VMware SDS 之三：VSAN的体系结构（含VSAN 6.0、6.1版的新内容）

搭建一个VSAN集群（也可称为群集），至少要三个服务器节点（也即ESXi主机），其中两个主机存放副本，剩下一个主机存放“见证”（也即Witness，充当仲裁）组件，这样可以允许最多一个主机出故障，同时确保虚机无中断地持续运行（有时需要结合vSphere HA进行重启）。不过在VSAN 6.1新增的一个特性，也即远程分支办公室的场景下，Witness不一定要放在一台真实的物理服务器上，可以存放在ESXi虚机上，后面会有详细描述。注意，本文后面提到的副本（Replicas)数，就是包含原件和镜像在内的所有的数量，也就是说，n个副本意味着总共n份数据。

需要注意的是，尽管VSAN完全支持3个主机的配置，但如果可行，建议至少4个主机。这是因为，只有3个主机的VSAN集群，在发生故障时，有些情况下，VSAN无法在群集中的其他主机上重新构建（Rebuild）组件（Components）来允许另一次故障。同样，在3个主机配置下，VSAN不能在维护模式（Maintenance Mode）期间从主机迁移所有数据。

而4个主机的VSAN群集可以提供更高的灵活性。VSAN集群最多时可以支持64个主机。每台为VSAN提供存储资源的主机至少有一个SSD，及一个HDD。每台主机至少6GB内存。

下面我们依次介绍VSAN的配置、磁盘组、vsanDatastore、对象、组件和网络。

1. VSAN的两种配置�混合与全闪存

截止目前，VSAN最新的版本是6.1，是2015年9月发布的，对应的vSphere版本是ESXi6.0 Update 1。

VSAN 6.0以后，包含两种配置：

（1）混合配置（Hybrid）：缓存层为SSD，持久化层（也称为容量层）为HDD（机械磁盘）；

（2）全闪存配置（AllFlash）：缓存层和持久化层都是SSD；一般选取速度更快、耐久性更好的写密集型SSD做为缓存层；选取成本更低、容量更大的读密集型SSD做为持久化层。

需要注意的是，当我们计算存储容量时，只能计算持久化层的存储。缓存层只是用来做性能加速的。下图展现了混合配置下的VSAN体系结构图。

 

混合配置和全闪存配置都建议将“10% 的已占用容量”用于缓存层；然后再考虑NumberOfFailuresToTolerate（最大允许的故障数）。例如，用户计划置备 1000个虚拟机，每个虚拟机有 100GB 精简置备的逻辑地址空间。然而，他们预计一段时间内，每虚拟机占用的存储容量平均为20GB。这样，已占用容量就是按照20GB计算，此时20GBx1000x10%=2TB。而不是4TB（即便有两份副本）。需要注意的是，这个10%不是硬性要求的，主要还是取决于需要被缓存提速的那部分活跃数据有多少。

在混合配置中，缓存算法会尝试最大限度提高读写性能。缓存的70%为读缓存，用于存储频繁读取的磁盘块，从而最大限度减少对速度缓慢的磁盘的访问。缓存的30%为写缓存，用于执行写入操作，每个IO会先写入缓存层，再批量写入持久化层。如果可行，系统会合并多个写操作，并按顺序写入，从而再次最大限度提高磁盘性能。

在全闪存配置中，100% 的缓存都分配给写入操作，因为持久化层的SSD（固态硬盘）提供的读取性能绰绰有余。大量写入操作保存在缓存中，仅在需要时写入持久化层的SSD，从而延长持久化层的寿命。经常在写缓存里访问的热数据仍然留在缓存里，而很少被访问的冷数据就Destage（刷）到持久化层的SSD里。

混合配置下，强烈推荐使用支持直通（Pass-Through）模式的磁盘控制器。如果现有的磁盘控制器不支持直通模式，才考虑使用RAID-0，但需要注意的是，采用RAID-0配置HDD后，如果HDD出故障需要更换时，操作较为复杂，需要重新配置RAID-0。采用直通模式时，只需简单地插入新盘。

2. VSAN的磁盘组- DiskGroup

磁盘组是一组盘，每个磁盘组包含1个SSD做为缓存层，1~7个HDD或者SSD做为持久化层。缓存层的SSD为同一个磁盘组内的持久化层盘***能加速。磁盘组这种设计，在混合配置下，同时兼顾了性能和容量。

 

VSAN集群中，允许某些主机不提供存储资源，但一般不建议这么做。每个主机最多支持5个磁盘组。如果希望每个主机使用多块SSD，就需要创建多个磁盘组。一般而言，用于缓存层SSD的容量相对于持久化层的比率越高，能够用于IO加速的缓存就越多，性能就更有保障。

在vmware官网发布的《VMware Virtual SAN 6.0Performance - Scalability and Best Practices》白皮书中，我们可以了解到，测试的配置是：每个主机有两个LSIMegaRAID SAS控制器，每个控制器对应一个磁盘组，每个磁盘组配置1块400GB Intel S3700 SSD和4块900GB 1万转的SAS。测试的结果是，从4个到64个主机的不同集群里：

