超融合架构

浅谈超融合架构

——Vmware EVO、路坦力和SimpliVity的横向对比

运算、储存、网络三合一，超融合基础架构结合了虚拟化、软件定义化、

丛集分布式架构于一身，可以标准化通用硬件构成的基本节点，建构出便

于灵活扩展、完全依靠软件驱动的IT环境

文

/

张明德

|

2014-11-27

发表

兴起中的超融合基础架构（

Hyper-Converged Infrastructure

），将

改变企业

IT

机房建置型态。

无论规模大或小，典型企业

IT

机房都是由各自独立的运算、储存、

网络硬设备组成，包括提供运算资源的服务器，提供储存资源的磁盘

阵列或

NAS

，以及提供网络连接的局域网络（

LAN

）与储存局域网

络（

SAN

）设备等。

不过以

Google

、

Amazon

、

Facebook

为代表的网络服务巨头厂商，

却针对「网络规模（

Web-Scale

）」应用带来的极大量数据处理需求，

引进了异于传统的「云端化」机房架构，展现了机房建置思维新方向。

云端化的机房架构

为了因应

Web-Scale

层级的极大量存取、储存与数据处理需求，

Google

这类大型网络服务商另辟蹊径，引进一种基于软件定义式设

计的大规模丛集架构。

面对巨量数据处理需求，传统做法是以采购更高性能的服务器主机与

储存设备来因应，但这些大型网络服务商却反其道而行，改为使用相

对低价的现成商品化（

Commodity

）通用服务器硬件，藉由运行这

些厂商自行发展的分布式系统（分布式文件系统与分布式数据处理软

件等），将大量通用服务器设备组成极大规模的数据处理丛集环境，

利用这种超大型丛集来处理来自全球网络用户发出的存取需求。

相比于传统架构，这种以软件核心、基于通用硬件的云端式架构，拥

有远为低廉的建置成本、更弹性的扩充能力、更灵活的资源分配，以

及几无上限的扩展能力，更能胜任必需因应数据迅速增长断调整与扩

充处理资源的环境。

藉由超融合基础架构，现在，这种云端化的机房架构，也被带到一般

企业

IT

环境中。

超融合基础架构的特性

超融合基础架构取法于大型网络服务商的云端

IT

架构，拥有许多类

似的特性，同样都是使用通用硬件服务器为基础，将多台服务器组成

含有跨节点统一储存池的丛集，来获得

IT

环境需要的效能、容量扩

展性与数据可用性，可透过增加丛集中的节点数量，来扩充整个丛集

的运算效能与储存空间，并透过丛集各节点间的彼此数据复制与备援，

提供服务高可用性与数据保护能力。

而为能灵活地调配资源，超融合架构也采用了以虚拟机（

VM

）为核

心、软件定义式的资源运用型式，资源调派均不涉及底层实体硬件的

组态设定调整，纯粹以软件定义方式来规画与运用底层硬件资源，然

后向终端用户交付需要的资源。

所以说，超融合基础架构中的「融合」，可以理解为这两个层次的融

合：

运算单元与储存单元的融合

传统

IT

架构使用分离的运算与储存单元，如以服务器搭配外接

SAN

储存设备等，超融合架构则将运算与储存单元合而为一，每个服务器

节点单元同时兼有提供运算资源与储存空间的角色，也就是一种

「

Infrastructure in a box

」的概念，每一台超融合架构的服务器节

点，都是自身拥有完整基础设施的单元。

这也意味着，超融合架构是使用服务器节点本机的磁盘驱动器，来提

供需要的储存空间。这种做法的一个疑虑，是单一服务器本身的磁盘

驱动器不能满足容量需求，也不能提供足够的扩充性与可靠性。相较

下，传统的企业级

SAN

磁盘阵列，不仅拥有双控制器设计带来的高

可用性能力，还能透过串接扩充磁盘柜提供强大扩充性，并能藉由

RAID

确保基本的数据保护能力。

于是超融合架构采取将多个节点组成丛集的方式，既能透过增加丛集

节点的方式提供扩充能力，也能透过丛集节点间的失效切换功能，来

提供高可用性能力，并藉由丛集节点间的写入

I/O

镜像复制功能，来

提供数据保护能力。

所以藉由组成丛集，让超融合架构摆脱了

SAN

与

RAID

的需要，借

助构成丛集核心的分布式文件系统，直接使用服务器主机本身就能满

足运算与储存需求。

实体硬件与虚拟化平台的完整融合

超融合架构是透过虚拟化平台软件来运用硬件资源，用户需要的运算

资源是透过

Hypervisor

以

VM

的型式来提供，储存资源亦是透过与

是一种以

VMHypervisor

结合的分布式文件系统来提供给

VM

使用，

为核心、更完全整合的虚拟化应用。

从另一个角度来说，超融合架构不仅运算资源是「软件定义化」的，

储存资源也同样是「软件定义化」，硬件部份只是一台普通的通用硬

件服务器，用户使用的

VM

与储存空间完全依靠

Hypervisor

等软件

所建构，隔绝了用户与底层的物理设备。

融合式架构

vs.

