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# vSAN / VergeFS：软件定义存储

## 什么是 vSAN / VergeFS？

**vSAN** （虚拟存储区域网络，Virtual Storage Area Network），也称为 **VergeFS**，是内置于每个 VergeOS 部署中的软件定义分布式存储系统。它将所有参与存储的节点上的物理（或虚拟）驱动器池化为整个系统共享的单一存储资源。

无需外部 SAN、NAS 或第三方存储软件。vSAN 直接集成在 VergeOS 平台中，并在块级别运行，为所有 VM 磁盘、快照、ISO 镜像和系统元数据提供存储。

主要特性：

* **块级架构** — VM 磁盘被划分为多个块，每个块都由内容寻址哈希标识
* **跨节点分布** — 数据块分布在集群中所有参与存储的节点上
* **分层存储** — 0 层保留给 vSAN 元数据；1–5 层是工作负载存储层，可将介质类型与工作负载需求相匹配
* **内联重复数据删除** — 基于哈希的块标识可在所有层之间实现自动重复数据删除
* **自我修复** — 自动故障检测并切换到冗余副本。重建由操作员发起（热备盘或硬件更换）；随后 Journal Walk 会从冗余副本中重新复制缺失的块。自我修复在配置的冗余级别（N+1 或 N+2）内运行；超出冗余能力的故障（例如同时丢失的节点数超过系统可容忍范围）可能会导致修复卡住，需要人工干预并联系支持。

{% hint style="info" %}
**VMware 桥接**

如果你熟悉 vSAN 的缓存 + 容量模型以及按 VM 的存储策略？VergeFS 使用 5 个工作负载层（T1–T5）加 1 个元数据层（0 层），默认在所有层之间进行内联重复数据删除，采用统一的系统级冗余设置（N+1/N+2），并支持 HCI 和 UCI 两种部署。压缩仅在站点同步复制期间生效——静态存储时不压缩。
{% endhint %}

{% hint style="info" %}
**Nutanix 桥接**

如果你熟悉 Nutanix DSF 及其每节点一个 CVM 的架构？VergeFS 作为集成的操作系统服务运行——没有独立 CVM，也没有每节点的 CPU/RAM 开销。它使用 5 个工作负载层（T1–T5）加 1 个元数据层（0 层），没有自动冷热迁移，采用统一的系统级 N+1/N+2 冗余设置，始终开启内联重复数据删除，并支持 HCI 和 UCI 两种部署。
{% endhint %}

## 层级系统

VergeOS vSAN 将驱动器组织为 **层级** ，编号从 0 到 5。每一层都针对不同类型的存储介质和工作负载特征而设计。在安装期间，每个物理驱动器都会被分配到特定层级，该分配决定驱动器将如何被系统使用。

### 0 层：元数据

* **硬件**：高耐久 NVMe SSD
* **用途**：仅存储 vSAN 文件系统索引和内部元数据
* **关键要求**：0 层只存在于控制器节点上——N+1 时为节点 1–2，N+2 时为节点 1–3
* **最佳实践**：使用额定 3 DWPD（每日全盘写入次数）或同等规格的企业级 NVMe 驱动器（例如，如果 vSAN 元数据只需要 500 GB，那么一块更大的 2 TB、1 DWPD 评级的驱动器可提供可比的总写入耐久性）；在 0 层至少保持 30% 的可用空间

### 1–5 层：工作负载数据

| 层级      | 硬件           | 用途        | 典型用例            |
| ------- | ------------ | --------- | --------------- |
| **1 层** | 高耐久 NVMe SSD | 写入密集型工作负载 | 高性能数据库、事务日志     |
| **2 层** | 中端 SSD       | 读写均衡型工作负载 | 通用 VM、混合应用、开发环境 |
| **3 层** | 读优化 SSD      | 读取密集型工作负载 | 内容分发、应用仓库、参考数据  |
| **4 层** | 大容量 HDD      | 访问频率较低的数据 | 文件服务器、备份目标      |
| **5 层** | 归档级 HDD      | 冷存储和长期保留  | 合规归档、备份归档       |

