運算與儲存分離的嶄新架構，NetApp HCI開展超融合系統新視界

經過長時間的醞釀後，NetApp終於正式投入了超融合應用市場，NetApp的超融合產品就叫做HCI，也就是超融合基礎架構（Hyper Converged Infrastructure）的縮寫。

雖然NetApp投入超融合產品領域的時間相當晚，但HCI這款產品頗具特色，在市場上別樹一幟，採用運算與儲存節點分離的架構，從而帶來更靈活的擴充能力，並一律採用全快閃組態，以保證I/O效能。

超融合系統的兩大關鍵元件，是提供運算服務的Hypervisor虛擬化軟體，與提供儲存服務的儲存叢集軟體，NetApp HCI目前支援的虛擬化平臺，是VMware ESXi，至於搭配的儲存叢集系統，則選擇NetApp自家的平臺，也就是SolidFire Element儲存作業系統。

NetApp HCI的基本單元，是2U/4節點的伺服器機箱，其內包含了運算與儲存2種節點。其中的運算節點，是運行VMware ESXi的1U/半寬伺服器，有小、中、大等3種處理器與記憶體規格的款式可選；而儲存節點，則是配置了6臺SSD、運行SolidFire Element OS儲存軟體的1U/半寬伺服器，同樣有小、中、大等選項，提供3種不同SSD容量與效能的款式。

獨具一格的超融合架構

所謂的「超融合基礎架構」，是「超融合」與「基礎架構」兩個單詞結合而成的IT名詞。

其中「基礎架構（Infrastructure）」指的是為IT環境提供運算、儲存、網路連接等基礎設施服務。至於「超融合」一詞，則是在「融合式基礎架構」（Converged Infrastructure）一詞冠上Hyper而成，意味著比融合式架構更進一步的「融合」。

而所謂的融合式架構，是指這樣的一類產品：將包括伺服器、網路、儲存等硬體單元，搭配VMware之類的虛擬化軟體平臺，整合成為一個預先完成組裝、測試與調校的整包式套件出售。至於超融合架構的「超」之所在，則是進一步，將伺服器運算單元與儲存單元融合一個機箱中，也就是「Infrastructure in a box」的概念。

超融合系統的標準型態，是包含了運算與儲存資源的標準化節點機箱，擴充時，則是透過堆疊更多這種標準化節點機箱來組成叢集，從而得到更大的運算能力與儲存空間，並獲取企業應用所需的高可用性與擴充性，這也賦予了超融合系統下列兩個特性：

● 運算與儲存合一的硬體：超融合系統的運算與儲存單元在實體上是合一的，是由同一臺伺服器硬體來提供。

● 對稱的擴充能力：超融合系統在擴充時，運算與儲存資源的配置與擴充是對稱的。每增加一臺節點，就相對應地增加一定比例的運算能力與儲存空間。

透過「運算—儲存合一」，以及「對稱的擴充能力」這2個特性，也讓超融合系統的擴充變得十分簡單，當資源不夠時，堆疊更多節點即可。超融合系統的兩大龍頭——Nutanix，以及眾多基於VMware vSAN架構的超融合產品，都是屬於這種標準型態的超融合系統。

然而，NetApp HCI將運算與儲存服務分別由不同節點來承擔，這樣的架構能不能算是「超融合系統」？在產品分類有所爭議，嚴格來說，NetApp HCI的架構，更接近一種介於融合式與超融合式之間的產品。儘管如此，藉由這種非標準的架構，也賦予NetApp HCI幾個獨有的優勢：

更靈活的擴充能力

標準的超融合系統，必須一次擴充一整臺伺服器，也就是包含了運算能力與儲存空間的節點。然而，用戶有時候只是需要額外儲存空間，有時候則只需要額外運算能力，但要擴充硬體使用規模時，仍被迫購入他們不需要的資源。

一般超融合系統供應商，大多是提供幾種不同用途與性能取向的節點款式，來設法提高擴充搭配的彈性，有些節點款式著重於提供大儲存容量，另ㄧ些款式則著重提供高I/O效能或高運算效能等，但即使如此，仍沒有擺脫「運算與儲存合一」以及「對稱性擴充」這兩個基本特性的制約。

