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超融合在高校私有云建设中的研究与实践. 2019-09-20
近年来，隨着信息化建设步伐的不断加快，促进了信息技术与学校发展融合，回顾学校信息化建设，起步于基础设施建设、逐步建设分散独立的业务应用，到现在的大数据时代，开始了基于云计算的数据中心的建设。在大数据、云计算、移动化、互联网等信息浪潮的推动下，学校数据中心发展恰逢其时，将重新思考基础设施优化升级、创新业务应用、整体安全规划等各个方面[1]。
随着“云计算”的升温，基于云的应用交付逐步成为IT行业发展的必然趋势。对于高校信息化建设者来说，在预算不变的前提下提升IT效率的最好方法也是搭建私有“云”架构。而当前的私有“云”必然建立在服务器虚拟化技术之上。此时用户并不需要了解后台采用了什么技术，采用了什么软硬件平台，用户也不需要为系统的安全和数据保护而分心，用户可以安心使用服务器虚拟化所提供功能和服务。这就是云计算所提供的功能。
1 私有云基础架构发展现状
在教育信息化“十二五”、“十三五”建设的推动下，我国高校在信息化建设上取得了长足的进步，其中高校私有云的建设更是一个建设的重点。各高校陆续建设了虚拟化平台、私有云。“十二五”初期，信息化技术较高的高校建立了虚拟化平台，将原有分散的服务器资源整合在一起实现了计算自愿的虚拟化，随后又在虚拟化平台的基础上建成了高校私有云。一些起步比较完的高校在新建私有云项目上有的继续按照先进院校的模式从虚拟化平台开始逐步建设。另一部分高校则放弃传统虚拟化建设模式直接采用最新的超融合架构建设私有云。原来起步较早的高校在建成传统架构的私有云后正在尝试建设超融合架构的私有云。
2 虚拟化技术简介
云计算服务主要有三种不同类型的服务，即IaaS基础架构即服务、PaaS平台即服务、SaaS软件即服务。高校私有云建设目前主要以IaaS为主，实现将硬件设备（服务器、存储）的虚拟化，并向终端用户提供虚拟硬件的云服务。IaaS中的关键技术包括：计算虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化，下面将对着三种技术进行详细介绍。
2.1 计算虚拟化
计算虚拟化是通过虚拟化软件将X86服务器的硬件资源虚拟化为多台标准虚拟机，虚拟机如同硬件厂家生产的系列化的产品一样，具备系列化的硬件配置并使用相同的驱动程序。最终用户可以在这些虚拟机上安装各种软件，挂载磁盘，调整配置，调整网络，就像普通的X86服务器一样进行使用。Hypervisor是一种运行在物理服务器和操作系统之间的中间软件层，允许多个操作系统和应用共享一套基础物理硬件，可以看作是虚拟环境中的“元”操作系统，它可以协调访问服务器上的所有物理设备和虚拟机，也叫虚拟机监视器（Virtual Machine Monitor ，VMM）。当服务器启动并执行Hypervisor时，它会给每一台虚拟机分配适量的内存、CPU、网络和磁盘，并加载所有虚拟机的客户操作系统。从而实现了将一台硬件服务器虚拟化为多台虚拟的服务器。
2.2 存储虚拟化
存储虚拟化（Storage Virtualization）是对存储硬件资源进行抽象化表现。存储虚拟化基于底层Hypervisor之上，通过主机管理、磁盘管理、缓存技术、存储网络、冗余副本等技术，管理集群内所有硬盘，“池化”集群所有硬盘存储的空间，通过向虚拟机提供访问接口，使得虚拟机可以进行业务数据的保存、管理和读写等整个存储过程中的操作。
2.3 网络虚拟化
SDN （ Software Defined Network，软件定义网络）是一种创新性的网络架构，它通过标准化技术实现网络设备的控制层面和数据层面的分离，进而实现对网络流量的灵活化、集中化、细粒度的控制，从而为网络的集中管理和应用的加速创新提供了良好的平台，由此可获得对网络的可编程性、自动化和控制能力，使网络很容易适应变化的业务需求，从而建立高度可扩展的弹性网络。
3 传统IaaS架构
传统IaaS架构主要由服务器、集中式存储、光纤交换机、虚拟化软件组成。虚拟化软件将多台X86服务器的计算资源整合为一个资源池，根据具体业务的需要将资源池内的CPU、内存、接口等资源分配给多台虚拟机，每个虚拟机以文件的形式存放在集中存储上。集中存储与计算资源池中的每台物理服务器之间通过光纤和与交换机进行物理连接，形成FC-SAN的存储网络。整体架构如图1所示：
4 超融合IaaS架构
随着虚拟化技术的不断发展私有云建设的基础架构也在不断升级。存储虚拟化技术的成熟使超融合IaaS架构得以实现。超融合架构由专门的刀片服务器来实现，每个刀片都作为一个主机节点，没个节点配置多颗CPU、大内存、闪存硬盘和机械硬盘。虚拟软件将个节点的CPU、内存进行了计算虚拟化，将固态硬盘和机械硬盘进行存储虚拟化，形成分布式存储。计算资源与存储资源进行通讯的网络由刀片服务器内部专用总线实现，无须进行万兆存储网的搭建，这种设计即简化了分布式网络的搭建也大大提高了分布式存储网络的带宽及性能。另外业务网络采用网络虚拟化技术实现了网络带宽的灵活分配和业务网络的隔离提高了网络的安全性。超融合架构的每个节点中的固态硬盘在分布式存储中极大地提高了整个存储的IOPS，闪存硬盘加机械硬盘的方式在实验室测试中性能基本可达到全闪盘的存储IOPS。整个超融合架构中的每个节点即承担计算功能也承担存储功能，每个节点实现了计算冗余和存储冗余，任意一个节点发生故障都不会影响上层业务的使用。整体架构的扩展性很好，只需要增加相应数量的超融合一体机便可以实现性能的扩展。
5 结论
超融合架构的IaaS不论在性能上、稳定性、可扩展性上都优于传统架构的IaaS，是未来私有云建设的发展趋势。
超融合架构改变了原有集中式存储作为私有云的存储载体，将存储资源分散到各个计算节点中，在存储扩展上更加灵活，成本更低，传统架构在存储扩容上需要购买价格昂贵的集中式存储，而超融合架构只需要增加超融合一体机 的，一体机中的每个刀片的配置可以更加灵活，价格也更加低廉。
参考文献：
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[2] 李清固.数据中心安全网络虚拟化[J].信息安全与技术，2012，3（10）：77-79.
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[4] 王盈.超融合让云计算回归本质[J].软件和集成电路，2016（7）：46-49.
[5] 张光华.超融合系统架构在数据中心的应用研究[J].通讯世界，2017（18）：85.
[6] 包宇，范文一，操明立.超融合云数据中心架构解析[J].邮电设计技术，2017（06）：83-85.
[7] 葛浩，薛前进.存储虚拟化技术的优势与缺点[J].电子技术与软件工程，2017（17）：177.
[8] 孙坚.存储虚拟化原理分析及其实现的研究[J].电脑知识与技术，2016，12（34）：12+14.
关键词：超融合，私有云，虚拟化，IaaS，高校超融合虚拟化解决方案
