超融合基础架构(HCI)数据中心

超融合基础架构（Hyperconverged Infrastructure，HCI）是一种集成了虚拟计算资源和存储设备的信息基础架构。在这样的架构环境中，同一套单元设备中不但具备计算、网络、存储和服务虚拟化等资源和技术，还包括备份软件、快照技术、重复数据删除、在线数据压缩等元素，而且多套单元设备可以通过网络聚合起来，实现模块化的无缝横向扩展，实现统一的资源池。超融合基础架构可以为数据中心带来很优的效率、灵活性、规模、成本和数据保护。 《超融合基础架构（HCI）数据中心》作为为数不多的超融合架构图书，深入浅出地介绍了相关的知识和用例，并从独立于厂商的角度对各个厂商（比如Nutanix、VMware等）的HCI解决方案进行了对比。《超融合基础架构（HCI）数据中心》共分为7大部分，总计20章，内容涵盖了数据中心网络与存储基础、主机软硬件的演变、超融合基础架构、Cisco HyperFlex产品介绍、其他厂商的HCI产品介绍（比如VMware的vSAN和Nutanix的企业云平台）、超融合网络、公有云/私有云/混合云与多云等。 无论读者之前所涉技术领域是存储、计算、虚拟化、交换/路由、自动化，还是公共云平台，都可以通过《超融合基础架构（HCI）数据中心》来了解HCI的细枝末节（比如规划、集成、部署、管理、策略、安全等），从而为数据中心的设计、实施、部署和研发提供助力。

山姆·哈拉比，Sam Halabi是业内知名人士，在信息技术、多云、超融合、企业软件和数据中心领域拥有丰富的经验。Sam是一位值得信赖的技术顾问，可以在执行层面与客户建立良好的关系，擅长把负责的技术与商业利益联系起来。Sam多年来一直供职于美国和国际知名企业，负责领导售前、销售、咨询、营销和业务开发工作，旨在针对企业建立可扩展的数据中心。Sam是VirtuService公司的创始人，这家公司的主要业务是在私有云、混合云、公有云和多云领域提供客户服务和IT咨询服务。

第1部分 数据中心网络与存储基础
第1章 数据网络：当前的设计方案2
1.1数据中心的IT设备2
1.1.1网络设备3
1.1.2联网服务3
1.2多级数据网络架构6
1.3当前设计方案所面临的挑战8
1.3.1各级之间的流量比例不均9
1.3.2VLAN在扩展之后形成了扁平的大二层网络10
1.3.3各级之间的流量转发会导致延迟10
1.3.4对IP子网稀缺的问题束手无策12
1.3.5广播、未知单播和组播（BUM）流量的泛洪14
1.3.6使用生成树来防止网络出现环路16
1.3.7防火墙负担过重16
1.4展望18

第2章 存储网络：当前的设计方案19
2.1从存储的角度看多级设计方案20
2.2磁盘驱动器的类型21
2.2.1硬盘驱动器21
2.2.2固态硬盘驱动器23
2.3磁盘的性能23
2.3.1吞吐量与传输速率24
2.3.2访问时间24
2.3.3延迟与IOPS24
2.4RAID26
2.4.1RAID 026
2.4.2RAID 127
2.4.3RAID 1+027
2.4.4RAID 0+127
2.4.5RAID 528
2.4.6RAID 629
2.5存储控制器30
2.6逻辑单元号（LUN）31
2.7逻辑卷管理器33
2.8块、文件和对象级存储35
2.8.1块存储35
2.8.2文件存储35
2.8.3基于对象的存储36
2.9存储与服务器之间的连接37
2.9.1直连存储（DAS）38
2.9.2网络附属存储（NAS）39
2.9.3存储区域网络40
2.9.4iSCSI SAN47
2.9.5FCoE（Fibre Channel over Ethernet SANs）50
2.10存储效率技术51
2.10.1精简制备（Thin Provisioning）51
2.10.2快照52
2.10.3克隆（Cloning）55
2.10.4复制（Replication）56
2.10.5重复数据删除（Deduplication）56
2.10.6数据压缩59
2.10.7数据加密60
2.10.8存储分级（Storage Tiering）60
2.10.9缓存存储阵列61
2.11展望62

