软件定义的数据中心——nutanix

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当前架构的局限性


组织机构采用传统的“服务器通过网络与存储相连（servers-connected-to-storage-over-a-network）”的架构来创建自己的虚拟化基础设施，但这种架构无法满足不断变化的虚拟化需求。除了性能较低之外，网络存储还是虚拟化环境中成本和复杂性的最大源头。物理服务器用于相对不变的工作负载，在这种情况下，基于网络存储的架构非常有用。然而，虚拟化以及现在的云计算使得数据中心处于不断变化之中；虚拟机迅猛增加，在不同的服务器之间来回迁移，并且非常依赖于共享资源。正因为如此，管理虚拟机及其基本的物理基础设施变得极度复杂。

由于创建新虚拟机非常简便，因此数据中心的数据量增长很快。在企业中，桌面虚拟化等新项目进一步促进了这种发展趋势。服务提供商必须提供更大量的虚拟机，因为他们创建数据中心的目标客户无法承担虚拟化所需的成本和管理开销。对于通过多跳网络将计算和存储连接起来的传统架构来说，不断增加的虚拟机造成了巨大的成本、性能和管理压力。

固态硬盘（SSD）的兴起进一步扩大了计算层和存储层之间的鸿沟。SSD的速度是传统机械硬盘的100-1000倍，它们的使用将使现有的网络瓶颈和复杂性更加恶化——如果虚拟机需要通过网络才能访问它们的话。许多SAN/NAS厂商将SSD添加到自己的解决方案中，一方面他们可以收取较高的硬盘溢价，另一方面客户需要加大网络带宽的投入才能够访问已经非常昂贵的存储层。


谷歌方法

谷歌以及亚马逊、雅虎、微软（Azure）等领先的云一代企业意识到，基于网络存储的方法不适合自己的数据中心。于是，他们创建了各种软件技术（如谷歌文件系统），将大量的商业服务器和本地存储器融合于单一集群。通过这种方法，谷歌将商业服务器和本地存储器作为构件，创建起了自己的计算和存储融合型基础设施。谷歌文件系统运行于集群服务器上，并提供单一的本地存储库，集群中任意服务器上的应用程序均可对其进行无缝访问。它能够应对硬盘甚至所有服务器的故障，从而实现应用程序的高可用性。谷歌文件系统使得谷歌创建的数据中心具备可大规模扩展的计算和存储能力，同时没有与网络存储相关的高成本和性能局限问题。


Nutanix采用类似的横向扩展方法，创建了一种企业级的计算和存储基础设施，它专门针对虚拟机而设计。


Nutanix Complete Cluster架构

主要支柱

Nutanix Complete Cluster利用系统架构、硬件和软件技术的最新发展建立起一个系统，以解决虚拟机的存储问题。Nutanix架构有三大核心支柱：

分布式计算
Nutanix架构类似于谷歌架构，也是无需网络存储的横向扩展型计算和存储基础设施。同时，Nutanix借鉴了谷歌架构，并可提供一种企业级的解决方案。谷歌文件系统是定制的解决方案，适用于谷歌内部的各种应用（搜索、Gmail等），而Nutanix提供通用的解决方案，适用于各种虚拟化的环境。除了横向扩展能力之外，它还具备与各种先进的网络存储解决方案相同甚至更好的企业级数据管理功能，包括高可用性、备份、快照、灾难恢复等。

虚拟化
Nutanix架构专门针对虚拟机而设计，因此它支持传统网络存储架构所支持的全部管理程序功能，包括实时虚拟机迁移和高可用性等功能。此外，因为Nutanix架构为虚拟机感知型，所以它能够克服配合物理服务器使用的传统解决方案的各种局限。例如，在计算侧按单个虚拟机开展管理时，存储管理单元传统上为LUN。当LUN由许多虚拟机共享时，按单个虚拟机执行备份、恢复、快照等存储操作就会越来越困难。在过度共享的环境中，识别瓶颈问题也非常困难，因为计算层和存储层之间存在断层。Nutanix架构克服了这些局限。


