微软数据中心与SDDC漫谈

1 微软数据中心建设之道

微软在数据中心业务领域一直扮演改革者和先驱者的角色。目前微软自有业务和公有云数据中心在全球已经超过30个，物理服务器数量超过百万之巨，为全球广大客户提供Microsoft Azure、Office 365、Bing、Xbox Live、Skype、SkyDrive、Outlook邮箱等上百种主流云服务，微软已成为世界最顶级的数据中心运营商之一和云服务提供商之一。这些数据中心不是一朝一夕建成的，而是耗时二十多年，历经四代的优化和创新而发展起来的，每座数据中心都堪称“高大上”，不仅规模庞大，稳定可靠，而且设计优良，更是节能先锋，在数据中心建设方面首屈一指，引领潮流。

微软从1989年开始着手建立自己的数据中心，因为那时的数据量并不大，微软相应的第一代数据中心规模也并不大，数据中心设计也鲜有创新，但是微软仍然坚持数据中心为战略性投资，以支撑微软在数据中心不断增长的服务。2007年微软在昆西建设的第二代数据中心彰显着微软加速向超级数据中心发展的策略，让微软加速跑进百万服务器俱乐部。昆西数据中心是微软第一个第二代数据中心，占地70 000多平方米，规模堪比10个足球场，为业界树立了数据中心新的标准。第二代数据中心追求的是高密度计算、稳定、安全和节能。该数据中心坐落在瓦纳普姆水电站旁边，充分享受着水力发电的便利和清洁能源的环保，并同时引进水冷辅助数据中心降温。通过高密度部署和综合降温方式，微软第二代数据中心的能耗PUE（Power Usage Effectiveness，能源效率指标）为1.5，在当时业界处于绝对领先的水平。

微软在第二代数据中心建设的基础上，使用模块化建设，同等规模数据中心建设周期大为缩短。2009年，微软在芝加哥建成第一个第三代数据中心。芝加哥第三代数据中心使用集装箱模块存放物理服务器，服务器是定制的，设计成1U高和标准宽度一半的尺寸，每个集装箱容纳的物理服务器达到2400台之多。这些内置了高密度服务器的集装箱沉重但是不笨重，集装箱拉到数据中心后，可通过导轨轻松移动就位，只要将水电网模块接入就位的集装箱即可实现快速的组装。我们可以从图1所示看到芝加哥数据中心的缩影。

图1　微软芝加哥第三代数据中心

芝加哥第三代数据中心更加环保，该数据中心采用了大型的冷水机组，布置的冷却水管长度达到12公里，PUE达到1.25，在绿色数据中心道路上迈出了关键的一步，为行业所称赞。

不仅于此，微软数据中心发展之路并未停止，2010年在都柏林建成的第四代数据中心，具有划时代的意义。第四代数据中心采用了IT-PAC（IT Pre-Assembled Component，IT预装配件）模块，将UPS、配电设备和服务器设备配置成不同的集装箱模块，在数据中心进行快速的组装，使得同规模数据中心的部署周期缩减到之前的一半。更值得一提的是，借助都柏林地理位置和气候的优势，位于都柏林的第四代数据中心采用天然冷气辅助降温，整个数据中心环绕着冷气管道，管道深入到集装箱内部，将从外部抽进来的冷空气输送到各个IT-PAC模块。都柏林数据中心规模庞大，号称服务器农场，但PUE却仅为1.15，是真正的绿色IT数据中心。微软都柏林数据中心也一改以往人们对数据中心高碳排放的负面印象，并于2010年问鼎欧洲最佳数据中心的称号，树立了数据中心新的里程碑。我们可以从图2所示看到都柏林数据中心的缩影。

图2　微软都柏林第四代数据中心

微软还在不断扩张数据中心的规模和优化数据中心的设计，面对这些恢宏的数据中心，微软并没有采用人海战术来管理，而是使用先进的技术和流程有条不紊地管理着这些服务器，数以百万计的服务器由微软全球基础服务（Global Foundation Service，GFS）集中远程监控。虽然芝加哥数据中心的服务器超过了10万台，但是数据中心现场包括安防人员也只不过三四十号人。