（1）4K大小IO，随机，100%读的时候，64个主机能达到740万IOPS（平均每个主机11.56万IOPS，每个主机的每个磁盘组为5.78万IOPS）；

（2）4K大小IO，随机，混合读写（70%读30%写，模拟OLTP应用）的时候，64个主机能达到200多万IOPS（平均每个主机3.1万IOPS，每个主机的每个磁盘组为1.55万IOPS）；

可以看出，在下图中，两个磁盘组相对于一个磁盘组，性能几乎线性增长。

 

在《VMware Virtual SAN 6.0 Design and Sizing Guide》白皮书里提到，VMware建议VSAN集群内的每个主机使用多个磁盘组。不仅是为了可能提高性能，同时也为了减小故障域。因为每个磁盘组的缓存层SSD只会影响该SSD所在的磁盘组的持久化盘，不影响同一主机的其他磁盘组。

如果 3 节点群集中每个主机只有一个磁盘组，当其中一个闪存缓存设备发生故障时，将无处重新构建磁盘组中的组件。

然而，如果每个主机有多个磁盘组，而且在某个闪存缓存设备发生故障时其他磁盘组中有充足的容量，VSAN将能够在剩余磁盘组中重新构建受影响的组件。这是在计划部署 3 节点 VSAN 群集时另一个需要注意的事项。

3. VSAN的存储池-vsanDatastore

VSAN聚合了集群内的SSD和HDD，形成一个共享的存储池，也即vsanDatastore被vSphere集群使用。这个vsanDatastore可以随着主机、磁盘组或盘的增减，动态地在线地扩大或缩小。这为业务（虚机）的弹性扩展奠定了坚实的基础。下图就是3个主机扩展为4个主机后的vsanDatastore，从4.86TB动态地在线地扩大为6.48 TB。

我们知道，以往的传统存储划分LUN给vSphere，做完VMFS格式化后，形成的datastore大小基本都是固定的，随着业务规模的变化，存储容量所需的在线调整很难实现，也即扩大和缩小比较复杂。

VSAN不仅支持分布式存储的在线横向扩展（Scale Out），也支持纵向扩展（Scale Up）。通过增加主机，提供存储容量的vsanDatastore可以在线扩大，同时整体的性能也线性增长。通过添加磁盘组，或者增加HDD，也可使得vsanDatastore得到在线扩大，这种在线的纵向扩展无需增加新主机，从而避免了计算资源的浪费。VSAN也支持在线移除磁盘组（建议先设置成维护模式- Maintenance Mode，虽然这不是必须），或者在剩余空间足够的情况下，移除SSD或HDD。下图可以查看到，VSAN提供了直观的图形界面，进行磁盘组或盘的添加或移除。这位用户对VSAN存储管理和维护，提供了极大的灵活性和便利。也为在线调整存储的空间和性能，奠定了坚实的基础。例如，通过增加SSD和磁盘组，或者通过依次将主机设置成维护模式，将主机的SASSSD更换成NVMe SSD（一种PCIe SSD），或者更换成UltraDIMM SSD（插在内存槽上的SSD），实现业务不停顿的情况下，来在线提升性能。

 

4. VSAN的对象�Object

需要清楚的是，VSAN不是分布式文件系统，是分布式对象存储系统。VSAN的对象，是指符合SCSI语义的单个存储块设备。从概念上讲，也可以被视为“卷”（Volume），即 Amazon EC2 和 OpenStack 中使用的术语。VSAN的对象取代原来传统存储中的LUN，成为VSAN的主要存储单元。VSAN的对象是带有叶子的RAID树。如下图所示，这是一颗副本数为2（也即最大允许故障数FTT=1），条带数（也即副本横跨的盘数）为2的RAID树，是一个VMDK对象。

在vsanDatastore上，虚拟机有5种不同类型的对象，每个虚拟机都是由这些对象的部分组合而成。如下图所示，这些对象是：

VM Home（虚拟机主页），或称“名字空间目录"；

VM swap（交换文件对象），如果虚机处于开机状态；

VMDK（虚拟磁盘），VSAN 5.5时，最大2TB，而VSAN 6.0时最大62TB；

Snapshots（快照），也即增量盘，建立快照之后每个对象都有；

Memory（vmem，虚拟机内存文件），VSAN5.5时，当快照创建时，虚拟机内存以文件形式存放在VM Home里。而在VSAN 6.0时，虚拟机内存在vsanDatastore里实例化为独立的对象。

5. VSAN的组件� Components(含Witness)

组件是对象的RAID树上的叶子，分布在VSAN集群中的各个主机上。其实，组件是按照两种主要的技术分布的：Striping（条带），即RAID 0；和Mirroring（镜像），即RAID 1。注意，RAID的构成和组件的分布取决于最初创建的存储策略。下图是副本为2，条带为2的组件分布情况。

 

每个组件都是存放在一个特定的“缓存层（SSD）+持久化层（如HDD）"的组合上，也即磁盘组上。组件如同对象一样，是一个逻辑概念。以混合配置为例，组件所对应的真实数据，最终都是要落到HDD的。不过，某一时刻，应用对它的读写发生在SSD，还是HDD，取决于写数据时，SSD的数据是否Destage（刷）到HDD上。或者读数据时，是否从HDD复制到了SSD。主机的组件不仅包括开机状态下，还包括处于关机状态下的虚拟机的组件。