固态硬盘

Nutanix架构可充分利用企业级的固态硬盘（SSD）。值得注意的是，传统的存储系统专门针对旋转介质而设计，所以很难有效利用SSD，因为SSD的访问模式截然不同。机械硬盘有旋转和时延，而SSD则不存在这些机械局限性。由于两种媒介之间存在这种不同，因此要求软件进行不同的优化，以实现最佳的性能。我们不能简单拿来专门针对机械硬盘系统编写的软件，然后希望它能够有效运用于固态硬盘。Nutanix架构利用SSD存储各种各样的常用数据——从虚拟机元数据到主数据存储，一方面通过分布式缓存获得高性能，另一方面通过永久存储实现快速检索。为了将SSD的性能优势最大化，Nutanix架构：

        保留SSD用于I/O密集型功能
        采用各种节省空间的技术，使得较小的物理空间能够存储大量的逻辑数据
        自动将“冷”数据或非常用数据迁移至机械硬盘，低优先级的虚拟机避开SSD


架构综述

Nutanix Complete Cluster是一个由高性能的节点或服务器组成的横向扩展型集群，每台设备运行一个标准的管理程序；集群还含有处理器、内存和本地存储器，包括SSD和机械硬盘。每个节点都运行虚拟机，如同标准的虚拟主机一样。此外，所有节点的本地存储器均通过Nutanix横向扩展型融合存储（SOCS）架构进行虚拟化，成为一个统一的存储库（图1）。实际上，SOCS的作用就像一个先进的SAN，利用所有节点的本地SSD和机械硬盘存储虚拟机数据。集群中运行的虚拟机将数据写入SOCS，就像写入SAN一样。SOCS为虚拟机感知型，可提供先进的数据管理功能。它将数据存储于本地系统上，因此数据更接近虚拟机，从而降低了成本并提高了性能。Nutanix Complete Cluster能够从几个节点水平扩展到大量的节点，因此组织机构可根据自身需要扩展其基础设施。







图1：Nutanix横向扩展型融合存储（SOCS）架构

通过Nutanix Complete Cluster，高可用性和实时虚拟机迁移等虚拟化功能便可无缝发挥作用。管理员通过标准程序在Nutanix Complete Cluster上创建虚拟机，而Nutanix SOCS通过虚拟硬盘或vDisk为虚拟机提供存储，这些硬盘均为标准的iSCSI设备。


Nutanix横向扩展型融合存储——主要组件

Nutanix架构的关键是SOCS，它是一种正在申请专利的横向扩展型融合存储层，具备下列独特的功能特点：


        它与计算层融合在一起。虚拟机和SOCS共存于同一集群。
        它为虚拟机感知型。SOCS针对单个虚拟机提供存储，并能够识别每台虚拟机的I/O.
        它能够从几个节点扩展到大量的节点。
        它全面整合固态硬盘。
        它提供高可用性，不存在硬盘或节点故障。
        它通过本地I/O访问提高性能，充分利用固态硬盘的性能优势，并采用了一系列正在申请专利的性能优化方法。
        它提供独特的容量优化功能。

SOCS通过下列组件发挥作用：


n向控制器集群

传统的SAN解决方案一般拥有1、2、4或8个控制器，而n节点的Nutanix Complete Cluster拥有n个控制器（图2）。Nutanix Complete Cluster中的每个节点运行一台特定的虚拟机，称为控制器虚拟机。该虚拟机用作SOCS的虚拟控制器。集群中的所有控制器虚拟机彼此通信，形成单一的分布式系统。与限制于少量固定控制器的传统SAN/NAS解决方案不同，这种架构可随着节点的增加而不断扩展。









图2：Nutanix横向扩展型控制器虚拟机架构



热度优化分层缓存（HOTcache）

HOTcache是一种高性能的缓存，受到集群中每个节点的SSD的支持。当访客虚拟机写入数据时，数据先写入HOTcache，然后在后台清空至SOCS。HOTcache采用一种顺序数据布局，即使虚拟机工作负载混合成为随机工作负载，也能够实现较高的性能。HOTcache在本地SSD上保留一个数据副本，并在一个不同的节点上保留另外一个数据副本，这样，即使节点发生故障，数据也不会丢失。

