新一代超融合資料平臺 - Cisco ·...

新一代超融合資料平臺

白皮書 2016年三月

思科 HyperFlex™ 系統採用 Intel®Xeon®處理器

© 2016思科和/或其附屬機構。保留所有權利。本文檔是思科公共資訊。頁 2

新一代超融合資料平臺2016年三月

内容思科面向新一代應用和資料的平臺 .................................................................... 3

思科Cisco HyperFlex HX 資料平臺：消除儲存藩籬 .......................................... 3

系統架構 ........................................................................................................ 4

運作方式 ........................................................................................................ 5

分散式資料 ...........................................................................................................

.............................................................................................................

.............................................................................................................

.......................................................................................................

..........................................................................................................

5

資料操作 6

資料優化 8

重複資料刪除 8

內聯嵌壓縮 9

日誌架構式的資料分配物件 ................................................................................. 9

資料服務 ........................................................................................................ 10

儲存資源隨需配置 ................................................................................................ 10

系統快照 ............................................................................................................. 10

快速且節省空間的複製 ...................................................................................... 10

資料可用性 .......................................................................................................... 11

資料再平衡 .......................................................................................................... 11

結論 ............................................................................................................... 11

詳細資訊 ......................................................................................................... 12

白皮書2016年3月

© 2016思科和/或其附屬機構。保留所有權利。本文檔是思科公共資訊。

新一代超融合資料平臺應用需求決定了IT系統架構的發展變化。用戶端瞬息萬變的需求又使伺服器，儲存系統

及網路架構之間的關係隨之變化。虛擬化環境和第一代超融合系統雖然解決部分問題，

但同時也衍生出新的資料藩籬，無法展現出大規模的資料擴充功能。此外，還缺少生命

週期管理特性和強大的資料安全保證功能。Cisco HyperFlex™ 系統本身是一個靈活且

具有擴展功能的解決方案。這一解決方案啟動超融合技術在廣泛範圍的應用、工作負載

和案例應用等方面的全部潛力。

Cisco HyperFlex™ 系統擁有端到端的軟體定義的基礎架構，用以消除第一代產品所出

現的缺陷。Cisco HyperFlex™ 系統把運用軟體定義計算技術的(Cisco UCS®) 伺服器，

軟體定義儲存與強大的新一代Cisco HyperFlex HX Data Platform Software 結合，並把

軟體定義網路（SDN）與Cisco® uni�ed fabric 相結合。而思科Cisco® uni�ed fabric 技

術與思科以應用為核心的基礎架構(Cisco ACI™)二者能夠完美地結合。各項技術結合的

結果是一個融合的技術叢集，它在一個小時或者更少時間內開始積極運轉，獨立擴展資

源以最大限度來滿足您的應用資源需求。

思科Cisco HyperFlex HX 資料平臺：消除儲存藩籬。如果您的IT 部門已運用虛擬伺服器技術的話，那麼應用的資料需求必然產生很多的儲存

藩籬。作為思科Cisco HyperFlex 系統的基礎，Cisco HyperFlex HX 資料平臺是一個高

性能的資料分配歸檔系統，能提供廣泛的企業級資料管理服務。資料平臺的創新改變了

人們對分散儲存技術的定義，其性能遠超第一代超融合基礎架構。

您將獲得以下內容：

頁 3

此PDF檔將向您介紹思科Cisco HyperFlex™ HX 資料平臺，其所運用的超融合基礎架構革新了資料儲存領域。透過本文您將瞭解平臺的架構和軟體定義儲存的方法，以及如何利用它消除您IT系統內的儲存藩籬。

內嵌重複資料刪除和壓縮技術為資料擴展帶來更多的空間，提高資源的利用率。

現有管理工具的集成儲存功能可以大大簡化用戶端應用的日常即時配置、複製和系統快照操作。

在分散式儲存的環境下，系統需要具備完整的產品生命週期管理和強大的資料保護功能。這些要求包括資訊複製、重複資料刪除技術、資料壓縮、自動精簡配置、快速、節省空間的複製和系統快照。

客戶可以根據變化的商業需求，通過獨立擴展運算、緩存及容量層來靈活地擴展資料環境。

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Network SSDHDDCPU/Memory Network SSDHDDCPU/Memory. . .

. . . .

