超融合（HCI）是一種集成了計算、存儲和網絡的技術架構，旨在將數據中心的硬件和軟件資源整合在一起，提供高度集成、可擴展、易管理的解決方案。超融合架構通過將計算、存儲和網絡功能納入同一套硬件平臺和軟件框架中，實現了整個數據中心的一體化管理和自動化運維。減少各種設備之間的互相依賴，實現高效的一體化管理。此外，HCI還具備高度集成、可擴展和易管理等特點，使其成為當前企業數據中心架構的首選方案。

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，引用ActualTech Media發布的《The Fundamentals of Hyper-converged Infrastructure》一文中的定義如下：

?硬件上：超融合架構將大型企業IT系統中獨立的計算、存儲及網絡硬件融合在一起，集中在一個個服務器節點中，融合了多種硬件設備。

?軟件上：超融合架構中所有的系統資源通過一個統一共享的軟件管理接口來管理并給上層應用分享。

除了上述定義，大眾一般對超融合架構的主要認識為：一個統一的管理平臺，將DAS（Directed Attached Storage，直接連接存儲）變為資源池，并消滅了存儲陣列存在的必要性。但這一定義的主要缺陷在于：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，而消除存儲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運行服務器虛擬化軟件和存儲虛擬化軟件，將所有的計算節點通過網絡聚合成一個統一的虛擬計算和虛擬存儲資源池，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，除了計算和存儲虛擬化之外，超融合基礎架構還可以整合網絡虛擬化、安全虛擬化以及上層業務應用服務。

當前業界普遍的共識是：軟件定義的虛擬化計算和分布式存儲是超融合基礎架構的最小集。

圖1 超融合基礎架構的軟硬件設計思路

如圖1所示，超融合的每個節點上都部署了虛擬化軟件與分布式存儲軟件，節點上的本地磁盤通過存儲網絡聚合成一個統一的分布式存儲資源池，以虛擬抽象層的形式向上層虛擬機提供存儲基礎架構服務，超融合基礎架構統一管理平臺則提供物理資源與虛擬資源的集中配置與監控管理服務，實現IT基礎架構的快速部署和精簡運維。

為什么需要超融合？

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云架構在硬件上差異如圖2所示。

圖2 傳統私有云基礎架構和超融合私有云架構的差異

超融合架構的主要優點包括：

?簡化管理：HCI通過整合管理和自動化運維，減少了分散設備之間的依賴關系，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系統的運行效率。

?增強可擴展性：HCI的模塊化設計使得系統資源可以輕松擴展，只需添加更多的節點即可增加計算能力和存儲容量。

?易于部署和維護：相比于傳統的分立架構，HCI的集成化設計減少了部署和維護的復雜性，加快了IT項目的上線速度。

?降低成本：通過合并硬件和軟件資源，HCI有助于降低企業的總體擁有成本（TCO）。

可以預見，隨著數字化轉型的深入推進，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，它通過將物理資源抽象為虛擬資源，實現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，實現資源池的自動擴展和收縮。同時，虛擬化技術還支持虛擬機的快速部署和遷移，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

超融合架構通過虛擬化技術將服務器、存儲和網絡等物理資源抽象成虛擬資源。通過虛擬化層，可以將服務器硬件劃分為多個虛擬機，并為每個虛擬機分配適當的計算和存儲資源。管理員可以根據業務需求動態調整虛擬機的資源分配，實現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，自動調整虛擬機的資源分配。例如，在高負載時，可以通過動態調整虛擬機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使用，實現資源的有效利用。這種動態管理能力不僅提高了資源利用率，還可以根據需要實現資源池的自動擴展和收縮。

借助虛擬化技術提供的虛擬機快速部署和遷移功能，超融合架構可以將虛擬機的配置和狀態保存在虛擬機鏡像中，并隨時進行快速部署。管理員可以通過簡單的操作，在幾分鐘內創建和配置一個新的虛擬機，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的遷移，將運行中的虛擬機從一臺物理服務器遷移到另一臺物理服務器上，實現資源的動態負載均衡和容錯。

軟件定義存儲

軟件定義存儲（Software-Defined Storage，SDS）也稱為分布式存儲，它是超融合架構中的關鍵技術，通過虛擬化和集中管理存儲資源，實現高性能、高容量的存儲服務。軟件定義存儲使得超融合架構可以靈活配置和管理存儲資源，提高系統的性能和效率。同時，軟件定義存儲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存儲服務。

