第1章 超融合系统发展历程及概述

随着IT技术的迅猛发展和影响范围的日趋扩大，尤其是大数据和互联网时代的到来，传统的IT架构面临着巨大的挑战。如何革新架构，使其更好地满足当下以及未来的数据、业务需求，是当前IT基础架构的核心考量。

IT技术不再仅仅是政府或企业所关注的，它已潜移默化地改变着人们的生活及工作方式。以前，技术革新对人们生活的影响如多米诺骨牌效应般慢慢蔓延开来；而现在，技术革新扩散和蔓延的速度却近似一种爆炸式的形态，这一切背后的重要推手就是IT技术的快速发展。

数据中心作为IT行业的重要组成部分，经历了多次变革，从最初的大型机系统逐步演变为独立的服务器系统，随着软件技术的发展，又开始走向分布式的云架构。这种变化是IT行业发展的必然结果，当这种结果反作用于IT行业时，也会推动IT行业转变关注焦点并让IT行业走上精细化发展的道路。数据中心作为IT行业发展的重要推动力，从最初的业务支撑中心，逐渐变为业务的驱动中心；数据中心的发展焦点，不再是有多大空间，可放置多少服务器和存储，而是能支撑多大规模的业务，是否具备敏捷地随业务需求而动态扩张的能力。

基于IT技术发展起来的大型互联网企业逐渐代替传统商业公司成为全球市场中的巨无霸，如谷歌（Google）、亚马逊（Amazon）、脸谱（Facebook）、百度（Baidu）、腾讯（Tencent）、阿里巴巴（Alibaba）等，这些企业最核心的资产是“数据”，而如何处理和利用这些“数据”，正是数据中心的职责所在和核心价值的体现。大型互联网企业的快速崛起正是由于各自的数据中心具备了当前IT行业最为领先的技术水平。基于大型互联网企业数据中心的最佳实践，一种全新的计算理念——Web-Scale（互联网规模扩展架构），正逐步成为当前数据中心建设的一个参考标准。而基于Web-Scale理念形成的超融合系统包含了当前及未来一段时间内数据中心所需的关键技术：基于机器学习的智能化，分布式自治系统，系统自恢复能力，基于API的自动化及分析能力。

1.1 数据中心的演进

社会发展离不开信息技术，信息技术已经成为当今社会运转中不可或缺的一部分，小到我们日常生活所需的衣食住行，大到国计民生，都高度依赖着信息技术的支撑。而信息技术的运行离不开支撑其运行的数据中心基础架构。

数据中心由各类服务器、存储、网络以及支持这些组件运行的电力、制冷等设备组成，提供了应用所需的网络、计算、存储这三项最为重要的能力。今天的数据中心经过不断的演化，正在告别以往由硬件定义的模式，逐渐形成由软件定义的智能化、模块化数据中心架构。

在最近20年数据中心的发展过程中，数据中心架构的变化经历了如下几个重要阶段，即分散式、整合式、虚拟化、融合系统、超融合（简称HCI）五个重要阶段，如图1-1所示。

在数据中心发展初期，服务器主要使用其内部的磁盘或外部的直连存储（DAS），其架构如图1-2所示。

随着用户对应用的可用性、存储性能、存储容量等要求的提高，整合式的数据中心架构逐渐变成主流，数据中心的存储设备由直连存储演变为集中式的共享存储模式，服务器通过HBA、SAN交换机、FC线缆与存储设备连接，这种架构的推出，有效地提高了存储可用性、利用率、存储设备的可管理性，再加上操作系统及应用程序对于集群功能的支持（如Windows集群功能、SQL Server集群服务等），应用的可用性也随之提高。整合式的数据中心架构如图1-3所示。

各类组织对于IT技术寄予厚望，应用程序及其用户数量随之增加，数据中心内的服务器设备也变得越来越多，数据中心空间与电力不足、较低的服务器资源利用率、不同的服务器品牌和型号让数据中心的管理运维变得不堪重负。服务器虚拟化技术的引入整合了服务器资源，有效地减少了服务器设备的蔓延，应用程序被封装在虚拟机中运行，用户获得与物理服务器运行应用程序时一致的使用体验，同时还能提高资源利用率和运维效率。但这一类型的数据中心架构，仅仅是在服务器上实施了虚拟化，是服务器虚拟化技术与整合式数据中心架构的叠加，服务器与存储之间使用的仍然是三层架构，如图1-4所示。

得益于虚拟化技术的引入，数据中心内的服务器数量得到一定程度的控制，但虚拟机数量的膨胀与超配消耗了巨大的存储空间，这使得数据中心内的存储设备数量逐年递增，占用大量空间，消耗越来越多的成本。传统的存储设备受限于其架构，无法提供灵活的纵向及横向扩展能力。

在上述情况下，IT供应商推出了融合系统（也称集成系统）方案，将服务器、存储设备、存储交换机、TOR网络交换机放置在同一个机架中以模块方式销售，并在设备出厂前进行兼容性验证和设备的预配置，同时针对特定工作负载进行测试验证，这种模块化、标准化的方式减少了用户侧的部署时间，降低了用户自行进行集成的复杂度。当用户需要扩容时，可以通过叠加模块的方式进行横向扩展。其架构如图1-5所示。

融合系统的机架中包含了一个或多个供应商的产品组件，这些组件并不是专为融合系统设计的，供应商通过硬件堆砌以及软件集成的方式包装解决方案，但是在最终的集成度上并没有得到预想的效果。此外，用户的应用千差万别，融合系统更多的是为标准化的应用负载设计（如虚拟化服务器、虚拟桌面、Web服务器等），针对非标准化、混合型应用负载的表现并不理想。此外，供应商以机架为单位进行销售，如果用户的IT规模用不上一个模块或者用户希望以更小的颗粒进行横向扩展，融合系统的使用就会受到诸多限制。

此外，IT部门仍然要面对虚拟化管理的复杂性，虚拟机泛滥导致资源浪费，应用堆栈增多导致出现故障后故障定位和排错变得困难，存储设备因为不能支持虚拟机感知而无法直观显示虚拟机性能数据等。

由于服务器、存储网络、集中式共享存储构成的三层架构在性能、成本、可靠性、可管理性、扩展性等方面存在诸多问题，使得以Nutanix（路坦力）为代表的HCI解决方案迅速发展。Nutanix的HCI解决方案带来了基础架构平台的革命性变化，方案通过软件定义的方式降低了物理环境的复杂度，内置的管理平台提升了平台整体的运维能力，如图1-6所示。

超融合系统通过集成虚拟化、计算、存储及网络技术，摒弃了三层架构固有的问题，支持以更小的颗粒（一次只需添加一个节点）进行横向扩展，并通过分布式架构、软件定义技术及自修复等功能提供更高的可用性和可扩展性，这使其很快成为众多数据中心建设者在新建、更新数据中心时的首选方案。