超融合架构

以

VM

为核心提供运用、预先整合了运算与储存的基础设施的套件类

型产品并不稀有，几乎所有一线服务器与储存供货商都能提供这样的

产品。这些产品将包括服务器、网络、储存等硬件单元，搭配

VMware

之类的虚拟化软件平台，预先整合成为一个「融合式基础架构」

（

Converged Infrastructure

）套件，与超融合架构产品同样都以一

次购足所有基础设施必要组件、套件已预先完成组装、测试与调校，

开机后即可快速部署运用，且由单一供货商窗口提供服务为要求。

这类「融合式架构」与「超融合式架构」相比，差别在于是否将储存

设备融合到服务器中。

典型的融合式架构套件，产品如

VCE Vblock

、

NetApp FlexPod

等，

储存资源仍是由独立的储存设备来提供。而超融合架构则没有独立储

存设备的存在，由服务器来同时提供运算与储存资源。

相较于运算与储存各自独立的融合式架构，藉由将运算与储存融合在

单一设备上，超融合架构可带来两项效益：

更简易的管理

在传统架构或融合式架构中，由于运算与储存资源是由各自独立的服

务器与储存设备来提供，组态设定与操作管理也是各自独立，管理者

必须分别透过不同的管理工具来管理这两种设备。管理者须在储存设

备上从

LUN

、

Volume

与连接映像这些设定着手，然后再将设定好

的储存装置挂载到服务器主机上，透过

Hypervisor

提供给

VM

使用。

在超融合架构中，运算与储存合而为一，只需单一管理平台就能同时

管理运算与储存资源的设定，并能藉此实现完全的「政策驱动式」管

理，用户只需透过政策设定自身需要的运算与储存资源服务等级，实

际资源分配都可由管理平台自动完成，可大幅减轻管理负担。

积木式堆栈扩充

超融合架构由于把运算与储存融合在一台设备，每台超融合设备都含

有独立、完整的运算、储存硬件资源，所以每台设备也就构成了一个

独立的基础「积木（

Build Block

）」单元。透过丛集架构，用户可以

一台超融合设备为单位，以堆栈积木的方式将更多节点加入到丛集中，

来扩展整个超融合架构丛集的效能与容量。

每台超融合设备的规格都是确定的，效能与服务能力也是固定、可预

测的，这也让超融合架构的扩充变得十分单纯明确、且可预测，就像

堆积木一样，向丛集中堆栈节点，即可构筑出拥有不同效能与容量服

务能力的

IT

基础环境。

从超融合架构迈向

Web-Scale IT

超融合架构以通用硬件服务器构成的丛集为基础、以

VM

为核心，具

备管理简单、便于以积木堆栈方式扩充等特性，也为企业

IT

基础架

构的型态迈向「网络规模（

Web-Scale

）」的

IT

架构奠定了基础。

Web-Scale IT

拥有结合成千上万台电脑而成的庞大运算与储存能力，

可以承载很高的用户存取量，藉由丛集架构可容忍部份节点故障，而

且管理只需少许人员，还便于弹性地扩充、并迅速地调整配置。

使用超融合架构，可以很容易的满足

Web-Scale IT

的需求，让一般

企业打造出类似

Google

、

Facebook

等网络巨头的云端化

IT

环境，

达到提高

IT

营运效率、降低成本、利于因应创新服务迅速调整配置

的目的。

超融合基础架构主流产品规格特性对比

基于超融合架构的发展潜力，投入这领域的厂商也日渐增加，继

Nutanix

、

SimpliVity

、

Scale Computing

、

Pivot3

等新创厂商之后，

领导虚拟化平台市场的

VMware

也加入了这个领域。

超融合基础架构还是一个非常新颖的产品领域，就连身为先驱者的

Nutanix

，也是在