圖4 分布式存儲服務

軟件定義存儲的關鍵思想是將存儲功能從單獨的存儲設備中解耦出來，使用軟件層來提供存儲服務。這樣可以實現存儲資源的抽象和集中管理，從而提高存儲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存儲容量。通過軟件定義存儲技術，這些節點上的存儲資源可以被虛擬化為整體的存儲集群，同時支持提供塊存儲、文件存儲、對象存儲等不同類型的存儲服務。管理員可以通過統一的管理界面，對存儲集群進行管理和配置，調整各類型存儲的容量、性能和數據保護策略等。

軟件定義存儲還可以實現更高級的存儲功能和服務，例如數據冗余、存儲快照等。管理員可以根據實際需求，對存儲資源進行配置和管理，以滿足不同應用和業務的需求。同時，軟件定義存儲還支持自動化的數據管理和遷移，以實現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

軟件定義存儲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存儲操作。超融合架構中的每個節點都具備計算能力，可以通過軟件定義存儲來實現數據處理和存儲服務的集成。這樣可以減少網絡傳輸和數據流動的需求，提高系統的性能和效率。

軟件定義網絡

軟件定義網絡（Software-Defined Networking，SDN）是超融合架構的關鍵技術之一，通過將網絡的控制平面與數據平面分離，實現對數據中心網絡的靈活管理和資源調度。SDN技術可以優化數據中心網絡的性能和可靠性，提高應用程序的響應速度和負載均衡。同時，SDN還支持網絡虛擬化和多租戶環境，提供獨立的虛擬網絡環境和安全性。通過應用SDN技術，超融合架構能夠更好地滿足不同應用和用戶的需求，提供更高效、可靠和安全的網絡服務。

圖7 超融合架構中的虛擬交換機

SDN的核心思想是將網絡的控制平面與數據平面分離，將網絡的控制邏輯集中在一個中央控制器中。通過這種方式，管理員可以通過集中的控制平臺來管理整個網絡，實現對網絡設備的集中控制和管理。

在超融合架構中，SDN可以實現對數據中心網絡的靈活配置和調度。管理員可以通過SDN控制平臺，根據應用需求和工作負載的變化，動態調整網絡拓撲、路由策略以及各類網絡和安全服務。這樣可以優化數據中心網絡的性能和可靠性，提高應用程序的響應速度和負載均衡。

另外，SDN還可以實現網絡資源的動態分配和調度。通過SDN控制平臺，管理員可以根據實際需求，將網絡資源（如帶寬、延遲等）動態地分配給不同的應用和工作負載。這樣可以實現網絡資源的智能管理和優化，提高網絡的利用率和性能。

此外，SDN還支持網絡虛擬化功能，將物理網絡資源虛擬化為邏輯網絡資源。這樣可以實現多租戶的網絡隔離和安全性，為不同的用戶和應用提供獨立的虛擬網絡環境。

圖8 超融合平臺中的網絡與安全服務

統一管理等云計算相關技術

超融合架構在軟件方面將所有的系統資源通過一個統一共享的軟件管理接口來管理并給上層應用分享。統一管理面向上層的應用和用戶，保證IT管理人員能夠通過軟件簡單便捷控制整個超融合集群。統一管理提供身份認證、網絡和地址管理，負載均衡等一系列私有云必需的管理工具和模塊。

圖9 資源統一管理

超融合技術的軟件管理接口不僅能夠統一管理系統資源，還能有效整合虛擬化、存儲、網絡和其他功能，提供高度自動化和自愈能力。通過這一統一管理接口，IT管理人員可以在上層應用和用戶中實現身份認證、網絡和地址管理、負載均衡等一系列私有云必需的管理工具和模塊，從而實現整個超融合集群的簡單便捷控制。

此外，超融合技術在軟件方面的特點還體現在其對資源的動態分配和自適應優化上。通過軟件管理接口，可以根據實際需求動態分配各類資源，實現資源利用的最大化和負載均衡的優化。而且，超融合軟件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，軟件能夠自動識別問題并采取相應的措施，從而實現系統的自愈和高可靠性運行。

