摘要：近年来，随着信息化技术的快速发展，油气管道工业控制系统的计算存储环境变得越来越复杂，增加了不同品类的机架式服务器以及SAN数据存储，基础架构的复杂性使得工业控制系统的IT环境变得日趋复杂。这主要体现在硬件的多样性使得管理运维非常困难，数据在不同品类存储平台上存放衍生数据孤岛问题，存算分离使得基础架构难以做到按需、高水平扩展。基于此，文章对基础架构层的标准化以及数据统一存管、资源的灵活扩展调度等方面进行思考和研究。在软件定义的基础上，新兴的超融合技术以分布式和虚拟化为基础，将管理和业务实现统一，在满足海量存储要求的同时又提升了整体的I/O性能，且整个生产平台的可用性、可靠性得到提升，保证业务连续性。
关键词：超融合,存储管理,数据孤岛,基础架构
0引言
近年来，在石油化工行业尤其在油气管道工业控制系统的IT环境复杂度不断提升，面临硬件多样性、数据管理及扩展性等挑战。超融合技术的引入，通过分布式和虚拟化手段，为系统提供了更好的性能、可靠性和灵活性，促进了基础架构的标准化和成本优化。
1绪论
1.1现状
常规的油化工业数据管理中心结构，一般先单独购入服务器设备，继而购买来自不同制造商的虚拟化软件、常规存储阵列及网络设施，最后通过交换机将众多服务器设备直接连接至构建的存储资源集群。这种方式表现出较多的弊端：在部署中会遇到各种软硬件兼容性问题，要找各个厂家协同配合；服务器性能、可靠性、扩展性无法支撑业务发展要求；专用硬件成本较高，耗费机房能源，会给数据中心的运维和管理带来很大压力。
1.2问题分析
业务数据的增长将传统基础架构存在的问题显露出来，以下问题尤其普遍。
（1）存储运维管理成本较高
维护成本与存储设备使用时间成正比，数据安全也随着设备更换中数据迁移而变化，数据迁移周期长会使业务稳定性会受到极大影响。
（2）初次采购利用率低
首次投入购置时应深思熟虑未来3～5年乃至更久远的性能与存储需求，故挑选一款远超目前实际所需性能规格的硬件设备格外关键。
在业务系统初步投入运营后的一大段时间里，实际的工作负载通常低于最初采购时所配置的硬件性能标准。早期阶段，这些硬件的使用效率并不算高，且由于业务尚未成熟，存储空间和性能需求很难通过固定公式精确预测，这也提高了存储设备根据实际需求进行购买的复杂度。同时，近几年硬件技术更新换代的速度极快，数年之后同样配置的硬件成本会大幅下降。
随着存储硬件持续运行，所需的保养费用逐渐增加。在设备的升级换代过程中，数据搬迁对数据保全有严重影响，也会牵连到业务的连续性，使得数据搬迁所需时间延长。同时，还需投入更多的资源来维护和管理SAN系统。
（3）性能扩展难度变大
“垂直集成”或“烟道型”的结构模式是指典型服务器与存储设备的三级体系架构，其效能面临起始控制单元的局限，并且由于性能的限制，其扩充难度亦会相应提升[1]。
2超融合架构技术
2.1概念
在一整套复合型设备之中，它不但集成了包括互联网互通、计算处理、资料储存和伺服器虚拟化等功能和技术在内的诸多元素，还包括了快照技术、数据备份流程、实时数据压缩以及冗余信息剔除等组件。此类设备通过网络相互结合，支持模块化平滑扩展，由此形成了一个集中式的资源集合体，这就是通常所指的超级融合基础架构（hyper-converged infrastructure，HCI）。
实施“由软件定义的数据中心”这一理念的关键技术路径是超融合基础设施（HCI），此种方式类似谷歌、脸书等所采纳的海量基础架构模式，而数据中心在灵活性、扩展性、成本效益及数据安全与效能方面的最佳实践均取决于超融合技术。
依托计算与存储高度整合的统一架构，能够取代旧式的独立服务器与集中式存储布局，从而让整体的结构变得更为直观和简洁。
分布式数据平面：跨集群节点运行，为客户应用程序(vm或基于容器的应用程序)提供存储、虚拟化和网络服务。
管理平面：允许从单个视图轻松管理所有HCI资源，并消除了每个组件都需要独立运维管理的现状[2]。
