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超融合基礎架構(Hyper Converged Infrastructure)透過軟體定義化方式,同時整合了運算與儲存所需的軟、硬體資源,在一臺機箱內便可提供完整的IT基礎設施服務,藉此也帶來了部署簡單、迅速,以及管理便利等特性,不僅適用於企業資料中心,對於生產現場等邊緣(Edge)環境來說,也能發揮重大的作用。

因此,近2、3年來,也誕生了專門針對邊緣環境應用最佳化的超融合產品,它們在既有的超融合系統基礎上,另外結合特殊的機箱與系統設計,成了超融合領域內一個獨具一格的分支。

興起中的邊緣運算革命

長期以來,IT投資都集中於資料中心,銷售與生產現場之類的邊緣環境,能得到IT資源相對十分有限。

然而,隨著物聯網、生產智慧化、營運服務數位化等應用的持續擴展,有越來越多的資料,是在生產應用現場等「邊緣」環境所產生,由此也帶來了資料量的爆炸性增長,以及對於資料即時處理與分析的迫切需求。

為了在激烈的市場競爭中,創造出差異化的價值,現在的企業需要從資料產生的地點,也就是生產工廠、銷售或服務據點等營運邊緣端點,便開始資料處理與分析工作,連帶的,也產生了在這些邊緣環境中,建置完整IT應用設施的需求。

但生產應用現場的IT部署環境,大不同於資料中心,各式各樣的邊緣環境原本是為了生產、銷售、服務等不同目的而設立,對於IT設備的建置與運行考慮得很少,往往沒有專門的IT設備空間,也沒有良好的設備運作環境。

因此,一般針對資料中心機房環境設計的IT設備,並不適用於邊緣環境,要符合邊緣環境的IT建置需求,將需要特別針對邊緣環境設計的IT設備。

超融合與邊緣運算的天作之合

超融合基礎架構的固有特性,先天上就十分適合邊圓環境的應用。

從資料中心到邊緣環境,任何IT應用環境都需要運算、儲存、網路這幾種基本單元,才能建構完整的IT基礎服務。但比起資料中心,邊緣環境無論空間資源還是管理人力都十分缺乏,因此需要能夠以最精簡、最便利的方式,來完成IT基礎環境的建置與日常管理。

而「組態精簡、建置與管理簡便」,正是超融合基礎架構產品的最大特長。

首先,一組超融合系統就能同時提供運算與儲存資源,足以取代個別的伺服器與儲存陣列設備,組態比傳統IT架構精簡許多。

其次,超融合系統在出貨前,就已完成所有軟、硬體元件的組裝、設定與測試,用戶端只需將超融合系統的機箱接上電源與網路,然後利用內建的初始化工具,完成基本環境參數的設定與初始化作業,就可開始使用,建置過程也遠比傳統IT設備簡便與迅速。

第三,超融合系統是建立在叢集架構上,當用戶需要更多硬體資源時,只需將新的超融合系統機箱加入到叢集,就能擴充資源,這種堆疊更多機箱節點的擴充方式,也比傳統IT環境簡單許多。

最後,傳統IT架構必須透過多種不同的管理工具,才能涵蓋伺服器、儲存設備、虛擬化平臺等軟、硬體元件的設定、配置與管理工作,管理作業相當繁雜,需要擁有一定管理經驗的人力才能勝任。

相較之下,超融合系統則只需透過單一管理介面,就能同時配置與管理超融合系統內含的虛擬化平臺與儲存平臺,運用超融合系統的運算與儲存資源,無論管理作業的便利性,還是管理作業的負擔,都遠優於傳統IT架構。

為邊緣應用最佳化的超融合系統

憑藉著「組態精簡、建置與管理簡便」的優勢,讓超融合系統要比傳統IT架構,更適合用於建構邊緣環境的IT基礎設施。

但用於邊緣環境的IT基礎設施,除了需要精簡的組態,與便利的建置與管理方式外,還有兩項有別於一般IT環境的特殊需求。

其一,是必須能夠因應相對窘迫的空間需求。

生產應用現場通常沒有專門的機房,空間與供電配置也以生產營運等目的為優先,IT設備的部署常常連一個方正、完整的空間都不可得,而只能遷就安置在閒置的畸零空間,還需盡量不影響到生產應用現場原本的營運作業。