并非每个部署都会使用全部五个工作负载层。常见的生产配置可能只使用 1 层（用于性能敏感型工作负载的 NVMe）和 4 层（用于容量的 HDD）。Terraform playground 仅使用 0 层和 1 层。

```mermaid
graph LR
    subgraph "vSAN 层级架构"
        T0["0 层<br/>元数据<br/>NVMe"]
        T1["1 层<br/>高性能<br/>NVMe SSD"]
        T2["2 层<br/>混合工作负载<br/>SSD"]
        T3["3 层<br/>读优化<br/>SSD"]
        T4["4 层<br/>容量<br/>HDD"]
        T5["5 层<br/>归档<br/>HDD"]
    end

    T0 -.->|"哈希映射<br/>查找"| T1
    T0 -.->|"哈希映射<br/>查找"| T2
    T0 -.->|"哈希映射<br/>查找"| T3
    T0 -.->|"哈希映射<br/>查找"| T4
    T0 -.->|"哈希映射<br/>查找"| T5

    style T0 fill:#e3f2fd,stroke:#1565c0
    style T1 fill:#e8f5e9,stroke:#2e7d32
    style T2 fill:#e8f5e9,stroke:#2e7d32
    style T3 fill:#fff3e0,stroke:#e65100
    style T4 fill:#fce4ec,stroke:#c62828
    style T5 fill:#f3e5f5,stroke:#6a1b9a
```

{% hint style="info" %}
**VMware 桥接**

VMware vSAN 采用缓存 + 容量分层，并使用按 VM 的存储策略（可容忍故障数、条带宽度、纠删码）。VergeOS 使用 6 个显式层级且没有按 VM 策略——在磁盘配置时选择层级，冗余（N+1/N+2）在系统范围内设置。
{% endhint %}

{% hint style="info" %}
**Nutanix 桥接**

Nutanix AOS 将数据组织为存储池中的存储容器，并使用智能分层引擎（ILM）根据访问模式在 SSD 和 HDD 之间移动数据块。VergeOS 不会在层级之间移动数据——驱动器在安装时分配，数据会保留在写入的位置，以换取明确的放置和可预测的性能。
{% endhint %}

## 数据如何分布

vSAN 使用一种 **基于哈希的分布算法** 将数据块分散到集群中的所有节点。其工作方式如下：

### 块创建与哈希

1. 当 VM 写入数据时，vSAN 会将写入内容划分为 **数据块**
2. 每个块都会被分配一个 **内容寻址哈希** ，作为其唯一标识符
3. 该哈希决定块的存储位置，并用于实现重复数据删除——如果两个块生成相同的哈希，则只存储一份副本

### 跨节点分布

数据块分布在集群中的多个节点上，而不是存储在单个节点上。这种设计提供了：

* **均衡性能** — I/O 负载分散到所有参与存储的节点上
* **容错能力** — 没有任何单个节点持有某个数据集的全部副本
* **高效扩展** — 添加节点会自动扩展存储池并触发重新平衡

```mermaid
graph TB
    VM["VM 写入操作"]
    VM --> HASH["块哈希<br/>(每个块一个加密哈希)"]
    HASH --> DIST["基于哈希的分布"]
    DIST --> N1["节点 1<br/>主副本：块 A、C<br/>冗余副本：块 B"]
    DIST --> N2["节点 2<br/>主副本：块 B<br/>冗余副本：块 A、C"]
    DIST --> N3["节点 3<br/>主副本：块 D<br/>冗余副本：块 E"]
    DIST --> N4["节点 4<br/>主副本：块 E<br/>冗余副本：块 D"]

    style VM fill:#e3f2fd,stroke:#1565c0
    style HASH fill:#fff3e0,stroke:#e65100
    style DIST fill:#e8f5e9,stroke:#2e7d32
```

