超融合（HCI）是一種整合了計算、儲存和網路的技術架構，旨在將數據中心的硬體和軟體資源整合在一起，提供高度整合、可延伸、易管理的解決方案。超融合架構透過將計算、儲存和網路功能納入同一套硬體平台和軟體框架中，實作了整個數據中心的一體化管理和自動化運維。減少各種裝置之間的互相依賴，實作高效的一體化管理。此外，HCI還具備高度整合、可延伸和易管理等特點，使其成為當前企業數據中心架構的首選方案。
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如何定義超融合？
目前，不同廠商對超融合架構的定義存在一些差別，參照ActualTech Media釋出的【The Fundamentals of Hyper-converged Infrastructure】一文中的定義如下：
• 硬體上：超融合架構將大型企業IT系統中獨立的計算、儲存及網路硬體融合在一起，集中在一個個伺服器節點中，融合了多種硬體裝置。
• 軟體上：超融合架構中所有的系統資源透過一個統一共享的軟體管理介面來管理並給上層套用分享。
除了上述定義，大眾一般對超融合架構的主要認識為：一個統一的管理平台，將DAS（Directed Attached Storage，直接連線儲存）變為資源池，並消滅了儲存陣列存在的必要性。但這一定義的主要缺陷在於：超融合架構的主要目標是簡化數據中心的管理，消除數據中心的分立管理問題，而消除儲存陣列只是超融合架構其中一個較明顯的特點。
• 簡單來說，超融合基礎架構就是在業務節點上執行伺服器虛擬化軟體和儲存虛擬化軟體，將所有的計算節點透過網路聚合成一個統一的虛擬計算和虛擬儲存資源池，以資源池的形式提供數據中心所需的IT基礎設施。
• 廣義來說，除了計算和儲存虛擬化之外，超融合基礎架構還可以整合網路虛擬化、安全虛擬化以及上層業務套用服務。
當前業界普遍的共識是：軟體定義的虛擬化計算和分布式儲存是超融合基礎架構的最小集。
圖1 超融合基礎架構的軟硬體設計思路
如圖1所示，超融合的每個節點上都部署了虛擬化軟體與分布式儲存軟體，節點上的本地磁盤透過儲存網路聚合成一個統一的分布式儲存資源池，以虛擬抽象層的形式向上層虛擬機器提供儲存基礎架構服務，超融合基礎架構統一管理平台則提供物理資源與虛擬資源的集中配置與監控管理服務，實作IT基礎架構的快速部署和精簡運維。
為什麽需要超融合？
超融合架構的出現是為了應對傳統數據中心架構中的一些挑戰和局限性。超融合架構和傳統企業私有雲架構在硬體上差異如圖2所示。
圖2 傳統私有雲基礎架構和超融合私有雲架構的差異
超融合架構的主要優點包括：
• 簡化管理：HCI透過整合管理和自動化運維，減少了分散裝置之間的依賴關系，從而大大簡化了IT基礎設施的管理工作量。
• 提高效率：HCI的一體化特性使得資源可以更加高效地被管理和分配，提高了整個IT系統的執行效率。
• 增強可延伸性：HCI的模組化設計使得系統資源可以輕松擴充套件，只需添加更多的節點即可增加計算能力和儲存容量。
• 易於部署和維護：相比於傳統的分立架構，HCI的整合化設計減少了部署和維護的復雜性，加快了IT計畫的上線速度。
• 降低成本：透過合並硬體和軟體資源，HCI有助於降低企業的總體擁有成本（TCO）。
可以預見，隨著數位化轉型的深入推進，超融合架構將成為未來企業數據中心的核心架構。超融合架構的引入不僅可以提高企業IT部門的工作效率，還可以為企業的創新發展提供保障，為企業在競爭中占據優勢提供技術支持。
超融合架構有哪些關鍵技術？