思科 Cisco HyperFlex 系列節點

10 G 統一架構思科Cisco UCS 6200 系列架構互聯

App AppAppAppApp AppAppApp

思科Cisco HyperFlex HX 資料平臺

為軟、硬體提供單點管理

將刀片伺服器和機架伺服器結合而成為群節點

提供集成網路結構

支援虛擬化、集合化的工作負載

圖示一， Cisco HyperFlex 系統為客戶提供只有思科可以交付的新一代超融合解決方案。

思科Cisco HyperFlex HX 資料平臺有以下功能；

• 企業級資料管理。

• 簡化資料管理。

•

• 持續的資料優化。

• 將資料動態地分佈在節點記憶體、企業級快閃記憶體（在固態硬碟上）和持久儲存層（在硬碟上）裡，以此來優化性能和彈性，並在擴展群節點同時重新調整資料分佈。

•

此資料平臺架構基於思科的API技術，能進行靈活地資料虛擬，以及支援現有的和新生雲資料類型發展。

基礎結構在思科 Cisco HyperFlex 系統下，資料平臺跨越三個或者更多 Cisco HyperFlex HX 系列

節點組成具有高可用度的叢集。每個節點都包含一個針對此資料平臺的控制器。控制器

可以幫助分散式檔案系統使用多個基於快閃記憶體的SSD以及高容量的硬碟來儲存資料。

控制器之間通過10Gbps的乙太網進行資訊交流，並在一個叢集中建構跨多個節點的單個

儲存池（圖例二）。客戶可以透過使用檔、資訊區、物件和API 外掛程式來進入資料層。

增加節點的同時，叢集通過線性擴展來提高計算能力、儲存容量和輸入輸出性能。

這個儲存卸載API 可以讓vSphere用戶進行高級檔案系統操作，比如說系統快照和複製。這些操作通過中繼資料處理進行，而不是通過實際資料的複製。系統對操作能夠做出快速的反應，並且在新的網路環境下進行快速應用部署。



在VMware vSphere 網路環境下，控制器佔據一台具有專用處理器核數和記憶體量的虛

擬機器。在不影響叢集系統及其他虛擬機器運作的情況下，這台虛擬機器仍能夠表現出

一貫的性能。在不受虛擬機器管理程式的干預下，客戶可以通過

VMware VM_DIRECT_PATH 功能進入到任何儲存區中。客戶可以資料分散式地緩存在

節點記憶體和SSD上，也可使用節點的硬碟來進行分散式容量儲存。客戶可從控制器通

過使用兩個預裝的VMware ESXi vSphere安裝束(VIBs)把資料平臺與VMware 軟體整合

在一起。

• IO Visor: VMware ESXi vSphere安裝束(VIBs)為客戶提供了一個網路檔案系統的掛載點，這樣ESX的虛擬機器管理程式可以進入單個虛擬機器的虛擬硬碟。從虛擬機器管理程式的角度看，它不過是簡單地與一個網路檔案系統相連接。

• VMware VStorage API陣列集成(VAAI):

運作方式思科 Cisco HyperFlex HX 資料平臺的控制器處理大量的讀寫需求。虛擬機器管理程式介

入並調節虛擬機器上所有的輸入輸出工作。（虛擬機器有一個專門的開機磁片，獨立於

此資料平臺。）在此資料平臺基礎上，日誌結構的檔案系統可以透過使用位於SSD上的

緩存層來加速對讀寫操作的反應，還可用硬碟來形成一個資料持久層。

資料分佈為優化性能，通過使用緩存層（圖示三），傳入的資料可以分佈在叢集網路的任一節點上。

將輸入資料映射到條狀單元上，這樣輸入資料就可以有效的均勻分佈。客戶可以透過設置

操作策略來決定複製資料的數量。

Network SSDHDDCPU and Memory Network SSDHDDCPU and Memory. . .