於是,這也給邊緣環境的IT設備,帶來了「SWaP最佳化」的要求,也就是空間、重量與電力(Space, Weight and Power)的節省,盡可能縮減IT設備的尺寸、重量與電力需求,以提高部署彈性,適應各式各樣的零碎部署空間。

其二,是必須具備承受惡劣作業環境的需求。

一般的IT設備,是設計在擁有基本環境控制的室內場所中運作,然而生產應用現場往往不能提供這種環境給IT設備,而必須將IT設備直接部署在生產廠房,甚至是戶外環境或移動載具上(車輛、船隻或飛機等),IT設備必須面臨嚴苛的操作環境,承受極端的溫度、濕度、氣壓與震動。

這也給邊緣環境的IT設備,帶來「加固(ruggedized)」的需求,提高IT設備的環境承受能力,以適應生產應用現場的惡劣環境。

而為了因應邊緣環境應用,所帶來的「SWaP最佳化」與「加固」這兩大特殊需求,也催生了「加固型」與「迷你型」等兩種專門針對邊緣環境特化的超融合系統衍生產品。

加固型超融合系統

以強化了機殼設計與系統元件的加固型伺服器,結合超融合平臺軟體打造而成,擁有與標準超融合系統相同的功能,又兼具一定程度的抗惡劣環境能力,適用於存在著高溫、高濕、高海拔或震動的應用環境。

目前已有4、5家廠商提供加固型超融合系統產品,較具代表性的有:Dell 的VxRail D、Crystal的RS2616PS18,以及Mercury Systems的Hyper-Unity等。

迷你型超融合系統

拋棄標準的機架式機箱,改用專門訂製的迷你型機箱,搭配低功耗處理器,以及標準的超融合平臺軟體。憑藉迷你的尺寸,迷你型超融合系統可以很容易地部署在生產應用現場的零碎空間,而不會影響到該場所原本的運作。

目前提供迷你型超融合系統的廠商仍不多,代表性的產品是Scale Computing的HE 150,以及Hivecell HCI等2款。

整體而言,加固型與迷你型等兩種超融合系統,雖然都是針對邊緣環境的應用而特化,但因應的是兩種不同的應用情境。

加固型超融合系統是針對運作環境極端惡劣的情境,迷你型超融合系統則是針對部署空間極端受限的情境,兩者針對的應用面向並不相同。反過來說,加固型超融合系統並不太適用於空間極端受限的環境,而迷你型超融合系統則不能承受惡劣的作業環境。

雖然加固型超融合系統也考慮了縮減占用空間的需求,通常採用了縮短型的機架式機箱,但並沒有擺脫機架式機箱的桎梏,只是比標準的機架式機箱稍微節省一些安裝深度而已,不適用於空間非常窘迫的環境。

另一方面,要讓伺服器達到承受惡劣環境的加固目的,必須透過強化機殼構造,甚至是主機板、邏輯電路布置的強化,但是,這些特性,並非當前迷你型超融合產品所使用的小機箱能夠提供。事實上,當前的迷你型超融合產品,都不具備惡劣環境承受能力。

遺憾的是,目前邊緣應用型超融合產品,無法同時兼有「尺寸迷你」與「加固」兩種特性。所以用戶必須針對自身環境的傾向,分別選擇迷你型或加固型超融合產品。因此,空間約束較大的環境,更適合選擇迷你型超融合產品;而暴露在惡劣環境下的應用現場,則須選擇加固型超融合產品。

並不「邊緣」的邊緣IT環境產品

比起標準型超融合系統,針對邊緣環境應用的超融合系統,不僅在IT應用中所處處於「邊緣」環節,在市場生態中,也是處於「邊緣」地位。

相較於有數十種品牌可選的標準型超融合產品,針對邊緣環境的超融合系統供應商便少了許多。

然而,這也意味著,比起競爭激烈、逐漸為少數大廠寡占的標準型超融合產品市場,邊緣環境是一個仍有待發掘、極具潛力的應用領域,如果再考慮到生產應用現場的龐大規模,針對這類環境需求的超融合系統,日後顯然也將大有可為,成為超融合系統領域一個不可忽視的分支。