分布式元数据服务（Medusa）

在传统的存储系统中，随着存储的增加，控制器通常会成为瓶颈。造成这个问题的主要原因之一在于：存储元数据存储在控制器上。传统系统可扩展至少量的控制器，因此当虚拟机数量增加时，每个控制器的I/O负载也会随之增加。Nutanix的


分布式元数据服务，即Medusa，可将集群元数据在整个集群上进行分布，从而实现可扩展性；同时还可将数据复制到多个节点，以实现容错功能。该服务高度可用，并能够容忍多个模块故障。相对而言，传统解决方案依赖于少数存储控制器，无法容忍多个控制器故障。


分布式数据维护服务（Curator）

Nutanix的分布式数据维护服务（Curator）是一个基于MapReduce1的框架，用于以大规模平行方式执行后台数据管理操作。这些操作包括：
        将冷门数据迁移至较低的分层（实现热度优化分层）
        收集已删除的垃圾数据
        通过程序校验实现数据的一致性
        节点或硬盘发生故障时复制数据
        添加或移除节点时对数据进行再平衡
        当虚拟机从一个节点移动到另一个节点时，对数据进行迁移以便将本地访问最大化


FlashStore       

FlashStore是一个永久性的、基于闪存的存储器，由集群中所有节点的SSD联合提供。数据首先写入FlashStore，然后在成为冷门数据后迁移至DiskStore。当冷门数据重新成为热点数据后，将被重新提取至FlashStore。对于用于低优先级虚拟机的vDisk，管理员可选择跳过FlashStore。

DisKStore

DiskStore是跨越整个集群的大容量SATA存储层，针对冷门数据提供较大的存储容量。Nutanix的HOT技术将FlashStore和DiskStore整合在一起，能够以较低的成本实现较高的性能和较大的容量。



主要功能特点

Nutanix Complete Cluster不仅抛弃了SAN，而且提供了最高级别的线性可用性、性能及数据管理功能。以下是主要特点描述：

容量优化

Nutanix QuickClone
I
Nutanix使管理员能够通过QuickClone功能迅速部署新的虚拟机。QuickClone是可写快照，其功能如同标准的vDisk——管理员可将其附加于虚拟机，在上面写入数据，甚至可进一步快照，因此非常适用于部署新的虚拟桌面，创建生产数据库的测试和开发拷贝，并适用于无须复制数据便可进行克隆的其它任意场景。该系统还支持用于备份目的只读快照。

Nutanix精简配置

系统中，虚拟机存储的配置非常精简。管理员可以设置vDisk的容量，但物理存储器只在必要时才进行分配。管理员还可以设置最小的保留参数，以保证vDisk的特定存储量。

Nutanix融合备份

Nutanix的融合备份功能可针对vDisk提供即时备份和恢复能力。设备无须外部备份存储即可保存几个月的备份。当需要恢复时，管理员可以立即将vDisk恢复至任意过往备份。设备还支持通过标准的第三方工具进行异地备份。


易于管理

易于部署

Nutanix Complete Cluster是一种即插即用的解决方案，其中含有运行大量虚拟服务器或虚拟桌面所需的全部硬件和软件。管理员能够在几分钟时间内将其设置完毕，并开始创建虚拟机。


NUTANIX Complete Cluster：技术白皮书         


下一代用户界面

Nutanix Command Center是一种非常直观的、基于Flex的用户界面，使管理员能够完全掌控集群中的计算和存储资源。它将每台虚拟机映射至系统中的物理资源，使管理员能够轻松解决与虚拟机有关的问题。Nutanix Complete Cluster还可以提供用于管理的命令行界面。


Nutanix横向扩展型融合存储（SOCS）

Nutanix SOCS无须管理复杂的网络存储基础设施，可轻松管理任意规模的虚拟环境。


符合IT标准

Nutanix Complete Cluster可实现一种融合型的架构，因此能够继续支持IT部门已经采用的标准工具和界面。例如，各节点运行符合行业标准的管理程序（VMware ESXi），而配合该管理程序使用的所有IT程序和软件工具便可继续配合Nutanix使用。同样，vDisk为标准的iSCSI设备，通过管理程序中的标准iSCSI启动器与虚拟机相连。通过利用这些标准界面，Nutanix Complete Cluster能够无缝融入现有的IT生态系统。