而NetApp HCI由於分離了運算與儲存節點，因而，更能夠適應用戶需要，單獨擴充運算能力或儲存容量，也徹底解決過去超融合系統的擴充靈活性問題。

更精細的效能管理

對於標準的超融合伺服器來說，每一臺節點，不僅必須執行Hypervisor平臺軟體，提供底層儲存服務的儲存叢集系統，也以VM形式嵌在Hypervisor上運行，而這種架構雖然同時結合了運算與儲存服務，但也造成兩種服務互搶資源的副作用——儲存服務需占用可觀的硬體資源，特別是一旦啟用了重複資料刪除、即時壓縮等進階儲存功能，將會十分耗費處理器資源，以致影響到超融合伺服器實際可供VM使用的資源。

對此，一些廠商提出的解決辦法，是運用專屬加速卡，來卸載超融合伺服器的處理器負擔，例如去年併入HPE的SimpliVity，便為其超融合系統引進專屬的OmniStack 加速卡，用於承擔壓縮與重複資料刪除運算，以求減輕超融合伺服器處理器負載，獲得更確定的效能。

但NetApp HCI的解決辦法則更徹底，由於分離了運算與儲存節點，儲存服務已由獨立的儲存節點負責，自然也不會影響運算節點的負載。

且NetApp HCI的儲存節點，還能藉由SolidFire Element系統，提供確定規格的I/O效能（每節點5萬或10萬IOPS），便於管理者精確掌握資源運用，因為，搭配SolidFire Element系統擅長的QoS控管，可提供十分精細的VM效能管理。

便於提供通用儲存服務

多數超融合系統嵌在底層的儲存叢集，都僅為超融合系統上層Hypervisor內VM使用，儲存空間不能分享給超融合平臺以外的主機。若用戶環境含有非超融合系統的主機，就必須另外建置其他的儲存系統。也就是說，儲存空間是超融合系統自身專用，不能與其他平臺共享通用，直到近兩年，才開始有部份超融合系統提供通用存取功能。

而NetApp HCI一開始便具備了通用存取能力，與運算節點分離的儲存節點，實質上就等同於一套SolidFire全快閃儲存叢集系統，可透過iSCSI協定將儲存空間掛載給任何主機使用。

除了由儲存節點利用iSCSI提供區塊類型的通用儲存服務外，NetApp HCI只要在Hypervisor中，部署NetApp的ONTAP Select軟體，就能提供NAS類型的檔案存取服務，也就是，將儲存節點的空間，以NAS形式分享給其他主機使用。

較高的起始門檻

底層提供儲存服務的儲存叢集系統，可說是超融合產品最關鍵的元件，NetApp選擇自身SolidFire Element儲存作業系統，來為HCI建構底層儲存儲存叢集空間，雖然這有利於NetApp完全掌控HCI這款產品的發展，不像採用第三方儲存叢集軟體的超融合產品，有受制於人的疑慮（例如眾多基於VMware vSAN的超融合產品，以及採用Nutanix軟體平臺的聯想與Dell超融合產品），但也為此付出了起始門檻較高的代價。

首先，SolidFire Element是一套專門針對Flash快閃記憶體設計的儲存作業系統，連帶造成NetApp HCI限定只支援全快閃組態，不像其他超融合系統可選擇門檻較低的SSD+硬碟混合組態。

其次，SolidFire Element要求的最小叢集規模是4節點，相較下，大多數超融合產品的儲存叢集最小規模都是3節點。

由於NetApp HCI採運算—儲存分離的架構，在運行SolidFire Element OS的儲存節點外，還要加上最少2臺運行VMware ESXi的運算節點，所以NetApp HCI的起始最小組態是6節點，包括2臺運算節點，以及6臺儲存節點，需使用2臺2U/4節點機箱，而且儲存節點還是全快閃組態。相對的，其他超融合產品的起始組態多只需3節點，有些還只需2節點即可，對比之下，NetApp HCI的起始門檻要比其他產品高了很多。

