路坦力技术白皮书

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1、 Nutanix Complete Cluster 技术白皮书 NUTANIX CLUSTER:ATECHNICALWHITEPAPER 目录 内容简介.3 引言.4 当前架构的局限性.4 谷歌方法4 Nutanix Complete Cluster架构.6 主要支柱.6 架构综述.7 Nutanix横向扩展型融合存储主要组件.8 主要功能特点11 容量优化.11 易于管理.11 性能和可扩展性.12 高可用性.13 总结15 Er-2UJ2UdX-2U 内容简介 存储是当前虚拟化数据中心的最大挑战。十五年以前针对物理服务器设计的网络 存储架构对于虚拟机来说过于昂贵和复杂。但在没有企业级的替代

2、方案时，各组 织机构被迫采用各种传统的解决方案，而这些解决方案无法满足虚拟机的需求， 因为虚拟机始终保持着动态变化、数量迅速增加、并不断要求全新的性能和容量 水平。 Nutanix Complete Cluster是一种可横向扩展的计算和存储基础设施，它使组织机 构无需网络存储（SAN或NAS）便能够将自己的数据中心虚拟化。Nutanix Complete Cluster专门针对虚拟机而设计，可提供全面的计算和存储功能，以及 企业级的性能、可扩展性、可用性和数据管理功能。它采用符合行业标准的硬件 组件、固态硬盘，以及市场领先的管理程序，以便提供开箱即用的解决方案，让 桌面虚拟化变得极其简单有效

3、。 NUTANIX Complete Cluster：技术白皮书：技术白皮书 3 4 引言 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

4、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

5、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

6、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

7、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，

8、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

9、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： l 保留SSD用于I/O密集型功能 l 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 l 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

10、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。

11、 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： l 它与计算层融合在一起。虚拟机和SOCS共存于同一集群。 l 它为虚拟机感知型。SOCS针

12、对单个虚拟机提供存储，并能够识别每台虚拟机 的I/O. l 它能够从几个节点扩展到大量的节点。 l 它全面整合固态硬盘。 l 它提供高可用性，不存在硬盘或节点故障。 l 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。 l 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

13、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

14、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

15、） 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： l 将冷门数据迁移至较低的分层（实现热度优化分层） l 收集已删除的垃圾数据 l 通过程序校验实现数据的一致性 l 节点或硬盘发生故障时复制数据 l 添加或移除节点时对数据进行再平衡 l 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DiskS

16、tore。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。 1. MapReduce是谷歌原创的技术，用于大规模平行分析集群数据 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