性能和可扩展性

固态硬盘

Nutanix Complete Cluster在设计时已经考虑了SSD。与传统的基于SAN的SSD相比，Nutanix Complete Cluster中基于服务器的SSD避免了网络瓶颈，因而性能更高。传统系统通常受限于保存在控制器缓存中的元数据量。而在Nutanix Complete Cluster中，SSD不仅用于虚拟机数据，而且用于存储SOCS元数据，从而实现快速访问。将丰富的元数据保存在SSD上，使得SOCS能够提供先进的数据管理功能。若给定横向扩展型架构，则系统的SSD容量将随着集群中节点的增加而提高。


Nutanix热度优化分层（HOT）

在Nutanix集群中，vDisk可配置SSD和HDD混合容量。为了保证只有高价值的数据才停留于SSD上，SOCS通过HOT功能将冷门数据转移至后台的大容量SATA硬盘上。


可扩展性

Nutanix Complete Cluster可从少数节点扩展至大量节点。在设计的时候，系统各个方面均已考虑如今虚拟化数据中心的可扩展性要求。例如，系统没有集中化的元数据控制中心。元数据层本身分布于整个集群，因此不存在大多数横向扩展型系统常见的瓶颈问题。此外，每个模块运行均SOCS控制器，系统中“控制器”的数量远高于一般基于网络的存储解决方案，后者的控制器数量较少。这样的设计创新使得系统能够从小规模入手，然后进行大规模扩展。


高可用性

Nutanix集群RAID

Nutanix Complete Cluster是一个高度可用的横向扩展型系统，不存在单点故障问题。通过Nutanix集群RAID，数据分别存储于节点内的各个硬盘以提高性能，并在集群范围内进行复制以便提高其可用性。因此，即使硬盘或整个节点出现故障，也能够保证虚拟机的高可用性。

Nutanix分布式元数据服务（Medusa）

Nutanix分布式元数据服务，即Medusa，可将集群元数据在整个集群上进行分布，从而实现可扩展性；同时还可将数据复制到多个节点，以实现容错功能。该服务高度可用，并能够容忍多节点故障。相对而言，传统解决方案依赖于少数存储控制器，因而无法容忍多控制器故障。


Nutanix Instant vDisk Motion

能够实时将虚拟机从一台主机迁移到另一台主机，这是符合行业标准的管理程序提供的一种非常强大的功能。到目前为止，组织机构只有通过网络存储才能够利用这样的实时迁移功能。实际上，许多组织机构使用网络存储，只是为了实



现实时迁移和高可用性。在Nutanix Complete Cluster中，即使采用本地存储的融合型架构也支持实时虚拟机迁移。设备中的vDisk为完全移动的逻辑实体。这是通过Nutanix Instant vDisk Motion功能加以实现的，必要时该功能可以将vDisk从一个节点迅速移动至另一个节点。

备份与恢复

这是能够执行异地数据备份和恢复是组织机构数据保护战略的关键。Nutanix Complete Cluster完全兼容VMware vStorage API for Data Protection（VADP），并通过整合兼容VADP功能的备份和恢复产品，提供功能全面的虚拟机备份和恢复能力。

灾难恢复

灾难恢复是满足企业业务连续性需求的关键。Nutanix Complete Cluster通过整合兼容VADP功能的备份和恢复产品，提供强大的故障切换和故障恢复能力。


结论

Nutanix Complete Cluster是一个创新的系统，它没有网络存储，却不会影响企业的IT需求。Nutanix Complete Cluster采用下一代横向扩展型架构创建，这种架构已经得到最具创新性的云一代企业的实践检验。通过Nutanix Complete Cluster，组织机构能够创建起自己的虚拟机计算和存储基础设施，这样的基础设施快速、高度可用、数据管理功能丰富、并能够根据需要进行扩展。


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