活用WAC管理平台　輕鬆管理S2D叢集

根據Gartner市調機構的研究結果顯示，在2017年時全球大型企業中便已經有高達75%的比例建構名為「Bimodal IT」的雙重IT基礎架構，分別是Mode 1和Mode 2，如圖1所示。

簡言之，在傳統Mode 1資料中心內的工作負載、技術架構、執行流程以及部署模式已經行之有年，無須再驗證。然而，新興的Mode 2資料中心與傳統Mode 1資料中心大不相同。

同時，在該份Gartner調查報告中也指出，從2016年開始，便已經有三分之二以上的企業與組織開始建構及整合稱為「基礎架構敏捷化」（Infrastructure Agility）的Mode 2敏捷式IT基礎架構。由Mode 2所建構的資料中心，強調的是「敏捷性」（Agility）與「可擴充性」（Scalability），可以協助企業快速地推出各種服務，以因應不斷快速變化的商業數位化需求。

過去，在企業組織中傳統式的Mode1資料中心內，運算資源和儲存資源總是各司其職各自獨立，然而IT管理人員應該不難發現市場上的解決方案，已經從幾年前的「融合式基礎架構」（Converged Infrastructure），演變為新興的「超融合基礎架構」（Hyper-Converged Infrastructure，HCI），便是希望能夠解決傳統式Mode1資料中心內運算與儲存資源整合及擴充方面的困擾，進而打造出高可擴充性且靈活性高的Mode 2基礎架構敏捷化的目標，如圖2所示。

事實上，微軟在2016年10月推出Windows Server 2016作業系統版本時，IT管理人員便可以透過標準的x86硬體伺服器搭配Windows Server 2016內建的S2D（Storage Spaces Direct）機制，手動為企業打造出HCI超融合基礎架構，而無須購買相對昂貴且又有硬體綁定問題的HCI超融合基礎架構解決方案。

隨著微軟在2018年10月推出最新一代Windows Server 2019雲端作業系統，也將原本SDS軟體定義儲存方案的S2D（Storage Spaces Direct）推升至第二世代。本文將說明及實作演練採用最新Windows Server 2019雲端作業系統所打造的S2D軟體定義儲存方案，並指出與前一代Windows Server 2016所打造的S2D軟體定義儲存方案有哪些不同之處。

Windows Server 2019 S2D新增特色功能

在Windows Server 2019雲端作業系統中，第二世代的S2D軟體定義儲存解決方案，除了新增多項亮眼功能外，原有的特色功能及運作規模和相關支援度也都再度提升。舉例來說，在Windows Server 2016版本所建構的S2D超融合基礎架構，最大儲存空間支援至「1PB」，現在透過Windows Server 2019所打造的S2D超融合基礎架構，最大儲存空間可支援高達至「4PB」。

支援更大的運作規模

隨著硬碟供應商因應大量儲存需求而不斷提升硬碟儲存容量，現在主流的硬碟儲存空間已經來到單顆硬碟14TB的儲存空間。因此，這也是為什麼新一代Windows Server 2019所打造的S2D超融合基礎架構，需要支援更大型運作規模的原因之一。

過去，在Windows Server 2016版本所建構的第一世代S2D超融合基礎架構中，單一S2D叢集最大儲存空間支援上限為「1PB」、每台S2D節點主機儲存空間支援上限為「100TB」、單一Volume儲存空間支援上限為「32TB」。

現在透過Windows Server 2019版本所打造的第二世代S2D超融合基礎架構，單一S2D叢集儲存空間最大可支援至「4PB」、每台S2D節點主機儲存空間支援上限提升至「400TB」、單一Volume儲存空間支援上限提升為「64TB」，如圖3所示。

最適用於邊緣運算環境的仲裁機制

事實上，無論IT管理人員採用市面上哪種HCI超融合基礎架構解決方案，都必須搭配「仲裁/見證」（Quorum/Witness）機制，以便因應HCI超融合基礎架構發生災難或故障事件時能夠保持高可用性。過去，在Windows Server 2016版本中，當管理人員建構好S2D超融合基礎架構後，仲裁機制方面僅支援「File Share Witness」和「Cloud Witness」等兩種仲裁機制。