提供高密度的運算與儲存資源

目前NetApp HCI的最新版本是1.1.0.6版，比起剛推出時的1.0.x.x版，運算節點運行的VMware ESXi版本，從6.0U3升級到6.5U1版，儲存節點運行的SolidFire Element OS則是最新的10.1版，新增對SnapCenter的支援，可將資料同步複製到ONTAP 9.3版以上的FAS儲存系統。

在最大擴充能力方面，NetApp HCI目前支援最大32臺運算節點，與40臺儲存節點，在超融合產品中算是中等的擴充能力。接下來NetApp HCI的新版本，會將運算節點的擴充上限，提高到VMware ESXi允許的64臺節點上限。

至於在儲存節點的擴展性方面，SolidFire Element理論上最多支援100臺節點，但標準的最大組態是40臺節點。

原廠對此表示，就SolidFire的架構來說，雖然能支援更多節點，然而在實際應用中，大多數SolidFire用戶的環境，都不超過40臺節點（剛好是一座機櫃），所以，原廠提出的標準客戶端測試計畫，是以最大40節點為基準。如果要使用超過40節點（會超過一座機櫃），將會牽涉到額外的網路架構需求，此時，原廠會要求用戶提出驗證確認需求，通過驗證後，才會讓用戶採行41～100臺節點。

所以，當SolidFire Element用在NetApp HCI的儲存節點時，連帶也把儲存節點數量定為最大40個。儘管如此，憑藉全快閃組態，40個儲存節點能匯聚出高達200萬到400萬IOPS的效能，且占用的總空間僅有20U，可為上層Hypervisor內的VM，提供高效能密度的儲存服務。

超融合產品的新型態：非對稱式架構的興起

為了擺脫「運算與儲存合一」與「對稱性擴充」，不讓這兩個基本特性制約超融合系統的擴充性，近來一些新推出的超融合產品，開始支援「非對稱性」的架構。

如Cisco的Hyperflex，以及Pivot3的超融合產品，都支援非對稱擴充架構，也就是，運算能力與儲存容量可以各自獨立地擴展——當用戶需要運算能力時，可以只擴充運算節點；若只需要儲存空間，也能單獨擴充節點的儲存容量。

而NetApp HCI則在「非對稱性架構」這條路上走得更遠，進一步拋棄超融合系統「運算與儲存合一」這個基本特性，分離了運算與儲存節點，不僅擴充時是不對稱的，連系統的基本組成也都是不對稱的，運算與儲存節點不是一一對應地結合，藉此獲得以往超融合系統沒有的擴充彈性與深度效能管理能力，但也付出起始門檻較高的代價，至於這樣的嶄新作法，用戶能否接受，進而成為超融合系統的主流型態之一，則還有待後續的觀察。

運算與儲存節點分離的超融合架構

各自獨立的運算與儲存節點，是NetApp HCI有別於其他超融合產品的最大特色。標準的超融合伺服器架構，是將運算與儲存功能結合在單一節點上，而NetApp HCI的系統，則是由負責運行VMware ESXi虛擬化平臺的運算節點，與運行SolidFire Element儲存系統的全快閃儲存節點所組成，最小組態是2組運算節點與4組儲存節點，一共6節點。

藉由這種與眾不同的建置架構，NetApp HCI允許獨立地擴充運算節點或儲存節點，比起運算與儲存合一的一般超融合產品更具彈性。另外，由於運算與儲存服務是彼此分離，由不同節點來執行，互不干擾，所以，也可提供更精細的效能與資源管理。

NetApp HCI採用2U/4節點的機箱，每一臺運算節點與儲存節點，都是一臺1U/半寬的伺服器，其中的運算節點，擁有較大容量的記憶體配置，儲存節點則含有提供叢集儲存空間的SSD，各有小、中、大等3種款式，基本規格如下表。

NetApp HCI的系統部署與初始化

相對於其他同類產品，NetApp HCI由於分離了運算與儲存節點，起始組態的節點數量比較多，因此部署與初始化的程序也較複雜些。NetApp為此提供了稱作NetApp Deployment Engine（NDE）的自動化部署工具，可以將將原本需要400個以上設定動作的部署程序，簡化到30個以下，用戶只需輸入環境參數，包括vCenter的名稱、帳號、IP位址、各節點IP位址等，後續部署作業便會自動執行。