第2部分 主机软硬件的演变
第3章主机硬件的演变66
3.1计算能力的提升66
3.1.1x86标准架构67
3.1.2单核、双核与多核CPU67
3.1.3物理核心、虚拟核心与逻辑核心68
3.1.4虚拟CPU69
3.2主机总线互联方式的演变71
3.3闪存产品的问世74
3.3.1闪存技术的发展74
3.3.2新一代存储阵列的缺陷75
3.4展望77

第4章服务器虚拟化78
4.1虚拟化层79
4.1.1类型1的Hypervisor80
4.1.2类型2的Hypervisor81
4.1.3Docker容器81
4.2datastore83
4.3虚拟化服务87
4.3.1服务器或节点集群88
4.3.2VM的迁移88
4.3.3高可用性89
4.3.4容错90
4.3.5计算负载均衡91
4.3.6存储迁移91
4.3.7存储负载均衡91
4.3.8配置与管理92
4.4虚拟交换92
4.5展望95

第5章软件定义存储96
5.1SDS的目标97
5.2在保留传统架构的同时提供新的特性98
5.3VASA（可感知存储的vSphere API）与VVol（虚拟卷）100
5.3.1使用VVol来创建粒度更细的卷101
5.3.2通过VASA学习存储阵列的功能102
5.3.3与基于存储策略的管理进行集成104
5.4展望105
第3部分超融合基础架构
第6章融合型基础架构108
6.1Cisco UCS——迈向融合109
6.2融合的系统113
6.2.1融合系统的优势115
6.2.2融合系统的劣势115
6.3展望117

第7章HCI的功能118
7.1分布式DAS架构119
7.1.1分布式控制器120
7.1.2横向扩展架构121
7.1.3HCI的性能121
7.1.4在硬件发生故障时，通过复制的方式实现快速复原122
7.1.5文件系统124
7.1.6配置模型的变化125
7.1.7硬件加速126
7.1.8网络集成126
7.2高级数据存储功能128
7.2.1重复数据删除和压缩129
7.2.2纠删编码129
7.2.3为了灾难恢复而执行复制和备份130
7.2.4HCI安全131
7.2.5HCI的配置、管理和监测132
7.3展望134

第8章HCI业务优势与使用案例135
8.1HCI的业务优势136
8.1.1快速部署136
8.1.2基础设施更容易扩展136
8.1.3IT运维模型更加优化137
8.1.4系统管理更加简单138
8.1.5在私有云中达到公有云的敏捷性138
8.1.6用较低成本实现高可用性139
8.1.7初始成本低139
8.1.8总拥有成本（TCO）降低140
8.2HCI的使用案例140
8.2.1服务器虚拟化141
8.2.2DevOps141
8.2.3虚拟桌面基础设施141
8.2.4远程和分支机构环境（ROBO）144
8.2.5边缘计算146
8.2.6一级企业类应用147
8.2.7数据保护与灾难恢复148
8.3展望150

第4部分Cisco HyperFlex
第9章Cisco HyperFlex152
9.1HyperFlex的物理组件153
9.1.1Cisco HyperFlex混合节点155
9.1.2Cisco HyperFlex全闪存节点156
9.1.3Cisco HyperFlex边缘节点156
9.1.4Cisco HyperFlex纯计算节点156
9.1.5Cisco UCS 6200和6300 FI（交换矩阵互联）157
9.1.6Cisco C220/240 M4/M5机架式服务器158
9.1.7Cisco VIC MLOM接口卡158
9.1.8Cisco UCS 5108刀片式机框158
9.2HyperFlex性能基准测试160
9.3与UCS集成162
9.3.1逻辑网络设计方案162
9.3.2服务模板与配置文件163
9.3.3vNIC模板165
9.3.4HyperFlex与外部存储的集成167
9.4Cisco HX数据平台168
9.4.1HX数据平台控制器168
9.4.2VMware ESXi环境中的HyperFlex170
9.4.3Hyper-V环境中的HyperFlex171
9.4.4支持Docker容器与卷驱动器172
9.4.5HyperFlex数据分发174
9.4.6读写操作的细节181
9.5高级数据服务187
9.5.1重复数据删除和压缩187
9.5.2快照188
9.5.3克隆189
9.5.4为实现灾难恢复，而与远程集群执行异步本机复制190
9.5.5在扩展集群中，通过同步本机复制来实现灾难恢复190
9.5.6与第三方备份工具进行集成191
9.5.7HyperFlex安全192
9.6展望195

