超融合基礎架構 (HCI) 數據中心 (Hyperconverged Infrastructure Data Centers: Demystifying HCI)

Sam Halabi

是業內知名人士，在信息技術、多雲、超融合、企業軟件和數據中心領域擁有豐富的經驗。
Sam是一位值得信賴的技術顧問，可以在執行層面與客戶建立良好的關係，
擅長把負責的技術與商業利益聯繫起來。
Sam多年來一直供職於美國和國際知名企業，負責領導售前、銷售、諮詢、
營銷和業務開發工作，旨在針對企業建立可擴展的數據中心。
Sam是VirtuService公司的創始人，這家公司的主要業務是在私有云、混合雲、
公有云和多雲領域提供客戶服務和IT諮詢服務。

第1部分數據中心網絡與存儲基礎
 

第1章數據網絡：當前的設計方案2
1.1數據中心的IT設備2
1.1.1網絡設備3
1.1.2聯網服務3
1.2多級數據網絡架構6
1.3當前設計方案所面臨的挑戰8
1.3.1各級之間的流量比例不均9
1.3.2 VLAN在擴展之後形成了扁平的大二層網絡10
1.3.3各級之間的流量轉發會導致延遲10
1.3.4對IP子網稀缺的問題束手無策12
1.3.5廣播、未知單播和組播（BUM）流量的泛洪14
1.3.6使用生成樹來防止網絡出現環路16
1.3.7防火牆負擔過重16
1.4展望18

第2章存儲網絡：當前的設計方案19
2.1從存儲的角度看多級設計方案20
2.2磁盤驅動器的類型21
2.2.1硬盤驅動器21
2.2.2固態硬盤驅動器23
2.3磁盤的性能23
2.3.1吞吐量與傳輸速率24
2.3.2訪問時間24
2.3.3延遲與IOPS 24
2.4 RAID 26
2.4.1 RAID 0 26
2.4.2 RAID 1 27
2.4.3 RAID 1+0 27
2.4.4 RAID 0+1 27
2.4.5 RAID 5 28
2.4.6 RAID 6 29
2.5存儲控制器30
2.6邏輯單元號（LUN） 31
2.7邏輯捲管理器33
2.8塊、文件和對象級存儲35
2.8.1塊存儲35
2.8.2文件存儲35
2.8.3基於對象的存儲36
2.9存儲與服務器之間的連接37
2.9.1直連存儲（DAS） 38
2.9.2網絡附屬存儲（NAS） 39
2.9.3存儲區域網絡40
2.9.4 iSCSI SAN 47
2.9.5 FCoE（Fibre Channel over Ethernet SANs） 50
2.10存儲效率技術51
2.10.1精簡製備（Thin Provisioning） 51
2.10.2快照52
2.10.3克隆（Cloning） 55
2.10.4複製（Replication） 56
2.10.5重複數據刪除（Deduplication） 56
2.10.6數據壓縮59
2.10.7數據加密60
2.10.8存儲分級（Storage Tiering） 60
2.10.9緩存存儲陣列61
2.11展望62
 

第2部分主機軟硬件的演變

第3章主機硬件的演變66
3.1計算能力的提升66
3.1.1 x86標準架構67
3.1.2單核、雙核與多核CPU 67
3.1.3物理核心、虛擬核心與邏輯核心68
3.1. 4虛擬CPU 69
3.2主機總線互聯方式的演變71
3.3閃存產品的問世74
3.3.1閃存技術的發展74
3.3.2新一代存儲陣列的缺陷75
3.4展望77

第4章服務器虛擬化78
4.1虛擬化層79
4.1.1類型1的Hypervisor 80
4.1.2類型2的Hypervisor 81
4.1.3 Docker容器81
4.2 datastore 83
4.3虛擬化服務87
4.3.1服務器或節點集群88
4.3.2 VM的遷移88
4.3.3高可用性89
4.3.4容錯90
4.3.5計算負載均衡91
4.3.6存儲遷移91
4.3.7存儲負載均衡91
4.3.8配置與管理92
4.4虛擬交換92
4.5展望95