邊緣運算環境特化超融合系統 vs. 標準型超融合系統

針對一般機房環境應用的標準型超融合系統,與專門針對邊緣環境部署的迷你型或加固型超融合系統,主要差異在於硬體所採用的伺服器不同。

標準型超融合系統是基於標準的機架式伺服器,迷你型與加固型超融合系統,則是分別採用準系統型式的小型機箱,以及經加固的機架式伺服器。

至於在軟體堆疊方面,無論哪一種形式的超融合系統都是相同的,均由上層的Hypervisor與底層的儲存叢集組成。

 

【適應窘迫空間的IT基礎設施部署需求】迷你型超融合系統

Hivecell的HCI(左)與Scale Computing的HE 150(下),都是針對邊緣環境最佳化的迷你型超融合產品,採用特製迷你主機硬體,以及低功耗處理器,仍能提供完整的超融合軟體功能。(圖片來源/Scale Computing、Hivecell)

超融合系統屬於一種軟體定義型式的產品,硬體部分是直接採用通用的伺服器。

自超融合這類產品誕生以來的10多年間,雖然先後誕生了數十個超融合系統品牌,以及不下20種超融合軟體平臺,但是,在硬體部分,長期以來,都清一色是採用機架式伺服器。

直到2年前,才開始有廠商嘗試推出採用直立式機箱的超融合產品試圖,藉此提高在邊緣環境的部署彈性;不久之後,又誕生了專門針對空間受限邊緣環境的迷你型超融合產品。

最早進行這方面嘗試的廠商,是Scale Computing。該公司是超融合領域的先驅廠商之一,2012年推出基於專屬HC3虛擬化平臺的超融合產品,2018年推出專供邊緣運算環境應用的衍生版本HC3 Edge。接著在2019年中,推出針對邊緣運算應用的HE500系列超融合產品,包含了採用縮短型1U機箱與直立式機箱等兩種版本,硬體核心也更精簡,比起該公司原本基於1U與2U機箱的HC1000與HC5000系列,規格「輕量」許多。接著在2019年底,Scale Computing又發表採用Intel NCU迷你主機機箱的HE 150,開創了迷你型超融合產品的先河。

繼Scale Computing之後,Hivecell也跟進,在2020年推出了迷你型超融合產品,稱為邊緣裝置(edge device)或Hivecell HCI。

而HE 150與Hivecell HCI這兩款產品的推出,也形塑了迷你型超融合系統的基本樣貌。

最小化的硬體足跡

廠商之所以打造迷你型超融合產品,基本目的,便是提供最小的「硬體足跡」(minimal hardware footprint),也就必須打破機架式機箱帶來的桎梏。因此,HE 150與Hivecell HCI這兩款產品,都採用了特製的迷你機箱。

HE 150的硬體直接採用了Intel的NUC迷你主機,體積只有116.6×112.0×39.0公釐, Hivecell HCI的體積為220×175×65公釐或220×175×78公釐,體型都不到標準型1U機架式機箱的1/5,即使一次堆疊3臺這種迷你超融合伺服器組成叢集,也還不到1臺1U機架式機箱的占用空間。

低功耗的運算核心

除了體積小巧外,HE 150與Hivecell HCI兩款產品還考慮了降低功耗的需求,而採用了低功耗的處理器,可以顯著減少對應用環境的電力負荷,提高產品的部署靈活性。

例如,Scale Computing為HE 150這款機型,提供Core i3-10110U、Core i5-10210U、Core i7-10710U處理器選項,搭配8到64GB記憶體,以及1臺M.2 NVMe SSD(有250GB、500GB、1TB、2TB等儲存容量可選)。

而Hivecell HCI則往低功耗的方向更進一步,提供了Horizon與Perimeter兩種產品版本,Horizon採用8核心的Armv8處理器,搭配8GB記憶體與500GB SSD;Perimeter採用Intel Atom C3000處理器,搭配32GB記憶體與1TB NVMe SSD。值得一提的是,Hivecell還可配備Wi-Fi,以因應不便布置網路線的環境。

