VMware全新推出的vSAN 7超融合架構，具備了許多令人耳目一新的設計，本文將詳細說明，並且實作示範vSAN 7運作架構除了提供原有VM虛擬主機的各項應用外，還能夠在啟用原生檔案服務後提供給新興容器技術使用，因此不必再額外採購硬體儲存設備。
在2020年4月2日時，VMware官方宣佈vSAN 7正式發行。事實上，在VMware的軟體定義資料中心（SDDC）的願景中，擔任SDC軟體定義運算角色的部分，為管理人員所熟悉的vSphere虛擬化解決方案，擔任SDN軟體定義網路角色的則是NSX網路虛擬化解決方案，至於SDS軟體定義儲存角色，則是本文即將深入剖析和實戰演練的vSAN超融合解決方案。
過去，企業組織希望打造軟體定義資料中心時，可能必須分別導入上述的SDC、SDN、SDS三種軟體定義技術。現在，透過VCF（VMware Cloud Foundation）便能一次掌握這三大關鍵的軟體定義技術，同時搭配SDDC Manager之後，除了打造企業內部軟體定義資料中心架構外，甚至能夠串接公有雲和私有雲環境，達成更具彈性的混合雲運作環境，如圖1所示。
圖1 VCF（VMware Cloud Foundation）運作架構示意圖。（圖片來源：VMware Blogs - Microsoft SQL Server on VMware Cloud Foundation）
vSAN 7有那些亮眼特色
全新打造的vSAN 7不僅是VCF運作架構中的儲存資源基石，並且因應商業數位化和新興容器技術的需求，新版的vSAN 7不僅能夠原生提供NFS檔案共享服務，同時更增強和擴大雲端原生儲存資源的支援度。
舉例來說，過去vSAN運作環境所建立的VMFS儲存資源，僅支援運作VM虛擬主機使用，至於企業和組織在Linux容器環境中經常使用的NFS檔案共享服務，則必須依賴其他外部硬體儲存設備來提供。而現在，新版vSAN 7直接原生支援NFS檔案共享服務，如圖2所示，除了減少企業需要額外採購外部儲存設備外，這個NFS檔案共享服務還同時支援Kubernetes建立「永續性磁碟區」（Persistent Volumes，PV），讓企業組織同時解決傳統NFS檔案共享服務，以及容器技術所需儲存資料的永續性磁碟區。
圖2 新版vSAN 7直接原生支援NFS檔案共享服務。（圖片來源：VMware Blogs - VMware vSAN 7 is Now Generally Available）
PowerCLI 12支援vSAN 7
熟悉Windows PowerShell的管理人員對於VMware PowerCLI應該不陌生，簡單來說，PowerCLI便是以PowerShell為底層基礎的指令工具，PowerCLI提供一系列的Cmdlet指令和相關模組，幫助管理人員維運vSphere和vSAN運作環境。
舉例來說，當管理人員需要建立100台虛擬主機時，雖然可以透過vSphere HTML 5 Client圖形化管理工具來達成，但必須花費大量時間並且有可能發生人為操作失誤的情況，此時透過PowerCLI便能夠輕鬆且快速地達成工作任務。
最新版本的PowerCLI 12新增了許多Cmdlet，協助管理人員組態設定及管理vSAN 7新增的原生檔案服務，舉例而言，管理人員透過Cmdlet組態設定vSAN 7檔案服務後，可以使用「Get-VsanFileShare」這個Cmdlet指令，來查詢vSAN 7原生檔案服務的相關資訊，如圖3所示。
圖3 查詢vSAN 7原生檔案服務的相關資訊。（圖片來源：VMware Blogs – PowerCLI 12 for vSAN）
支援原生檔案服務
在新版vSAN 7運作環境中，已經正式支援「原生檔案服務」（Native File Services），以便快速提供NFS檔案共享服務，因此企業無須再額外採購外部儲存設備來提供NFS檔案共享服務。那麼，就來看看在vSAN運作架構中如何建構和提供原生檔案服務。