2.2体系特点
依托X86服务器的超融合体系，它采用虚拟化技术及通行的行业规范打造而成，是可依业务需求而弹性拓展的软件定义架构。在此模式中，处理、储存及网络三大功能自底层的基础设施中独立出来，使得独立存储阵列和存储局域网（SAN）设备变得非必需。超融合架构相较传统架构的独特之处在于它通过一体化技术可以作为一个统一的系统进行管理，利用标准化的工具集来操作，常态运维任务则通过管理软件来执行，旨在提升系统的使用性、稳定性与维护容易性[2]。
2.3优势
（1）可扩展性
超级融合框架具备伸缩自如的处理能力和成比例增长的基本构造，其资源池依工作量动态调节分配，既维持了恒定的效能，同时也减轻了应用程序负荷的压力。
（2）数据服务
超级融合平台具备与传统磁盘阵列同等级别的数据处理能力，包括数据去重、数据压缩、数据复制及备份与恢复功能等。
（3）简单性
超级融合框架在一体化界面的支持下实现了统一的管理操作，同时简化了管理过程。各个部件均已全面集成、事先设定并通过检验，确保了系统的便捷部署、拓展性以及维护的方便性[2]。
3超融合架构应用可行性分析
3.1架构先进性
常规数据中心的构成通常以服务器联合集群存储的模式出现，这不仅涉及多种专业设备的部署，也带来了较为繁杂的维护和管理需求。面临这些传统设置的复杂性挑战，超融合架构通过使用10 GB以太网来实现系统间的数据互联，且其基础建设是建立在标准化的X86架构上的。
在超融合框架下，所有服务运行于虚拟环境之中，由此实现了对计算资源、存储空间及网络资源的集中式调控。此外，框架能力之一的水平扩容也强化了数据中心的机动性、扩展性及高效运作性，从而大幅降低成本，同时保障数据安全，极其简化了IT系统的设计复杂性[2]。
超融合架构与传统架构的比较，如表1所示。
3.2架构可靠性
在石化行业的操作系统中，数据的防护和系统结构的稳定性占据至关重要的位置。利用虚拟化技术，软件与硬件之间原有的紧密联系已被解构，软件应用不再完全依赖于单一的硬件运行平台。因此，即便硬件出现问题，软件系统仍能正常工作。通过实施多级数据安全保障措施，在虚拟化的数据保护体系中，不仅能够预防由硬件缺陷造成的数据遗失，也能防范逻辑性故障，如操作失误或病毒侵害导致关键商业数据的损失[3]。
3.3业务扩展性
传统数据中心基础架构中各组件是相互独立的，当工业控制业务系统规模需要扩展时，需要分别考虑服务器、存储、存储网络、虚拟化等组件的单独扩展，将会产生大量的操作，难以做到水平按需扩展。随着超融合基础设施的诞生，原有的传统三层网络架构被淘汰，同时也简化了基础设施的构建，加速了数据中心朝向虚拟化的演变。未来，不仅各地的设施开发仍旧具备可行性，更可能发展成为跨地域“双活三中心”的应急备份体系。这样的布局显著提升了资源利用率，有效削减了无谓的财务支出，实现了成本下降。同时，它也铺就了一个高效能、遍布广泛、稳固且高安全性的现代数据中心基础设施[3]。
4超融合架构在石油化工工控系统应用实践
4.1整体架构
整体逻辑架构如图1所示，新增4个深信服超融合认证服务器节点构建分布式集群，统一提供服务器虚拟化计算和存储资源，其中虚拟化软件为其内置的AHV，分布式存储可对超融合集群内的虚拟机提供存储资源，也可对集群外物理服务器提供存储资源。
深信服超融合群集支持以单节点方式扩展，集群无节点数限制；集群异构，可以将全闪节点、SSD和HDD混插节点以及存储节点混合在同一集群，方便运行不同类型的负载；随着用户数据增长，可以线性扩展超融合节点或只扩展存储节点；通过分层技术、数据本地化的机制提高系统性能；集群启用容量优化技术，启用压缩和删重技术，节约存储空间占用。
4.2硬件配置方案
