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興起中的超融合基礎架構(Hyper-Converged Infrastructure),將改變企業IT機房建置型態。

無論規模大或小,典型企業IT機房都是由各自獨立的運算、儲存、網路硬體設備組成,包括提供運算資源的伺服器,提供儲存資源的磁碟陣列或NAS,以及提供網路連接的區域網路(LAN)與儲存區域網路(SAN)設備等。

不過以Google、Amazon、Facebook為代表的網路服務巨頭廠商,卻針對「網路規模(Web-Scale)」應用帶來的極大量資料處理需求,引進了異於傳統的「雲端化」機房架構,展現了機房建置思維新方向。

雲端化的機房架構

為了因應Web-Scale層級的極大量存取、儲存與資料處理需求,Google這類大型網路服務商另闢蹊徑,引進一種基於軟體定義式設計的大規模叢集架構。

面對巨量資料處理需求,傳統做法是以採購更高性能的伺服器主機與儲存設備來因應,但這些大型網路服務商卻反其道而行,改為使用相對低價的現成商品化(Commodity)通用伺服器硬體,藉由運行這些廠商自行發展的分散式系統(分散式檔案系統與分散式資料處理軟體等),將大量通用伺服器設備組成極大規模的資料處理叢集環境,利用這種超大型叢集來處理來自全球網路用戶發出的存取需求。

相比於傳統架構,這種以軟體核心、基於通用硬體的雲端式架構,擁有遠為低廉的建置成本、更彈性的擴充能力、更靈活的資源配置,以及幾無上限的擴展能力,更能勝任必需因應資料迅速增長斷調整與擴充處理資源的環境。

藉由超融合基礎架構,現在,這種雲端化的機房架構,也被帶到一般企業IT環境中。

超融合基礎架構的特性

超融合基礎架構取法於大型網路服務商的雲端IT架構,擁有許多類似的特性,同樣都是使用通用硬體伺服器為基礎,將多臺伺服器組成含有跨節點統一儲存池的叢集,來獲得IT環境需要的效能、容量擴展性與資料可用性,可透過增加叢集中的節點數量,來擴充整個叢集的運算效能與儲存空間,並透過叢集各節點間的彼此資料複製與備援,提供服務高可用性與資料保護能力。

而為能靈活地調配資源,超融合架構也採用了以虛擬機器(VM)為核心、軟體定義式的資源運用型式,資源調派均不涉及底層實體硬體的組態設定調整,純粹以軟體定義方式來規畫與運用底層硬體資源,然後向終端用戶交付需要的資源。

所以說,超融合基礎架構中的「融合」,可以理解為這兩個層次的融合:

運算單元與儲存單元的融合

傳統IT架構使用分離的運算與儲存單元,如以伺服器搭配外接SAN儲存設備等,超融合架構則將運算與儲存單元合而為一,每個伺服器節點單元同時兼有提供運算資源與儲存空間的角色,也就是一種「Infrastructure in a box」的概念,每一臺超融合架構的伺服器節點,都是自身擁有完整基礎設施的單元。

這也意味著,超融合架構是使用伺服器節點本機的磁碟機,來提供需要的儲存空間。這種做法的一個疑慮,是單一伺服器本身的磁碟機不能滿足容量需求,也不能提供足夠的擴充性與可靠性。相較下,傳統的企業級SAN磁碟陣列,不僅擁有雙控制器設計帶來的高可用性能力,還能透過串接擴充磁碟櫃提供強大擴充性,並能藉由RAID確保基本的資料保護能力。

於是超融合架構採取將多個節點組成叢集的方式,既能透過增加叢集節點的方式提供擴充能力,也能透過叢集節點間的失效切換功能,來提供高可用性能力,並藉由叢集節點間的寫入I/O鏡像複製功能,來提供資料保護能力。

