THINKCLOUD AIO H1000 v1.0 解决方案书

联想ThinkCloud AIO售前方案书Lenovo AIO-H1000解决方案联想联想云服务集团2016-22 of 53Lenovo AIO-H1000系列解决方案目 录1.云基础架构走向超融合11.1IT基础架构转型之路11.1.1第一阶段：“烟囱式”架构21.1.2第二阶段：计算虚拟化架构21.1.3第三阶段：资源云化架构21.2IT云化面临的新挑战31.2.1如何使虚拟化性能实现数量级的提升51.2.2如何减少应用部署周期61.2.3如何能真正实现按需的IT基础设施投入71.2.4如何全面提高系统资源利用率71.2.5如何让系统实现水平线性的扩展81.2.6如何降低系统后期运维难度和成本81.3超融合：云基础架构发展趋势91.3.1Web-Scale型IT基础设施91.3.2超融合：定义及技术发展趋势102.联想超融合（AIO-H）简介142.1联想超融合架构简介142.1.1超融合架构142.1.2超融合云152.2联想超融合架构优势182.2.1数量级的性能提升182.2.2真正实现按需扩展192.2.3可靠和可用性优异192.2.4极大降低运维开销202.2.5基础架构快速部署203.超融合架构原理及建设方案213.1架构剖析213.1.1超融合节点213.1.2虚拟化平台233.1.3超融合管理平台273.1.4超融合云平台283.2技术原理291.架构概要292.设计要点313.核心组件324.技术特性343.3功能特性351.系统水平线性扩容352.数据高可靠性保障363.4应用场景383.4.1企业级应用部署383.4.2企业IT云化实现424.项目建设推荐配置445.典型案例分析465.1中国检察出版云建设465.1.1客户需求465.1.2解决方案465.1.3客户收益475.2联想集团IT云化建设48491. 云基础架构走向超融合Lenovo AIO，全称Lenovo All In One，简称AIO，是联想超融合基础架构产品。用户可基于AIO搭建虚拟化基础架构并且进而搭建云基础架构，建成稳定可靠、高性能、高可用、资源可弹性伸缩、架构可平滑扩展的IT基础设施，从而给企业IT业务应用提供基础资源支撑。AIO相比之传统的三层分立架构，可带来虚拟化性能数量级的提升、真正的按需扩展、更高的可用性及可靠性、运维难度和运维开销的极大降低以及快速部署。超融合架构将是云基础架构的未来趋势。1.1 IT基础架构转型之路IT无时无刻的在改变着我们的生活，IT也在快速的发展和变革。随着闪存技术、云计算、软件定义等新技术和新模式的不断发展，IT基础设施架构基于不同的核心，在不断的进行转型，如图1-1所示。图 11 基础设施架构转型1.1.1 第一阶段：“烟囱式”架构目前依然广泛使用的分立式架构，也称之为“烟囱式”架构，该架构以应用为中心，即IT基础设施建设是围绕着应用展开的。譬如某业务部门需要上线一个应用，向IT提出服务器、存储等基础设施需求，IT部门基于此需求提出购买计划，按照业务峰值衡量需要的基础设施规模，并经过购买流程完成软硬件购买，随之完成部署和上线。其他业务部门提出新的业务需求，IT部门则反复重复上述动作，不同部门之间从基础设施到业务系统都是独立建设，数据资源无法共享，久而久之则会形成一个个独立的“烟囱”，产生大量信息孤岛。1.1.2 第二阶段：计算虚拟化架构通过“烟囱式”架构进行IT建设，业务应用需要多少底层的基础设施资源都是基于峰值来估算的，但是，大多数业务应用，不论事务型还是分析型，只有在少数时候才会处于业务的峰值。据IDC权威分析数据，数据中心服务器的利用率平均水平仅为15%左右，大多数时间服务器处于大量资源闲置状态。因此，随着虚拟化技术的发展，通过虚拟化技术在服务器硬件之上部署虚拟化Hypervisor层，从而实现单台物理服务器承载多台虚拟机并通过虚拟机部署业务应用的模式，即计算虚拟化的IT基础设施架构。伴随着IT的发展，IT基础设施也从“烟囱式”架构逐渐的向计算虚拟化架构转型，以计算为中心，通过计算虚拟化大大提升服务器的利用率，同时借助于虚拟化技术带来的计算弹性、扩展性等优势，提升自身IT效率。但是，在该阶段，网络和存储还是大量的以共享设备的形式存在。1.1.3 第三阶段：资源云化架构IT基础设施架构的第二阶段解决了资源利用率低的问题，IT大量的业务应用逐渐的迁移到计算虚拟化架构之上，随着业务虚拟机的不断增多，面临新的问题：q 如何对不同业务的不同IT需求进行有差异化的有效管理？q 能否把资源作为服务提供给需要的部门？q 资源服务能否精确的对用量进行计量？q 除了计算，能否把存储和网络实现资源化？q 能否通过统一的门户平台实现资源的统一管理？由此，云计算正式进入IT发展的进程中，该阶段称之为IT资源云化阶段，以数据为中心，通过软件的方式，实现计算、存储和网络资源的虚拟化，通过云计算管理平台实现资源管理，通过统一的服务门户按需使用资源。因此，云计算彻底改变了IT服务模式，是IT基础架构的一次革命性的改变。