虛擬化技術
虛擬化技術是超融合架構的關鍵技術，它透過將物理資源抽象為虛擬資源，實作了資源的靈活分配和動態管理。虛擬化技術可以提供資源的彈性和靈活分配，實作資源池的自動擴充套件和收縮。同時，虛擬化技術還支持虛擬機器的快速部署和遷移，提高了資源利用率和系統可用性。這些特性使得虛擬化技術成為超融合架構的基礎，為企業提供了高效、靈活和可靠的IT基礎設施。
圖3 KVM虛擬化基本架構及原理
超融合架構透過虛擬化技術將伺服器、儲存和網路等物理資源抽象成虛擬資源。透過虛擬化層，可以將伺服器硬體劃分為多個虛擬機器，並為每個虛擬機器分配適當的計算和儲存資源。管理員可以根據業務需求動態調整虛擬機器的資源分配，實作資源的彈性和靈活分配。
虛擬化技術還可以提供資源的動態管理能力。超融合架構可以根據系統負載和資源需求，自動調整虛擬機器的資源分配。例如，在高負載時，可以透過動態調整虛擬機器的計算資源來滿足需求；而在低負載時，可以將資源釋放給其他虛擬機器使用，實作資源的有效利用。這種動態管理能力不僅提高了資源利用率，還可以根據需要實作資源池的自動擴充套件和收縮。
借助虛擬化技術提供的虛擬機器快速部署和遷移功能，超融合架構可以將虛擬機器的配置和狀態保存在虛擬機器映像中，並隨時進行快速部署。管理員可以透過簡單的操作，在幾分鐘內建立和配置一個新的虛擬機器，無需進行復雜的物理資源調整。此外，虛擬化技術還可以支持虛擬機器的遷移，將執行中的虛擬機器從一台物理伺服器遷移到另一台物理伺服器上，實作資源的動態負載均衡和容錯。
軟體定義儲存
軟體定義儲存（Software-Defined Storage，SDS）也稱為分布式儲存，它是超融合架構中的關鍵技術，透過虛擬化和集中管理儲存資源，實作高效能、高容量的儲存服務。軟體定義儲存使得超融合架構可以靈活配置和管理儲存資源，提高系統的效能和效率。同時，軟體定義儲存還能夠充分利用節點上的計算資源，提供更強大的數據處理和儲存服務。
圖4 分布式儲存服務
軟體定義儲存的關鍵思想是將儲存功能從單獨的儲存裝置中解耦出來，使用軟體層來提供儲存服務。這樣可以實作儲存資源的抽象和集中管理，從而提高儲存資源的靈活性和利用率。
在超融合架構中，每個節點都具備一定的儲存容量。透過軟體定義儲存技術，這些節點上的儲存資源可以被虛擬化為整體的儲存集群，同時支持提供塊儲存、檔儲存、物件儲存等不同型別的儲存服務。管理員可以透過統一的管理界面，對儲存集群進行管理和配置，調整各型別儲存的容量、效能和數據保護策略等。
軟體定義儲存還可以實作更高級的儲存功能和服務，例如數據冗余、儲存快照等。管理員可以根據實際需求，對儲存資源進行配置和管理，以滿足不同套用和業務的需求。同時，軟體定義儲存還支持自動化的數據管理和遷移，以實作數據的高可用性和數據的流動性。
圖5 多副本-三副本
圖6 糾刪碼-4+2糾刪碼
軟體定義儲存的另一個優勢是可以充分利用節點上的計算資源來進行數據處理和儲存操作。超融合架構中的每個節點都具備計算能力，可以透過軟體定義儲存來實作數據處理和儲存服務的整合。這樣可以減少網路傳輸和數據流動的需求，提高系統的效能和效率。
軟體定義網路
軟體定義網路（Software-Defined Networking，SDN）是超融合架構的關鍵技術之一，透過將網路的控制平面與數據平面分離，實作對數據中心網路的靈活管理和資源排程。SDN技術可以最佳化數據中心網路的效能和可靠性，提高應用程式的響應速度和負載均衡。同時，SDN還支持網路虛擬化和多租戶環境，提供獨立的虛擬網路環境和安全性。透過套用SDN技術，超融合架構能夠更好地滿足不同套用和使用者的需求，提供更高效、可靠和安全的網路服務。