第10章 部署、配置和管理HyperFlex196
10.1安装步骤196
10.2HyperFlex Workload Profiler198
10.3HyperFlex Sizer198
10.4管理、配置与监测198
10.4.1Cisco HyperFlex Connect HTML5管理界面198
10.4.2VMware vSphere Management插件202
10.4.3Cisco Intersight203
10.5展望208

第11章 HyperFlex的工作负载优化与效率提升210
11.1企业工作负载面临的问题210
11.2HyperFlex与Cisco Tetration211
11.2.1数据收集213
11.2.2Tetration分析集群213
11.2.3开放访问214
11.2.4使用数据214
11.3Cisco Workload Optimizer215
11.4Cisco AppDynamics216
11.5展望218

第5部分其他HCI产品
第12章 VMware vSAN220
12.1vSAN的物理组件221
12.2vSAN超融合软件222
12.2.1对象文件系统223
12.2.2vSAN datastore225
12.2.3vSAN存储策略225
12.2.4缓存229
12.2.5I/O操作的具体过程230
12.3vSAN的高级功能231
12.3.1数据完整性232
12.3.2数据加密232
12.3.3重复数据删除与压缩233
12.3.4纠删编码（EC）234
12.3.5快照234
12.3.6克隆234
12.3.7在扩展集群环境中通过vSAN复制来实现灾难恢复236
12.3.8vSAN备份以实现灾难恢复239
12.4与传统SAN和NAS的集成241
12.4.1vSAN iSCSI目标241
12.4.2vSAN与VVol241
12.4.3支持SMB与NFS242
12.5容器的较为存储242
12.6vSAN的管理242
12.6.1图形化界面242
12.6.2简化安装243
12.6.3连接到云进行健康度检查243
12.6.4性能诊断243
12.6.5VMware更新管理器243
12.6.6vSAN vRealize Operations与Log Insight243
12.7vSAN与HyperFlex之间的对比244
12.7.1硬件的对比245
12.7.2纵向扩展245
12.7.3vSAN内核与基于控制器的解决方案246
12.7.4接近分布式与部分分布式文件系统248
12.7.5一对一重建与多对多重建249
12.7.6增加纯计算节点249
12.7.7高级数据服务249
12.7.8管理软件250
12.7.9网络互联251
12.8展望251

第13章 Nutanix企业云平台252
13.1Nutanix企业云平台253
13.2ECP超融合软件254
13.2.1分布式存储矩阵254
13.2.2Nutanix集群组件256
13.2.3物理驱动器的分割257
13.3I/O路径258
13.3.1写入I/O259
13.3.2读取I/O259
13.4数据保护260
13.4.1元数据260
13.4.2可用性域261
13.4.3数据路径弹性261
13.5Nutanix高级功能262
13.5.1重复数据删除262
13.5.2数据压缩263
13.5.3纠删编码264
13.5.4磁盘均衡264
13.5.5存储分层265
13.6快照与克隆265
13.6.1影子克隆267
13.6.2Era数据库服务267
13.6.3备份与复原、复制与灾难恢复268
13.7城域可用性：扩展集群269
13.8静态数据加密270
13.9Nutanix Acropolis块服务271
13.10Nutanix Acropolis文件服务271
13.11为Hyper-V提供的支持273
13.12Docker容器273
13.13配置、管理与监测273
13.13.1基础设施管理274
13.13.2Operational Insight275
13.13.3Nutanix工具276
13.13.4Calm编排工具277
13.14Nutanix的竞争格局277
13.14.1硬件的比较279
13.14.2分布式架构280
13.14.3日志结构文件系统与就地写入（Write-in-Place）文件系统281
13.14.4数据分层281
13.14.5重复数据删除281
13.14.6数据本地性283
13.15展望285