首先，在vSAN運作架構中，必須具備「3～8」台vSAN節點伺服器，才能建構原生檔案服務，並且每台節點伺服器都必須具備唯一的IP位址，以及DNS正向和反向解析記錄。值得注意的是，在vSAN叢集中必須準備「檔案服務網域」（File Services Domain），這是屆時提供NFS檔案共享服務時使用的唯一名稱空間。
事實上，當vSAN叢集啟用原生檔案服務特色功能時，系統將在vSAN叢集內建立「VMware分佈式檔案系統」（VMware Distributed File System，VDFS），這個檔案系統的主要目的在於管理用途，如圖4所示。
圖4 vSAN原生檔案服務運作架構示意圖。（圖片來源：VMware Docs – vSAN File Service）
此外，在vSAN叢集中的每台vSAN節點主機，將會運作一台「檔案服務虛擬主機」（File Service VM，FSVM），每台檔案服務虛擬主機都會提供NFS檔案共享服務，而NFS檔案共享服務的原始儲存資源，則是採用vSAN Datastore儲存資源，以便保持儲存資源的資料保存可用性。
雲端原生儲存整合vSphere with Kubernetes
在全新的vSphere 7和VCF（VMware Cloud Foundation）運作架構中，已經整合了新興應用的容器技術管理平面Kubernetes，管理人員可以選擇採用TKG（Tanzu Kubernetes Grid）或vSphere with Kubernetes，來部署K8s叢集並且運作和管理各式各樣的容器。
基本上，無論管理人員選擇採用TKG或vSphere with Kubernetes，都可以透過Pod Service CSI或TKG Service CSI驅動程序，存取座落於底層的vSAN儲存資源和原生檔案服務，如圖5所示。
圖5 雲端原生儲存資源整合TKG和vSphere with Kubernetes運作架構示意圖。（圖片來源：VMware Blogs - Cloud Native Storage integration for vSphere with Kubernetes）
增強vSAN儲存資源報表
由於新版的vSAN 7超融合解決方案，已經不像舊版著重於VM虛擬主機的工作負載，更支援新興的容器技術應用。同時，增強vSAN儲存資源報表功能和呈現方式，方便管理人員了解vSAN叢集的各項工作負載和資源耗用情況，以便於管理人員判斷是否該為vSAN叢集中每台vSAN節點主機，擴充運算和儲存資源達成「垂直擴展」（Scale-Up），或是為vSAN叢集增加更多台vSAN節點主機，以達成「水平擴展」（Scale-Out）的運作架構。
在VM虛擬主機的部分，當管理人員點選VM虛擬主機的Summary頁籤後，可以找到一個〔Switch to New View〕按鈕，按下之後可以發現新版更精簡清晰的VM虛擬主機工作負載和資源使用情況，例如管理人員最在意的動態記憶體和儲存資源使用率，如圖6所示。
圖6 新版VM虛擬主機工作負載和資源使用率示意圖。
此外，當vSAN叢集啟用原生檔案服務，那麼在vSAN容量使用報表中，依序展開「vSAN > Capacity > Usage breakdown before dedup and compression > User Objects > File shares」項目後，即可查看vSAN原生檔案服務儲存資源使用率，如圖7所示。
圖7 查看vSAN原生檔案服務儲存資源使用率。
實戰vSAN 7原生檔案服務
如上所述，新版vSAN 7已經可以透過啟用原生檔案服務，讓vSAN 7叢集能夠提供NFS v3和NFS v4.1檔案共享機制，並且這個NFS檔案共享機制不僅可以分享給VM虛擬主機使用，也能因應新興容器技術的使用，同時企業組織無須額外採購儲存設備，便能輕鬆地將NFS檔案共享的資料，儲存在高效能和高可用性的vSAN Datastore儲存資源內，如圖8所示。
圖8 vSAN原生檔案服務運作架構示意圖。（圖片來源：VMware StorageHub – vSAN File Service Overview）