. . . . 思科Cisco HyperFlex 資料平臺

思科Cisco HyperFlex HX 系列節點

10G 統一架構

思科 UCS 6200 系列架構互聯

虛擬機器管理程式

VM VMVM資料平臺控制器

VAA

I

IO V

isor

虛擬機器管理程式


VAA

I

IO V

isor

圖示二，思科分散式Cisco HyperFlex 系統

頁 5



在條狀單元的基礎上，用戶端應用寫入的資料被送到含有相關資訊區的適合節點。這種

資料分配方法，不管虛擬機器在哪裡，因為具有支援多流資料同時輸入的能力，也會避

免網路和儲存二者出現資料熱點，並維持一貫的輸入輸出性能，讓客戶能夠靈活地佈局

工作負載。這一點和不能充分利用網路和輸入輸出資源的其他系統架構截然不同。

•

資料寫入操作：當客戶進行寫入操作時，資料被寫到本機的SSD緩存內，而早在這個寫

入操作得到確認之前，該資料副本就已經被寫入遠端固態硬碟上。

•

資料讀取操作：客戶可以直接讀取儲存於本地固態硬碟上的資料。如果資料不在本地固

態硬碟上，那麼這些資料會由一個固態硬碟通過遠端節點被調用。因此資料平臺的讀取

操作可以使用多有的固態硬碟設備，並大大減少資料瓶頸問題。

當您使用像VMware Dynamic Resource Scheduling(DRS)這樣的工具來移動一台虛擬機

器到新地點的時候，思科Cisco HyperFlex HX 資料平臺並不需要移動資料。這種方法減

少了大量在系統間移動虛擬機器所帶來的負面影響及經濟開支。

資料操作

一個日誌結構的檔案系統可以通過使用SSD上的緩存層來加速對讀寫指令的反應，同時也

將硬碟作為一個儲存層。根據可用性要求，輸入資訊在幾個節點中被分條存儲存；通常是

兩個或三個節點。根據客戶所設置的儲存策略，寫入資訊被複製到叢集系統內的其他節點

固態硬碟上。這一方法減少了由固態硬碟或者節點故障導致的資料丟失情況。輸入操作降

級為低價、高密度硬碟長期儲存。通過使用高性能的SSD和低費用、大容量的硬碟儲存，

客戶可以優化儲存開支並能全速檢索應用資料。

VM VM VMVM VM VM

資料平臺控制器

VAA

I

IO V

isor

VM VM VM


VAA

I

IO V

isor

VM VM VM


VAA

I

IO V

isor

ESXi 虛擬機器管理程式ESXi 虛擬機器管理程式 ESXi 虛擬機器管理程式

圖示三，叢集系統中的資料在節點間被分條儲存

頁 6



除非寫入日誌已被寫滿或者工作負載狀況使得此寫入資訊被降級為轉盤式儲存，日誌

結構的檔案系統將資訊區集中放在緩存內。當現有資料被覆蓋時，日誌結構的方法會

簡單地增補一個新的資訊區並更新中繼資料。當資料被寫入硬碟的時候，這一寫入操

作包括一個單獨定址操作和大量的順序寫入操作。與傳統的讀-修改-寫形式不同，這

種方法大大提高了性能。傳統形式的資料登錄包含多次的尋軌操作，每次只能錄入數

量較小的資料。

在每個節點上，當資料被寫入磁碟的時候，在寫入操作被確認前，會先刪除重複的資

料然後進行壓縮。分小區域刪除重複資料資料有利於降低資料重複率。進一步的資料

壓縮減少資料儲存空間。資料被移動到硬碟儲存後，寫入暫存單元段會被釋放以重新

使用（圖表四）。

資料熱點--最近或者頻繁被從永久儲存層裡檢索讀取的資料---被同時緩存在SSD和記

憶體中（圖表五）。思科Cisco HyperFlex 系統因為擁有這些存在於緩存層的高利用

頻率資料而在虛擬應用方面表現卓越。在虛擬機器上修改資料時，此資料有可能在緩

存中被讀取。所以，儲存在旋轉式磁片上的資訊可以直接進行擴展。因為思科

Cisco HyperFlex HX 資料平臺將緩存層和永久儲存層分離開來，您可以獨立提高輸入

輸出性能和儲存容量。

. . . Node 1 Node n

物理儲存層CPU and Memory NetworkHDDSSD CPU and MemoryNetwork HDD SSD

基於硬碟的容量層

基於固態硬碟的容量層

. . . . ESXi 虛擬機器管理程式


IO V

isor

VAA

I

VM 直接路徑輸入輸出加速

ESXi 虛擬機器管理程式


VAA

I

IO V

isor

複寫錄入固態硬碟上的日誌

重複資料刪除

壓縮

降級

KJCBADFECBA D

R T V X ZST V X Z R S

A B B C C D

B

B

B

C

C

C