IT基础架构如何更好的支持和服务云计算，如何更大的提升云计算效率、加强云计算安全性和提高云架构的可用性成为IT资源云化阶段的重要命题。1.2 IT云化面临的新挑战目前，借助于云计算来建设IT，以满足业务的发展需求已经越来越普遍。“云计算”是一种计算模式，在这种模式下，应用、数据以及计算存储资源以服务的方式通过网络提供给用户使用。“云计算”也是一种基础架构管理的方法论，计算、存储、网络资源组成IT资源池，用于动态创建高度虚拟化的资源提供用户使用。使用“云计算”的服务按需分配、按量计费，IT业将这种方式比喻为“像使用水电一样使用IT基础设施”，从而提高了系统灵活性，提升了资源使用率，减轻了运维复杂度，降低了总体拥有成本。云计算从底向上分为IaaS、PaaS和SaaS层，IaaS层作为上层的基础，在架构中起到至关重要的作用。下面对IaaS层的支撑架构进行深入探讨。首先，传统信息化建设的分立式架构如图1-2所示。图 12分立式架构分立架构主要可分为三层，最上层服务器层，通过机架式或者刀片式服务器物理的部署业务应用；中间层的网络交换设备，实现计算到存储的网络通路；底层的共享存储设备，包括DAS/NAS/SAN架构方式的专用存储器，用来存储数据。分立式架构的出现，将数据存储从服务器中分离，一方面通过业务逻辑层与数据层的分离提升了数据的安全性；另一方面，专用存储器可以部署更多的磁盘，在HDD作为主要存储介质的时代，可以很大程度上提升存储层I/O能力；再者，共享存储可以支撑HA等高可用架构从而更好实现业务连续性。随着虚拟化技术的发展，为了提升计算资源利用率，在分立式架构的服务器层面使用计算虚拟化技术，将单台物理服务器虚拟出多台虚拟机使用，如图1-3所示。图 13计算虚拟化架构1.2.1 如何使虚拟化性能实现数量级的提升基于分立式架构支撑计算虚拟化时，业务应用部署在虚拟机中，上层服务器部署的大量虚拟机会向底层共享存储层发出大量业务请求，落实到具体访问层面，即为数据的读写，如图1-4所示。图 14I/O访问路径假使某虚拟机中部署了一个业务应用，从用户端发起一个业务请求到达业务应用时，业务应用向底层存储实现数据读写的路径如下：q 写操作：业务请求经过CPU和内存的处理后，发到PCIe BUS，经过HBA卡，到达网络交换机，经过网络交换机的I/O通路，到达磁盘阵列控制器，经过磁盘阵列控制器后端接口，到达磁盘柜，然后最终到达磁盘，完成写入。q 读操作：请求到达存储层后，经历一系列路径，返回结果的过程。因此，分立式架构支持计算虚拟化从而部署业务应用的模式下，计算到存储经过的I/O通路太长，虚拟化性能受到极大影响。在互联网+和工业4.0的时代，在逐步实现IT资源云化时，通过传统的分立式架构支撑计算虚拟化时，一些I/O能力需求较强的业务应用无法很好地运行于虚拟化平台之上，究其原因正如上述架构分析，计算到存储的访问路径过长，因此I/O性能无法保障。虚拟化架构和高I/O性能这两者的碰撞让联想在运化过程中不断去探索IT基础设施架构的转型，用一种更合适的架构来支撑云化，提供更强劲的虚拟化I/O性能。1.2.2 如何减少应用部署周期分立架构模式下，软硬件要单独采购和部署，应用的上线部署流程长，业务部门需要新上业务应用，一般需要如下流程：q 向IT部门提出申请；q IT部门做建设规划，需要通过业务量预估确定建设规模；q 选择技术架构；q 确定软硬件选型，通常以峰值性能来满足需求，同时要规避软硬件的兼容性问题；q 向上级申报预算；q 完成购买流程，包括招投标流程；q 客户或集成商协调不同厂家设备到货；q 硬件软件系统部署调试；q 业务系统试运行并上线。整个过程中，审批复杂，效率低下，随着信息化建设加速和互联网的不断发展，业务需求驱动业务系统应具备短期部署上线的能力，因此，原有基础设施架构难以适应业务系统快速部署的要求，建设及扩容周期冗长。1.2.3 如何能真正实现按需的IT基础设施投入随着信息化建设的不断深化，互联网也在不断发展，越来越多的面向公众服务的业务应用上线，其业务其访问量有明显的波峰波谷，而且业务发展规模难以预测，基础设施投入的量难以估计。如果过分估计了业务发展的量，那么会相应的购买更多的物理设备以支撑业务，但是业务达不到规划时的预期，那么大量硬件投资被浪费；如果对业务发展的量估计不足，那么经历了长时间建设流程后建成的支撑平台一上线即面临资源不足的窘境，并不能充分支持业务发展。因此，亟需一种先进的架构，能够具备弹性的基础资源支撑能力。1.2.4 如何全面提高系统资源利用率早期的IT建设以业务系统为中心，依据不同的业务系统各自独立建设其IT资源支撑平台，各个系统各自独立，形成信息化的烟囱架构。由于各业务系统或部门都各自占用服务器和存储资源，造成了硬件资源的条块分割，无法弹性调度和灵活配置，硬件资源的利用率不高，往往只有5%到15%，一方面造成了成本居高不下，另一方面也造成了大量的资源浪费。计算虚拟化的架构下，大大提升了服务器的利用率，但是由于差异化存储设备的存在，计算层资源利用率的提升仅仅实现了系统整体资源利用率提升的一部分，还需要有更好的架构来实现系统整体的资源利用率的提升。