微软这些大型的数据中心及其服务器通过高速的网络为全球用户提供海量的计算和存储，不论是Microsoft Azure和Office 365这些企业级的云服务，还是Outlook邮箱和Xbox Live这些消费级服务，访问量和使用量都已达到上亿甚至十亿以上级别，并处于一个不断上升的过程。正如微软数据中心业务总经理凯文蒂蒙斯所说，身处数据中心听到的“嗡嗡”的轰鸣声正是互联网心跳的声音。

2　微软混合云之路

人们对混合云（Hybrid Cloud）的定义层出不穷，在笔者看来，混合云并不是什么新技术，而是一种由公有云和私有云组合成的新的表现形式。类似于现在国家重点发展的油电混合动力汽车，电动机动力不是全新的技术，内燃机动力也由来已久，二者形成新的动力组合，混合云也通过整合了私有云和公有云各自的优势资源组成新的云的形式。就像现在汽车混合动力技术发展了清洁燃料和太阳能能源技术一样，公有云也衍生了社区云、园区云和托管云等规模稍小的公有云。为了界限清晰地讲述混合云，我们暂且把社区云、园区云和托管云统统归为公有云。本质上，混合云的实现是混合必要的IT资源，每个用户的混合云都有不同的资源混合比，按照不同的资源混合比，笔者将混合云分为如下几类。

• 轻度混合云。轻度混合云具体表现为，用户自己建立了自己的SDDC数据中心运行企业主要的业务系统，这类业务的系统和数据完全由企业自己掌控；将部分业务系统部署在公有云，客户部署在自己的私有云和公有云的系统并没有数据和消息的交换和移动，但是实现了将私有云/公有云数据离线灾难备份到公有云/私有云。轻度混合云除了可以借力公有云的各项优势，还可以使用公有云的PaaS和SaaS得天独厚的资源，比如使用微软公司Azure的IoT Hub、移动服务、Hadoop、媒体服务、机器学习等用于测试和生产。轻度混合云可以使用统一的管理接口实现特定公有云和私有云的统一管理，比如统一的视图和基本的启停操作。

• 中度混合云。中度混合云具体表现为，用户自己建立了自己的SDDC数据中心运行企业部分业务系统，并且将部分业务系统部署在公有云，用户将自己的SDDC数据中心网络和自己在公有云的私有虚拟网络通过S2S VPN隧道连接起来，让客户部署在自己的私有云和公有云的系统实现无缝的数据和消息的交换和移动。比方说将业务系统的前端和后端分别部署到公有云和私有云，并同步实现了将私有云/公有云数据在线异步灾备到公有云/私有云。但是受到Internet带宽这个硬条件的限制，在中国内地，实现大量数据和消息的交换和移动的实时性并不理想，对于一些轻量级数据和消息的应用还是可以期待的。中度混合云可以使用统一的管理接口实现特定公有云和私有云的统一管理。

• 高度混合云。高度混合云具体表现为，在中度混合云基础之上，实现更为统一和自动化的管理，包括统一管理不同的公有云，实现全面的监控。更重要的是，私有云和公有云实现了共享类似的框架和广泛的开发语言，开发的应用可以统一部署到私有云和公有云，虚拟机可以按需迁移，形成一个融合贯通的结构。对于客户来说，无论业务运行在哪个位置，都是一样的，在他们看来是“One Cloud”。

高度混合云目前还是个理想的目标，但是现在已经有客户进入轻度混合云阶段，并向中度混合云迈进。纵观整个行业，数据中心的形式也是混合存在的，包括传统、私有云、公有云，而且这种形式会存在相当长一段时间并且呈现类似于正态分布的形态，如图3所示。对于每一个已经运营自有数据中心多年的客户来说，不需要制定100%上云的目标，而是混合传统、私有云、公有云3种形式，并以渐进式的变化达到类似于正态分布的形态。