圖7 超融合架構中的虛擬交換機
SDN的核心思想是將網路的控制平面與數據平面分離，將網路的控制邏輯集中在一個中央控制器中。透過這種方式，管理員可以透過集中的控制平台來管理整個網路，實作對網路裝置的集中控制和管理。
在超融合架構中，SDN可以實作對數據中心網路的靈活配置和排程。管理員可以透過SDN控制平台，根據套用需求和工作負載的變化，動態調整網路拓撲、路由策略以及各類網路和安全服務。這樣可以最佳化數據中心網路的效能和可靠性，提高應用程式的響應速度和負載均衡。
另外，SDN還可以實作網路資源的動態分配和排程。透過SDN控制平台，管理員可以根據實際需求，將網路資源（如頻寬、延遲等）動態地分配給不同的套用和工作負載。這樣可以實作網路資源的智慧管理和最佳化，提高網路的利用率和效能。
此外，SDN還支持網路虛擬化功能，將物理網路資源虛擬化為邏輯網路資源。這樣可以實作多租戶的網路隔離和安全性，為不同的使用者和套用提供獨立的虛擬網路環境。
圖8 超融合平台中的網路與安全服務
統一管理等雲端運算相關技術
超融合架構在軟體方面將所有的系統資源透過一個統一共享的軟體管理介面來管理並給上層套用分享。統一管理面向上層的套用和使用者，保證IT管理人員能夠透過軟體簡單便捷控制整個超融合集群。統一管理提供身份認證、網路和地址管理，負載均衡等一系列私有雲必需的管理工具和模組。
圖9 資源統一管理
超融合技術的軟體管理介面不僅能夠統一管理系統資源，還能有效整合虛擬化、儲存、網路和其他功能，提供高度自動化和自愈能力。透過這一統一管理介面，IT管理人員可以在上層套用和使用者中實作身份認證、網路和地址管理、負載均衡等一系列私有雲必需的管理工具和模組，從而實作整個超融合集群的簡單便捷控制。
此外，超融合技術在軟體方面的特點還體現在其對資源的動態分配和自適應最佳化上。透過軟體管理介面，可以根據實際需求動態分配各類資源，實作資源利用的最大化和負載均衡的最佳化。而且，超融合軟體還具備自我監測和自我修復的能力，當系統出現故障或異常時，軟體能夠自動辨識問題並采取相應的措施，從而實作系統的自愈和高可靠性執行。
Scale-Out升級和擴充套件模式
超融合相比於傳統的企業IT架構，超融合架構的升級和擴充套件方式由Scale-Up更改為Scale-Out。這種方式具有時間短、對業務影響小的特點。傳統的企業IT架構中，通常采用Scale-Up的方式，需要調整各部份資源來滿足業務需求，然而這一方式具有一定的局限性，比如難以在短時間內完成硬體升級，而且對業務的影響較大。
相較而言，超融合架構采用Scale-Out的升級方式，透過增加節點實作對系統效能和儲存容量的擴充套件，這使得升級時間大為縮短，且對業務的影響相對較小。這種升級方式能夠更好地適應企業業務的快速變化，並且更便於實作系統的橫向擴充套件，提高了系統的靈活性和可延伸性。因此，超融合架構的采用不僅能夠降低成本，提高資源利用率，還能夠更好地適應企業的發展需求。
圖10 Scale-Up與Scale-Out的區別
並且，超融合技術以軟體為核心，能夠在不需要超配、購買傳統儲存專用硬體的情況下，實作對舊硬體的相容，大幅降低IT系統成本，總體成本可以下降超過60%。
超融合架構有哪些優勢？
高度整合
高度整合是超融合架構的一個重要優勢。透過融合計算和儲存等資源實作高效的儲存效能和資源利用率，超融合架構為企業提供了高度整合、高效能、易管理的解決方案。這種整合的架構可以提供更高的資源利用率、更低的成本和更簡化的管理，為企業的數據中心帶來極大的優勢。