所以藉由組成叢集,讓超融合架構擺脫了SAN與RAID的需要,借助構成叢集核心的分散式檔案系統,直接使用伺服器主機本身就能滿足運算與儲存需求。

實體硬體與虛擬化平臺的完整融合

超融合架構是透過虛擬化平臺軟體來運用硬體資源,用戶需要的運算資源是透過Hypervisor以VM的型式來提供,儲存資源亦是透過與Hypervisor結合的分散式檔案系統來提供給VM使用,是一種以VM為核心、更完全整合的虛擬化應用。

從另一個角度來說,超融合架構不僅運算資源是「軟體定義化」的,儲存資源也同樣是「軟體定義化」,硬體部份只是一臺普通的通用硬體伺服器,用戶使用的VM與儲存空間完全依靠Hypervisor等軟體所建構,隔絕了用戶與底層的物理設備。

融合式架構vs.超融合架構

以VM為核心提供運用、預先整合了運算與儲存的基礎設施的套件類型產品並不稀有,幾乎所有一線伺服器與儲存供應商都能提供這樣的產品。這些產品將包括伺服器、網路、儲存等硬體單元,搭配VMware之類的虛擬化軟體平臺,預先整合成為一個「融合式基礎架構」(Converged Infrastructure)套件,與超融合架構產品同樣都以一次購足所有基礎設施必要元件、套件已預先完成組裝、測試與調校,開機後即可快速部署運用,且由單一供應商窗口提供服務為訴求。

這類「融合式架構」與「超融合式架構」相比,差別在於是否將儲存設備融合到伺服器中。

典型的融合式架構套件,產品如VCE Vblock、NetApp FlexPod等,儲存資源仍是由獨立的儲存設備來提供。而超融合架構則沒有獨立儲存設備的存在,由伺服器來同時提供運算與儲存資源。

相較於運算與儲存各自獨立的融合式架構,藉由將運算與儲存融合在單一設備上,超融合架構可帶來兩項效益:

更簡易的管理

在傳統架構或融合式架構中,由於運算與儲存資源是由各自獨立的伺服器與儲存設備來提供,組態設定與操作管理也是各自獨立,管理者必須分別透過不同的管理工具來管理這兩種設備。管理者須在儲存設備上從LUN、Volume與連接映射這些設定著手,然後再將設定好的儲存裝置掛載到伺服器主機上,透過Hypervisor提供給VM使用。

在超融合架構中,運算與儲存合而為一,只需單一管理平臺就能同時管理運算與儲存資源的設定,並能藉此實現完全的「政策驅動式」管理,用戶只需透過政策設定自身需要的運算與儲存資源服務等級,實際資源配置都可由管理平臺自動完成,可大幅減輕管理負擔。

積木式堆疊擴充

超融合架構由於把運算與儲存融合在一臺設備,每臺超融合設備都含有獨立、完整的運算、儲存硬體資源,所以每臺設備也就構成了一個獨立的基礎「積木(Build Block)」單元。透過叢集架構,用戶可以一臺超融合設備為單位,以堆疊積木的方式將更多節點加入到叢集中,來擴展整個超融合架構叢集的效能與容量。

每臺超融合設備的規格都是確定的,效能與服務能力也是固定、可預測的,這也讓超融合架構的擴充變得十分單純明確、且可預測,就像堆積木一樣,向叢集中堆疊節點,即可構築出擁有不同效能與容量服務能力的IT基礎環境。

從超融合架構邁向Web-Scale IT

超融合架構以通用硬體伺服器構成的叢集為基礎、以VM為核心,具備管理簡單、便於以積木堆疊方式擴充等特性,也為企業IT基礎架構的型態邁向「網路規模(Web-Scale)」的IT架構奠定了基礎。

Web-Scale IT擁有結合成千上萬臺電腦而成的龐大運算與儲存能力,可以承載很高的用戶存取量,藉由叢集架構可容忍部份節點故障,而且管理只需少許人員,還便於彈性地擴充、並迅速地調整配置。