受到低功耗處理器的限制,HE 150與Hivecell HCI兩款迷你型超融合產品,運算能力明顯不如標準的超融合產品,因此,Scale Computing為HE 150設定的應用情境,是負荷少於15臺VM的小型環境。然而,這類產品所針對的邊緣環境,通常也不會有很大的運算負載,因此運算能力較低這一點,在實際應用上,不至於會成為太大的問題。

標準的超融合系統功能

HE 150與Hivecell HCI兩款迷你型超融合產品雖然尺寸迷你,但功能並不「迷你」,仍搭載了完整的超融合軟體平臺,可提供完整的運算與儲存功能。

Hivecell所採用的超融合軟體平臺,是市面上常見的VMware ESXi與vSAN的架構,不過,日前,該公司又與StorMagic展開合作,推出了改用StorMagic SvSAN儲存軟體平臺的新款式。

而HE 150搭載的是Scale Computing自身的HC3超融合軟體平臺,特色是內含了KVM虛擬化平臺,因而可以免除用戶端的Hypervisor軟體授權費用。

【滿足極端惡劣環境的IT應用建置】加固型超融合系統

基本上,加固型超融合系統是由超融合軟體平臺,結合加固型伺服器所組成,概念雖然簡單,但實際產品問世的時間,卻出乎意料地晚。考慮到軟、硬體間的整合,以及銷售與後續服務的提供,加固型超融合系統產品的門檻,高於一般的超融合產品。

目前市場上的加固型超融合系統產品,可追溯到超融合平臺大廠Nutanix自2016年起,與加固型電腦設備廠商展開的一系列合作。

最早應在2016年7月,Nutanix與香港工業電腦廠商Crystal合作推出的產品,由Nutanix AOS超融合平臺、Crystal的RS2616PS18加固型2U伺服器,加上Brocade ICX交換器組成。

接下來是2017年2月,Nutanix與美國航太電子廠商Mercury Stsyems合作,推出了Hyper-Unity超融合系統,軟體平臺同樣是Nutanix AOS,硬體則可選擇選擇Mercury Systems的RES-1U、RES-HD,或是HDversa加固伺服器。

同年稍晚,Nutanix與美國軍用通信設備廠商KLAS合作,以KLAS的Voyager模組化加固式IT設備家族為基礎,推出超融合系統,稱作Voyager戰術資料中心系統(Tactical Data Center system,TDCS),硬體的部分,選擇KLAS的VoyagerVMX運算模組,搭配Nutanix AOS超融合軟體平臺組成。

繼前述Nutanix軟體陣營的產品之後,其他超融合軟體平臺廠商後來也跟進,推出了加固型產品。

例如,在2018年8月,Pivot 3曾以專屬的Acuity超融合平臺為基礎,發表稱作Intelligent Edge Command and Control的加固型超融合系統,硬體採用是縮短規格的1U尺寸Acuity超融合伺服器,搭配加固的可攜式外殼。

超融合系統龍頭廠商Dell,也在2020年6月進入這個領域。他們在其VxRail超融合伺服器家族,新增了加固型的D系列,採用了加固的縮短型1U機箱,搭配基於VMware軟體的VxRail軟體平臺組成。

這些加固型的超融合系統,透過強化的機殼設計,可符合美國國防部的MIL-STD-810G軍規標準惡劣環境運行能力,可以在0~50℃、5~95%濕度與10,000呎以上環境運作。相較下,一般商規電腦允許的環境溫度、濕度與海拔高度,分別是攝氏10到40度,10~90%濕度與8000呎以下。另外這些產品雖然都是採用機架式機箱,但都選用了縮短型的規格,可略為節省空間占用。

其中一些廠商,如Mercury Stsyems、KLAS與Pivot 3,還提供了具備防震抗撞功能的強化外殼,可用於車載、船載等移動式環境,而KLAS的Voyager系列,還擁有額外的抗震、防沙塵設計,可以在更惡劣、複雜的環境中運作。

圖中是幾款具代表性的加固型超融合伺服器,依逆時鐘方向分別為:KLAS Voyager TDCS(左上)、Crystal的RS2616PS18、Mercury Systems的Hyper-Unity,以及Dell的VxRail D,透過強化機殼設計,可承受惡劣運作環境。(圖片來源/KLAS、Mercury Stsyems、Crystal、Dell)

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