2011

年

8

月才发表首款产品，其他主要厂商如

Simplity

、

VMware

等，更是迟至

2013

与

2014

年才推出产品。

就目前来看，

Nutanix

的

NX

系列应用服务器与

VMware

的

EVO:RAIL

，

是超融合架构领域最重要的两个产品，

SimpliVity

的

OmniCube/Omnistack

则略次一些。

Nutanix

在这个领域是先驱者，

产品技术最为成熟完整，不过安装部

SimpliVity

的功能也颇为完整，

署与升级便利性较为不如；

EVO:RAIL

则有

VMware

身为最重要虚拟

平台供货商的优势。

至于其他供货商如

Scale Computing

、

Pivot3

等，目前的产品功能

尚不如

Nutanix

成熟完整，影响力又远不如

VMware

。另一主要虚

拟平台供货商微软，虽然也与服务器厂商合作推出类似的

Cluster in

而是介于过

box

产品，不过这些产品不完全符合超融合架构的概念，

去的融合式架构与超融合架构之间。

此外，各厂商的产品虽然都提供了「超融合」，但架构、管理与部署

上仍存在许多维妙的差异，因此藉由对比

Nutanix

、

SimpliVity

与

我们将能对这类型架构的

VMware

等三大超融合架构供货商的产品，

特性有更深入的理解。

产品基本型态

Nutanix

的产品有

6

个款式，全都是

2U

机箱服务器，涵盖单机箱

/

单节点、单机箱

/

双节点与单机箱

/4

节点等类型，服务器硬件是由

Supermicro

与

Dell

提供。

SimpliVity

的

OmniCube/Omnistack

也是

2U

机箱的服务器，但都

是单机箱

/

单节点的款式，

OmniCube

系列采用

Dell

服务器，有

3

种款式；

OmniStack

则使用

Cisco UCS

服务器，有

1

种款式。

VMware

的

EVO:RAIL

同样采用

2U

机箱，只有

1

种单机箱

/4

节点

款式，不过硬件供货商多达

8

家，括

Dell

、富士通、

EMC

、

net one

、

Supermicro

、浪潮（

inspur

）、

HP

与

HDS

等。

丛集规模

所

Nutanix

是透过丛集节点间的写入

I/O

复制来提供基本数据保护，

以要求最小丛集规模是

3

个节点，每次扩充以

1

个节点为单位，最大

丛集规模没有限制。

EVO:RAIL

同样透过丛集节点间的写入

I/O

复制来提供数据保护，最

小丛集是一个

4

节点单元，每次扩充是以

4

节点单元为单位扩充，最

大丛集规模则是

16

节点。

至于

SimpliVity

的由于个别节点拥有

RAID

控制器提供的

RAID

保护，

允许单节点的组态，每次扩充以

1

个节点为单位，最大丛集规模没有

限制。

Hypervisor

支援

Nutanix

支持

vSphere

、

Hyper-V

与

KVM

三种

Hypervisor

，分别

透过

NFS

、

SMB3

与

iSCSI

协议，将丛集储存区空间挂载给三种

Hypervisor

使用。

SimpliVity

与

EVO:RAIL

都只支持

vSphere

，并且是透过

NFS

协议

将储存空间提供给

Hypervisor

。

系统管理

超融合架构产品的管理大致可以分为

3

种方式：

(1)