Scale-Out升級和擴展模式

超融合相比于傳統的企業IT架構，超融合架構的升級和擴展方式由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，需要調整各部分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件升級，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，通過增加節點實現對系統性能和存儲容量的擴展，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，并且更便于實現系統的橫向擴展，提高了系統的靈活性和可擴展性。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

并且，超融合技術以軟件為核心，能夠在不需要超配、購買傳統存儲專用硬件的情況下，實現對舊硬件的兼容，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？

高度集成

高度集成是超融合架構的一個重要優勢。通過融合計算和存儲等資源實現高效的存儲性能和資源利用率，超融合架構為企業提供了高度集成、高性能、易管理的解決方案。這種集成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，計算和存儲通常分別部署在不同的設備和管理平臺中。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。而超融合架構通過將計算和存儲融合在同一套設備中，消除了這種問題。計算和存儲根據需求動態分配，并通過高速內部網絡進行通信，從而提供了更高的性能和更低的延遲。

圖11 資源高度集成

在超融合架構中，存儲資源由軟件定義存儲技術來管理。軟件定義存儲將存儲功能從專用硬件中抽象出來，以軟件的形式提供。這樣，管理員統一管理、配置存儲資源，無需依賴特定的硬件設備和專用的存儲軟件。軟件定義存儲提供了諸多功能，如數據去重、快照、數據副本、糾刪碼等，以滿足不同應用的需求。

超融合架構的軟件定義存儲技術還可以實現高效的資源利用率。在傳統的數據中心架構中，存儲資源通常是獨立的，無法有效地共享和利用。而在超融合架構中，會對存儲資源進行統一管理。數據中心內的所有節點都可以使用和共享存儲資源，從而提高了存儲資源的利用率，同時也降低了存儲成本。

可擴展性

在傳統的數據中心架構中，當企業需要增加計算和存儲資源時，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服務器、擴展存儲設備等。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。

而超融合架構通過添加新的節點來實現按需擴展。每個節點都是一個獨立的計算和存儲單元，可以根據需求將其靈活地添加到系統中。通過節點間的高速內部網絡連接，這些節點可以協同工作，共享計算和存儲資源。這種擴展性使得超融合架構可以根據實際需求迅速、靈活地擴展數據中心，快速響應業務的需求。在UIS超融合管理平臺中，還可以單獨擴容計算或者存儲資源，進一步加強了整個系統資源調配的靈活性。

圖12 靈活的資源擴展

超融合架構的擴展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，可以通過添加新的節點來增加計算或存儲能力，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，提高資源利用率和性能。

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接到現有系統，并通過統一的管理界面進行配置和管理即可。極大簡化了節點擴展的工作量和復雜性，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，超融合架構的可擴展性是其一個重要優勢。通過按需添加新的節點來擴展計算和存儲資源，超融合架構可以快速、靈活地滿足企業的需求。這種擴展性具有彈性和可伸縮性，可以提高資源利用率和性能，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存儲和冗余機制，實現數據的高可用性和容錯性，從而確保數據的安全性和持久性。

超融合架構采用分布式存儲技術，將數據分散存儲在集群中的多個節點或設備上。這種分布式存儲方式可以提高數據的冗余性，降低數據丟失的風險。即使某個節點或設備發生故障，系統仍然可以從其他正常的節點或設備中讀取數據，保證數據的連續性和可用性。同時，分布式存儲還可以提高數據的訪問速度，通過并行讀取和寫入，提升系統的性能。

圖13 高可用能力

超融合架構采用冗余機制，復制數據并存儲在多個節點或設備中。當某個節點或設備發生故障時，系統可以自動切換到其他正常的節點或設備上的數據，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存儲位置。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，確保數據的安全和持久性。

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）。在節點或設備發生故障時，系統可以自動切換到備用的節點或設備上，確保服務的連續性和可用性。一旦故障節點或設備恢復正常，系統又可以自動切換回原來的節點或設備上，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丟失，保證業務的持續運行。