現在新一代Windows Server 2019版本所建構的S2D叢集，已經支援將仲裁機制指向至「USB隨身碟」，如圖4所示。因此，在分支機構或邊緣運算等小型運作環境時，無需其他硬體伺服器、VM虛擬主機、Active Directory、網際網路等等，仍然能夠順利運作S2D叢集並啟用仲裁機制。

儲存裝置延遲異常檢測機制

在建置S2D超融合基礎架構時，相信管理人員已經採用微軟的最佳建議作法，為每一台S2D叢集節點主機配置相同型號且高效能高耐久性的儲存裝置。然而，即便是企業等級的儲存裝置，也有可能因為儲存裝置中的某個硬體元件不良，或即將損壞而導致效能低落，那麼管理人員如何在S2D叢集內眾多的儲存裝置中找出效能低落的儲存裝置？

在Windows Server 2019 S2D叢集中新增了儲存裝置延遲異常檢測機制，如圖5所示，這項新增機制的靈感來自於Microsoft Azure公有雲環境檢測儲存裝置異常的作法。現在Windows Server將會記錄每個儲存裝置每次資料「讀取/寫入」（Read/Write）的結果以及延遲時間，因此當儲存裝置發生資料讀寫效能低落，甚至是資料讀寫失敗的情況時，管理人員能夠輕鬆透過WAC（Windows Admin Center）管理平台或PowerShell Cmdlet快速找出有問題的儲存裝置。

儲存效能加倍的Mirror-Accelerated Parity 事實上，不管採用哪種HCI超融合基礎架構，在「效能」、「儲存空間」以及「資料可用性」這三方面很難同時面面俱到，舉例來說，為了考量資料可用性將資料複寫3份以便因應儲存裝置故障損壞時，仍然能夠保有資料可用性，然而卻也因為資料複寫3份而導致消耗大量的儲存空間。

對此，在S2D叢集中便推出整合RAID-1資料可用性，以及RAID-6節省儲存空間特性的Volume稱之為「Mirror-Accelerated Parity」。簡單來說，在此S2D Volume中，快取層級將會採用效能最佳的3-Way Mirror處理資料讀寫，至於資料儲存層級，則採用能夠節省儲存空間的Dual Parity來處理，讓管理人員可以在運作效能與儲存空間的節省方面取得平衡點。

現在Windows Server 2019 S2D叢集中，針對Mirror-Accelerated Parity儲存效能表現的部分，提供相較於舊版Windows Server 2016 S2D叢集成長1倍，如圖6所示，讓管理人員在享有節省儲存空間的同時，又能享有更好的儲存運作效能。

S2D實戰 – 叢集節點主機硬體需求

當企業或組織的IT管理人員，希望在內部資料中心建置S2D軟體定義儲存技術時，建議可以採用下列硬體規格和基本需求硬體元件：

‧叢集節點主機：在S2D叢集中，最小運作規模必須由「2台」叢集節點主機組成，最大運作規模則支援至「16台」叢集節點主機，並且應採用同一家硬體伺服器製造商及型號。

‧CPU處理器：建議至少採用Intel Nehalem及AMD EPYC，或後續新推出的CPU處理器。

‧硬碟控制器：每台叢集節點主機必須採用SATA Connected或SAS HBA Connected硬碟控制器，不支援採用內建的ACHI Controller硬碟控制器，或是RAID Controller磁碟陣列卡。

‧硬碟數量：採用Hybrid架構時，每台叢集節點主機的快取層至少需要2顆儲存裝置，而資料層則至少需要4顆儲存裝置。若採用All-Flash架構，每台叢集節點主機至少需要4顆儲存裝置。