使用超融合架構,可以很容易的滿足Web-Scale IT的需求,讓一般企業打造出類似Google、Facebook等網路巨頭的雲端化IT環境,達到提高IT營運效率、降低成本、利於因應創新服務迅速調整配置的目的。

 

超融合基礎架構主流產品規格特性對比 

基於超融合架構的發展潛力,投入這領域的廠商也日漸增加,繼Nutanix、SimpliVity、Scale Computing、Pivot3等新創廠商之後,領導虛擬化平臺市場的VMware也加入了這個領域。

超融合基礎架構還是一個非常新穎的產品領域,就連身為先驅者的Nutanix,也是在2011年8月才發表首款產品,其他主要廠商如Simplity、VMware等,更是遲至2013與2014年才推出產品。

就目前來看,Nutanix的NX系列應用伺服器與VMware的EVO:RAIL,是超融合架構領域最重要的兩個產品,SimpliVity的OmniCube/Omnistack則略次一些。Nutanix在這個領域是先驅者,產品技術最為成熟完整,SimpliVity的功能也頗為完整,不過安裝部署與升級便利性較為不如;EVO:RAIL則有VMware身為最重要虛擬平臺供應商的優勢。

至於其他供應商如Scale Computing、Pivot3等,目前的產品功能尚不如Nutanix成熟完整,影響力又遠不如VMware。另一主要虛擬平臺供應商微軟,雖然也與伺服器廠商合作推出類似的Cluster in box產品,不過這些產品不完全符合超融合架構的概念,而是介於過去的融合式架構與超融合架構之間。

此外,各廠商的產品雖然都提供了「超融合」,但架構、管理與部署上仍存在許多維妙的差異,因此藉由對比Nutanix、SimpliVity與VMware等三大超融合架構供應商的產品,我們將能對這類型架構的特性有更深入的理解。

產品基本型態

Nutanix的產品有6個款式,全都是2U機箱伺服器,涵蓋單機箱/單節點、單機箱/雙節點與單機箱/4節點等類型,伺服器硬體是由Supermicro與Dell提供。

SimpliVity的OmniCube/Omnistack也是2U機箱的伺服器,但都是單機箱/單節點的款式,OmniCube系列採用Dell伺服器,有3種款式;OmniStack則使用Cisco UCS伺服器,有1種款式。

VMware的EVO:RAIL同樣採用2U機箱,只有1種單機箱/4節點款式,不過硬體供應商多達8家,括Dell、EMC、富士通、net one、Supermicro、浪潮(inspur)、HP與HDS等。

叢集規模

Nutanix是透過叢集節點間的寫入I/O複製來提供基本資料保護,所以要求最小叢集規模是3個節點,每次擴充以1個節點為單位,最大叢集規模沒有限制。

EVO:RAIL同樣透過叢集節點間的寫入I/O複製來提供資料保護,最小叢集是一個4節點單元,每次擴充是以4節點單元為單位擴充,最大叢集規模則是16節點。

至於SimpliVity的由於個別節點擁有RAID控制器提供的RAID保護,允許單節點的組態,每次擴充以1個節點為單位,最大叢集規模沒有限制。

Hypervisor支援

Nutanix支援vSphere、Hyper-V與KVM三種Hypervisor,分別透過NFS、SMB3與iSCSI協定,將叢集儲存區空間掛載給三種Hypervisor使用。

SimpliVity與EVO:RAIL都只支援vSphere,並且是透過NFS協定將儲存空間提供給Hypervisor。

系統管理

超融合架構產品的管理大致可以分為3種方式:

(1)    專屬網頁控制臺

(2)    vSphere vCenter的Plug-in。

(3)    vCenter Web Client的Plug-in。

Nutanix透過專屬的Prism控制臺來管理叢集與Hypervisor,又分為管理單一叢集用的Prism Element與管理多叢集環境用的Prism Central兩種版本。不過他們沒有搭配VMware vCenter或Web Client的Plug-in管理介面。