1.2.5 如何让系统实现水平线性的扩展通过传统架构建设时，无论承载的计算的服务器如何部署，底层用于承载数据的存储采用共享存储，一般为SAN或者NAS，其扩展性为垂直的扩展性，在扩展时通过增加扩展存储单元来增加容量，但是受限于其控制单元的有限扩展性，未来随着业务量的不断增长，数据量大量增加，系统会面临性能逐步降低的风险，而且单点的共享存储架构会面临存储设备宕机系统即瘫痪的风险，因此，亟需一种能够水平线性扩展的架构来支撑业务应用，即Scale out的系统架构。1.2.6 如何降低系统后期运维难度和成本分立架构模式下，由于计算、存储和网络层面需要购买不同的设备，各设备的复杂度差异较大，就存储层而言，存在不同架构的存储设备，各设备的运维都需要专业的技术人员来运维，不同设备的管理方式各不相同，随着IT的发展，设备复杂度会越来越大，管理成本也会越来越高，无论是部署新业务系统，还是进行现有业务系统的升级和迁移，或者进行数据中心机房扩容，都面临着运维难度大以及由此带来的运维成本过高的问题。如果基础设施架构能否大大简化，运维只需要维护种类很少的通用型硬件设备，并且有统一的可视化的管理界面来对架构整体进行管控，那么运维的难度和整体拥有成本就会大大降低。因此，随着虚拟化及云计算技术发展到当下阶段，设备利用率和系统弹性等问题已经被很好解决的前提下，上述新挑战成为困扰整体架构优化提升的关键点，这也是超融合架构产生的激发因素，而且随着技术积累和不断地践行新技术从小范围验证到大范围使用的途径，基础设施层架构正在不断的用超融合架构来实现替代。1.3 超融合：云基础架构发展趋势1.3.1 Web-Scale型IT基础设施以谷歌、亚马逊等为代表的互联网巨头根据其业务特点和发展中遇到的痛点，创新的提出了Web-Scale型IT基础设施架构，如图1-5所示。图 15Web-Scale型基础架构在Web-Scale型基础架构产品构建的数据中心里，可看到的设备只有两种：服务器和网络交换机，通过将手动、静态、硬件定义的IT基础设施建设模式转变为自动、动态、软件定义的模式，通过采用虚拟化及软件定义IT架构有效降低初始资本支出及运营成本，并提高IT运营效率。Web-Scale型基础架构和传统架构对比的主要区别在以下方面：q 由通用服务器+软件定义的方式替代专用的硬件设备的方式，极大去除架构复杂性；q 实现了分布式的扁平化架构，可以实现整体架构的按需水平扩展；q 减少了需要运维的设备的种类，通过统一的界面进行管理，使运维和管理更为简化；q 以虚拟化为中心，计算对存储的访问具有局部性，缩短I/O路径，提升虚拟化I/O性能。1.3.2 超融合：定义及技术发展趋势1.3.2.1 联想超融合架构定义基于Web-Scale基础架构的优势，结合企业级市场客户的使用特点，联想提出了超融合架构的定义并随之推出相关产品及解决方案。联想超融合架构定义可参见图1-6。图 16联想超融合架构定义联想超融合架构定义：以软件为中心的新型IT基础架构，以X86服务器作为基础单元，由联想进行软硬件集成、优化和预装，在每一个节点内紧密集成计算、存储、网络、虚拟化和其他技术，通过统一界面对集成于其中的软硬件资源进行管理，实现管理简化，解决软硬件兼容性，可横向线性扩展，可实现一体化交付，整体在逻辑上类似于一个“盒子”。如图1-6所示，下部每一个框等同于一台服务器，服务器产品支持联想全系列服务器，包括Think Server以及System X，在其中通过软件定义的方式，紧密融合计算、存储、网络和虚拟化等资源，即形成一个超融合节点，多台超融合节点通过网络实现并联，通过统一的资源管理界面进行软硬件资源的统一管理。联想超融合架构定义的核心点如下：q X86服务器上的超级融合：超融合架构整合了计算和存储，在整个架构中去除了传统架构的磁盘阵列部分，由X86服务器提供架构的硬件支撑平台，比之融合架构实现计算和存储更深度的融合。q 软件提供所有智能：超融合架构作为一个基础架构，其硬件支撑平台就是X86服务器，每一层都离不开软件定义，因此所有智能的实现都依赖于软件，系统更加智能化。q 以虚拟化为中心的全面优化：传统架构的着眼点在于在物理硬件形态之上部署业务应用，而超融合架构的着眼点就是虚拟化，很多软件智能以及软件核心算法的着眼点就在虚拟化，整体架构设计以虚拟化为中心，提升虚拟化的性能、提升虚拟化的可用性，等等。q 分布式处理一切，无瓶颈无热点：从存储到计算，架构设计始终遵循分布式原理，每个节点功能地位对等，分布式处理一切，避免单点瓶颈，大大提升系统并行处理能力和可用性。q 自我修复系统：超融合架构的一切智能皆由软件定义，因此，同样也具备自修复功能，即出现节点损坏的情形下，系统会实现自动识别、自动隔离以及节点修复后的自动数据恢复和数据负载均衡等。q 架构简化，快速部署：超融合架构的基本组成为X86服务器加上软件智能，整个架构呈扁平化，相比之传统架构少了存储网络层和存储设备层，更为简化。超融合架构的部署时间可以减少到1天之内，基于超融合架构部署云计算平台从而构建超融合云，可以实现30分钟的超融合私有云快速部署，从而大幅降低客户部署时间和成本。