第14章 开源——计算与存储287
14.1OpenStack288
14.2Nova292
14.3Cinder块存储295
14.4Swift296
14.5Ceph299
14.6展望302

第6部分超融合网络
第15章 软件定义网络与开源304
15.1SDN的背景304
15.2覆盖层与微分段边缘306
15.2.1基于主机的网络307
15.2.2基于交换机的网络309
15.3交换矩阵310
15.4底层网络311
15.5覆盖层网络312
15.6数据中心中的微分段315
15.7网络开源项目316
15.7.1Neutron316
15.7.2OVS架构319
15.8OVN—开源SDN321
15.8.1Open vSwitch321
15.8.2OVN323
15.9各个厂商的开源状态328
15.10展望329

第16章 VMware NSX330
16.1在NSX中设置和执行策略331
16.1.1安全组331
16.1.2安全策略332
16.1.3实施策略333
16.2NSX管理器与控制器集群333
16.2.1NSX管理器334
16.2.2NSX控制器集群335
16.3VXLAN对vDS的改进335
16.4避免泛洪337
16.5NSX二层交换与三层路由337
16.5.1NSX二层交换338
16.5.2NSX IP路由338
16.6处理多目的流量341
16.6.1基本的组播模型（不采用优化技术）341
16.6.2复制的单播方式343
16.7展望344

第17章 以应用为中心的基础设施345
17.1Cisco以应用为中心的基础设施346
17.2ACI的微分段结构347
17.2.1端点组347
17.2.2应用网络配置文件349
17.2.3服务图352
17.2.4ACI的Tetration模型353
17.3Cisco应用策略基础设施控制器354
17.4ACI域356
17.4.1虚拟机管理域356
17.4.2物理域和外部域358
17.5ACI矩阵的交换与路由结构359
17.5.1Tenant（租户）360
17.5.2VRF360
17.5.3桥接域360
17.5.4EPG360
17.6与ACI矩阵的虚拟和物理连接361
17.6.1矩阵与外界的虚拟连接361
17.6.2矩阵与外界的物理连接362
17.7ACI的路由与交换术语363
17.8ACI底层网络365
17.8.1处理外部路由366
17.8.2ACI矩阵负载分担367
17.9ACI覆盖层与VXLAN368
17.9.1VXLAN实例ID370
17.9.2覆盖层中的二层交换372
17.9.3覆盖层中的三层交换/路由375
17.10覆盖层中的组播与底层中的组播377
17.11ACI多部署点378
17.12ACI多站点379
17.13ACI Anywhere380
17.14ACI与NSX之间的比较381
17.14.1策略设置382
17.14.2策略实现382
17.14.3VXLAN的性能需求383
17.14.4控制平面的稳定性383
17.14.5数据平面的性能384
17.14.6矩阵中的自动化与可视化385
17.14.7网络学习曲线385
17.15展望386

第7部分公有云、私有云、混合云与多云
第18章 公有云389
18.1云服务389
18.1.1基础设施即服务390
18.1.2平台即服务391
18.1.3软件即服务391
18.2亚马逊Web服务392
18.2.1AWS全球基础设施的区域和可用区393
18.2.2联网395
18.2.3存储398
18.3在AWS中启动多层应用402
18.3.1计算实例402
18.3.2Amazon机器镜像403
18.3.3安全组403
18.3.4身份和访问管理404
18.3.5启动EC2实例405
18.3.6云监测409
18.4云自动化410
18.4.1基础设施即代码410
18.4.2软件开发工具包413
18.5展望414

第19章 私有云416
19.1什么是私有云416
19.1.1融合和超融合418
19.1.2自动化和编排418
19.2Cisco UCS Director420
19.2.1UCS Director策略420
19.2.2虚拟数据中心422
19.2.3编排的概念423
19.2.4目录424
19.3UCSD和HyperFlex之间的集成424
19.3.1UCSD接口426
19.3.2将API和基础设施作为代码427
19.4展望430

第20章 混合云与多云431
20.1为什么要使用混合云432
20.2为什么要使用多云434
20.3Cisco CloudCenter438
20.4展望441