SimpliVity是透過嵌在vCenter中的Plug-in介面來管理,搭配Web Client的Plug-in也很快會推出。EVO:RAIL可以透過稱作EVO:RAIL引擎的網頁式控制臺提供基本管理,也可透Web Client介面來管理底層的VSAN等元件。

儲存架構

透過分散式架構來組成叢集,是超融合架構的核心功能,Nutanix與SimpliVity都是透過在每臺節點上運行的虛擬化控制器,來將所有節點的儲存空間構築為一個叢集,虛擬化控制器本體是在Hypervisor上運行的一臺VM。EVO:RAIL則是藉由VSAN來提供叢集儲存空間,而VSAN是vSphere核心的一個功能,架構堆疊要比其他產品更簡潔。

Nutanix與EVO:RAIL都是透過叢集節點間的寫入I/O複製,來提供資料保護能力,而沒有使用傳統的RAID。Nutanix叢集基本的RF2設定,會將資料複製2份分散到2個節點上存放,最大可設為RF3將資料複製3份。EVO:RAIL底層的VSAN則可讓用戶設定失效容許數量(Number of Failures to Tolerate)屬性,來決定個別VM能容許多少臺vShpere主機或磁碟失效,VSAN會依照這個設定,將VM每筆寫入I/O複製不同的數量分散存放。

SimpliVity的每個節點則保留了傳統的RAID架構,可透過RAID控制器提供基本資料保護,在使用多個節點組成叢集時,也提供跨節點的寫入I/O複製,來因應單一節點失效的情況。

為了提高儲存空間運用效率,Nutanix與SimpliVity都提供了重複資料刪除與即時壓縮功能,可讓有限空間乘載更大資料量;EVO:RAIL底層的VSAN則缺乏這兩項功能。

為了改善每個節點的I/O效能,Nutanix、SimpliVity與EVO:RAIL都在每個節點中配置了用來加速I/O的SSD,不過運用方式各有不同。

Nutanix節點中的SSD扮演了寫入緩衝與讀取快取的角色,其中寫入緩衝是專用於處理隨機I/O,循序I/O則直接寫入硬碟,SSD也充當分層儲存中的高速層。SimpliVity節點中的SSD則是用作讀取快取,EVO:RAIL每個節點中的SSD,亦是在VSAN的管理下用於讀取與寫入快取。

安裝部署與系統升級

超融合架構產品的安裝部署可分為3個階段:

(1)    叢集儲存架構的安裝部署。

(2)    Hypervisor的安裝部署。

(3)    Hypervisor的設定。

Nutanix的系統部署,包括向每個伺服器節點部署Nutanix的虛擬控制器與Hypervisor,以及基本環境參數的設定等,都可透過原廠的Foundation工具來自動進行,Nutanix原廠與經銷商在出貨前可代用戶完成Nutanix叢集與Hypervisor的安裝與設定,用戶端可省掉部署設定作業的負擔。

SimpliVity的部署比較麻煩,必須手動向每臺伺服器節點部署虛擬化控制器與Hypervisor,Hypervisor的基本設定也是手動進行。

EVO:RAIL出貨時便已完成了Hypervisor與所有軟體元件的安裝,用戶可透過EVO:RAIL引擎這個控制臺介面,快速完成叢集初始設定與基本環境參數的設定。

在升級方面,也可分為三個層次:

(1)    儲存叢集系統的升級。

(2)    Hypervisor的升級。

(3)    伺服器節點的韌體升級

無論是哪個層次的升級,Nutanix都提供了單鍵非破壞性升級功能,十分方便。EVO:RAIL也可透過EVO:RAIL引擎介面迅速升級儲存架構與Hypervisor。SimpliVity升級比較麻煩,必須每個節點逐一以手動進行升級作業。

 

 


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