1.3.2.2 技术现状与未来如图1-7，Wikibon做的未来15年存储市场分析与预测。图 17未来15年存储市场预测由图9-24可见：q 提供互联网数据服务的大型机构或公司如Google、亚马逊、微软、阿里巴巴等会继续采用超大规模计算的IT架构，并保持年复合增长率至78%；q 传统的DAS、NAS和SAN因为其成本高昂、技术要求高、使用复杂且可扩展性差，正逐步被客户所摈弃，其年增长率为-16.7%；q 发展自超大规模计算或网络扩展计算的超融合架构会给企业用户的IT架构带来各种灵活性、安全性和成本优势，使得超融合部署与使用进入极速发展期，2014年增长率达142%。因此，超融合市场的未来前景不可限量。2016年1月，由联想云服务集团发起，Nutanix、华三、Maxta、华云网际等厂商共同参与，成立了超融合产业联盟，众多有实力的厂商将加强合作，共同推动传统架构向更为先进的超融合架构的转型。联想正致力于成为国内超融合生态圈的推动者和领导者，和合作伙伴一起共同打造完整的超融合生态，如图1-8。图 18超融合解决方案2. 联想超融合（AIO-H）简介2.1 联想超融合架构简介2.1.1 超融合架构联想超融合架构对应的产品命名为Lenovo AIO（AIO，All In One），本文中简写为AIO。可基于Lenovo AIO超融合架构搭建虚拟化基础架构以及云基础架构，建成稳定可靠、高性能、高可用、资源可弹性伸缩、架构可平滑扩展的云基础设施，从而给企业IT业务应用提供基础资源支撑。Lenovo AIO的技术架构如图2-1所示。图 21 Lenovo AIO技术架构如上图所示，Lenovo AIO硬件基本组成单元包含两种：q X86服务器；q 网络交换机。每台X86服务器在超融合架构中称之为超融合节点，每个超融合节点上部署相应的软件平台，架构步骤如下：步骤1 安装Hypervisor后，将超融合管理平台以虚拟机的形式部署在每台物理服务器上；步骤2 Lenovo AIO利用内存和SSD作为动态分层的数据缓存，大幅提高性能；步骤3 集群内所有服务器的物理硬盘被聚合进统一存储池进行全局管理；步骤4 集群内各个服务器的超融合管理平台通过万兆以太网进行通讯；步骤5 Lenovo AIO支持主流虚拟化平台，包括：VMware、KVM和Hyper-V；步骤6 Lenovo AIO支持主流存储介质：SAS/SATA/SSD硬盘。根据支持的虚拟化平台不同，Lenovo AIO超融合管理平台的软件形态也有差别：q VMware和Hyper-V虚拟化平台：超融合管理平台部署在虚拟机中，称之为管理虚机，管理虚机通过虚拟化平台的不同调度模式对底层物理资源进行调度；q KVM虚拟化平台：超融合管理平台和虚拟化Hypervisor实现紧密集成，即超融合管理平台集成在虚拟化Hypervisor内核中。2.1.2 超融合云Lenovo AIO采用极具创新的超融合架构，将计算、网络、存储以及虚拟化等高度集成，并可构建云管理平台的一站式虚拟化及云计算解决方案。Lenovo AIO真正实现将计算和存储融合于服务器硬件，同时将服务器硬件和虚拟化软件、云管理软件超级融合而成，形成新型的基础设施云架构，为用户提供一个高度简化的一站式基础设施云平台，不仅可以使得业务部署上线周期从周缩短到天，而且与企业应用软件与中间件/数据库软件等完全解耦合，打破传统分离架构的I/O瓶颈，从而数倍提升企业关键应用的性能。Lenovo AIO在提高虚拟化I/O性能的同时，全局采用完全分布式的架构部署，可大大提升平台的可用性。联想给某企业客户部署的超融合架构云平台部署如图2-2所示。图 22 Lenovo AIO超融合云架构如图2-2可以看到，Lenovo AIO以超融合节点机为基本单元，串联多台节点机置于机柜中，同时集成网络交换机，为云平台提供计算、存储和网络资源；通过软件定义的方式实现计算虚拟化、存储虚拟化和网络虚拟化；出厂前预先安装超融合管理平台、云资源管理平台等软件，送达客户数据中心后，技术人员进行软件解封及参数调试等工作，客户即可拥有属于自己的私有云管理&资源平台。基于Lenovo AIO构建云数据中心概览如图2-3。图 23 基于Lenovo AIO构建云数据中心概览基于Lenovo AIO构建的云数据中心具备如下特点：q 更高虚拟化性能：云平台通过计算和存储的高度融合，结合分布式存储引擎提供的冷热数据分层机制及虚拟化本地数据优化设计等技术，可显著提高虚拟化的I/O性能。经实测，同等投资规模下，超融合云的虚拟化I/O性能为传统集中存储架构云的虚拟化I/O性能十倍以上。q 系统更高的可用性：完全分布式存储架构以及云管理平台组件的HA部署架构可保障系统整体具备更高的可用性，系统整体对故障的容忍度可以从部件级损坏提升到节点级损坏。q 降低投资：云平台服务通过规模化、集约化、体系化的管理手段对IT资源进行集中管理，用户通过按需租用的模式使用IT资源，大幅度降低了IT建设和设备维护成本。q 快速交付：云平台通过自动化部署手段实现了IT资源的快速交付，用户可以实时获取IT资源以满足业务发展的需要。