图3　传统、私有云、公有云正态分布形态

混合云是微软不懈追求的目标，微软已经提供了我们早已熟悉的混合云服务，包括Office 365和On-premise Office服务（邮件、协作和Office程序）以及Dynamic CRM Online和On-premise Dynamic CRM等服务。几年前，微软提出了Cloud OS的概念，在形式上看，Cloud OS不是一个具体的Windows或者Linux操作系统，它超越了System OS，System OS只能实现服务器的管理，而Cloud OS管理的最小量级是数据中心，Cloud OS负责组建数据中心的网络、存储、计算和应用。Cloud OS和SDDC理念高度一致，Cloud OS兼顾了私有云、公有云、服务商云3种形式，微软SDDC和其他厂家的SDDC所不同的是，Cloud OS目标在于构建混合且一致的云平台，将用于微软自己公有云里的技术框架和设计思路传承到私有云和服务商云，如图4所示。微软在建设大型数据中心的过程中积累了丰富的SDDC经验和完善的PaaS及SaaS服务，Cloud OS的重点在于指导基础结构的建设。Cloud OS指导包含了来自微软公有云的直接的技术传承，比如用于Azure的虚拟化和SDN技术，SDS技术以及云门户、云资源框架（Windows Azure Pack和Microsoft Azure Stack）等；也包含了数据中心的设计思想，比如高可用设计、Spine-Leaf（叶脊）组网结构、故障域设计等；同时辅助以一致的开发接口和UI风格传承，从内到外，从使用体验到界面都保持着高度的一致。

图4　Cloud OS一致的平台

Cloud OS将微软公有云技术、框架、开发接口和UI风格传承到服务商云和私有云，但这只完成了混合云的第一步，在这一步，仅能实现轻度混合云。微软的混合云还不仅于此，微软公司内部通过SDN技术BYON（Bring Your Own Network，自带网络上云），让用户在上云的过程中更方便。只要在Microsoft Azure里定义好虚拟子网，虚机便可从客户自己的数据中心迁移到Microsoft Azure，并仍然保留着原来的IP地址，减少了迁移的设计和准备工作量。同时，Microsoft Azure SDN技术包含了HNV网关（Hyper-V Network Virtualization，简称为HNV，本文中HNV和Hyper-V网络虚拟化是同一个意思），用于提供S2S VPN服务，让客户数据中心通过S2S VPN隧道和自己在Microsoft Azure里的虚拟子网互通。连接客户自己数据中心和Auzre数据中心VPN隧道是实现中度混合云的基础，同时让混合云的管理也变得更加直接。Cloud OS能将技术传承复制到服务商云和私有云，意味着客户私有云和服务商云同样能依靠S2S VPN隧道连通，因此在Cloud OS技术体系里构建的混合云画像也变得更加完整。如果不存在异构平台，不考虑网络带宽的问题，Cloud OS构建的混合云已经非常接近高度混合云了。

3　微软SDDC发展之计

打开电脑，你会发现软件正在“统治”着世界，数据中心也不能例外，随着数据中心的规模越来越大，网络越来越复杂，存储量越来越膨胀，应用可用度要求越来越高，无论是云服务器提供商还是企业用户，对SDDC的青睐日益明显。微软在某些新技术领域属于倡导者，大家可能并不熟悉，最早的并被广泛认可的SDN组织ONF（Open Networking Foundation）就是由微软、谷歌和Facebook联合发起的，ONF用于定义SDN标准和推动SDN的产业化，由此可见微软在SDN的积极性。微软在SDDC概念被提出来之前，便提出了数据中心转型（Transform the Datacenter）的构想，并同时提出了Cloud OS云操作系统的概念。数据中心转型和SDDC的目标和技术实现如出一辙，微软长期实践着“Transform the Datacenter”的目标，微软众多庞大的数据中心“硬朗”的外表里通过云操作系统植入了SDDC这颗“柔软的芯”。数据中心设计理念和思路在不断更新迭代，所使用的软件技术也不断推陈出新。微软不仅自身在实践着数据中心转型的目标，还希望将目标带给客户。20年磨一剑，Windows Server锻造出了很好的数据中心基因，尤其在基础架构层面的影响力，我们可以从活动目录谈起，从文件服务器谈起，从Windows Server所支持的具有庞大用户群的Exchange Server和SQL Server谈起……总之，在x86市场占有绝对优势的Windows Server一直默默耕耘，紧跟技术发展趋势，Windows Server 2008实现了软件定义计算（服务器虚拟化）的从0到1，Windows Server 2012实现了SDS和SDN的从无到有，Windows Server 2016则初步实现了容器技术。