第5章軟件定義存儲96
5.1 SDS的目標97
5.2在保留傳統架構的同時提供新的特性98
5.3 VASA（可感知存儲的vSphere API）與VVol（虛擬卷） 100
5.3.1使用VVol來創建粒度更細的捲101
5.3.2通過VASA學習存儲陣列的功能102
5.3.3與基於存儲策略的管理進行集成104
5.4展望105

第3部分超融合基礎架構

第6章融合型基礎架構108
6.1 Cisco UCS——邁向融合109
6.2融合的系統113
6.2.1融合系統的優勢115
6.2.2融合系統的劣勢115
6.3展望117

第7章HCI的功能118
7.1分佈式DAS架構119
7.1.1分佈式控制器120
7.1.2橫向擴展架構121
7.1.3 HCI的性能121
7.1. 4在硬件發生故障時，通過複製的方式實現快速復原122
7.1.5文件系統124
7.1.6配置模型的變化125
7.1.7硬件加速126
7.1.8網絡集成126
7.2 *級數據存儲功能128
7.2. 1重複數據刪除和壓縮129
7.2.2糾刪編碼129
7.2.3為了災難恢復而執行複制和備份130
7.2.4 HCI安全131
7.2.5 HCI的配置、管理和監測132
7.3展望134

第8章HCI業務優勢與使用案例135
8.1 HCI的業務優勢136
8.1.1快速部署136
8.1.2基礎設施更容易擴展136
8.1.3 IT運維模型更加優化137
8.1.4系統管理更加簡單138
8.1.5在私有云中達到公有云的敏捷性138
8.1.6用較低成本實現高可用性139
8.1.7初始成本低139
8.1.8總擁有成本（TCO）降低140
8.2 HCI的使用案例140
8.2.1服務器虛擬化141
8.2.2 DevOps 141
8.2.3虛擬桌面基礎設施141
8.2.4遠程和分支機構環境（ROBO） 144
8.2.5邊緣計算146
8.2.6一級企業類應用147
8.2. 7數據保護與災難恢復148
8.3展望15
 

第4部分Cisco HyperFlex

第9章Cisco HyperFlex 152
9.1 HyperFlex的物理組件153
9.1.1 Cisco HyperFlex混合節點155
9.1.2 Cisco HyperFlex全閃存節點156
9.1.3 Cisco HyperFlex邊緣節點156
9.1.4 Cisco HyperFlex純計算節點156
9.1.5 Cisco UCS 6200和6300 FI（交換矩陣互聯） 157
9.1.6 Cisco C220/240 M4/ M5機架式服務器158
9.1.7 Cisco VIC MLOM接口卡158
9.1.8 Cisco UCS 5108刀片式機框158
9.2 HyperFlex性能基準測試160
9.3與UCS集成162
9.3.1邏輯網絡設計方案162
9.3.2服務模板與配置文件163
9.3.3 vNIC模板165
9.3.4 HyperFlex與外部存儲的集成167
9.4 Cisco HX數據平台168
9.4.1 HX數據平台控制器168
9.4.2 VMware ESXi環境中的HyperFlex 170
9.4.3 Hyper- V環境中的HyperFlex 171
9.4.4支持Docker容器與卷驅動器172
9.4.5 HyperFlex數據分發174
9.4.6讀寫操作的細節181
9.5 *級數據服務187
9.5.1重複數據刪除和壓縮187
9.5.2快照188
9.5.3克隆189
9.5.4為實現災難恢復，而與遠程集群執行異步本機複製190
9.5.5在擴展集群中，通過同步本機複製來實現災難恢復190
9.5.6與第三方備份工具進行集成191
9.5.7 HyperFlex安全192
9.6展望195

第10章部署、配置和管理HyperFlex 196
10.1安裝步驟196
10.2 HyperFlex Workload Profiler 198
10.3 HyperFlex Sizer 198
10.4管理、配置與監測198
10.4.1 Cisco HyperFlex Connect HTML5管理界面198
10.4.2 VMware vSphere Management插件202
10.4.3 Cisco Intersight 203
10.5展望208