A B C D

A B B C C D

B

B

B

C

C

C

A B C D

圖示四，思科Cisco HyperFlex HX 資料平臺下的資料寫操作流程

頁 7



資料優化Cisco HyperFlex HX 資料平臺提供詳細資料以利指導使用者在緩存（固態硬碟和記憶

體）和能力層（硬碟）進行內嵌重複資料刪除和儲存區內嵌壓縮操作。不像其他解決方

案，思科資料平臺所具有的重複資料刪除和壓縮能力就是為維持並提高運作性能而設計，

而極大地減少了客戶對物理儲存能力的需求。而後者為保持系統性能而不具有這些優勢。

数据去重

重複資料刪除發生在叢集系統的所有儲存區中，包括記憶體，固態硬碟還有硬碟。基於

正在申請專利的Top-K 演算法，平臺運用實證研究的推論方法來說明大部分資料，在被

分配到小的資料區後，具有強大的重複資料刪除潛力。通過標記並索引這些利用率高的

儲存區、在一個容量不大的記憶體中會獲得高重複資料刪除率。高效利用儲存區在叢集

節點中是非常重要的資源。某一資料不僅因為節省空間在永久儲存層被刪除重複資料，

當它在緩存層被讀取時仍會被刪除重複資料。這種方法使得緩存層能夠儲存更大的工作

區，並提高讀取性能。

寫入

錄入緩存

持久性

讀取緩存（重複資料刪除）

讀取

第一層記憶體緩存

第二層固態硬碟緩存

圖示五，分離開來的資料緩存和資料永久儲存

Original Data內嵌重複資料刪除節省20-30%的儲存空間

不對其他性能產生負面影響

內嵌壓縮節省30-50%的儲存空間

A B C D

A

D

B

AA

B C

C D A

C B D A D

A B B C C D

B

B

B

C

C

C

圖示六， Cisco HyperFlex HX 資料平臺在保證性能的基礎上優化資料儲存

頁 8



內嵌資料壓縮

思科Cisco HyperFlex HX 資料平臺利用在工作區內的高性能的內嵌資料壓縮來節省更

多的磁碟空間，儘管其他產品也具有壓縮能力，但同時也帶來許多負面影響。相反，

思科資料平臺利用CPU卸載指令來降低壓縮操作對系統性能帶來的不良影響。而且，

日誌結構的分散式物件層對壓縮前的資料修改不產生任何影響。相反，輸入修改被壓

縮的同時也被儲存在一個新的位址，而舊的資料被標記為刪除，除非這一資料會通過

系統快照方式被保留。注意，客戶可以直接對資訊進行寫操作，無需提前讀取。這樣

不僅可以避免傳統的讀-修改-寫這種方式所具有的不利後果，而且還能極大提高輸入

性能。

物件層內容日誌結構形的分佈

在思科Cisco HyperFlex HX 在思科Cisco HyperFlex HX 資料平臺上，日誌結構分散式

物件儲存層把從重複資料刪除引擎滲入到自定址物件層的資料進行分組和壓縮。這些

物件以日誌架構寫入方式被按順序記錄到磁片上。所有的輸入—包含隨機I/O--都被按

照先後順序保存到緩存（固態硬碟和記憶體）及永久儲存層（硬碟）上。跨節點分佈

的物件能夠共用一致的儲存能力。

這種時序佈局分佈方法，正好適合硬碟運作。這樣平臺能夠強化快閃記憶體的持久儲

存功能，並充分利用硬碟的讀寫性能。因為不再使用傳統的讀-修改-寫操作，在內嵌

壓縮和系統快照操作以及其他整體性能表現方面，負面影響小之又小。

資料儲存區被壓縮進入物件層，然後在固定大小的單位段裡按順序排列；在日誌結構

化的方式下，也相應地被按時序排列。通過金鑰賦予各段上每個被壓縮物件以單獨的

位址，並通過校驗碼來標記和儲存每個金鑰，以保證高水準的資料完整性。而且，按

時間順序對儲存物件進行書寫，只需重寫那些因故障而被刪節而後進入系統的資訊，

使得平臺能夠從媒體及節點故障中迅速恢復正常。

再生段

段頭分佈概要

段 1

對象1

對象4

對象7

對象5

對象2

對象8

對象6

對象3

段 2 段 3 … 段 N

自我描述性不同大小的壓縮物件

圖例七，思科Cisco HyperFlex HX 資料平臺日誌架構的檔案系統資料排列圖

頁 9

快速系統快照刪除：您可以快速對系統快照進行刪除。資料平臺只需簡單地刪除位於

固態硬碟上的少量中繼資料。這與其他解決方案不同，他們使用delta-desk 技術，需

要一個冗長的整合過程。

如果系統快照中包含被修改的資料，那麼它將被寫到新的位址，

這時，不需要傳統的讀-修改-寫操作，中繼資料也會被自動更新。



資料服務思科Cisco HyperFlex HX 資料平臺，在保證性能的情況下，為客戶提供可升級的高空間