舉例來說，新興應用微服務架構上「雲端原生」（Cloud Native）類型的工作負載，例如Apache、Nginx、Tomcat等網頁應用伺服器使用儲存資源的特性，便是透過NFS v4.1協定存取儲存資源，以便達到分佈式應用程序的運作架構。
在開始實戰演練vSAN原生檔案服務之前，先了解相關前置作業以及運作環境需求，以便稍後能夠順利啟用vSAN原生檔案服務：
‧在vSAN叢集中的每台vSAN節點主機，必須具備唯一IP位址，倘若需要Layer 3路由轉送的話，則必須組態設定預設閘道和路由機制。
‧在vSAN原生檔案服務運作環境中，必須具備DNS名稱解析伺服器，以便處理DNS正向和反向名稱解析服務。
‧在啟用vSAN原生檔案服務時，必須組態設定「檔案服務網域」（File Services Domain），這在vSAN叢集中必須具備唯一性的「命名空間」（Namespace）。
啟用vSAN原生檔案服務
在本文實作環境中，vSAN叢集內共有3台vSAN節點主機，已經在vSphere叢集中啟用vSAN特色功能，將3台vSAN節點主機的本機儲存裝置匯整為vSAN Datastore儲存資源，並且完成組態設定vDS分佈式虛擬交換器，以利3台vSAN節點主機之間vSAN Traffic儲存流量交換。
確認vSAN叢集為正常運作狀態後，依序點選「vSAN Cluster > Configure > vSAN > Services > File Service > Enable」項目，系統便會彈出組態設定原生檔案服務精靈對話視窗，如圖9所示。
圖9 準備啟用並組態設定vSAN檔案服務。
由於啟用vSAN檔案服務之後，系統將會在vSAN叢集中透過vSphere ESX Agent Manager，為每一台vSAN節點主機安裝「檔案服務代理程式」（File Service Agent），這個檔案服務代理程式為採用Photon OS的輕量型「虛擬設備」（Virtual Appliance，VA）運作架構，並且已經啟用了NFS伺服器服務，以便提供NFS檔案共享服務。
因此，在File Service Agent頁面中，可以選擇採用預設值「Automatic Approach」，如圖10所示，並且勾選「Trust the certificate」選項。讓vCenter Server自動前往VMware官方網站下載最新穩定版本的檔案服務代理程式，並安裝至vSAN叢集中每一台vSAN節點主機。倘若vCenter Server無法接觸網際網路，則改為選擇「Manual Approach」項目，以手動的方式上傳檔案服務代理程式。
圖10 採用預設值自動下載最新穩定版本的檔案服務代理程式。
在Domain頁面中，管理人員必須提供vSAN檔案服務的網域資訊，在本文實作環境中，檔案服務網域名稱為「vsan-nfs」，而DNS伺服器的IP位址是「10.10.75.60」，DNS尾碼則是「weithenn.org」，如圖11所示。
圖11 組態設定vSAN檔案服務的網域資訊。
在Networking頁面中，管理人員必須選擇屆時部署檔案服務代理程式，所要使用的NFS檔案共享網路環境Port Group，點選Network下拉式選單，選擇本文實作環境採用的「NFS Network」，並鍵入使用的子網路遮罩「255.255.255.0」，以及預設閘道「10.10.75.254」，如圖12所示。
圖12 組態設定檔案服務代理程式使用的NFS檔案共享網路環境Port Group。
在IP Pool頁面中，鍵入檔案服務代理程式所要使用的IP位址資源池，根據VMware的最佳建議作法，便是為vSAN叢集中的每台vSAN節點主機額外配置專用於NFS檔案共享服務的IP位址資源池，並且建議採用連續的IP位址。