专属网页控制台

(2) vSphere vCenter

的

Plug-in

。

(3) vCenter Web Client

的

Plug-in

。

Nutanix

透过专属的

Prism

控制台来管理丛集与

Hypervisor

，又分

为管理单一丛集用的

Prism Element

与管理多丛集环境用的

Prism

Central

两种版本。不过他们没有搭配

VMware vCenter

或

Web

Client

的

Plug-in

管理接口。

搭配

Web SimpliVity

是透过嵌在

vCenter

中的

Plug-in

接口来管理，

Client

的

Plug-in

也很快会推出。

EVO:RAIL

可以透过称作

EVO:RAIL

引擎的网页式控制台提供基本管理，也可透

Web Client

接口来管理

底层的

VSAN

等组件。

储存架构

透过分布式架构来组成丛集，是超融合架构的核心功能，

Nutanix

与

来将所有节

SimpliVity

都是透过在每台节点上运行的虚拟化控制器，

点的储存空间构筑为一个丛集，虚拟化控制器本体是在

Hypervisor

上运行的一台

VM

。

EVO:RAIL

则是藉由

VSAN

来提供丛集储存空间，

而

VSAN

是

vSphere

核心的一个功能，架构堆栈要比其他产品更简

洁。

Nutanix

与

EVO:RAIL

都是透过丛集节点间的写入

I/O

复制，来提供

数据保护能力，而没有使用传统的

RAID

。

Nutanix

丛集基本的

RF2

设定，会将数据复制

2

份分散到

2

个节点上存放，最大可设为

RF3

将数据复制

3

份。

EVO:RAIL

底层的

VSAN

则可让用户设定失效容许

数量（

Number of Failures to Tolerate

）属性，来决定个别

VM

能

容许多少台

vShpere

主机或磁盘失效，

VSAN

会依照这个设定，将

VM

每笔写入

I/O

复制不同的数量分散存放。

SimpliVity

的每个节点则保留了传统的

RAID

架构，可透过

RAID

控

制器提供基本数据保护，在使用多个节点组成丛集时，也提供跨节点

的写入

I/O

复制，来因应单一节点失效的情况。

为了提高储存空间运用效率，

Nutanix

与

SimpliVity

都提供了重复数

据删除与实时压缩功能，可让有限空间乘载更大数据量；

EVO:RAIL

底层的

VSAN

则缺乏这两项功能。

为了改善每个节点的

I/O

效能，

Nutanix

、

SimpliVity

与

EVO:RAIL

都在每个节点中配置了用来加速

I/O

的

SSD

，不过运用方式各有不同。

Nutanix

节点中的

SSD

扮演了写入缓冲与读取快取的角色，其中写

入缓冲是专用于处理随机

I/O

，循序

I/O

则直接写入硬盘，

SSD

也充

当分层储存中的高速层。

SimpliVity

节点中的

SSD

则是用作读取快

取，

EVO:RAIL

每个节点中的

SSD

，亦是在

VSAN

的管理下用于读取

与写入快取。

安装部署与系统升级

超融合架构产品的安装部署可分为

3

个阶段：

(1)

丛集储存架构的安装部署。

(2) Hypervisor

的安装部署。

(3) Hypervisor

的设定。

包括向每个服务器节点部署

Nutanix

的虚拟控

Nutanix

的系统部署，

制器与

Hypervisor

，以及基本环境参数的设定等，都可透过原厂的

Foundation

工具来自动进行，

Nutanix

原厂与经销商在出货前可代

用户完成

Nutanix

丛集与

Hypervisor

的安装与设定，客户端可省掉

部署设定作业的负担。

必须手动向每台服务器节点部署虚拟化

SimpliVity

的部署比较麻烦，

控制器与

Hypervisor

，

Hypervisor

的基本设定也是手动进行。

EVO:RAIL

出货时便已完成了

Hypervisor

与所有软件组件的安装，

用户可透过

EVO:RAIL

引擎这个控制台接口，快速完成丛集初始设定

与基本环境参数的设定。

在升级方面，也可分为三个层次：

(1)

储存丛集系统的升级。

(2) Hypervisor

的升级。

(3)

服务器节点的韧体升级

无论是哪个层次的升级，

Nutanix

都提供了单键非破坏性升级功能，

十分方便。

EVO:RAIL

也可透过

EVO:RAIL

引擎接口迅速升级储存架

构与

Hypervisor

。

SimpliVity

升级比较麻烦，必须每个节点逐一以

手动进行升级作业。