VSAN5.5 目前支持每台主机最多包含 3000 个组件，VSAN 6.0可达9000个组件。

容量大于255GB的对象会自动被分为多个组件。我们知道，VSAN6.0 现在支持 62TB 的VMDK。然而，考虑到VSAN集群支持的最大组件数，需要谨慎衡量应用程序是否真的需要这么大的VMDK。以单个62TBD VMDK为例，假设副本数为2时，按照255GB拆分，需要消耗约500个组件。

此外，如果设定的每个对象的条带数超过默认值 1，则每个条带将计为一个单独的组件。

简而言之，条带即组件。

为了方便管理员详细的了解VMDK对象各个组件的分布位置，VMware提供了vSphere Web Client图形界面，可以清晰直观地查看对象的构成和组件的分布。

 

需要注意的是，无论组件如何分布，为了确保可用性，VSAN绝不会让不同的副本（镜像）组件共用同一台主机。

在VSAN 5.5中创建的每个组件，元数据会占用额外的2MB空间，此时磁盘格式为1.0，对应的磁盘文件系统是VMFS-L。而在VSAN 6.0中，如果在磁盘格式 2.0（对应的磁盘文件系统为VSAN FS）的持久化层上构建组件，则会占用额外的4MB空间。

介绍Witness（见证）

在前面第4节-VSAN的对象的第一个图里，我们还可以看到，在组件中，有一个非常特殊的组件是Witness（见证），它只包含元数据，不给虚拟机提供存储空间，不包含任何实际应用程序数据。见证组件和其他组件必须位于不同的主机上。

在磁盘格式1.0时，见证约占2MB空间；在磁盘格式2.0时则为4MB。它做为必要的仲裁对象，在VSAN集群出现故障，尤其是脑裂时，用来辅助判断哪个分区可用。在VSAN5.5时，哪个分区的组件数超过50%，就决定哪个分区是可用的。

在 VSAN 6.0 中，仲裁计算方式已经改变。规则不再是“50%以上的组件”。相反，在 6.0 中，每个组件都有许多votes（投票），可以是 1 票或更多票。仲裁根据“需要 50% 以上的votes”这一规则计算。这就存在一种可能，也就是即便不使用Witness，组件分布方式依然能让 VSAN 保证容许故障数。然而，在VSAN6.0 中，许多对象依然有Witness，例如VM Home仍然使用Witness。

另外，在VSAN 6.1后，Witness做为见证，不仅可以运行在物理的ESXi主机上，还可以运行在第三个站点的虚拟机上，或者运行在公有云上，例如，在条件具备的情况下，也可以运行在天翼混合云、或vCloud Air、AWS、Azure、阿里云等公有云上。VMware已经准备好了特殊的Witness虚拟设备- VirtualSAN Witness Appliance 6.1 的OVA文件。其实就是装有ESXi的虚机。这为VSAN 6.1新特性中的两个，也即（1）VSAN支持存储双活（Stretched Cluster）和（2）VSAN支持两个主机的VSAN集群（用于ROBO- 远程或分支办公室）提供了灵活性，也节省了成本。

6. VSAN的网络�Network

VSAN 6.0对网络的要求如图所示。

 

在已启用巨型帧的数据中心里，才建议将巨型帧用于VSAN的网络部署。因为VMware测试发现，使用巨型帧可以降低CPU利用率，增加吞吐量，然而，这两项优势带来的收益并不大，因为vShpere 已经使用 TCP 分段卸载（TSO）和大型接收卸载（LRO）带来了类似的优势。

VSAN可以将多个网络接口聚合在一起使用，以实现网络的高可用，如果一个网口发生故障，另一个将接管通信。

VSAN 同时支持 VDS和VSS。

全闪存配置下，VSAN必须使用万兆网口。混合配置下，虽然千兆（1Gbps）网口也能支持VSAN，但最佳实践是建议使用万兆（10Gbps）网口。如果使用万兆网口，该网口可以与其他类型的网络流量共享，例如 vMotion。如果在多个类型流量之间共享万兆网口，则建议使用NIOC（Network I/O Control），用来阻止一种类型流量占用所有带宽。NIOC 要求使用分布式交换机（VDS），NIOC在标准交换机（VSS）上不可用。不过，VMware会在含有VSAN的每个vSphere版本，都提供 VDS。这意味着，无论部署哪个版本，都可以配置 NIOC。

VSAN和其他vSphere类型的流量可以使用NIOC的份额（Shares）设置不同的QoS目标。下图中的vMotion流量是一个例子，其他vSphere类型的流量，如FT，iSCSI，管理，容灾，NFS，以及虚机的流量都是类似的。

VMware SDS系列，未完待续……，欢迎持续关注。

本篇文章参考了《VSAN权威指南》、VMware官方网站和VSAN 6.0 Design and Sizing Guide等文章，并得到了徐炯的帮助。在此一并致谢。