依据对内存、储存及CPU处理能力的充分评估，以下提出的配置方案已完全符合系统所需。超融合框架之优势在于其水平及垂直方向均能依据需求迅速扩展，应对业务激增或应急状况时，能迅疾作出响应，确保业务连续性。超融合结构凭借其底层分布式系统，能够实时适应性地调节副本数目，并通过数据活跃度自动进行分层管理，这样的动态优化有效提升了整个群集的工作效率。
配置说明如下：
（1）CPU资源
采纳本次规划，将四部搭载双8核心3.6 GHz处理器的X86架构服务器纳入使用，并可能额外配置一台作为备份节点以确保系统运营的稳定性。这四个节点合起来共计拥有64个CPU核心。基于这些物理核心，按照每个物理CPU对应三个虚拟CPU（vCPU）的比例，可以配置出192个vCPU。但由于超级融合型虚拟控制单元（CVM）将占用其中的12个vCPU，因此实际可用的vCPU数量为180个。因此，工控系统能够得到按需配置的相应的vCPU数量资源。
（2）内存资源
各个节点拥有256 GB的内存容量（若考虑安全性因素，推荐额外配置一节点作为备份之用），因此，四个节点总共具备1 024 GB的内存。计入超融合软件所需的64 GB内存（每节点占用16 GB），则实际可供应用系统利用的内存量为960 GB。
（3）存储资源
各个节点都配备了两块3.84 TB容量的SSD硬盘和六块8 TB的SATA HDD硬盘，并另外搭载了两块备用的冷数据存储盘。若额外增设一个节点以实现数据冗余，将更加有利于数据安全性的提升。利用SSD的高速缓存功能，可显著增强I/O处理效率。出于此目的，在每一个节点安装两个内嵌式的SSD用于运行操作系统。同时，利用8个6 TB的SATA硬盘扩充储存空间。在系统默认的双备份机制下，192 TB的原始总容量可以通过四个节点来共同实现，这四个节点的实际可用存储空间是90 TB。若开启诸如数据压缩和重复数据删除的存储优化技术，实际可用存储量能够达到96 TB。
4.3超融合技术特点研究
4.3.1软件定义的智能化
实施关键处理逻辑无需再依赖特定设计的硬件（如ASIC/FPGA等），如今可以通过在标准化的、可商品化的硬件平台上运行软件来达成。软件定义智能化是指用软件手段替代以往的专用硬件，完成诸如RAID、数据去重、数据压缩等传统存储逻辑的任务。这一过程是在Nutanix平台标准x86硬件上运行的控制虚拟机（controller virtual machine，CVM）中进行的，实质上是将核心功能从定制硬件迁移至商用硬件，并通过软件实现其功能。这样做有如下好处：（1）快速的版本迭代周期；（2）消除了专有硬件的依赖；（3）利用通用商业硬件提高经济效益；（4）使用期限内的投资保护。
4.3.2分布式自治系统
分布式自治系统逻辑架构如图2所示。
分散式自主管理系统能够构建一套彻底地去中心化架构。此种架构转变了以往单点集中式的事务处理方式，使得业务能在群集中的众多节点间进行分散式处理。从传统视角出发，假定硬件设备是可信赖的在一定程度上并不失为一种合理的推断。然而，分散式系统的主导思想是认为硬件迟早会发生故障，其关键在于如何简洁且连续不断地应对这些失败情况。设计这类系统的目标就在于调节并修正问题，以实现自我修复和自治的特性。一旦出现组件失效，系统会自动地处理和修复故障，确保系统依旧能够按既定预期工作。尽管会通知用户发现的问题，却不会将其突出为紧急状况，所有的修复动作（比如替换一个不工作的节点）均能依照预设的方案自动完成。另一种方法是不采用替换而是重构，如若主节点出现问题，系统将选出一个新的主节点，并采用MapReduce机制来重新分配任务[3]。
其好处在于：（1）单点故障被消除；（2）通过分布式业务负载，性能瓶颈被消除。
其最大意义在于：（1）系统中的全部节点都会分配到职责和角色；（2）当需要新的主数据节点时，将通过投票制度来选出；（3）分布式任务处理通过MapReduce等机制来执行。
4.3.3可扩展的分布式元数据