‧網路卡：每台叢集節點主機，建議採用25GbE網路卡或更高速度，並且應選用支援RDMA特色功能（RoCE、iWARP）的網路卡。

建立S2D網域環境

在本文實作環境中，將建立4台Windows Server主機，其中1台擔任Domain Controller網域控制站，另外2台擔任S2D叢集節點主機，最後1台則是安裝及擔任Windows Admin Center管理平台的工作任務，這4台Windows Server主機皆安裝最新Windows Server 2019雲端作業系統，如圖7所示。

值得注意的是，當管理人員要將單機環境的Windows Server 2019提升為DC網域控制站時，存放AD資料庫、紀錄檔及SYSVOL分割區必須採用傳統的「NTFS」檔案系統才行，因為AD資料庫並不支援存放於新式的「ReFS」檔案系統。

在S2D叢集節點主機的部分，建立2台S2D叢集成員伺服器，並將電腦名稱分別命名為「Node01和「Node02」，每台S2D叢集節點主機除了作業系統硬碟外，皆額外配置「4顆」300GB的SSD固態硬碟，如圖8所示，最後所有的S2D叢集節點主機都必須加入「同一個」Windows AD網域才行。

安裝伺服器角色及功能

完成S2D網域環境及S2D成員伺服器加入網域的動作後，接著為每台S2D叢集節點主機安裝所需的伺服器角色和功能。

首先開啟PowerShell指令視窗，然後執行「Install-WindowsFeature -Name "Hyper-V", "Failover-Clustering", "Data-Center-Bridging", "RSAT-Clustering-PowerShell", "Hyper-V-PowerShell", "FS-FileServer"」指令（圖9），安裝如下的伺服器角色及功能：

‧Hyper-V：安裝Hyper-V伺服器角色，以便S2D叢集節點主機成為Hyper-V虛擬化平台。

‧Failover-Clustering：安裝容錯移轉叢集伺服器功能。

‧Data-Center-Bridging：安裝DCB（Data Center Bridging）伺服器功能，當採用RoCE v2的網路卡時，此伺服器功能為必要安裝選項，倘若採用iWARP網路卡，則可選擇性安裝。

‧RSAT-Clustering-PowerShell：用來安裝用於管理容錯移轉叢集的PowerShell模組。

‧Hyper-V-PowerShell：安裝用於管理Hyper-V虛擬化平台的PowerShell模組。

‧FS-FileServer：安裝檔案伺服器角色，以便後續S2D能夠提供SOFS高可用性檔案伺服器服務。

建立vSwitch虛擬網路交換器

事實上，從Windows Server 2012作業系統版本開始，便已經支援具備RDMA功能的網路卡，但是有一項限制：RDMA網路卡「無法」建立vSwitch虛擬交換器和NIC Teaming，也就是說，RDMA網路卡只能專用於儲存網路而缺少維運管理上的彈性。

雖然這項限制從Windows Server 2016作業系統版本開始便徹底解除，但是在建立Hyper-V vSwitch虛擬網路交換器時，必須採用搭配RDMA網路卡的「SET（Switch-Embedded Teaming）」機制，如圖10所示，而非一般vSwitch虛擬網路交換器。

此外，目前主流的RDMA通訊協定為RoCE和iWARP，倘若S2D叢集節點主機配置的RDMA網路卡為「RoCE」時，那麼除了S2D叢集節點主機要安裝DCB伺服器功能外，所連接的實體網路交換器也必須支援及啟用DCB功能，並組態設定ETS（Enhanced Transmission Service）和PFC（Priority Flow Control）功能才行。如果S2D叢集節點主機配置的RDMA網路卡是「iWARP」，則無須依賴實體網路交換器的DCB功能及組態設定ETS和PFC功能即可運作。

目前RDMA網路卡中主要支援iWARP協定的供應商為Chelsio及Intel，主要支援RoCE協定的供應商則是Broadcom和Mellanox，甚至Cavium（Marvell）供應商則同時支援iWARP與RoCE協定。

驗證S2D容錯移轉叢集

在建立S2D容錯移轉叢集之前，先執行「叢集驗證」（Cluster Validation）的動作，確認目前每台S2D叢集節點主機已經符合各項需求，以避免稍後建立S2D容錯移轉叢集時發生非預期的錯誤。