傳統的數據中心架構中，計算和儲存通常分別部署在不同的裝置和管理平台中。這種分離的部署模式導致了額外的成本和復雜性，增加了數據中心的管理和維護工作量。而超融合架構透過將計算和儲存融合在同一套裝置中，消除了這種問題。計算和儲存根據需求動態分配，並透過高速企業網路絡進行通訊，從而提供了更高的效能和更低的延遲。
圖11 資源高度整合
在超融合架構中，儲存資源由軟體定義儲存技術來管理。軟體定義儲存將儲存功能從專用硬體中抽象出來，以軟體的形式提供。這樣，管理員統一管理、配置儲存資源，無需依萊特定的硬體裝置和專用的儲存軟體。軟體定義儲存提供了諸多功能，如數據去重、快照、數據副本、糾刪碼等，以滿足不同套用的需求。
超融合架構的軟體定義儲存技術還可以實作高效的資源利用率。在傳統的數據中心架構中，儲存資源通常是獨立的，無法有效地共享和利用。而在超融合架構中，會對儲存資源進行統一管理。數據中心內的所有節點都可以使用和共享儲存資源，從而提高了儲存資源的利用率，同時也降低了儲存成本。
可延伸性
在傳統的數據中心架構中，當企業需要增加計算和儲存資源時，通常需要進行復雜的配置和調整。例如，需要購買和部署新的專用伺服器、擴充套件儲存裝置等。這不僅涉及到大量的物理操作和配置工作，還需要花費較長的時間，導致業務的延遲和停頓。
而超融合架構透過添加新的節點來實作按需擴充套件。每個節點都是一個獨立的計算和儲存單元，可以根據需求將其靈活地添加到系統中。透過節點間的高速企業網路絡連線，這些節點可以協同工作，共享計算和儲存資源。這種擴充套件性使得超融合架構可以根據實際需求迅速、靈活地擴充套件數據中心，快速響應業務的需求。在UIS超融合管理平台中，還可以單獨擴容計算或者儲存資源，進一步加強了整個系統資源調配的靈活性。
圖12 靈活的資源擴充套件
超融合架構的擴充套件性還具有彈性和可伸縮性。當企業面臨業務高峰期或需要應對數據增長等情況時，可以透過添加新的節點來增加計算或儲存能力，以滿足業務需求。而在業務不再需要時，可以根據情況縮減節點數量，從而避免資源的浪費。這種彈性和可伸縮性使得超融合架構可以根據實際需求靈活調整和管理資源，提高資源利用率和效能。
此外，超融合架構的節點添加和配置過程也非常簡單。管理員只需將新的超融合節點連線到現有系統，並透過統一的管理界面進行配置和管理即可。極大簡化了節點擴充套件的工作量和復雜性，減少了資源擴容的部署時間，提高了數據中心的敏捷性和效率。
綜上所述，超融合架構的可延伸性是其一個重要優勢。透過按需添加新的節點來擴充套件計算和儲存資源，超融合架構可以快速、靈活地滿足企業的需求。這種擴充套件性具有彈性和可伸縮性，可以提高資源利用率和效能，同時還能簡化節點的部署和配置工作，提高數據中心的敏捷性和效率。
高可用性和容錯性
超融合架構利用分布式儲存和冗余機制，實作數據的高可用性和容錯性，從而確保數據的安全性和永續性。
超融合架構采用分布式儲存技術，將數據分散儲存在集群中的多個節點或裝置上。這種分布式儲存方式可以提高數據的冗余性，降低數據遺失的風險。即使某個節點或裝置發生故障，系統仍然可以從其他正常的節點或裝置中讀取數據，保證數據的連續性和可用性。同時，分布式儲存還可以提高數據的存取速度，透過並列讀取和寫入，提升系統的效能。
圖13 高可用能力