在本文實作環境中，鍵入第一筆IP位址「10.10.75.71」之後，按下「Lookup DNS」確保能夠正確進行DNS名稱解析，然後按下「AutoFill」，則會依序遞增IP位址，並再次按下「Lookup DNS」，確保新加入的IP位址能夠正確進行DNS名稱解析，如圖13所示。
圖13 組態設定檔案服務代理程式所要使用的IP位址資源池。
然後，在Review頁面中再次檢視所有組態設定內容是否正確無誤，確認無誤後按下〔Finish〕按鈕，便立即進行檔案服務代理程式的部署作業。當部署的工作任務完成後，可以看到在vSAN叢集中每台vSAN節點主機上皆會運作一台名稱為「vSAN File Service Node」的虛擬主機（圖14），採用的客體作業系統為VMware Photon OS，並由vSphere ESX Agent Manager管理。
圖14 檔案服務代理程式部署完畢。
建立NFS檔案共享機制
順利組態設定和啟用vSAN檔案服務後，在vSphere HTML 5 Client管理介面中，「vSAN Cluster > Configure > vSAN」選項內將會多出一個「File Service Shares」子項目，請按下「ADD」準備新增NFS檔案共享機制。
在本文實作環境中，NFS檔案共享網路名稱為「nfs-share」，而採用的vSAN儲存原則為預設的「vSAN Default Storage Policy」。除此之外，在NFS檔案共享儲存空間限制中，觸發儲存空間警告的臨介值為「7GB」，而最大儲存空間則為「10GB」，如圖15所示。
圖15 組態設定NFS檔案共享網路名稱和儲存空間警告及限制。
在Net Access Control頁面中，組態設定能夠存取NFS檔案共享的網段和權限，本文實作環境允許「10.10.75.0/24」網路環境的主機，皆能夠存取NFS檔案共享儲存空間，並且具備「讀取∕寫入」（Read/Write）的權限，相關內容如圖16所示。
圖16 組態設定存取NFS檔案共享的網段和權限。
在Review頁面中，再次檢視所有組態設定內容是否正確無誤，確認無誤後按下〔Finish〕按鈕，便立即進行建立NFS檔案共享的工作任務。當NFS檔案共享機制建立完成後，便能看見建立的NFS檔案共享儲存資源，後續管理人員也可以依照專案需求，隨時調整套用的vSAN儲存原則，以及儲存空間警告和儲存空間限制臨界值，如圖17所示。
圖17 NFS檔案共享機制建立完成。
掛載檔案共享儲存資源
雖然vSAN檔案服務同時支援NFS v3和NFS v4.1機制，然而當管理人員在Linux主機端，透過「showmount」指令查詢NFS檔案共享資源時，將會發現僅查詢Primary IP「10.10.75.71」時，才得獲得NFS檔案共享資源，如圖18所示。
圖18 查詢vSAN檔案服務建立的NFS檔案共享儲存資源。
那麼，從Linux主機端該如何掛載NFS v3和NFS v4.1檔案共享儲存資源？管理人員可以從vSphere HTML 5 Client管理介面中，點選本文實作的NFS檔案共享資源項目後，按下「Copy URL」選擇【NFSv3】或【NFSv4.1】，便會顯示NFS檔案共享資源掛載路徑，如圖19所示。
圖19 顯示NFS檔案共享資源掛載路徑。
接下來，便可以切換至Linux主機端，採用「mount」指令搭配剛才複製的NFS檔案共享資源掛載路徑「10.10.75.71:/vsanfs/nfs-share」，以及Linux主機端的掛載點「/mnt/nfs-share」。當NFS檔案共享資源掛載工作任務執行完成後，執行「mount | egrep "nfs-share|4.1"」指令，確認成功掛載NFS檔案共享儲存資源並採用NFS v4.1版本，如圖20所示。
圖20 掛載NFS檔案共享儲存資源並確認採用的NFS版本。
限制檔案共享儲存空間
接著，測試先前組態設定的NFS檔案共享儲存空間警告和限制機制，在本文實作環境中觸發儲存空間警告的臨介值為「7GB」，而最大儲存空間則為「10GB」。可以在Linux主機端，透過「dd if=/dev/zero of=/mnt/nfs-share/8gb.txt bs=1G count=8」指令，建立一個占用空間大小為「8GB」的測試檔案，執行過程如圖21所示。
