超融合架构图书馆数据中心构建探索*
王家兵1，王成彦2
（1.重庆交通大学 图书馆，重庆 400074；2.大连理工大学 信息与通信工程学院，辽宁 大连 116024）
摘 要： 为提高资源利用率、降低成本、优化管理，高校需探索以超融合架构来构建图书馆数据中心。文章重点介绍了超融合架构数据中心的相关优势与产品方案，探讨采用超融合架构来构建数据中心的基本原则、步骤以及方案实例，为各高校进行图书馆数据中心建设提供了参考。
关键词： 超融合基础架构；数据中心；云计算
一、引言
图书馆数据中心是图书馆信息化建设的重要基础设施，在现代化数字图书馆、智慧图书馆建设中起着支撑与保障作用，受到各高校图书馆的广泛重视。近年来，随着图书馆数字化、自动化建设的推进，越来越多的电子资源、自动化业务在图书馆数据中心上线，各种应用服务与数据量的快速增长对数据中心服务能力提出了新的要求。如何建设好数据中心，保障相关业务良好运行，使硬件资源得到最大化利用，在灵活、高效的同时，保持易于扩展，成为各高校图书馆需要面对的问题。
图书馆数据中心的特点是对数据存储空间的需求大、备份数据量大、关键应用安全性要求高。目前各图书馆数据中心大多采用集群与虚拟化技术来保障业务的运行，以服务器与外置磁盘作阵列模式，以存储网络（Storage Area Network，SAN）作统一存储来保障数据的安全并提高资源利用率。这种传统集中式存储架构经过十多年的发展，技术已相对成熟，通过将存储和服务器隔离，简化了存储的管理，同时使存储空间有效地汇集在一起，存储利用率得到提高，在早期业务应用少、数据量小的情况下，得到了广泛的应用。但随着信息化与需求的发展，图书馆数据量与自动化业务暴发式增长，传统集中式存储架构表现出了明显的不足：一方面是数据处理性能受到存储网络传输速度的限制，难以承载持续暴涨的数据处理需求；另一方面是扩展不便、成本高，随着应用规模的扩大，成本甚至达到难以承担的程度。为解决这些问题，近年来，一些图书馆开始研究应用云计算相关技术，采用分散存储的超融合架构来搭建数据中心[1-2]。
二、超融合概念及产品方案
1.概念与优势
超融合基础架构[3]（Hyper-Converged Infrastructure，HCI）是由多个服务器节点整合而成的一个易于管理的集成系统，每个服务器节点都具备计算、存储和服务器虚拟化等资源，通过软件将虚拟计算平台和存储融合到一起，形成一个统一资源池，按需为用户提供服务。不同于传统的IT 基础架构，超融合基础架构是一种由软件定义的系统，以每个服务器节点的本地硬盘作数据存储，系统不仅具有计算、存储、网络和服务器虚拟化等资源和技术，而且还包括缓存加速、重复数据删除、在线数据压缩、备份、快照等技术元素，多节点通过网络聚合起来，很容易实现模块化的无缝横向扩展。
相对于传统虚拟化方案，超融合架构具有以下优势：
资源类型： 2900种同行评议的学术期刊（含200种OA刊）、电子参考工具书(百科全书、手册、各学科电子参考书等)、25万电子图书、丛书、协议、实验室指南、在线回溯数据库
具体实施过程包括服务器上架、布线，超融合相关软件安装，业务系统迁移与测试等过程。实施中要做好业务系统的备份，业务迁移到超融合云平台上后，应及时进行功能与性能测试，做好相关记录，实现业务的平滑过渡。
超融合架构产品应用日益广泛，其市场增长迅猛。全球知名咨询公司“IDC”的报告显示，从2016 年到2021年，全球超融合市场的复合增长率为48%[4]，2018 年我国超融合市场较上年同期实现了88.2%的增长。目前，提供商用超融合产品的公司较多，国外有Nutanix、VMware、SimpliVity 等，国内有联想、华为、H3C、深信服、SmartX 等公司，不同公司的超融合架构方案在分布式块存储、虚拟化计算、运维管理平台方面的实现技术各有不同。在分布式块存储实现方面，有采用开源Ceph、GlusterFS 改造来实现的，如深信服采用的GlusterFS；也有自主研发实现的，如Nutanix NDFS、VMware VSAN、SmartX ZBS、华为Fusion Storage。在虚拟化计算方面，大多数公司都支持多个虚拟化平台，如开源的KVM 被很多厂商选用，另外商用的VMware 也采用较多。在超融合运维管理平台方面，各公司均开发有云管平台，基本具有Web 管理界面，实现存储、虚拟化、网络等集群服务管理，以及性能和事件的监控、分析和报警功能，如VMware VCenter、Nutanix Prism、SmartX Fishey、联想AIO CMP、华为FusionCube Center、深信服OpenStack Horizon 等。