登入NDE部署介面

首先登入預設的NetApp Deployment Engine（NDE）部署引擎首頁，用戶首先必須選擇讓NetApp HCI加入既有vCenter，或新建一個vCenter。

選擇部署的節點

NDE會掃描整個網段，並將所偵測到的NetApp HCI運算與儲存節點列出，接著，我們可以點選要讓NDR部署軟體的節點。

自動完成軟體部署作業

完成環境參數設定後，系統便會自動將ESXi系統部署到NetApp HCI。

NetApp HCI硬體組態

相較於一般的超融合伺服器產品，NetApp HCI的硬體規格有許多特別之處，從節點構成、儲存組態到網路規格，都有與同類產品不同的設定。

NetApp HCI採用超融合伺服器常見的2U/4節點機箱，但機箱中搭載了運算與儲存兩種節點，其中運算節點負責運行VMware ESXi虛擬化平臺，儲存節點負責運行SolidFire的Elements儲存作業系統，不像一般超融合伺服器，只有1種運算—儲存合一的節點。

NetApp HCI最基本的組態，是2組運算節點加上4組儲存節點，需占用2臺機箱的空間（2臺機箱一共含有8個節點插槽，所以在最小組態下會剩2個未使用空節點插槽）。2組運算節點可構成一個最基本的ESXi叢集，4組儲存節點則構成一個最基本的SolidFire儲存叢集。

在儲存組態方面，大多數超融合系統的儲存底層，都是採用SSD+硬碟的混合配置，部份產品另外還提供了全快閃組態的款式。而NetApp HCI底層的SolidFire儲存叢集，是一種專門針對快閃儲存設計的儲存作業系統，因此NetApp HCI也只提供全快閃儲存組態。

透過各自獨立的運算與儲存節點，用戶可單獨地擴充NetApp HCI的運算或儲存節點數量。運算與儲存節點都有大、中、小等3種款式可選，其中運算節點最多可擴充到32節點（即將推出的新版能支援64節點），儲存節點則可擴充到最多40節點。

至於在網路規格方面，NetApp HCI特別之處在於提供了25GbE的支援，是我們所知最早導入這種新網路介面的超融合產品。

採用全快閃儲存組態

NetApp HCI只支援全快閃組態，運算節點與儲存節點都含有開機用的Flash儲存模組，至於系統的儲存空間，則是由儲存節點組成的儲存叢集來提供。儲存節點有3種容量規格可選：小容量H300s儲存節點為6臺480GB SSD，中容量H500s儲存節點為6臺960GB SSD，大容量H700s儲存節點為6臺1.92TB SSD。

I/O介面

NetApp HCI的2U機箱中混插著運算節點與儲存節點，2種節點都含有主機板提供的2組GbE埠 1 與2組10/25GbE埠 2 ，其中若要使用25GbE，必須搭配使用新的SFP 28光纖收發模組。除了前述基本的傳輸埠，運算節點還在擴充槽額外安裝1張雙埠10/25GbE網路卡 3 ，以強化用戶端對VM的存取效能。

運算節點與儲存節點解剖

NetApp HCI的運算節點與儲存節點，都是1臺1U半寬的2路伺服器，兩種節點的處理器規格基本一致，另行針對扮演的運算或儲存角色，強化特定規格。

如運算節點只有開機用Flash儲存模組，不提供SSD儲存空間，但安裝了較多數量的記憶體模組，並多了1張雙埠10/25GbE網路卡，使得這裡提供的10/25GbE埠數量，比儲存節點多了一倍（4個對2個），以強化運行VM所需的運算效能與傳輸頻寬；儲存節點則提供了6臺SSD空間，另外安裝了1張8GB容量的PCIe NVRAM模組，以配合儲存節點運行的Element儲存作業系統存取架構。

NetApp HCI的系統管理功能

如同多數超融合產品，NetApp HCI的系統管理，也是透過vCenter進行，其中VM相關操作是由vCenter執行，至於底層儲存叢集管理，則是透過嵌在vCenter Web Client的NetApp SolidFire Configuration，與NetApp SolidFire Management的元件來執行，原廠宣稱95%的管理都可在此完成。

