【理论研究】漫谈云计算IT基础设施05-超融合技术

其实超融合这一块，放在云计算IT基础设施里面，不算是完全合适。你说它是分布式存储，但是它同时又是硬件服务器与存储；你说它算硬件，但是它又离不开分布式存储软件。

传统的IT基础设施架构，主要分为网络、计算、存储三层架构。但随着云计算与分布式存储技术的发展以及x86服务器的标准化，逐渐出现了一种将计算、存储节点融合在一起的架构--超融合架构。超融合将三层的IT基础设施架构缩小变成了两层。

2019年11月的Gartner超融合产品魔力象限中，领导者象限有5家：Nutanix、DELL、VMware、CISCO、HPE。（其中DELL vxRail一体机里面用的分布式存储软件也是VMware的VSAN，而VMware提供的则是VSAN纯软件的解决方案）

Nutanix能够成为超融合领导者中的领导者，自然是经过市场的充分验证，得到市场的认可。而且由于其公开资料（Nutanix 圣经）比较齐备，因此我们可以通过Nutanix一窥超融合的究竟。

这边就不搬运了，可以直接搜索引擎搜索“Nutanix圣经”或“Nutanix-Bible”，可以找到相应的官方文档。

引用自NUTANIX圣经 -“Nutanix解决方案是一个融合了存储和计算资源于一体的解决方案。该方案是一个软硬件一体化平台，在2U空间中提供2或4个节点。

每个节点运行着hypervisor（支持ESXi, KVM, Hyper-V）和Nutanix控制器虚机（CVM）。Nutanix CVM中运行着Nutanix核心软件，服务于所有虚机和虚机对应的I/O操作。

得益于Intel VT-d（VM直接通路）技术，对于运行着VMware vSphere的Nutanix单元，SCSI控制（管理SSD和HDD设备）被直接传递到CVM。”

个人总结： 从以上官方文档可知，2U的空间可以安装2~4个Nutanix节点（每个节点相当于1台物理服务器），所以设备装机密度非常高。每个节点都安装着虚拟化软件，并且在虚拟化层之上再运行着一台Nutanix的控制虚机（CVM），该虚机主要负责不同的Nutanix节点之间控制平面的通信。单个节点中配置有SSD硬盘与HDD硬盘，替代磁盘阵列作为存储使用，单个节点有独立的CPU与内存，作为计算节点使用。

1、基础架构

以3个Nutanix节点为例，每个节点安装有Hypervisor，在Hypervisor之上运行着客户虚拟机，并且每个节点有一台Nutanix控制器虚机Controller VM，配置有2块SSD与4块HDD，通过SCSI Controller作读写。

2、数据保护

Nuntanix与传统磁盘阵列通过Raid、LVM等方式作数据保护不同，而是与一般的分布式存储一样，通过为数据建立副本，拷贝到其他Nutanix节点存放，来对数据进行保护，Nutanix将副本的数量称作RF（一般RF为2~3）。

当客户虚机写入数据“见图上1a）流程”，数据先写入到本地Nutanix节点的SSD硬盘中划分出来的OpLog逻辑区域（相当于Cache的作用），然后执行“1b）”流程，本地节点的CVM将数据从本地的SSD的OpLog拷贝到其他节点的SSD的OpLog，拷贝份数视RF而定。当其他节点CVM确定数据写入完成，会执行“1c”流程，给出应答写入完成。通过数据副本实现对数据的保护。

数据从SSD中的OpLog写入到SSD以及HDD的Extent Store区域，是按照一定的规则异步进行的，具体详见下面的部分。

3、存储分层

Nutanix数据写入以本地落盘为主要写入原则（核心原则）。

当客户虚机写入数据是，优先考虑写入本地SSD（如果SSD已用容量未达到阀值），如果本地SSD满了，会将本地SSD的最冷的数据，迁移到集群中其他节点的SSD，腾出本地SSD的空间，写入数据。本地落盘的原则，是为了尽量提高虚机访问存储数据的速度，使本地虚机不需要跨节点访问存储数据。（这点应该是与VSAN与其他分布式文件系统最大原理性区别）

当整个集群的SSD已用容量达到阀值（一般是75%），才会将每个节点的SSD数据迁移到该节点的HDD硬盘中。

SSD迁移数据到HDD，并非将所有数据全部迁移到HDD，而是对数据进行访问度冷热的排序，并且将访问较少的冷数据优先迁移到HDD硬盘中。

如SSD容量达到95%的利用率，则迁移20%的冷数据到HDD；如SSD容量达到80%，则默认迁移15%的冷数据到HDD。

4、数据读取与迁移

Nutanix圣经引用-“ <u style="text-decoration: noneborder-bottom: 1px dashed grey">I/O和数据的本地化（data locality），是Nutanix超融合平台强劲性能的关键所在。所有的读、写I／O请求都藉由VM的所在节点的本地CVM所响应处理。所以基本上不会出现虚机在一个节点，而需要访问的存储数据在另外一个物理节点的情况，VM的数据都将由本地的CVM及其所管理的本地磁盘提供服务。</u>

<u style="text-decoration: noneborder-bottom: 1px dashed grey">当VM由一个节点迁移至另一个节点时（或者发生HA切换），此VM的数据又将由现在所在节点中的本地CVM提供服务。当读取旧的数据（存储在之前节点的CVM中）时，I／O请求将通过本地CVM转发至远端CVM。所有的写I／O都将在本地CVM中完成。DFS检测到I/O请求落在其他节点时，将在后台自动将数据移动到本地节点中，从而让所有的读I/O由本地提供服务。数据仅在被读取到才进行搬迁，进而避免过大的网络压力。</u> ”

