[科普中国]-超融合基础架构

超融合基础架构（Hyper-Converged Infrastructure，或简称“HCI”）也被称为超融合架构，是指在同一套单元设备（x86服务器）中不仅仅具备计算、网络、存储和服务器虚拟化等资源和技术，而且还包括缓存加速、重复数据删除、在线数据压缩、备份软件、快照技术等元素，而多节点可以通过网络聚合起来，实现模块化的无缝横向扩展（scale-out），形成统一的资源池。

超融合基础架构（Hyper-converged infrastructure，缩写为HCI），是一种集成了存储设备及虚拟运算的信息基础架构框架。[1]在这样的架构环境中，同一厂商的服务器与存储等硬件单元，搭配虚拟化软件，被集成在一个机箱之中。[2][3][4]这个名词是从“融合基础架构”派生而成而成的新词，意为可提供比融合式架构更进一步的“融合”

定义超融合基础架构（Hyper-Converged Infrastructure，或简称“HCI”）是指在同一套单元设备中不仅仅具备计算、网络、存储和服务器虚拟化等资源和技术，而且还包括备份软件、快照技术、重复数据删除、在线数据压缩等元素，而多套单元设备可以通过网络聚合起来，实现模块化的无缝横向扩展（scale-out），形成统一的资源池。超融合（甚至超超融合）在本地很容易实现：将计算、网络和存储都集成在一个设备内，并且通过它由供应商预先配置好且差不多到手就可以使用。1HCI是实现“软件定义数据中心”(SDDC)的终极技术途径。HCI类似Google、Facebook后台的大规模基础架构模式，可以为数据中心带来最优的效率、灵活性、规模、成本和数据保护。

超融合架构起初是受到 Google、Facebook 等大型互联网公司通过软件定义技术构建大规模数据中心的启发，结合虚拟化技术和企业IT的场景，为企业实现可扩展的 IT 基础架构。1

超融合架构（Hyperconvergence Infrastructure, HCI）将虚拟化计算和存储整合到同一个系统平台。简单的说就是物理服务器上运行虚拟化软件（Hypervisor），通过在虚拟化软件上运行分布式存储服务供虚拟机使用。分布式存储可以运行在虚拟化软件上的虚拟机里也可以是与虚拟化软件整合的模块。广义上，除了虚拟化计算和存储，超融合架构还可以整合网络以及其它更多的平台和服务。当前业界普遍的共识是：软件定义的分布式存储层和虚拟化计算是超融合架构的最小集。1

软件定义分布式存储 是超融合的核心。分布式存储解决了集中式共享存储应用在虚拟化场景里的问题：

·基于传统集中式共享存储的架构 :

·异构硬件，成本高，升级困难

·集中式存储架构，存单点故障风险

·存储控制器数量有限，无法扩展

·无法充分发挥 SSD 性能，I/O 易成瓶颈

·管理运维复杂2

超融合平台特征

基于 x86 通用硬件平台，软件定义存储

在通用的 x86 架构下，借助 SSD、10 GbE 网络等高速硬件，通过软件的方式实现存储池化、快照、克隆、分层、精简配置等企业级的数据功能。2

按需水平扩展

Share-nothing 的架构设计，通过增加节点的方式弹性水平扩展，整个集群无扩展瓶颈。

统一的管理平台

虚拟化计算和存储在同一个平台进行管理，管理员在同一套平台下进行性能、容量的监控，问题排查等运维工作。2

简化交付

交付简单，通常软硬一体机能做到“插电即用”。软件交付方式也能在内较短的时间（通常 1 小时内）完成集群安装和部署。1

超融合厂商典型代表有Nutanix、VMware、SmartX、Maxta等，如上文所述，超融合的核心在存储，这些厂商都针对虚拟化场景实现了分布式存储，如：Nutanix 的 NDFS，Vmware 的 vSAN、SmartX 的 ZBS、Maxta 的 MxSP 。23

超融合存储厂商抓住的是用户数据中心虚拟化规模增大后的存储痛点问题（如性能、容量、运维、易用性问题），为虚拟化数据中心构建更快、更易扩展、更易用的存储解决方案，降低数据中心的整体拥有成本。12

超融合基础架构超融合架构 :