q 弹性计算资源：云平台通过资源虚拟化手段实现计算资源的弹性部署，大大提高IT资源的利用率，在应对短时高访问量时通过IT资源的弹性调度最大程度上满足处理要求。q 信息安全保障：云平台完全自主研发，通过国家可信云认证，完全按照国家信息安全等级保护标准的规定进行建设，能够为用户提供更为有效的信息安全保障。2.2 联想超融合架构优势超融合云架构和传统物理架构及计算虚拟化架构的对比如图2-4所示。图 24 从传统物理架构及计算虚拟化架构进化为超融合云架构超融合架构的特点总结如下：2.2.1 数量级的性能提升Lenovo AIO比传统分立式架构具有更高的性能。传统架构仅仅是在计算层面实现虚拟化，虚拟机的性能难以保障，难以支撑更大的业务系统IO，所以无法满足客户对于资源多样化的需求以及保障客户云服务QoS。传统架构的多台虚拟化服务器在底层还是对应于单点的NAS/SAN共享存储，因此系统的性能瓶颈在于底层存储无法提供足够的IO能力。Lenovo AIO通过完全分布式的存储架构实现数据多通路高并发；通过SSD和SATA自动分层存储机制实现数据访问IO的大幅提升，单虚拟机读IO可达3万+，写IO可达2.5万+，是传统架构的十倍量级；而且通过针对于虚拟化设计的诸多软件定义的其他技术机制在多层面保障系统的高性能。2.2.2 真正实现按需扩展Lenovo AIO具备更好的可扩展性。传统架构底层采用共享存储设备，共享存储设备的扩展性受限于其控制单元，即主机头，主机头的主机接口和带宽是有限的，未来随着业务发展，数据量不断增加，存储单元的扩展必然伴随着存储性能的下降。Lenovo AIO由于采用超融合架构，每个节点机里都包含数据控制单元和数据存储单元，且各节点机地位对等，需要扩展时仅仅需要添置节点机即可，新添置的节点机和原有节点机构成新的集群，在容量扩充的同时系统整体性能是线性增加的，因此Lenovo AIO可扩展性更强。2.2.3 可靠和可用性优异传统架构底层采用单点的共享存储（Share Disk），当存储系统出现故障时对整个系统而言是巨大灾难。Lenovo AIO存储层面采用分布式架构，在数据保护层面采用多数据副本机制，因此，集群中任意一个节点损坏都不会对整体造成影响，这样可以保障系统的高可靠性，而且系统具备数据副本自动恢复的相关机制以保障数据安全可靠。整个系统在各个层面都充分考虑了高可用架构，包括网络链路、完全分布式架构、超融合存储管理、云管理架构等，这样可确保系统构成单元在单点出现故障时不会造成上层业务的中断而给用户带来不可用的体验，保障业务系统持续的可用性。2.2.4 极大降低运维开销传统架构建设时包含：虚拟化服务器、光纤交换机、磁盘阵列、虚拟化软件、云管理套件等，往往选用不同厂家的软硬件设备，且硬件层次关系比较复杂，在维护时需要考虑的因素比较多，维护难度较大，而Lenovo AIO因为采用扁平化的超融合架构，无太多的硬件层次关系，且出厂时经过严格的兼容性测试和性能调优，因此后期的可维护性更强，可以大大降低客户运维成本。2.2.5 基础架构快速部署资源池需要按需快速扩展，保障资源使用者的需求能够被快速响应和满足。Lenovo AIO通过自动化部署手段实现了IT资源的快速交付，通过出厂时预装，并在客户现场解封的操作，可实现云平台30分钟快速部署，大大提升快速扩展能力及降低因长时间部署调试带来的隐性资本损耗。3. 超融合架构原理及建设方案联想超融合架构其最核心的组件是超融合管理平台，超融合管理平台部署在虚拟机中，称之为管理虚机，管理虚机通过虚拟化平台的调度模式对底层物理资源进行调度。以下对基于KVM虚拟化的超融合架构进行详细阐述。3.1 架构剖析回顾一下联想超融合架构的定义，如图3-1。图 31 超融合架构定义可见，对超融合架构进行剖析，其硬件部分包括X86服务器和网络交换机，软件部分包括虚拟化Hypervisor和超融合管理平台，以下对超融合节点、虚拟化平台以及超融合管理平台逐个介绍。3.1.1 超融合节点X86服务器为超融合架构提供计算和存储的硬件资源平台。服务器虚拟化架构设计是虚拟化技术运用的核心,直接决定整个平台资源体系对应用系统的承载能力、运行效率以及可靠性。服务器选型时，针对不同业务应用对计算资源的不同需求，全面考量处理器、内存、I/O性能等，既要满足业务应用需求，也要考虑经济性、稳定性、开放性、可扩展性、操作系统支持以及监控和管理等。机架式服务器作为当前云计算服务器的发展趋势，相比之刀片服务器和四子星服务器具备较多优势，如下：q 机架式服务器优于刀片服务器刀片服务器所有计算和存储刀片的稳定运行都要依赖于刀箱背板，如果刀箱背板出现故障，则整个云平台就会瘫痪，而机架式服务器各自独立，所以单节点的故障对整个系统的影响最低；在费用角度，刀片服务器除了计算和存储刀片之外，还包括刀箱平台的费用以及背板各种模块的费用，因此在性价比方面机架式服务器更高；刀片服务器最大的优点是集成度高、密度高，广泛应用于高性能计算中，用大量刀片服务器进行并行计算，机架式服务器更适合于云计算领域。