在本文實作環境中，2台S2D叢集節點主機的電腦名稱為「Node01」和「Node02」，在其中一台主機上開啟PowerShell指令視窗，鍵入「Test-Cluster -Node Node01, Node02 -Include "Storage Spaces Direct", "Inventory", "Network", "System Configuration"」指令，進行叢集環境的驗證動作，如圖11所示。

建立S2D容錯移轉叢集

當S2D叢集節點主機通過容錯移轉叢集驗證程序後，在建立S2D容錯移轉叢集前，必須先確保每台S2D叢集節點主機沒有任何硬碟已經被「宣告」（Claimed）使用，例如硬碟初始化為MBR/GPT、格式化為ReFS檔案系統等等。

若不確認硬碟是否已經初始化或格式化過的話，可以採用Diskpart指令確認硬碟編號，然後使用PowerShell的Clear-Disk指令清除硬碟中所有內容。舉例來說，本文實作環境共有4顆300GB的SSD固態硬碟且編號為1～4，便可以執行「Clear-Disk -Number 1,2,3,4 -RemoveData -RemoveOEM」指令清除硬碟中所有內容。

現在管理人員可以放心建立S2D容錯移轉叢集。在本文實作環境中，S2D叢集名稱為「wsfc」，而容錯移轉叢集IP位址為「10.10.75.30」，鍵入「New-Cluster -Name wsfc -Node Node01, Node02 -NoStorage -StaticAddress 10.10.75.30」PowerShell指令建立容錯移轉叢集，如圖12所示。

啟用Storage Spaces Direct機制

在為S2D叢集啟用Storage Spaces Direct機制之前，再次確認S2D叢集任意一台S2D叢集節點主機，是否可以看到本機硬碟以及S2D叢集中其他叢集節點主機的硬碟數量。例如，本文實作環境中的每台S2D叢集節點主機，除了作業系統外，還額外配置4顆300GB的SSD硬碟，因此任意一台S2D叢集節點主機都應該看到總數「8顆」300GB的SSD硬碟才正確，如圖13所示。

確認S2D叢集中總硬碟數量無誤後，便可以在PowerShelld指令視窗中執行「Enable-ClusterStorageSpacesDirect」指令，進行啟用Storage Spaces Direct機制的動作。

順利為S2D叢集啟用Storage Spaces Direct機制後，管理人員在容錯移轉叢集管理員視窗中依序點選至「Storage > Pools」項目，即可看到目前S2D儲存資源池的空間大小，在實作環境中共採用8顆300GB的SSD固態硬碟，建立後的S2D儲存資源池儲存空間大小便是2.33TB，如圖14所示。

使用WAC管理平台

現在管理人員可以透過新世代的WAC管理平台進行S2D超融合基礎架構的管理作業。在本文環境中，安裝最新的Windows Admin Center 1809版本，當安裝程序完畢，管理人員便可採用Microsoft Edge或Google Chrome瀏覽器連接WAC管理平台，並在順利通過使用者身分驗證程序登入後，先看到WAC管理介面簡易的導覽資訊，管理人員可以按下〔Next〕了解導覽資訊，或按下〔Skip Tour〕略過導覽程序，便會立即進入WAC管理介面，如圖15所示。

在WAC管理介面中，依序點選「All Connections > Add > Add Hyper-Converged Cluster Connection」項目，然後在「Cluster name」欄位鍵入希望納管的S2D超融合基礎架構叢集名稱，在本文實作環境中名稱為「wsfc.s2d.weithenn.org」，如圖16所示。當WAC管理平台成功納管S2D超融合基礎架構叢集後，將會自動連同所有S2D叢集節點成員主機也一併加入至納管的主機清單中。

此時，管理人員便會輕鬆看到S2D超融合基礎架構叢集工作負載情況，如圖17所示，包括S2D叢集節點數量、IOPS儲存效能、Latency延遲時間、Throughput傳輸速率、儲存資源剩餘空間、VM虛擬主機運作數量等等。

＜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。＞