基于通用 x86 平台，成本可控

分布式架构，无单点故障

软件定义，灵活升级

智能 HDD/SSD 混合存储，极致 I/O 性能

统一管理平台，简化运维

超融合架构将围绕虚拟化计算的存储、网络集成到了同一个硬件盒子中，生态系统涵盖软件和硬件厂商，因其核心是软件，在这里我们集中讨论三类有代表意义的软件厂商，而并不展开讨论整个生态系统：3

“超融合存储”厂商，作为“超融合”架构概念的来源，Nutanix、SmartX、Simplivity等超融合存储厂商通过其稳定、高性能、丰富的企业级数据保护特性的存储构建了核心竞争力，是目前“超融合”生态圈的核心玩家之一。1

“VMware”，作为虚拟化领域的霸主，VMware为保卫VMware生态系统推出vSAN和EVO:RAIL，借助vSphere的市场份额，推广其超融合存储解决方案，是目前“超融合”生态圈的第二个大玩家。2

“Openstack等开源阵营”，OpenStack厂商乘风借势，借助开源项目Ceph也推出了自己的超融合解决方案，与超融合存储厂商和VMware一起，初步形成了超融合存储市场的三类玩家。1

优势以软件为核心，软件定义存储数据中心

通用的x86节点融合了存储、计算、网络、虚拟化平台（hypervisor）
分布式存储架构，通过增加节点的方式横向扩容
高度自动化，部署、维护简便

众多节点组成一个整体，统一管理分配资源

融合与超融超融合基础架构的迅速发展使得管理员可以在更多的虚拟化存储解决方案当中进行选择。
尽管现在市场上已经拥有多种软件定义存储和存储虚拟化解决方案，但是存储的本质并没有发生变化。虚拟机体积不会减小，数量也不会降低。对于现在已经拥有超融合基础架构的企业来说，部署和管理专用超融合基础架构和网络是一种十分宝贵的经验。尽管这种方式通常需要在硬件和人员方面进行大量投资，但是可靠性和性能表现也是非常值得称道的。现在，超融合基础架构产品也能够提供很多相关功能，比如数据镜像、去重复化、加密和灾难恢复等。

融合基础架构

融合和超融合基础架构的出现为企业带来了存储方面的困惑：如何为现有虚拟化环境选择理想的存储解决方案，并且保证其能够适应未来的发展趋势？为了做出正确的决定，管理员需要理解融合和超融合基础架构之间的区别，以及传统存储硬件将继续扮演怎样的角色。
超融合基础架构。这是一种将计算、网络和存储等资源作为基本组成元素，根据系统需求进行选择和预定义的过程。这种方式基于现有的硬件模块，因此能够实现快速扩展，并且如果不同模块之间相互兼容，那么扩展过程将会非常简单。超融合基础架构这种预配置产品前期会产生大量开销，因为企业不仅需要支付技术费用，还需要请厂商完成完成相关集成工作。随着时间延长，超融合基础架构总拥有成本能够控制在合理范围之内。用户在更改和升级基础组件方面拥有部分灵活性，但仅限于超融合基础架构厂商允许的范围之内。在超融合基础架构当中，存储控制器仍然是硬件设备，并且由“传统”存储区域网络（SAN）或者网络附加存储（NAS）解决方案所控制。这种方式更加类似于将传统的数据中心组件封装在一个专用容器当中。
超融合基础架构。“超级”融合基础架构意味着既利用融合基础架构的现有优势，又增加了额外的软件层，将计算、网络和存储等资源封装在单个容器当中，而不是以基础组件的形式提供。借助于Nutanix或者EVO:RAIL等相关产品，超融合基础架构可以在存储硬件当中不再使用存储控制器，将这项功能加入到hypervisor层的软件服务当中。将存储控制器转换为软件服务可以在功能方面提供更大的灵活性。这种“分散式”超融合基础架构能够降低专用超融合基础架构和网络的复杂性。在降低本地存储开销的同时，提供许多高级特性，比如复制和去重复化。
由于能够解决企业当中的许多存储问题，融合和超融合基础架构产品已经获得了大量关注。如果超融合基础架构尝试在存储平台当中使用标准服务器，那么会在硬件耐用性和性能方面遇到问题。因此可以通过在超融合基础架构当中应用软件定义存储特性来解决这些问题，因为超融合基础架构主要用途就是处理虚拟环境当中的负载。