在SDDC的时代，百家争鸣，技术各有所长，然而技术本身都有相通性，我们可以从别人那里看到自己的影子。Windows Server也完成了几次华丽的转身，Windows Server作为构成云计算浪潮的一部分，服务器虚拟化对传统物理服务器的冲击非常明显，Hyper-V作为微软SDDC的当家者，随着Windows Server 2008发布首度进入虚拟化领域到现在，技术越来越全面，越来越成熟，赢得了越来越多的客户的青睐。

微软Hyper-V不断发力，依靠成熟的功能和完善的技术获得了不错的反响。微软虚拟化表现得怎么样呢？我们不妨用Gartner报告进行简单的分析，Windows Server 2008刚发布就备受关注，一举进入Gartner高等级象限，充分被分析师和市场所看好。Windows Server也不负众望，凭着快速的客户增长和技术的快速更新，在Windows Server 2008 R2发布不久便一个健步越到了虚拟化魔力图第一象限，在之后几年时间里不断提高市场占有率，其功能不断完善和成熟，我们不妨仔细看看图5。

图5　Gartner x86服务器虚拟化魔力象限图

2015到2016年，Windows Server服务器虚拟化凭着不俗的表现稳稳占据着Gartner魔力象限的第一象限，并且不断向第一象限更具挑战性的位置攀升。在2016年秋季发布的Gartner魔力象限里微软服务器虚拟化和VMWare的距离进一步缩小，如图6所示。

图6　Gartner 2015～2016年虚拟化魔力象限图

云时代的下一波浪潮冲击的就是存储领域，微软涉足存储领域要从Windows Storage Server谈起，Windows Storage Server主打为企业提供NAS存储，主要通过OEM的渠道提供。虽然Windows Storage Server 2003到2008 R2这几年里积累了一定数量的客户，但不愠不火的市场没有表现微软在存储方面的坚定决心。21世纪10年代SDDC的概念被提出来，传统和新兴的存储公司纷纷竖起软件定义存储的旗帜，一时热闹不已，呈现百花齐放的趋势。2012年，微软猛然发力，在Windows Server 2012引入存储空间技术，正式向业界宣布其涉足软件定义的存储领域，让很多人充满了期待。和服务器虚拟化一样，一个颠覆式的变革技术总是让人踌躇不前，一边展望着新技术带来的各种惊喜，一边对新技术的能力也抱有一定的怀疑。在Windows Server 2012发布不久，笔者加入联想并有幸参与了微软SDDC私有云项目，我们大胆地摒弃了传统的SAN存储方案，转而使用Windows Server存储空间和SMB 3.0软件定义的存储。在实践中我们体会到Windows Server SDS的灵活性，以及成本上的优势，Windows Server贯穿SDDC的堆栈，上至虚拟化，下到存储，一脉相承，让管理变得尤为简单。Windows Server 2016的发布带来了新的气象，第二代SDS继承了Windows Server 2012 SDS的功能，保留了共享SDS结构的同时兼顾分布式结构和超融合结构，如果说Windows Server 2012实现了SDS的0到1，那么Windows Server 2016正努力走在实现1到100的路上。

只要接触过Windows Server，对微软在终端网络方面的技术应该不会陌生，将Windows Server DNS和DHCP作为企业解析服务和IP地址分发服务的企业不胜枚举。而微软在这一亩三分地里一耕耘就是十几年，除了不断改善DNS和DHCP服务之外，Windows Server还在网络其他方面不断地探索——RRAS服务提供路由和VPN服务，并在RRAS基础上使用Direct Access构建无缝的VPN体验；IP地址管理（IPAM）功能，用于发现、监控、审计以及管理企业网络IP地址空间和相关基础架构服务器的框架。Windows Server除了正在不断扩展网络能力，为了完善服务器虚拟化还在和网络硬件厂家就某些技术点展开深度合作，SR-IOV，VMQ，vRSS，IPSec任务卸载、QoS等虚拟化网络加速技术正逐渐集成在服务器虚拟化里。微软在Windows Server 2012上第一次开始了SDN技术的尝试，并联合Intel、HP等公司共同开发了NVGRE Overlay隧道封装协议，结合RRAS网关技术和硬件网关技术实现了较为完整的SDN服务。Windows Server 2016 SDN使用了使用更为广泛的Overlay隧道协议——VXLAN，并同时新增了NFV投资。