### 读取与写入路径

**读取：**

* 系统通过 0 层哈希映射查找块的位置
* 读取优先使用 **主副本** ，以提高效率
* 如果 VM 运行在与冗余副本相同的节点上，vSAN 会读取 **本地副本** 以尽量减少网络流量
* 如果主副本速度过慢或无响应，vSAN 会自动切换到冗余副本

**写入：**

* 新块会被哈希并放置到最佳节点上
* 主副本和 **冗余副本** 会同时写入
* 只有在两个副本都确认后，写入才会被确认
* 0 层元数据会更新以跟踪新块的位置

## 冗余与自我修复

vSAN 会为每个数据块维护多个副本，以防范硬件故障。冗余级别——也称为 **复制因子（RF）** — 在系统级别配置，并按层级生效。RF 就是保留副本的数量： **RF2** （N+1）保留 2 份副本， **RF3** （N+2）保留 3 份。

### 冗余级别

| 功能             | N+1（RF2）— 默认 | N+2（RF3） |
| -------------- | ------------ | -------- |
| **数据副本数**      | 2            | 3        |
| **可容忍的同时故障数**  | 1 个节点        | 2 个节点    |
| **最少控制器节点数**   | 2            | 3        |
| **推荐节点数**      | 3            | 5        |
| **存储开销** （去重前） | 约 2 倍        | 约 3 倍    |

* **N+1（RF2）** 是默认设置，适用于大多数生产环境
* **N+2（RF3）** 适用于超关键工作负载或硬件更换较慢的远程站点
* 冗余级别通常在安装期间设置，并在整个系统范围内生效
* 故障只会影响失败驱动器所在的层级——其他层级仍可完全运行

### 自我修复过程

当节点或驱动器发生故障时，vSAN 会自动切换到冗余副本——VM 继续运行且没有停机，但受影响的层级会以降低的冗余运行。恢复完整冗余由操作员驱动：可以针对指定的热备盘启动修复，或者更换故障驱动器（或节点），然后从那里开始重建：

```mermaid
flowchart LR
    A["检测到驱动器或节点<br/>故障"] --> B["切换到<br/>冗余副本"]
    B --> C["VM 继续<br/>运行（无停机）"]
    B --> D["层级以<br/>降低冗余运行"]
    D --> E{"操作员操作"}
    E -->|"在热备盘上<br/>启动修复"| F["开始重建"]
    E -->|"更换故障的<br/>驱动器或节点"| F
    F --> G["恢复完整<br/>冗余"]

    style A fill:#fce4ec,stroke:#c62828
    style C fill:#e8f5e9,stroke:#2e7d32
    style D fill:#fff3e0,stroke:#e65100
    style G fill:#e8f5e9,stroke:#2e7d32
```

1. **检测** — vSAN 会自动检测驱动器或节点故障；拓扑变化会触发 **完整 Journal Walk** ，以重新验证受影响层级中的冗余
2. **故障切换** — 读取和写入会被重定向到冗余副本，VM 无需停机
3. **冗余降低** — 受影响的层级在操作员介入之前会以非完整冗余运行
4. **重建** — 操作员要么针对指定的热备盘发起修复，要么更换故障驱动器/节点。随后 vSAN 会重新复制受影响的块，以恢复完整冗余

{% hint style="info" %}
**什么是 Journal Walk？**

一个 **Journal Walk** 是 vSAN 在后台对某个存储层级的遍历，用于重建块引用计数（它们从不持久化存储）、验证冗余，并驱动所需的修复。它有三种形式： **完整遍历** （由控制器启动或拓扑变化触发，例如驱动器/节点故障，或节点被添加/移除）， **混合遍历** （当非活动控制器的其他节点重启时），以及常规的 **差异遍历**。在 vSAN 层级仪表板上， `working` 标志表示遍历正在进行，而 `Walk Progress` 显示其百分比。请参阅 [了解 vSAN 层级状态 / Journal Walks](/knowledge-base/zh/storage-vsan/understanding-journal-walks-and-vsan-tier-status.md) 以获取完整说明。
{% endhint %}