q 机架式服务器优于四子星服务器四子星服务器具备更高的密度，即四个服务器节点共存于一个机架式机箱中，仅共用电源，如果电源出现故障，那么云平台整体就会瘫痪；四子星服务器由于在更密集的空间内放置多台服务器子节点，因此单台服务器节点的扩展性较差；目前各主流服务器厂商均不再开发四子星服务器产品，市场保有量也越来越小。因此，在云计算建设领域，机架式服务器全面优于四子星服务器。综上所述，超融合节点采用机架式服务器进行构建。超融合架构要通过虚拟化来支撑众多业务应用，部分业务场景对服务器计算能力规格要求较高，考虑到提供更好的性能保障以及为虚拟化场景下的高可用预留部分资源，超融合节点服务器选用机架式服务器，目前主要部件选用Intel Xeon系列高性能CPU、大容量内存、具备一定配比关系的SSD和SATA混合存储介质以及万兆以太网卡。超融合节点机具体配置可参照软硬件配置列表。3.1.2 虚拟化平台3.1.2.1 平台架构虚拟化是超融合架构的主要着眼点。虚拟化平台就是通过虚拟化技术把网络设备和服务器节点有效组织起来，形成多种功能和属性的资源池。虚拟化平台主要基于KVM虚拟化技术进行自主开发，为云资源管理平台提供虚拟资源，主要实现服务器虚拟化、存储虚拟化和网络虚拟化。服务器虚拟化的技术架构主要包括以下部分：q Hypervisor运行于虚拟化服务器之上的软件层，管理其上的虚拟机，帮助虚拟机分享虚拟化服务器的硬件资源。从稳定性、经济性以及兼容性考虑，使用KVM作为虚拟化平台的技术架构。服务器虚拟化是云计算的重要技术基础，通过虚拟化技术将物理服务器进行虚拟化，具体为CPU虚拟化、内存虚拟化、设备I/O虚拟化等，实现在单一物理服务器上运行多个虚拟服务器（虚拟机），把应用程序对底层的系统和硬件的依赖抽象出来，从而解除应用与操作系统和硬件的耦合关系，使得物理设备的差异性与兼容性与上层应用透明，不同的虚拟机之间相互隔离、互不影响，可以运行不同的操作系统，并提供不同的应用服务。在单台服务器虚拟化基础上，通过云资源管理平台将多台服务器的硬件基础资源进行整合，构建硬件（CPU、内存、I/O）资源池，实现数据中心整体硬件资源的按需分配。虚拟化结构如图3-2。图 32 虚拟化整合架构将服务器物理资源抽象成逻辑资源，让一台服务器变成几台甚至上百台相互隔离的虚拟服务器，让CPU、内存、磁盘、I/O等硬件变成可以动态管理的“资源池”，从而提高资源的利用率，简化系统管理，实现服务器整合，让IT对业务的变化更具适应力。q 虚拟服务器指对于通过各种虚拟化技术实现的为用户提供的与原有物理服务器相同的操作系统和应用程序运行环境的统称，常简称为虚拟机。虚拟服务器通常使用物理服务器的部分资源，用户使用方面与物理服务器完全相同。q 虚拟化管理系统由运行在服务器上的虚拟化管理软件构成，对融合节点服务器中的虚拟计算、存储和网络资源及应用系统进行管理。云平台相关的业务与应用系统，包括数据库服务器、Web服务器、应用服务器等均架构在虚拟化架构上，用虚拟化方式承载。使用硬件虚拟化技术，将一台物理服务器的资源（包括CPU、内存、硬盘、网卡等）划分成多份。每一份资源相互独立，像多个虚拟的服务器，与使用物理服务器一样，用户可以独立安装操作系统、应用程序等。同时虚拟化架构可以实现虚拟机资源池，通过虚拟机的动态迁移，保证物理机与虚拟机两个层面的高可用性，同时提供整个资源池的资源动态分配功能。q 虚拟化存储池超融合云架构的存储虚拟化主要依赖于分布式存储引擎实现，通过将各个超融合节点服务器本地的SSD和SATA硬盘资源融合成为一个统一的存储资源池，实现单一命名空间和冷热数据自动分层存储，显著提升对上层虚拟化支撑的I/O性能和整个系统的健壮性和可用性。存储虚拟化通过软件定义，在存储系统和使用存储的应用之间增加了一个调度管理提取的环节，应用程序将不再需要知道其数据保存在哪个磁盘、分区或是存储子系统中，在实际的数据存取中，通过和分布式的元数据服务进行交互获取数据块的位置。超融合架构的存储虚拟化可以将存储利用率提高到80%或更高。存储虚拟化可运用超分策略，分配更多存储容量给所需应用；超融合云架构也可实现运行时对节点进行维护，所有这些操作都无需中断上层业务应用，减少了修理和维护所需要的系统宕机时间。3.1.2.2 主要功能虚拟化平台能提供的功能主要如下：q 虚拟机管理虚拟机管理：包括虚拟机生命周期管理、资源分配、批量部署、复制、迁移和调度等。基于虚拟机计算资源目录，系统可对各种虚拟计算资源的配置逻辑等进行管理，允许管理人员通过资源池系统完成虚拟机资源的创建、发布、激活、挂起、回收以及删除等操作。q 虚拟机迁移虚拟机迁移使运行中的虚拟机从一台物理服务器实时迁移到另一台物理服务器，同时保持业务的连续运行，实现了零停机时间和连续可用的服务，并能全面保证事务的完整性，是用于创建动态、自动化、自我优化的数据中心的关键促成技术。q 高可用性（HA）机制高可用性（HA）机制自动监控物理服务器的可用性。HA 可检测物理服务器故障，如果检测到故障，可重新在资源池中其他物理服务器上启动虚拟机，整个过程无需人工干预。该功能组件比传统的双机冷备更具有自动启动的优势。