可以说，SDDC是一个逐渐拿走别人奶酪的过程，拿走的不仅仅有IT硬件设备厂家的奶酪，还有传统软件厂家的奶酪，奶酪的主人要做的不是去维持现在的奶酪，而是积极地去创新，去挖掘，以适应这个不断变化的世界。Windows Server SDDC已经迈开了坚定的一步，某些模块的技术已经非常成熟，某些模块仍需要进一步提高和改进。

4　微软SDDC云落地之策

如果说云计算带来了信息时代的战国争雄的局面，那么合纵连横将是一个战略制高点，合纵连横的策略的推手就是SDDC，SDDC打破了传统数据中心软硬件各自维护自己阵营的局面。在信息时代，合纵连横的目的不是为了一家独大，而是互通有无，整合资源，形成一个完善的云生态。作为x86主流操作系统的厂家，微软最初和Intel形成了坚固的Wintel联盟，也不乏和AMD、Lenovo、HP、DELL、LSI、Broadcom等硬件厂家的深度合作。

在SDDC发展的道路上需要有更加深远的视野，在合纵方面微软的表现有：加紧和各大服务器厂家紧密协作，让Intel-VT和AMD-V技术加速Windows Server虚拟化的普及；Cisco Nexus、5Nine、NEC、InMon等网络技术厂家实现了Hyper-V虚拟交换机的扩展能力；在网络层面起草并联合Intel、HP和DELL正式提议NVGRE Overlay隧道协议帮助实现SDN；微软和JBOD厂家、x86服务器厂家以及存储控制器厂家合作进一步实现I/O虚拟化，推进SDS的发展。

在SDDC发展的道路上也需要有更加广阔的视野，微软公司在连横方面表现有：微软跨平台的策略，微软在全面进军云时代的同时，以更加开放的姿态迎接云计算的发展，积极拥抱开源和异构，并努力在以下3个维度做好落实。在云的维度，Microsoft Azure平台不仅有Windows Server虚机，还有Linux虚机on Azure，Microsoft Azure不仅支持.NET，还支持JAVA、PHP、NodeJS等开发语言，Azure所支持的关系型数据服务不止SQL Server，还有Oracle和MySQL；在操作系统维度，Ubuntu on Windows和PowerShell in Linux的消息一个接一个；在数据库维度，SQL Server不再只运行于Windows Server之上，还能运行在Linux操作系统之上。

当然，除了从深度和广度合作，微软也在努力锻炼内力，不断更新技术的同时也在加强和伙伴的合作，合作伙伴也不仅限于前面所列的软硬件厂家，还包括微软原有的合作生态圈，这些生态圈通过整合或者二次开发为满足客户的需求走完最后一公里。在SDDC方面，微软通过和国内外大量的合作伙伴构成Cloud OS Network（COSN）生态圈来帮助SDDC架构设计和落地，而构建在SDDC基础上的新兴的大数据、机器学习以及IoT等方面也涌现出大量的合作伙伴。

本文节选自《软件定义数据中心：Windows Server SDDC技术与实践》

内容简介

本书是国内第一本讲解微软Windows Server软件定义数据中心的中文图书，书中系统、全面地介绍了微软Windows Server软件定义数据中心各个模块的概念、技术和架构，书里凝结了作者近几年使用Windows Server SDDC的经验和对相关技术的思考。

本书的主要内容包含Windows Server软件定义的高可用群集、Windows Server SDS、Windows Server SDN和Windows Server虚拟化以及Windows Server容器等关键模块，并剖析了微软数据中心以及混合云发展策略和现状，以及客户使用Windows Server SDDC的实际案例。

本书的内容强调理论性和实用性的结合，在介绍技术、架构的同时合理安排了一些精心设计的结构图、技术原理图和环境视图以及详细编排的使用命令，以帮助读者快速理解Windows Server SDDC技术。

本书适合广大Windows Server新老用户和致力于新一代软件定义数据中心研究和建设的IT专业人士和架构师阅读，既可作为学习Windows Server SDDC的入门图书，也可以作为进阶学习材料，还可作为Windows Server SDDC方案设计时的参考用书。

本文转载自异步社区。

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