效率的資料服務，包含自動精簡配置、空間複墾、基於指標的系統快照和複製操作服務。

儲存資源隨需配置

客戶無需預算，購買及安裝磁片容量以防止閒置空間出現，思科資料平臺能夠高效利用

系統儲存能力。虛擬資料容器能夠為客戶的應用提供任何大小的邏輯空間，而所需要的

物理儲存空間的大小由已寫入的資料來決定。根據您的商業需求，客戶可以通過增加更

多的儲存密集的節點，利用現有節點擴大儲存空間以及擴展叢集系統。您無需購買大型

存放區空間。

思科系統快照

思科Cisco HyperFlex HX 資料平臺利用了基於中繼資料的零拷貝系統快照功能來説明客

戶實現備份操作和遠端複製：（在企業管理中，資訊的高度可利用性至關重要）。您無

需對物理儲存能力的消費而操心，高空間利用效率的系統快照能使您迅速進行線上備份

作業。資訊可以同時被移動到線下儲存或者重新儲存。

• 快速系統快照更新：

•

• 高度針對性的系統快照：在思科Cisco HyperFlex HX 資料平臺中，您可以在單個檔

基礎上進行系統快照。在虛擬化系統環境下，這些檔被影射到虛擬機器的磁碟上。您

可以靈活地在不同的虛擬機器上根據不同的快照策略進行操作。

快速且節省空間的複製

在思科Cisco HyperFlex HX 資料平臺環境下，複製是可寫的系統快照，可應用於虛擬桌

面和測試與開發環境應用中。快速地複製，能有效利用空間，快速重寫儲存卷，這樣通

過中繼資料操作，重寫虛擬機器就可以被重寫。實際的資料複製僅僅是為參與寫入操作。

這種方法可使為數眾多的複製操作在分分鐘內被創作及刪除。與全部複製方法相比，這

種方法大大節省時間，提高IT系統靈活性和生產力。

複製操作也相似於重複資料刪除。當許多複製操作彼此分化時，資訊共用存在，只有特

別資料會佔據新的儲存空間。重複資料刪除引擎消除重複資料為進一步的克隆減少對儲

存空間的佔用。這樣，您無需對系統儲存能力佔用擔心，您可以有效利用應用環境。

頁 10



保證資料高效可用

日誌結構的分佈物件層對輸入資料進行複寫，提高了資料的可用性。基於您設置的資料

策略，在寫入操作被確認之前，被寫入緩存的資料也同時被複製到位於不同節點的一個

或多個固態硬碟上。寫入資料操作能夠迅速被確認，而同時在固態硬碟或者節點發生故

障的情況下也能保證資料安全。如果有固態硬碟或者節點發生故障的情況發生，資料在

其他固態硬碟或者節點上即可被迅速重建。

物件層也複寫從寫入緩存移動到能力層的資料。即使在發生硬碟或者節點故障的情況

下，這些被複寫的資料也能保證安全。這樣通過對資料的兩次複寫，或者說三次資料複

製，叢集系統能夠在兩個固態硬碟發生故障，兩個硬碟發生故障或者兩個節點發生故障

的情況下正常運轉，也不會丟失任何資料。

如果說思科Cisco HypeFlex HX系統中的某一控制器軟體發生故障的話，所在節點接收

到的來自客戶應用的資料需求指令會被自動轉到叢集系統中的其他控制器上。為了持續

地對控制器軟體進行性能提升或維護，您可以用相同方式解決問題，不會影響叢集系統

或者資料的可用性。這種自癒能力也成就了思科Cisco HypeFlex HX 資料平臺能夠精準

地切合生產應用的需求。

資料再平衡

分散式檔案系統需要強大的資料再平衡能力。思科平臺提供免費的中繼資料訪問，以及

極速高效的資料再平衡。再平衡是在緩存層和永久儲存層內發生的一個有序的過程。在

這個過程中，資料按需求被移動來提高對儲存能力的佔用。在增加或刪除節點和磁碟，

或者二者發生故障時，資料平臺能夠自動完成對現存資料的再平衡。在現有叢集系統內

增加新的節點，新舊資料能夠共享新增節點的能力和性能。再平衡引擎將現有資料分配

到新的節點上，來保證叢集系統中的所有節點在能力和性能方面統一。當有節點故障，

或者節點從系統中被移除的情況發生時，再平衡引擎會重建，將資訊副本從故障節點或

者被移除節點轉移到叢集系統中的其他可用節點上。

結論通過對超融合基礎架構的部署，思科Cisco HypeFlex HX 資料平臺帶來了資料儲存領域

的變革。平臺的基礎架構，軟體定義的儲存方法產生了一個專門的高性能分散式檔案系

統，提供範圍廣泛的企業級資料管理服務。創新的資料平臺，帶來新一代的超融合基礎

架構，重新定義了分散式儲存技術。

頁 11

諮詢關於思科Cisco HyperFlex 系統的更多詳情，請登陸http://www.cisco.com/go/hyperflex.

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