超融合架構采用冗余機制，復制數據並儲存在多個節點或裝置中。當某個節點或裝置發生故障時，系統可以自動切換到其他正常的節點或裝置上的數據，保證數據的可用性和完整性。冗余機制可以根據需求進行配置，包括副本的數量和副本的儲存位置。這種冗余機制可以提高數據的容錯性，減少系統故障對數據的影響，確保數據的安全和永續性。
超融合架構還常用的高可用性技術，例如故障切換（failover）和故障恢復（failback）。在節點或裝置發生故障時，系統可以自動切換到備用的節點或裝置上，確保服務的連續性和可用性。一旦故障節點或裝置恢復正常，系統又可以自動切換回原來的節點或裝置上，保持數據的統一性和完整性。這種高可用性技術可以避免系統中斷和數據遺失，保證業務的持續執行。
圖14 超融合管理平台雙機熱備
超融合架構有哪些套用場景？
小型和中型企業數據中心
對於中小型企業來說，超融合架構是一個理想的選擇。它能夠低成本的整合計算、儲存、網路和虛擬化等關鍵元件，提供了適合中小型企業的高度整合的解決方案和簡化的管理。降低了擁有成本和運維復雜性，幫助企業更高效地部署和管理數據中心，提高營運效率，適應快速變化的業務需求。
中小型企業的資源和預算通常有限，因此需要一種高度整合的解決方案，能夠同時滿足數據中心的計算、儲存等需求。超融合架構透過將這些關鍵元件整合在一起，提供了一站式的解決方案，簡化了部署和管理的復雜性。企業只需透過一個統一的管理界面來管理和監控整個數據中心，無需分別管理各個元件，從而節省了時間和人力成本。
圖15 適用於中小型企業數據中心的兩節點架構
超融合架構能夠顯著降低企業數據中心的總體成本。相較於傳統的分離式架構，超融合架構透過整合硬體裝置和軟體功能，減少了硬體裝置的數量和維護成本，甚至部份高度整合的超融合一體機可以做到一箱即雲。同時，由於超融合架構將計算、儲存和網路等資源共享和集中管理，提高了資源的利用率，進一步降低了成本。
超融合架構還提供了簡化的管理界面和操作流程，幫助企業快速部署和管理數據中心。由於超融合架構的高度整合性和自動化特性，企業無需具備高級的技術能力，即可有效地管理和維護數據中心。這對於中小型企業來說尤為重要，因為它們通常沒有足夠的人力資源和專業知識來全面管理復雜的數據中心。
多分支機構和遠端辦公
對於分支機構和遠端辦公場景來說，超融合架構是一種理想的解決方案。傳統的分支機構部署方式需要獨立的伺服器、儲存和網路裝置，這不僅增加了部署和維護的復雜性，還增加了成本。而超融合架構將計算、儲存和網路等功能進行整合，透過一個統一的管理平台進行管理和監控。可以大大簡化分支機構和遠端辦公場景的部署和運維工作，降低成本和管理復雜性。
圖16 多站點架構
多分支機構和遠端辦公超融合架構可以透過集中管理，將分支機構的計算、儲存和網路等資源集中管理起來。管理員可以透過一個統一的私有雲平台來管理和監控所有分支機構的資源。他們可以根據業務需求和資源的可用性，即時調整分支機構的資源分配，從而最佳化資源利用率和效能。
多分支機構和遠端辦公超融合架構透過自動化運維，提供了高效而靈活的資源調配和運維能力。管理員可以透過定義和配置相應的策略和規則，實作自動化的資源排程和管理。例如，當某個分支機構的資源利用率較低時，系統可以自動將未使用的資源分配給其他需要的分支機構，以平衡整個系統的負載。這種自動化的資源排程和管理能力，不僅提高了資源利用率，還減少了管理員的工作量和運維成本。
多分支機構和遠端辦公超融合架構還提供了安全和可靠的網路連線和數據保護機制。透過虛擬私人網路絡（VPN）和安全隧道等技術，分支機構可以安全地存取和共享中央數據中心的資源。同時，超融合架構還可以提供數據備份和災難恢復的功能，保護分支機構的數據安全。