第11章HyperFlex的工作負載優化與效率提升210
11.1企業工作負載面臨的問題210
11.2 HyperFlex與Cisco Tetration 211
11.2.1數據收集213
11.2.2 Tetration分析集群213
11.2.3開放訪問214
11.2.4使用數據214
11.3 Cisco Workload Optimizer 215
11.4 Cisco AppDynamics 216
11.5展望218
 

第5部分其他HCI產品

第12章VMware vSAN 220
12.1 vSAN的物理組件221
12.2 vSAN超融合軟件222
12.2.1對象文件系統223
12.2.2 vSAN datastore 225
12.2.3 vSAN存儲策略225
12.2.4緩存229
12.2.5 I/O操作的具體過程230
12.3 vSAN的*級功能231
12.3.1數據完整性232
12.3.2數據加密232
12.3.3重複數據刪除與壓縮233
12.3.4糾刪編碼（EC） 234
12.3.5快照234
12.3.6克隆234
12.3.7在擴展集群環境中通過vSAN複製來實現災難恢復236
12.3.8 vSAN備份以實現災難恢復239
12.4與傳統SAN和NAS的集成241
12.4.1 vSAN iSCSI目標241
12.4.2 vSAN與VVol 241
12.4.3支持SMB與NFS 242
12.5容器的*久存儲242
12.6 vSAN的管理242
12.6.1圖形化界面242
12.6.2簡化安裝243
12.6.3連接到雲進行健康度檢查243
12.6.4性能診斷243
12.6.5 VMware更新管理器243
12.6.6 vSAN vRealize Operations與Log Insight 243
12.7 vSAN與HyperFlex之間的對比244
12.7.1硬件的對比245
12.7.2縱向擴展245
12.7.3 vSAN內核與基於控制器的解決方案246
12.7.4完全分佈式與部分分佈式文件系統248
12.7 .5一對一重建與多對多重建249
12.7.6增加純計算節點249
12.7.7 *級數據服務249
12.7.8管理軟件250
12.7.9網絡互聯251
12.8展望251

第13章Nutanix企業雲平台252
13.1 Nutanix企業雲平台253
13.2 ECP超融合軟件254
13.2.1分佈式存儲矩陣254
13.2.2 Nutanix集群組件256
13.2.3物理驅動器的分割257
13.3 I/O路徑258
13.3.1寫入I/O 259
13.3.2讀取I/O 259
13.4數據保護260
13.4.1元數據260
13.4.2可用性域261
13.4.3數據路徑彈性261
13.5 Nutanix*級功能262
13.5.1重複數據刪除262
13.5.2數據壓縮263
13.5.3糾刪編碼264
13.5.4磁盤均衡264
13.5.5存儲分層265
13.6快照與克隆265
13.6.1影子克隆267
13.6 .2 Era數據庫服務267
13.6.3備份與復原、複製與災難恢復268
13.7城域可用性：擴展集群269
13.8靜態數據加密270
13.9 Nutanix Acropolis塊服務271
13.10 Nutanix Acropolis文件服務271
13.11為Hyper-V提供的支持273
13.12 Docker容器273
13.13配置、管理與監測273
13.13.1基礎設施管理274
13.13.2 Operational Insight 275
13.13.3 Nutanix工具276
13.13.4 Calm編排工具277
13.14 Nutanix的競爭格局277
13.14.1硬件的比較279
13.14.2分佈式架構280
13.14.3日誌結構文件系統與就地寫入（Write-in-Place）文件系統281
13.14.4數據分層281
13.14.5重複數據刪除281
13.14.6數據本地性283
13.15展望285

第14章開源——計算與存儲287
14.1 OpenStack 288
14.2 Nova 292
14.3 Cinder塊存儲295
14.4 Swift 296
14.5 Ceph 299
14.6展望302
 