q 自动负载均衡分布式存储引擎不间断地监控存储资源池的利用率，并在多台超融合节点机之间智能地分配存储资源，将某个或某几个过载节点上的数据副本数据迁移到集群中其他空闲节点上，实现存储资源的动态分配，从而实现负载均衡，以便于资源供应与业务目标相协调。q 云硬盘快照（Snapshot）快照Snapshot是指虚拟机磁盘某一个时间点的备份。内存和CPU的状态不会被备份。管理平台支持对磁盘卷的快照功能。快照一般会在主存储设备上生成并可备份至备份存储、远程站点及备份云平台，直到被删除或被新的快照覆盖。快照是将现有的状态标记一个结束，只进行增量备份，因此速度快，并能根据需要快速恢复到每一个备份点，对业务中断后提供快速恢复功能保证，可提高系统整体的连续性。用户可以从快照创建磁盘卷，就像其他卷一样可以挂载到虚拟机上。系统磁盘卷和数据磁盘卷都支持快照功能。管理员可以为每个用户可以创建的快照数量设限配额。用户既可以通过快照来还原卷以恢复丢失的数据，也可以从快照来创建模板，以确保当卷无法还原时可以直接启动新的虚拟机以保证业务的连续性。q 模板功能模板是指一种虚拟机磁盘镜像，可以根据它作为实例来生产出一个新的虚拟机。在生成新的虚拟机时，管理员应能根据模板直接生成具有相同功能的虚拟机，从而简化业务部署过程。模板允许预装各种不同的操作系统，管理员和模板的创建者（比如普通用户）可以为模板制定不同级别的访问控制。模板管理应该能够实现模板的创建、删除等主要功能。创建的模板应该支持操作系统模板和带应用服务的模板。根据业务发展及需求，可以定制windows、Linux等模板，而且还要求对32bits和64bits操作系统都能提供有效支持，供创建虚拟机使用，这样方便快捷，不需要用户自己安装操作系统。管理平台需要能根据不同的用户权限提供不同的模板管理，主要考虑可分为私有模板和公有模板等以满足不同范围使用的需求。创建的虚拟机模板在管理页面中应可看到该模板所属的资源域、编码代号、名称、类型、使用的Hypervisor平台、模板的类型、虚拟机的大小、操作系统类型、以及形成该模板的时间等。3.1.3 超融合管理平台超融合管理平台软件架构如图3-3。图 33 超融合管理平台软件架构如图3-3，超融合管理平台架构包括：q 分布式存储结构：为超融合管理平台的核心部分，包括分布式文件系统实现，数据压缩、重复数据删除、冷热数据分层机制、数据弹性以及数据保护等高级功能特性实现；q 应用迁移架构：超融合管理平台的上层架构，包括工作负载移动性、可扩展性实现、开放架构、应用编程接口（API）以及可用性特性的实现；q 可视化及运维组件：包括基础设施管理、设备组件可视化、操作及运维知识库以及系统修复等可视化及运维功能实现；q 混合云接口：可提供接口和公有云形成混合云，实现业务应用灵活部署以及将私有云和公有云数据实现互备等；q 运维监控接口：提供运维监控接口供超融合架构和客户实际环境的深度结合。3.1.4 超融合云平台超融合云软硬件架构如图3-4。图 34 超融合云平台软硬件架构云平台底层通过融合节点机以及网络交换设备的部署，通过虚拟化技术整合，基于超融合架构，实现计算资源池、存储资源池和网络资源池构建。超融合技术将融合节点机的存储资源汇集成统一的存储资源池，通过自动分层存储、小IO聚合、自动负载均衡等性能优化技术实现高性能存储资源池建设。上层通过云资源管理平台建设实现用户管理、资源管理、安全管理、日志管理以及计费管理等功能。通过云平台实现的虚拟机支撑上层业务系统相关模块的部署和运行。在云平台之外的数据中心环境中，可以连接物理的防火墙、入侵检测等安全设备实现数据中心整体安全的需求。3.2 技术原理1. 架构概要Lenovo AIO超融合架构中的每个节点都通过名为超融合管理平台的分布式存储引擎部署相同的分布式块存储系统，集群的每个节点从用户的角度来看是等价的。分布式块存储系统对外提供分布式块存储设备接口，可以创建虚拟存储盘。超融合管理平台可兼容多种Hypervisor，通过简单配置和部署，即可形成超融合架构的计算存储平台。用户可以在任意节点上启动VM。这些VM像使用本地存储一样使用超融合管理平台创建出的虚拟盘。如图3-5.图 35 超融合管理平台超融合管理平台（TS）提供分布式存储系统，采用分布式架构设计，软件定义方实现分布式管理集群，分布式无状态机头，分布式智能Cache（冷热数据分离），无单点故障。通过超融合管理平台建设的存储资源池针对虚拟化环境进行了优化，如图3-6所示。图 36 SDS针对虚拟化环境优化基于图3-6，软件定义的存储资源池针对虚拟化环境的优化，以下分析其设计要点、技术特性以及主要高级功能。2. 设计要点通过分布式存储引擎构建的存储资源池其设计哲学主要涵盖四个方面：q 组件分布式超融合管理平台是一个对等的分布式集群。每一个数据节点都有能力承担另一数据节点的功能，节点之间用超融合管理平台内部的分布式协议完成相互协作和通信。这一特性是系统得以能水平扩展的关键，系统中的任意组件都不会成为瓶颈。q 系统冗余超融合管理平台始终把可靠性作为系统设计的最高优先级。