个人总结： 即一般虚机读写数据都是读本地节点的硬盘，如果本地节点硬盘没有该数据，会从其他节点先拷贝过来本地节点硬盘，再为本地虚机提供访问，而不是虚机直接访问其他节点。即要贯彻本地落盘的核心思想。

5、Nutanix解决方案的优缺点

Nutanix方案优点：

1） 本地落盘策略，确保虚机访问存储速度：虚机写入的数据都在本物理节点的磁盘上，避免跨节点存储访问，确保访问速度，减轻网络压力。

2） 采用SSD磁盘作为数据缓存，大幅提升IO性能：

见上表数据，从随机的读写来看，SSD的IO及带宽性能比SATA的性能提升了约1000倍。而结合Nutanix的本地落盘策略，虚机数据写入，仅有本地的2块SSD硬盘作为数据缓存负责写入数据。

但由于单块SSD硬盘的IO比传统阵列的SATA高出1000倍，IO性能大幅提升。（相当于要超过2000块SATA硬盘做Raid，才能提供近似的IO性能）。

3）永远优先写入SSD，确保高IO性能

数据写入HDD不参与，即使本地SSD容量满了会将冷数据迁移到集群其他节点SSD，然后还是SSD进行读写，确保高IO。后续异步将SSD冷数据迁移到HDD。

4）数据冷热分层存储

冷数据存放在HDD，热数据保留在SSD，确保热点数据高IO读取。

5）设备密度高，节省机房机架空间

2U可以配置4个节点，包含了存储与计算，比以往机架式/刀片服务器与磁盘阵列的解决方案节省了大量的空间。

Nutanix方案缺点：

1）本地落盘及SSD缓存方案确保了高IO，但是硬盘的带宽得不到保证。

传统磁盘阵列，多块SATA/SAS硬盘加入Raid组，数据写入的时候，将文件拆分为多个block，分布到各个硬盘中，同个Raid组的硬盘同时参与该文件的block的读写。通过多块硬盘的并行读写，从而提升IO与带宽性能。

而Nutanix的解决方案中，单个文件的读写遵循本地落盘的策略，因此不再对文件拆分到多块硬盘进行并行读写，而只有本地节点的SSD硬盘会对该文件进行写入。

虽然SSD硬盘的IO与带宽都是SATA/SAS的数百上千倍，但是SSD对比SATA/SAS硬盘在带宽上面只有2~3倍的速率提升，而传统Raid的方式，多块硬盘并行读写，虽然IO比不上SSD，但是带宽则比单块/两块SSD带宽高出很多。

因此Nutanix的解决方案适合用于高IO需求的业务类型，但是因为它的读写原理，则决定了它不合适低IO、高带宽的业务类型。

三）行业竞争对手对比：

VMWARE EVO RAIL软件包：VMware没有涉足硬件产品，但EVO: RAIL 软件捆绑包可供合格的 EVO: RAIL 合作伙伴使用。合作伙伴转而将硬件与集成的 EVO: RAIL 软件一起出售，并向客户提供所有硬件和软件支持。

而EVO:RAIL的核心，其实就是VSphere虚拟化软件+VSAN软件的打包。

但VSAN与Nutanix最大的一个区别，就是不必须完全遵循Nutanix的本地落盘的策略。可以通过设置条带系数，将本地虚机的数据读写设置为横跨多个节点的硬盘，默认条带系数为1，最大可设置为12个，即一个虚机的数据写入，可以同时采用12个节点的SSD硬盘并行读写。

通过这种方式，VSAN可以一定程度的弥补了Nutanix方案不适用于带宽要求高，IO要求低的业务类型的缺点。

但是这种横跨物理节点的访问流量，在虚机数量众多的情况下，肯定会给网络带来压力，网络带宽可能会成为另一个瓶颈。

其次VSAN可以集成在Hypervisor层，而不需要像Nutanix在Hypervisor上面运行一个控制虚机CVM。

再次，Nutanix支持KVM、Hyper-V、ESXI等多种Hypervisor，而VSAN仅支持自家的ESXI。

其他待补充：由于暂时未对VSAN进行实际部署测试，仅停留在对其原理的研究，因此，关于VSAN的部分待后续平台上线测试完成后继续补充。

云计算是：通过使计算分布在大量的分布式计算机上，而非本地计算机或远程服务器中，企业数据中心的运行将与互联网更相似。这使得企业能够将资源切换到需要的应用上，根据需求访问计算机和存储系统。

这是分布式计算机模式所要设计的问题，你如果想维护公司网络，只需要按照每天内部产生的上网流量，做相应的带宽增加调整，或者访问控制就好了~

云计算跟上网的带宽，影响一点都不大，除非你说的，就是你们公司内部的云计算机群的访问响应需求带宽。。。

一方面，网络带宽的变化也近似遵循摩尔定律：每18个月会增长一倍，成本会降低一倍。因此不必过分担心带宽的问题。

另一方面，“瘦终端”概念的引入，将以前本地终端与“云”之间大量的数据传输转变为单一的音频、视频信号传输。即，所有的操纵处理均在“云”上完成，云与“瘦终端”之间的传输仅满足音频视频等需要。因此，对带宽网速要求不会太高。

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