第6部分超融合網絡

第15章軟件定義網絡與開源304
15.1 SDN的背景304
15.2覆蓋層與微分段邊緣306
15.2.1基於主機的網絡307
15.2.2基於交換機的網絡309
15.3交換矩陣310
15.4底層網絡311
15.5覆蓋層網絡312
15.6數據中心中的微分段315
15.7網絡開源項目316
15.7.1 Neutron 316
15.7.2 OVS架構319
15.8 OVN—開源SDN 321
15.8.1 Open vSwitch 321
15.8.2 OVN 323
15.9各個廠商的開源狀態328
15.10展望329

第16章VMware NSX 330
16.1在NSX中設置和執行策略331
16.1.1安全組331
16.1.2安全策略332
16.1.3實施策略333
16.2 NSX管理器與控制器集群333
16.2.1 NSX管理器334
16.2.2 NSX控制器集群335
16.3 VXLAN對vDS的改進335
16.4避免泛洪337
16.5 NSX二層交換與三層路由337
16.5.1 NSX二層交換338
16.5.2 NSX IP路由338
16.6處理多目的流量341
16.6.1基本的組播模型（不採用優化技術） 341
16.6.2複製的單播方式343
16.7展望344

第17章以應用為中心的基礎設施345
17.1 Cisco以應用為中心的基礎設施346
17.2 ACI的微分段結構347
17.2.1端點組347
17.2.2應用網絡配置文件349
17.2.3服務圖352
17.2.4 ACI的Tetration模型353
17.3 Cisco應用策略基礎設施控制器354
17.4 ACI域356
17.4.1虛擬機管理域356
17.4.2物理域和外部域358
17.5 ACI矩陣的交換與路由結構359
17.5.1 Tenant（租戶） 360
17.5.2 VRF 360
17.5.3橋接域360
17.5.4 EPG 360
17.6與ACI矩陣的虛擬和物理連接361
17.6.1矩陣與外界的虛擬連接361
17.6.2矩陣與外界的物理連接362
17.7 ACI的路由與交換術語363
17.8 ACI底層網絡365
17.8.1處理外部路由366
17.8.2 ACI矩陣負載分擔367
17.9 ACI覆蓋層與VXLAN 368
17.9. 1 VXLAN實例ID 370
17.9.2覆蓋層中的二層交換372
17.9.3覆蓋層中的三層交換/路由375
17.10覆蓋層中的組播與底層中的組播377
17.11 ACI多部署點378
17.12 ACI多站點379
17.13 ACI Anywhere 380
17.14 ACI與NSX之間的比較381
17.14.1策略設置382
17.14.2策略實現382
17.14.3 VXLAN的性能需求383
17.14.4控制平面的穩定性383
17.14.5數據平面的性能384
17.14.6矩陣中的自動化與可視化385
17.14.7網絡學習曲線385
17.15展望386
 

第7部分公有云、私有云、混合雲與多雲

第18章公有云389
18.1雲服務389
18.1.1基礎設施即服務390
18.1.2平台即服務391
18.1.3軟件即服務391
18.2亞馬遜Web服務392
18.2.1 AWS全球基礎設施的區域和可用區393
18.2.2聯網395
18.2.3存儲398
18.3在AWS中啟動多層應用402
18.3.1計算實例402
18.3.2 Amazon機器鏡像403
18.3.3安全組403
18.3.4身份和訪問管理404
18.3.5啟動EC2實例405
18.3.6雲監測409
18.4云自動化410
18.4.1基礎設施即代碼410
18.4.2軟件開發工具包413
18.5展望414

第19章私有云416
19.1什麼是私有云416
19.1.1融合和超融合418
19.1.2自動化和編排418
19.2 Cisco UCS Director 420
19.2.1 UCS Director策略420
19.2.2虛擬數據中心422
19.2.3編排的概念423
19.2.4目錄424
19.3 UCSD和HyperFlex之間的集成424
19.3.1 UCSD接口426
19.3.2將API和基礎設施作為代碼427
19.4展望430

第20章混合雲與多雲431
20.1為什麼要使用混合雲432
20.2為什麼要使用多雲434
20.3 Cisco CloudCenter 438
20.4展望441