在超融合的分布式存储框架（NDSF）内，某些关键架构确保了即使在数据量极大的情况下，NDSF的可靠性也不会受到影响。而对文件系统和存储阵列而言，元数据（metadata）扮演着极为关键的角色，它是任何智能系统不可或缺的核心部分。（1）必须100%时间里都是正确的（称为“强一致性”)；（2）确保严格按照ACID规范操作，这包括了维持事务的四个基本属性：原子性、一致性、隔离性和持久性；（3）必须具有无限扩展性；（4）必须没有任何扩展性上的瓶颈(必须是线性扩展)。
采用键值对形式、“环形”拓扑的分散式数据仓库用以维护关键的元数据及其他关联平台信息（比如统计数据等），这样的系统被称作NDSF。通过运用复制因子（RF）机制，增加了元数据的备份量和可使用性。对“环”内的每次元数据的写入或更新操作，都将有另一节点记录下来，并且这些数据将会被复制至其他n个节点（节点的数量n取决于集群规模）。Paxos算法的严格一致性保障机制会在集群中获得多数节点的同意，来确保新的信息与已有信息保持一致，由此来维护Nutanix平台数据的严格一致性以及作为平台组成部分的元数据存储。
如图3所示，在由四个节点组成的集群中，进行了元数据的添加与修改操作。
在NDSF的元数据存储系统中，当系统扩张新增节点时，确保性能不下降是至关重要的环节。与常规的对等或主备模式不同，系统内每一节点独立肩负着群集中一部分元数据的责任，这样做不但有效避开了传统架构的性能局限，还使得元数据得到了全体节点的联合管理。此外，系统采纳了“一致性散列算法（consistent hashing）”，旨在节点数量变动时能够最大程度降低需要重定位的元数据量。例如，当节点数量由4增加到8时，新添入的节点能够顺利地插入到现有节点中，从而确保了系统的整体可靠性不受影响[3]。
4.3.4数据本地化
超级融合架构中性能的核心在于输入/输出操作及数据的本地处理。无论是写入还是读取操作，均由虚拟机所在节点上的本地CVM来负责响应和处理。这些CVM及其管理的本地磁盘阵列负责为虚拟机提供所需的数据服务。处于同一节点的虚拟机将由对应的本地CVM来提供数据服务。而当虚拟机从一个节点迁移到另一个节点（或者执行HA高可用性切换）且需要访问原节点CVM中的旧数据时，输入/输出请求会被本地CVM重定向到目的CVM。此外，当输入/输出请求发生在非本地节点时，分布式文件系统会进行识别，并将数据从后台无感地迁移到当前节点，这样就能从本地节点提供读取服务。数据迁移仅在读取请求发生时执行，大大减轻了网络的负载压力[3]。超融合数据本地化存储架构如图4所示。
4.3.5统一数据存储
对于虚拟机和数据库需要使用共享SAN存储作为支撑，基于传统架构的设计存在数据分散、数据孤岛和架构孤岛，通过新一代超融合所构建的基础架构，可提供基于SMB、NFS协议的文件系统、基于iscsi的块存储、基于S3协议的对象存储，可使用单一架构实现数据的统一存储管理和数据保护。这样可以有效地提升工控系统的数据调用效率，同时大大降低了数据损坏的概率[4]。超融合系统数据动态均衡机制如图5所示。
4.4应用迁移
按照当前利旧服务器折旧周期，逐步迁移到超融合基础架构。实现从VMware虚拟化到超融合基础架构的迁移。整个迁移过程可对源虚拟机进行持续的数据写入，以增量的方式逐步进行数据的异步复制，可在正常运行业务时进行业务的迁移，最后切换时需要安排VM停机窗口，实现从源平台到新平台的Cutover切换[4]。
4.4.1应用效果
(1)计算和存储资源瓶颈被打破，架构扁平化。借助超融合解决方案，打破原有三层架构的束缚，实现基础架构的扁平化。
(2)本地存储化。在超融合框架下，持久化的数据储存与本地存储能实现较少延时，且单一服务器不必依赖网络完成存储及计算作业。
(3)SSD的优良性能可以被充分利用。随着固态闪存在存储体系中逐渐成为常态，存储网络带来的延迟问题也愈发显著，进而转变为性能瓶颈。相对而言，超融合体系结构采纳数据层次化技术，能够有效发挥固态硬盘的高速性能，从而增强输入/输出的处理效率。
