上简化了信息化系统所涵盖的领域，让用户可以用更少的运维人员，更快的时间掌握整个业务架构。。
4.对可靠性要求更高的场景：现在越来越多的企业都在通过信息化业务来提高自己的生产和办公效率，信息化已经成了现代企业生产经营的一个重要方式，那么信息化的可靠性也就变得越发的重要。这也就对整体信息化的架构提出了更严苛的要求。虽然现在有着各种各样的容灾技术，可是架构却都过于庞大和复杂，对于很多企业来说难以驾驭。超融合一体机的多副本方式比传统的RAID方式有着更高的可靠性，也可以通过超融合架构的分布式集群实现业务跨中心双活，用最少的技术和资金投入实现最大化的安全保障。
正是基于扩展灵活、便于管理、架构简单、节约成本等优点让超融合近年来发展的如火如荼，正在引领一场巨大的变革，成为软件定义数据中心SDDC的未来技术发展趋势。既可以成为中小企业的主力架构支撑整体业务，又可以作为大型企业信息化版图中的一部分功能模块，辅助核心的业务架构分担业务压力。
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