總體而言，多分支機構和遠端辦公超融合架構透過集中管理和自動化運維，實作了多個分支機構的統一管理和資源調配。它提供了高效的資源利用和靈活的運維能力，幫助企業提高協作效率和業務響應能力。同時，它還提供了安全和可靠的網路連線和數據保護機制，確保分支機構的數據安全和可用性。
基於容器的雲原生套用
超融合架構可以支持容器化套用的部署和管理，提供靈活的容器資源排程和運維能力。
基於容器的雲原生套用超融合架構透過將容器資源的排程和管理整合到超融合架構中，提供了支持容器化套用的部署和管理能力。這種架構可以實作靈活的容器資源排程和運維，提高資源利用率和效能。同時，它還提供了豐富的容器功能和服務，幫助組織更好地構建和管理雲原生套用。
圖17 基於超融合的雲原生架構
在傳統的超融合架構中，虛擬機器是主要的部署單位，但在基於容器的雲原生套用中，容器成為了部署的基本單元。基於容器的雲原生套用超融合架構透過整合容器管理平台，如Kubernetes，將容器資源的部署、排程和管理整合到超融合架構的管理平台中。
這種架構使得管理員可以透過一個統一的控制平台來管理和監控所有的容器資源。管理員可以根據套用的需求和資源的可用性，動態地調整容器資源的分配和排程，提高資源利用率和效能。這也為容器化套用提供了更好的彈性和擴充套件性，能夠更好地應對快速變化的業務需求。
除了資源排程和管理的能力，基於容器的雲原生套用超融合架構還提供了豐富的容器功能和服務。例如，整合的容器映像倉庫和CI/CD工具可以支持容器映像的構建、儲存和持續交付；容器網路功能可以提供容器之間和容器與外部網路的通訊；容器儲存功能可以提供持久化儲存和數據管理等。
備份和災備環境
超融合架構提供了高度可靠的備份和災備功能，適用於數據保護和災備場景。透過超融合架構，管理員可以快速設定和管理備份策略，對關鍵數據進行定期備份。此外，超融合架構還提供了靈活的數據恢復選項，可以快速恢復數據到先前的狀態。這種備份和災備功能可以幫助組織最大限度地保護數據安全，減小業務中斷的影響。
超融合架構可透過自身整合的資源，實作高效的數據備份。管理員可以透過簡單的配置，設定定期的備份計劃，將關鍵數據復制到備份儲存裝置中。這些備份數據可以透過增量備份或全量備份的方式來進行，以減少備份數據量和節省儲存空間。此外，透過利用超融合架構的高速儲存和網路效能，備份操作可以以較快的速度完成，減少對業務系統的影響，可以在超融合平台內進行備份，也可以使用專用的備份工具進行備份。
圖18 D2D2C混合雲備份
超融合架構同時也提供了靈活的數據恢復能力，以應對各種數據遺失或系統故障的情況。管理員可以利用全方位的備份容災功能，輕松地選擇恢復目標和時間點，進行數據恢復操作。超融合架構支持多種數據恢復選項，包括整個虛擬機器的還原、檔級別的恢復以及相關套用和資料庫的恢復。這些選項提供了靈活性和粒度控制，滿足不同場景下的需求，並最大程度地減少對業務的影響。
圖19 儲存復制容災
備份和災備超融合架構還支持數據的跨地域復制和災難恢復。企業可以將備份數據復制到遠端的備份裝置中，以實作跨地域的冗余和異地災備。當主數據中心發生故障或不可用時，可以快速切換到備份數據中心，保障業務的連續性和可用性。超融合架構的整合性和自動化能力，免去了儲存側的復雜配置，可以大大簡化備份和災備的管理和操作復雜性，提高數據保護和災備的可靠性和效率。
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