圖14 超融合管理平臺雙機熱備

超融合架構有哪些應用場景？

小型和中型企業數據中心

對于中小型企業來說，超融合架構是一個理想的選擇。它能夠低成本的集成計算、存儲、網絡和虛擬化等關鍵組件，提供了適合中小型企業的高度集成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，提高運營效率，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，因此需要一種高度集成的解決方案，能夠同時滿足數據中心的計算、存儲等需求。超融合架構通過將這些關鍵組件集成在一起，提供了一站式的解決方案，簡化了部署和管理的復雜性。企業只需通過一個統一的管理界面來管理和監控整個數據中心，無需分別管理各個組件，從而節省了時間和人力成本。

圖15 適用于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。相較于傳統的分離式架構，超融合架構通過整合硬件設備和軟件功能，減少了硬件設備的數量和維護成本，甚至部分高度集成的超融合一體機可以做到一箱即云。同時，由于超融合架構將計算、存儲和網絡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。由于超融合架構的高度集成性和自動化特性，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。這對于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。

多分支機構和遠程辦公

對于分支機構和遠程辦公場景來說，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服務器、存儲和網絡設備，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、存儲和網絡等功能進行集成，通過一個統一的管理平臺進行管理和監控。可以大大簡化分支機構和遠程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

多分支機構和遠程辦公超融合架構可以通過集中管理，將分支機構的計算、存儲和網絡等資源集中管理起來。管理員可以通過一個統一的私有云平臺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，實時調整分支機構的資源分配，從而優化資源利用率和性能。

多分支機構和遠程辦公超融合架構通過自動化運維，提供了高效而靈活的資源調配和運維能力。管理員可以通過定義和配置相應的策略和規則，實現自動化的資源調度和管理。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。這種自動化的資源調度和管理能力，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。

多分支機構和遠程辦公超融合架構還提供了安全和可靠的網絡連接和數據保護機制。通過虛擬專用網絡（VPN）和安全隧道等技術，分支機構可以安全地訪問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，多分支機構和遠程辦公超融合架構通過集中管理和自動化運維，實現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絡連接和數據保護機制，確保分支機構的數據安全和可用性。

基于容器的云原生應用

超融合架構可以支持容器化應用的部署和管理，提供靈活的容器資源調度和運維能力。

基于容器的云原生應用超融合架構通過將容器資源的調度和管理集成到超融合架構中，提供了支持容器化應用的部署和管理能力。這種架構可以實現靈活的容器資源調度和運維，提高資源利用率和性能。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云原生應用。

圖17 基于超融合的云原生架構

在傳統的超融合架構中，虛擬機是主要的部署單位，但在基于容器的云原生應用中，容器成為了部署的基本單元。基于容器的云原生應用超融合架構通過集成容器管理平臺，如Kubernetes，將容器資源的部署、調度和管理集成到超融合架構的管理平臺中。

這種架構使得管理員可以通過一個統一的控制平臺來管理和監控所有的容器資源。管理員可以根據應用的需求和資源的可用性，動態地調整容器資源的分配和調度，提高資源利用率和性能。這也為容器化應用提供了更好的彈性和擴展性，能夠更好地應對快速變化的業務需求。

除了資源調度和管理的能力，基于容器的云原生應用超融合架構還提供了豐富的容器功能和服務。例如，集成的容器鏡像倉庫和CI/CD工具可以支持容器鏡像的構建、存儲和持續交付；容器網絡功能可以提供容器之間和容器與外部網絡的通信；容器存儲功能可以提供持久化存儲和數據管理等。

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，適用于數據保護和災備場景。通過超融合架構，管理員可以快速設置和管理備份策略，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。

超融合架構可通過自身集成的資源，實現高效的數據備份。管理員可以通過簡單的配置，設置定期的備份計劃，將關鍵數據復制到備份存儲設備中。這些備份數據可以通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存儲空間。此外，通過利用超融合架構的高速存儲和網絡性能，備份操作可以以較快的速度完成，減少對業務系統的影響，可以在超融合平臺內進行備份，也可以使用專用的備份工具進行備份。

圖18 D2D2C混合云備份

超融合架構同時也提供了靈活的數據恢復能力，以應對各種數據丟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，包括整個虛擬機的還原、文件級別的恢復以及相關應用和數據庫的恢復。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，并最大程度地減少對業務的影響。

圖19 存儲復制容災

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程的備份設備中，以實現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。超融合架構的集成性和自動化能力，免去了存儲側的復雜配置，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。

審核編輯：黃飛