（2）稳定性好
超融合架构采用分布式跨节点多副本以及定时备份技术，实现了物理层数据可靠保存；通过虚拟化技术实现高可用性与分布式资源调度，减少了物理节点故障导致业务中断的次数；另外，通过负载均衡、容灾技术、持续数据保护构建了业务连续性访问能力，保证了数据库、关键应用能稳定运行。
（3）安全性高
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通过内置分布式防火墙、虚拟机沙箱、Web 应用防护等安全机制，超融合架构有效提高了平台的安全级别，支持多副本容灾保护，同时集成下一代防火墙、无代理杀毒软件、数据库审计等安全模块，构建了4～7 层网络和应用安全防护能力，
（4）易于使用
实现了可视化运维和故障定位，采用流程化、自动化资源交付方式，计算、存储、网络和安全资源随需索取，提高了部署和资源编排的效率，简化了平台的运维，方便管理。
采用超融合架构来进行数据中心建设，需结合图书馆数据中心建设现状、未来发展需要以及相关技术发展趋势等诸多因素来综合考虑，保证整个数据中心的实用性、先进性、安全性、可扩展性，方便实施标准化管理，应当按照循序渐进、综合考虑技术与服务的原则，结合各图书馆实际需要进行规划与建设。
2.相关产品方案
超融合架构底层基础设施只有交换机和服务器，架构简单，简化了管理；性能和容量扩容改造时，业务和架构无需变革，只需横向添加服务器就可以实现业务线性扩展；进行业务迁移时，采用集成的应用交付体系，业务上线简便。
另外，不同超融合产品厂商提供的交付方式还有不同，有的只支持本公司的服务器，有的支持多家服务器。交付的硬件也有一体机形式和纯软件方式，其中，纯软件方式可支持通用的服务器。
三、超融合图书馆数据中心建设
1.建设原则
谐振器间的耦合一般可以通过电磁耦合实现，根据耦合性质的不同可分为容性耦合和感性耦合谐振电路。然而，纯容性或者纯感性耦合结构的带外衰减存在着不足。纯容性耦合谐振滤波器的上边带衰减要比下边带慢，纯感性耦合谐振滤波器的下边带衰减要比上边带慢，在频率较低带宽变宽时这种现象更加明显。产生这种现象的原因是电容属于阻低通高器件，电感属于阻高通低器件[4]。因此，本文提出了一种容性与感性耦合交替的新结构，原理图如图2所示。
在需求分析与规划阶段，先对图书馆数据中心的业务进行调查统计，对关键业务应用分类，考虑未来3 至5年内可能新增加的业务系统，作出未来几年整个数据中心的IT 总体需求目标，制定出建设需求报告与分期实施的计划和方案。
对于超融合产品，后期升级、运维中的紧急服务支持都是需要考虑的因素。选用超融合产品方案时，除考虑实现技术与性能外，还需考虑硬件的交付方式、后期的服务支持等方面内容，可以对同类高校已采购建设的方案进行实地考察，了解投入的资金与使用中的问题，再确定选型。
2.建设过程
采用超融合架构进行高校图书馆数据中心建设，通常包括需求分析与规划、方案制定与选型、部署迁移、运行维护等几个阶段。
数据中心建设是一个长期的过程，相关技术在不断地发展变化。各高校图书馆在前期同样投入了相当多的资金，新的建设应考虑设备利旧，降低整个数据中心的投入。另外，新购设备在使用过程中也会逐渐老化，特别是保修期过后的设备损坏费用会大大提高。综合这几方面因素，超融合架构的图书馆数据中心宜分步构建，前期小规模建设，以三年至五年为周期进行多次投入的建设，逐步过渡到整个数据中心为新的超融合架构。
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在方案制定与选型阶段，根据制定的分期实施计划，确定所需运算能力与总存储空间，以及所需要的服务器数量，再按超融合所需的搭配比例要求进行固态硬盘、内存选配。再与多家超融合方案进行对比，综合考虑性价比与后期服务能力，进行选型、招标，再签定相关合同。