在真实环境下，硬件是无法达到100%可靠的，磁盘可能损坏，服务器可能宕机。为处理这些不可预期的硬件错误，保证数据的完整，业务的连续性，超融合管理平台在软件的层面构建了许多“冗余”。例如：超融合管理平台使用了一致的分布式元数据服务器集群，即便一个元数据服务器停机，也完全不影响元数据服务；同一份数据块也会复制到不同的物理数据节点，防止单点故障。q 面向虚拟化超融合管理平台是面向虚拟化环境设计的分布式存储系统，针对虚拟化环境优化。首先，超融合管理平台可以调度VM到距离数据最近的节点，减少远程IO的访问；其次，充分挖掘SSD的高性能实现了智能的分层存储，用作VM的本地缓存；再者，实现VM重连机制，可在不停虚拟机的情况下给集群系统升级。q 自动化管理运维超融合管理平台设计的一大考虑就是简化运维，从部署、日常管理、出错处理都力争做到自动化。超融合管理平台集群的安装部署非常简单迅速，只需简单配置IP地址和服务器角色等信息就能在1小时内完成安装部署；当硬盘损坏，数据可靠性降低时，超融合管理平台会触发自动修复将数据复制到健康的节点，整个过程无需人工参与。超融合管理平台也提供了Web可视化管理和丰富的分析功能，可以采集和分析当前系统的多维指标，并设置预警，第一时间通知管理员。3. 核心组件超融合管理平台上有两个最重要的服务：Meta和Chunk。q Meta服务Meta负责管理元数据，即维护了数据块到具体物理服务器的映射。在生产环境下，一个集群通常部署多个Meta服务，组成一个Meta集群，它们之间实现了分布式强一致性协议，来保证元数据的高可用、高可靠，解决了单点失效的问题。另外，Meta服务还负责集群的负载均衡、数据主动恢复、垃圾回收等集群层面的策略任务。q Chunk服务Chunk负责实际数据的存储。通常客户端在Meta查询元数据信息后，Meta会将存放该数据的物理服务器返回给客户端，此后客户端就和该存储服务器上的Chunk交互，完成实际数据的读写。Chunk管理着单机的存储资源，包括SATA和SSD，并充分挖掘SSD的特性来优化本地I/O性能。Meta和Chunk的组织架构如图3-7所示。图 37 核心组件架构多个Meta组成高可用元数据集群集群。Chunk之间也是完全互连，同一份数据块会分布存放在多个Chunk节点。图中Client表示分布式存储系统客户端，在虚拟化场景，Client即是虚拟机。数据访问时的通路步骤描述如下：步骤1 Meta-Meta：元数据写入或者更新时需要同步到所有的Meta节点；步骤2 Meta-Chunk：Chunk会定期的向Meta汇报服务状态；步骤3 Chunk-Chunk：Chunk节点之间数据的迁移和恢复；步骤4 Client-Meta：元数据更新查询等操作，大部分管理命令的数据是通过该数据通路；步骤5 Client-Chunk：I/O数据的实际通路。对于标准的I/O操作，Client会首先查询元数据，获取实际数据的Chunk，之后对该Chunk进行读写，由于实际的I/O操作发生在Chunk端，并且Chunk会缓存从Meta返回的元数据，所以Client和Meta交互的频率很低，不会成为集群的性能瓶颈。4. 技术特性超融合管理平台提供最基本的分布式块存储设备接口供虚拟使用机，同时具备以下技术特性：q 高性能层次存储超融合管理平台实现了智能SSD分层存储，并通过大量优化来提升虚拟机的I/O性能。整个集群系统拥有SATA磁盘的大容量和低成本，却实现了接近SSD的性能。q SSD智能缓存超融合管理平台能够智能识别冷热数据，将经常访问的热数据提升到SSD里，将不常访问的冷数据交换到SATA上。超融合管理平台采用了两级LRU队列，当数据块初次被访问的时候会提升到SSD的Inactive列表，如果继续被多次访问会提升到Active列表，只有Inactive列表里的冷数据才会被换出到SATA，实验表明该算法能够显著提高真实负载下SSD的Cache命中率，有效减少性能抖动。如图3-8所示。图 38 SSD智能缓存q IO请求合并优化超融合管理平台为写操作做了专门优化，通过将随机的小I/O写请求合并成一个大I/O写请求，然后顺序写到SSD日志中，从而大大提升了I/O吞吐量。q 全SSD存储池超融合管理平台支持创建全SSD存储池，全闪存池里创建的虚拟盘上的数据不会被替换到SATA盘上，拥有更高QoS保障。用户可以将核心业务部署在全SSD存储池中的虚拟盘上，获得媲美昂贵的全闪存阵列方案。3.3 功能特性1. 系统水平线性扩容Lenovo AIO的水平扩展得益于合理的分布式架构。计算、存储容量和性能都可以弹性水平扩展，而且扩展后的Rack空间、计算、容量和性能是可预估的，所以能极大帮助企业IT选择最合适的软硬件解决方案，日后只需要简单添置节点来扩容就能满足业务增长的需求。如图3-9所示。图 39 系统水平线性扩容Lenovo AIO的水平扩展有以下几个特性：q 自动负载均衡扩展节点后，旧数据会自动迁移到新节点，以此达到整个系统的负载均衡，避免单点过热的情况出现。q 扩展无需暂停业务水平扩展只需要将部署了超融合管理