(4)集群系统能够得到极大扩展。随着节点的增加，性能和容量同样增加，软件定义存储的顽健性可以轻松扩容至几十或上百个节点，形成一个相当庞大的集群系统。
(5)减少供应商，对有限的平台进行管理。集成式的储存装置与服务主机有助于减少多样化的设备型号和减少厂商数量，通过对少数供应商和有限的系统平台进行有效管理，可有效减少运营维护所需的人力资源及开支。
(6)按需采购，减少资源的浪费。在执行该计划时，选择一站式购置，在未来三到五年内无需再次考虑购买需求，所获取的设备应略超过目前所需水平，这样做可极为有效地减少数据中心及用电资源的无谓损耗，并能大幅减少开销[5]。
4.5业内实践
4.5.1某石化集团建设实践
某石化集团有限公司是中国500强企业，长期以来业务增长而逐年采购服务器，每年投入大，上线周期长，数据备份和业务连续性建设不完善，业务中断风险不断积累。
通过选用超融合架构实现容灾数据中心建设，采购了多台服务器配合超融合软件，构建计算资源池、存储资源池和网络资源池，同时通过P2V的方式将公司所有业务系统（含Oracle数据库）迁移到新的平台当中，最终降低了40%的硬件投入成本，业务上线时间减少了50%，节省了60%运维工作量。
4.5.2某控股集团建设实践
某控股集团是中国500强企业，面临IT资源分散、业务系统各自为政、资源存在大量的重复浪费、数据孤岛与业务协同困难等问题，虚拟化环境安全缺乏，无法为企业业务长远发展助力。
通过实施以软件为中心的融合式基建方案，逐渐实现业务系统的云端化进阶，构建专属云服务平台。此外，实施综合性的云端管理策略，便捷实施边缘分支与总部的分散式治理架构；在安全性方面围绕应用构建一个四维加一纵深防护系统，综合成本实现20%的削减效益。尤其在业务对数据存储的性能和容量要求提升时，该融合式框架的成本效益得到进一步凸显。
4.5.3某化工有限公司建设实践
某化工股份有限公司属于一家规模庞大的跨国化学工业企业集团。伴随信息技术建设的不断推进，其IT基础设施日益复杂且易受损，同时企业的机房服务器作为业务系统的支撑，也开始陈旧失效。原有的物理系统架构结合部分Hyper-V虚拟环境已不足以胜任业务性能的提升需求，因此企业开始寻求采用超融合系统架构方案，以期达到全面的技术提升。
采用旧有服务器进行更新改进，并在其上部署了超级融合软件，以此来支撑现行的客户关系管理系统、网站及其他多项综合管理系统，使几十个应用得以运行。该过程中实现了CPU、内存、硬盘等硬件资源的融合、概括和虚拟化处理，打造成一个综合性计算、存储、网络资源集成的共享池，从而满足各项业务系统对IT基础设施资源的需求。
5结语
当前IT的两大重要趋势在超融合架构中得到了满足，在石油化工行业、油气管道行业不仅可以降本增效，还因其领先的技术、可靠的稳定性得到广泛应用。目前，实现成本最低、构建速度最快并且面向软件定义基础架构的途径之一，在于采用具有显著性能及更高灵活性和扩展能力的融合架构，其在石化及油气输送行业的工业控制系统中显著提升了信息技术资源的使用效率。
参考文献：
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[2]CHATTERJEE R.Red hat hyper converged infrastructure[M].Berkeley:Apress,2020.
[3]包宇,范文一,操明立.超融合云数据中心架构解析[J].邮电设计技术,2017(6):83-85.
[4]孙月月.基于超融合架构的云平台访问控制系统的设计与实现[D].北京：北京邮电大学,2021.
[5]钱朝阳,陆明胜.浅谈超融合基础架构[J].数字技术与应用,2016(9):216-217,220.
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