（1）扩容与管理简单
超融合架构提供了统一的Web 管理平台，实现可视化集中运维管理，方便了平时的运维。日常运维中，需加强运行维护人员技术能力的培养，提升运维管理水平，做好系统监控与性能调整，建立灵活、高效、可控制、可衡量的运维监控管理流程，做好维护日志记录，为图书馆业务提供稳定、良好、安全的服务。
3.方案实例
重庆交通大学图书馆现有服务器16 台、CPU 核数40 多个、存储空间约260TB，采用单服务器配置RAID模式，承载图书管理系统OPAC、RFID 自助借还系统、门禁系统以及CNKI、万方、超星等三十多个本地电子资源数据库等业务。由于业务增长与服务器老化，考虑逐步转移到超融合云平台。
插穗按横8 cm、纵6 cm的规格插入苗床中，枝条倾斜60°向下扦插，插穗顶端1/3～1/2露出基质。扦插后对苗床进行1次全面清水浇灌，并用遮光率为80%遮阳网进行遮阴处理。后期管理注意适时浇水，保持空气湿度在75%以上，基质湿润但不浸水。
考虑到现有电子资源存储规模与近5 年的发展情况，近五年内达成的建设目标为7 个结点，目标存储空间约700T，满足电子资源50～100 种本地存储与图书馆相关业务的需要。项目分成两期来完成，前期建设3 个节点，提供约300T 硬盘空间，迁移电子资源平台约10～20 个，后期在旧服务器逐步淘汰的同时，进行新结点建设。
对国产联想、华为、深信服等几家超融合方案进行了对比，综合考虑性价比，选择了深信服超融合方案，深信服超融合方案具有架构简单、性能稳定、安全、易用性好等特点。在IDC 最新发布的《中国超融合市场跟踪研究报告（2017Q4）》中，深信服以19%的市场份额跃居超融合国产品牌第三名。深信服超融合方案支持其它厂家的服务器，也可以利用旧服务器，其超融合软件分必选与可选两类，必选软件模块包括云计算管理软件、计算服务器虚拟化软件、网络虚拟化软件、虚拟存储软件；可选软件模块包括深信服异构虚拟化管理软件、持续数据保护软件、虚拟防火墙软件、应用交付软件、数据库安全审计系统软件等。初期建设三个节点，总预算费用约80万，建成后可提供约300T 硬盘空间，可为10～20 个空间占用量大的电子资源平台提供服务。相关设备清单如表1 所示。
四、结束语
数据中心是高校智慧图书馆建设的支撑平台，采用超融合架构来构建图书馆数据中心，在保证图书馆相关业务高效运行的同时，实现了资源的安全存储、合理分配、动态管理与自由访问，是未来图书馆数据中心的必然发展趋势。在规划与建设中，必须结合图书馆实际，精心论证，使数据中心能够满足当前需要，同时也能进一步扩展，适应未来的发展。
大水网工程是“十二五”山西省委、省政府决策的重大基础设施建设项目，也是水利部确定的河湖水系连通试点工程。在大水网工程中有许多导流隧洞、溢洪道等受高速水流冲刷的水工建筑物都需要抗冲磨、抗裂性能强的混凝土。掺入有机合成纤维对混凝土进行改性称作纤维混凝土，与普通混凝土相比纤维混凝土具有较高的抗冲磨、抗裂等性能。
表1 深信服超融合产品清单
参考文献：
[1]周宁，孙慧云.图书馆构建云计算中心探索分析——以山东省图书馆为例[J].信息技术与信息化，2018(5)：182-185.
[2]黎春兰，邓仲华.面向图书馆的云计算研究综述[J].图书馆杂志，2014，33(5)：68-77.
[3]董华丰.超融合基础架构浅析[J].中国新通信，2019，21(3)：84.
[4]郭涛.2018 年超融合六大趋势[N].中国计算机报，2018-03-05(12).
中图分类号： G250.71
文献标志码： B
文章编号： 1673-8454（2019）19-0090-03
* 基金项目： 本文系重庆市高等教育教学改革研究项目“教学参考资源云服务平台研究与构建”（项目编号：153080）、重庆交通大学校级教改项目“移动协作学习平台原型构建研究”（项目编号：120329）研究成果。
（编辑：王晓明）
标签：超融合基础架构论文; 数据中心论文; 云计算论文; 重庆交通大学图书馆论文; 大连理工大学信息与通信工程学院论文;