{% hint style="info" %}
**VMware 桥接**

如果你熟悉 vSAN 的按 VM 存储策略（FTT、条带宽度）和基于超时的自动重建？VergeOS 使用统一的系统级 N+1 或 N+2 设置，并在操作员采取动作后恢复冗余——可针对热备盘启动修复，或更换故障硬件。
{% endhint %}

{% hint style="info" %}
**Nutanix 桥接**

如果你熟悉 Nutanix 的按容器复制因子和由 Curator 驱动的重新平衡？VergeOS 使用统一的系统级 N+1 或 N+2 设置，并在操作员采取动作后恢复冗余——可针对热备盘启动修复，或更换故障硬件。
{% endhint %}

## 实际中的驱动器分配

在 VergeOS 安装期间，每个物理驱动器都会被分配到特定的 vSAN 层级。安装程序使用 `YC_DRIVE_LIST` 以及 `YC_VSAN_TIER_LIST` 变量（在安装过程中交互式设置）将驱动器映射到各层级。

### 分配规则

* **0 层放置**：0 层只存在于控制器节点上——N+1 时为节点 1–2，N+2 时为节点 1–3
* 同一层内的驱动器应具有相似的类型和性能特征
* 在扩容（添加驱动器）时，应在集群中所有节点上添加 **数量相等的驱动器** 以保持均衡分布
* 在横向扩展（添加节点）时，新节点应与现有集群的硬件配置一致（CPU、内存、磁盘布局）

### 示例：双节点 HCI 配置

在 Terraform playground 最简单的部署中，每个控制器节点都有：

| 驱动器        | 层级  | 用途                    |
| ---------- | --- | --------------------- |
| 1× NVMe（小） | 0 层 | 元数据——vSAN 哈希映射和文件系统索引 |
| 1× NVMe（大） | 1 层 | 工作负载数据——VM 磁盘、快照、ISO  |

两个节点都将其驱动器贡献给同一个 vSAN 池。采用 N+1 冗余（默认）时，在节点 1 的 1 层上写入的每个块都会在节点 2 上有一个冗余副本，反之亦然。

## 其他 vSAN 功能

### 内联重复数据删除

由于每个数据块都由其加密哈希标识，vSAN 会自动检测重复块。如果两个 VM（或同一 VM 磁盘中的两个区域）写入相同数据，则只存储该块的一份副本。该功能在写入路径中内联运行——无需单独的重复数据删除作业或计划。

### 加密

vSAN 支持 **静态 AES-256 加密**，并在初始安装期间配置。加密密钥可以存储在 USB 驱动器上（插入前两个控制器节点）或在启动时手动输入。所有层中的所有数据都会被透明加密。

### 快照与克隆

vSAN 的块级架构支持 **节省空间的快照** — 快照记录的是某一时刻的哈希映射状态，而不是复制数据块。克隆同样引用现有块，只有当数据发生分化时才会消耗额外空间。

## 要点总结

| 概念                 | 摘要                                            |
| ------------------ | --------------------------------------------- |
| **vSAN / VergeFS** | 内置分布式存储——无需外部 SAN/NAS                         |
| **0 层**            | 仅元数据（NVMe）。仅存在于控制器节点上（N+1 时为 1–2，N+2 时为 1–3）。 |
| **1–5 层**          | 工作负载数据，从高性能 NVMe 到归档 HDD                      |
| **数据分布**           | 基于哈希，分散到所有存储节点                                |
| **冗余**             | N+1（2 份副本，默认）或 N+2（3 份副本）——按层级在系统范围内生效        |
| **自我修复**           | 故障时自动切换；重建由操作员驱动（热备盘或更换）                      |
| **重复数据删除**         | 内联、基于哈希，覆盖所有层级                                |
| **压缩**             | 非静态存储时不压缩——仅在站点同步复制期间压缩                       |

## 下一步

现在你已经了解 VergeOS 如何存储数据，下一部分将介绍连接所有节点并承载 vSAN 复制流量的网络基础设施： [**核心基础设施与网络 →**](/learn-the-platform/zh/mo-kuai-1-jia-gou-ji-chu/04-core-fabric.md)


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