除了透過vCenter，管理者也可登入儲存節點，利用獨立SolidFire管理控制臺，管理底層儲存叢集。

由於SolidFire儲存叢集內含豐富的資料服務與效能管理功能，也讓NetApp HCI擁有多樣的資料保護與效能管理能力。例如NetApp HCI可藉由vCenter，提供VM層級的快照與遠端複製，另藉由底層SolidFire叢集，提供整個Datastore層級的快照，以及遠端複製功能。

透過vCenter管理整個超融合環境

NetApp HCI透過vCenter便能涵蓋絕大部分管理工作，包括底層的SolidFire儲存叢集，也能利用嵌在Web Client控制臺內的2組plug-in工具來管理。

可直接登入SolidFire管理儲存叢集

除了利用vCenter外，管理者也可直接登入儲存節點，透過獨立的SlolidFire管理控制臺，來管理底層的儲存叢集環境。

嵌入vCenter的儲存管理介面

除了介面外觀不同，嵌在vCenter的SolidFire儲存管理工具，可執行與SolidFire獨立控制臺相同的儲存叢集設定與管理功能，包含各式進階功能的使用。

NetApp HCI的QoS效能管理

效能的管理，是SolidFire Element儲存系統的一大強項，這項特點也帶入NetApp HCI這套產品中，提供了有別於其他超融合產品，而且是更多樣化、更精細的QoS效能管理能力。

以底層SolidFire Element的QoS功能為基礎，再結合系統上層VMwre ESXi平臺本身的效能管理功能，如今的NetApp HCI，擁有3種不同層級的效能管理方式：

首先，SolidFire儲存叢集本身可設定Datastore層級的IOPS效能，針對整個Datastore儲存區的IOPS效能，管理者可以設定上、下限。

其次，底層SolidFire Element的QoS功能，也可以整合vCenter的儲存I/O控制（Storage I/O Control，QoS SIOC），配合vCenter執行VM層級I/O效能管理，讓Datastore儲存區的QoS效能設定，與vCenter的QoS SIOC效能的設定一起連動。

最後，HCI的儲存節點也能和標準的SolidFire儲存叢集一樣，支援VMware的VVols架構，依預設政策，來為個別VM，套用不同層級的VVols效能設定。

Datastore層級的效能管理

HCI底層SolidFire儲存叢集，提供Datastore層級的IOPS效能設定功能，可設定最大、最小與突發（Burst）等3個層級，能保證最小IOPS，這項特色在同類產品中比較罕見。

VM層級的效能管理

NetApp HCI在底層SolidFire儲存叢集，也能與vCenter的儲存I/O控制功能（Storage I/O Control，SIOC）互相整合，配合SIOC設定的IOPS效能上限，自動調整Datastore層級的IOPS效能上限設定。

提供GUI設定轉CLI命令功能

現在的網頁式圖形控制臺，雖能提供親和、簡易的操作程序，但對於含有幾十個節點的大型環境來說，要透過GUI圖形介面，逐一為各節點設定參數的作法，非常繁瑣，不太切合實際要求，因此，仍須依賴CLI命令列指令，以批次作業方式，來為大量節點套用設定。

然而，CLI指令又有語法不易記憶、學習與使用的問題，針對這點，NetApp HCI底層的SolidFire儲存叢集提供了API，在GUI圖形控制臺中，只需一個步驟，就能將GUI介面中所作的系統管理與儲存區設定，轉為對應的CLI指令給管理者參考，讓管理者能藉此編寫出需要CLI指令，然後以批次作業方式，將設定自動套用到其他節點上，可大幅簡化大型環境的管理作業。

將GUI設定轉為CLI指令

在SolidFire的控制臺介面中，能將GUI介面的管理設定，轉為對應的CLI指令，有了這項功能，可供管理者參照、編寫CLI指令，套用到其餘節點上。

利用PowerShell工具執行CLI指令

參照API提供的CLI指令，管理者可利用SolidFire的PowerShell工具，編寫與執行CLI指令，以自動化的批次作業方式，將系統管理或儲存區的設定，同時套用在多個儲存節點上。