超融合基础架构相关功能

软件定义存储和超融合基础架构化为企业提供了很多新的特性。企业需要根据现有超融合基础架构或者将要部署的存储和虚拟化环境来决定使用哪些特性。仍在使用超融合基础架构的企业也许不会做出巨大变化或者替换现有超融合基础架构，他们将会想要利用软件定义存储技术来添加新的超融合基础架构功能。同样的道理还适用于想要使用企业级应用程序、需要专用带宽来共享传统SAN/NAS的情况。在虚拟化超融合基础架构当中使用这些技术是一种可信赖的方式，但是最大的问题在于找到一种能够降低超融合基础架构的平均成本的方式。
虚拟化环境当中的超融合基础架构存储解决方案需要针对不同环境进行相应调整。没有人会怀疑虚拟化技术的价值，但是将hypervisor存放在哪里是一个极具争议性的话题。
超融合基础架构存储还没有像计算平台那样成为一种成熟技术，企业需要评估成本、复杂性、可靠性和性能表现等多种因素。

评估超融合基础架构存储方案

从存储的角度来说，超融合基础架构更加引人关注。从硬件角度来说，将计算、网络和存储集中到相同的平台当中是一种理想的迁移方式。此外，将超融合基础架构存储控制器由硬件组件转变成为软件服务（可以由管理员进行控制，不需要长时间培训）也是一种合理并且受欢迎的做法。
如果预测一下数据中心的未来，虚拟化和超融合基础架构存储发展将会成为主要趋势。Nutanix已经成为超融合基础架构领域当中的市场领导者。推动VMware EVO超级融合基础架构产品不断发展。尽管尝试预测未来是一件非常复杂的事情，但是对于超融合基础架构存储来说，厂商应该实现产品在成本、灵活性和性能表现之间的最佳平衡。作为用户，我们有多种选择，不论是在存储还是超融合基础架构领域当中。
谨慎的IT规划通常会包含多种超融合基础架构内容，但是虚拟化、云计算和存储应该成为讨论的核心。企业希望预测这些领域未来将会发生怎样的变化，所以实际上，企业是在选择一种面向未来的超融合基础架构，也就是现在做出的选择需要为以后留出适应空间。2

目前，大家可以看到来自IDC发布的《2015H1中国超融合市场厂商份额报告》，有提到一个重要的数字：3.97千万美金，这就是中国超融合市场规模在2015年上半年的总体数字。2

从这个简单的数字可以发现，超融合在中国的发展状态已经非常不错了，只是2015半年的数据就已经超过了2.4亿多人民币市场规模了。2

其中，业内人士透露：联通沃云基于OpenStack并采用SmartX超融合产品，目前是中国最大规模部署的系统了。1

特色概括来说，超融合基础架构能提供数据中心在可用性及可靠性上的需要，而且整个系统能被集中管理，所有对设备硬件的管理工作均可透过单一软件界面完成。与融合式架构的差别在于，融合式架构是以包为单位，其硬件架构是分散的，服务器与存储设备是各自独立的；超融合基础架构则是将服务器与存储集成在一个单元机箱为来提供服务。换言之，在超融合基础架构中，不需要专用的存储子系统（如磁盘阵列）。

超融合基础架构转义了一个只是打包在一起的系统，而是进化成一个运行在现成x86服务器上的软件定义运行环境。它的架构由一致的安装了本地存储设备的x86服务器所组成，所有资源的调派均不涉及底层实体硬件的配置设置，而是以虚拟机为核心，以单一的软件定义方式来规划底层硬件，然后向用户交付需要的资源，因而具备了管理简单、类似积木堆栈方式弹性扩展等特性；而借由集群架构还可容忍部分节点故障，并迅速地调整配置，让信息中心能更有效率并且降低总体拥有成本4。

可能的影响超融合基础架构使得企业无需再面对各种不同厂牌的服务器及存储系统，虽然它当前在市场上仍然无法替代存储系统，但是它将促进简化系统管理工作以及提高资源利用率。

高德纳公司预计，超融合基础架构市场规模将从2016年的近20亿美元增长到2019年的约50亿美元，在融合系统市场占比达24%，并在2020年成为数据中心的主流。

提供超融合基础架构产品厂商包括Nutanix、SimpliVity、SmartX、戴尔、惠普、EMC、富士通、NetApp、华为与日立数据系统等。

本词条内容贡献者为:

闫晓东 - 副教授 - 中央民族大学信息工程学院