圖21 透過dd指令建立8GB空間大小的測試檔案。
此時，切換至vSphere HTML 5 Client管理介面，可以看到NFS檔案共享使用空間已經達到組態設定的「80%」，如圖22所示。
圖22 查看NFS檔案共享儲存空間警告和限制資訊。
由於仍然未達到NFS檔案共享最大儲存空間限制10GB，所以Linux主機端仍然能夠寫入檔案，然而當寫入資料達到最大儲存空間限制10GB時，若嘗試再寫入資料，便會出現「Disk quota exceeded」的錯誤訊息，如圖23所示，無法再繼續寫入任何資料。
圖23 寫入資料達到最大儲存空間限制10GB時便無法再繼續寫入任何資料。
隨後，切換至vSphere HTML 5 Client管理介面，依序點選「vSAN Cluster > Monitor > vSAN > Skyline Health」項目，可以看到「File Service > Share health」子項目出現紅色錯誤訊息，原因便是NFS檔案共享儲存資源超過限制大小，如圖24所示。
圖24 透過Skyline Health健康偵測機制，查看NFS檔案共享儲存資源健康情況。
vSAN檔案服務容錯移轉
由於NFS檔案共享儲存資源為運作在vSAN叢集之上的應用服務，所以就像在vSAN Datastore當中受保護的VM虛擬主機一樣，除了享有vSAN高效能之外，也同樣具備高可用性。首先，於vSphere HTML 5 Client管理介面中，依序點選「vSAN Cluster > Monitor > vSAN > Virtual Objects > Affected inventory objects > File Shares」。
接著，點選本文實作的NFS檔案共享儲存資源「nfs-share」，然後按下「View Placement Details」，即可看到NFS檔案共享儲存資源物件，分佈在vSAN叢集中的所有vSAN節點主機，如圖25所示。
圖25 查看NFS檔案共享儲存資源物件分佈情況。
在本文實作環境中所建立的「nfs-share」NFS檔案共享儲存資源，系統已指派由「vsan-n02.weithenn.org」vSAN節點主機負責。接著，將此台vSAN節點主機直接斷電以便模擬故障損害的情況，測試NFS檔案共享儲存資源的高可用性。
當「vsan-n02.weithenn.org」vSAN節點主機斷電後，再次查看NFS檔案共享儲存資源物件分佈情況，可以發現原本由「vsan-n02.weithenn.org」vSAN節點主機儲存的物件，狀態已由先前健康良好的「Active」轉變為「Absent」，如圖26所示。
圖26 原本由vsan-n02.weithenn.org節點主機負責儲存的物件狀態轉變為Absent。
除此之外，如果切換到「nfs-share」NFS檔案共享儲存資源頁面，可以看到原本由「vsan-n02.weithenn.org」vSAN節點主機負責NFS檔案共享服務，因為發生斷電的故障損壞情況之後，系統改為指派由「vsan-n01.weithenn.org」vSAN節點主機，來接手負責NFS檔案共享服務，如圖27所示。
圖27 由vSAN節點主機vsan-n01.weithenn.org接手NFS檔案共享服務。
結語
透過深入剖析和實作演練後，大家已經了解全新vSAN 7超融合架構有哪些亮眼特色，同時建構vSAN 7運作架構後不僅能夠為企業和組織提供原有VM虛擬主機的各項應用，並且在為vSAN 7啟用原生檔案服務後也能提供給新興容器技術使用，無須再採購硬體儲存設備。
＜本文作者：王偉任，Microsoft MVP及VMware vExpert。早期主要研究Linux/FreeBSD各項整合應用，目前則專注於Microsoft及VMware虛擬化技術及混合雲運作架構，部落格weithenn.org。＞