Harvester-基于 Kubernetes 和 KubeVirt 的开源超融合基础设施软件

引言

在当今快速发展的云计算和容器化时代，企业和个人对基础设施的需求日益复杂。传统的虚拟化平台与新兴的云原生技术之间往往存在管理上的鸿沟。Harvester 正是为解决这一挑战而生，它是一款开源的超融合基础设施（HCI）软件，独特地将虚拟机（VM）管理与 Kubernetes 容器编排融合在一个统一的平台中。

Harvester 基于 Kubernetes 和 KubeVirt 构建，旨在为用户提供一个“云原生”的虚拟化解决方案。这意味着，您可以使用熟悉的 Kubernetes 工具和工作流来管理虚拟机，从而打破传统虚拟化与现代容器化之间的壁垒，为 DevOps 团队和云原生开发者提供了前所未有的便利。

主要特性

Harvester 的核心价值在于其创新的架构和丰富的功能集，使其在超融合基础设施领域独树一帜。

1. Kubernetes 原生架构 (KubeVirt)
   Harvester 的基石是 Kubernetes 和 KubeVirt。它不是在虚拟机上运行 Kubernetes，而是反其道而行之，在 Kubernetes 集群中以容器的方式运行虚拟机。这意味着虚拟机被视为 Kubernetes 的一种自定义资源（CRD），可以通过 kubectl、YAML 文件或 GitOps 工作流进行声明式管理，就像管理 Pod 一样。这为已经熟悉 Kubernetes 的用户带来了极低的学习曲线和强大的自动化能力。

2. 超融合基础设施 (HCI)
   Harvester 将计算、存储和网络资源整合到单一的软件定义平台中。它将物理服务器集群转化为一个统一的资源池，简化了部署和管理。用户无需为独立的存储区域网络（SAN）或网络附加存储（NAS）投入额外成本，所有资源都通过软件进行抽象和管理。

3. 分布式存储 (Longhorn)
   Harvester 内置了由 CNCF 孵化项目 Longhorn 提供的分布式块存储。Longhorn 提供了高可用性、快照、备份和恢复等功能，确保虚拟机数据的持久性和可靠性。它通过在集群节点间复制数据来提供冗余，并支持将备份数据存储到 S3 兼容的对象存储中，实现异地容灾。

4. 高级网络管理
   Harvester 提供了灵活的网络配置选项，支持 VLAN 网络、网卡绑定（NIC Bonding）和多网络接口（通过 Multus CNI）。用户可以为虚拟机配置隔离的网络，并通过链路聚合提高网络吞吐量和冗余性，满足不同应用场景的需求。

5. 与 Rancher 的深度集成
   作为 SUSE 旗下的项目，Harvester 与 Rancher（领先的 Kubernetes 管理平台）实现了无缝集成。用户可以将 Harvester 集群导入到 Rancher 中，从单一控制台统一管理部署在裸金属、公有云和 Harvester 上的所有 Kubernetes 集群和虚拟机。这种“单一管理平台”的能力是其“杀手级特性”之一，极大地简化了多环境下的运维工作。

6. 直观的用户界面 (Web UI)
   Harvester 提供了一个基于 Rancher Dashboard 的直观 Web UI。通过该界面，用户可以轻松完成集群的安装、虚拟机的创建、网络配置、存储管理、镜像上传等日常操作，大大降低了虚拟化平台的使用门槛。

安装与快速入门

Harvester 的安装过程被设计得非常简单和自动化。通常，您只需从官方网站下载 ISO 镜像，将其刻录到 USB 驱动器，然后从该介质启动您的物理服务器即可。安装向导会引导您完成集群的初始化或将新节点加入现有集群。

关键准备事项：
* 硬件要求： 建议至少 32GB RAM，并使用 NVMe 或 SATA SSD 作为系统盘。
* 存储： 除了系统盘，每个节点必须提供额外一块或多块未格式化的裸盘用于虚拟机数据存储，Harvester 会将其加入 Longhorn 存储池。硬件 RAID 卡应设置为 HBA 或 IT 模式，以确保 Longhorn 能直接访问裸盘。
* 网络： 规划好管理网络 IP 地址，并确保物理交换机端口支持 VLAN Trunk 模式，以便承载管理流量和虚拟机 VLAN 流量。

更多详细的安装步骤和硬件兼容性列表，请参考 Harvester 官方文档。

典型应用场景

Harvester 的独特架构使其在多种场景下都展现出强大的潜力。

1. 企业数据中心的现代化转型

   • 替代传统虚拟化： 许多企业将 Harvester 视为 VMware vSphere 等传统虚拟化平台的高性价比开源替代方案，以降低高昂的许可费用，并摆脱供应商锁定。
   • 运行传统有状态应用： 允许企业在云原生平台上运行尚未或无法容器化的传统应用，如 Microsoft Active Directory 域控制器、SQL Server 或文件服务器，同时享受 Kubernetes 的声明式管理优势。
   • DevOps 自服务： 为 DevOps 团队提供自服务虚拟机置备能力，将虚拟机的生命周期纳入 CI/CD 流程，实现自动化测试和部署。

2. 边缘计算与分支机构

   • 整合边缘 IT 基础设施： Harvester 的超融合架构非常适合资源有限的边缘环境。在零售门店、工厂车间或分支机构，可以在少量商用服务器上部署小型 Harvester 集群，同时运行传统的 POS 系统（VM）和新的物联网数据采集应用（容器）。
   • 支持边缘 AI/ML： 支持 GPU 直通（PCI passthrough），使得带有 GPU 的虚拟机可以在边缘执行机器学习推理或视频分析等任务，降低延迟和带宽成本。

3. 家庭实验室 (Homelab) 与测试环境

   • 云原生学习平台： 对于希望深入学习 Kubernetes 生态系统的技术爱好者，Harvester 提供了一个低成本、功能全面的平台，可以无缝运行 Rancher，体验从硬件到应用的全栈云原生管理。
   • 构建家庭服务中心： 在有限的硬件上运行多样化的服务，例如在 VM 中运行 pfSense/OPNsense 作为家庭路由器，或 TrueNAS/Unraid 管理家庭存储，并通过 Rancher 部署 Plex、Home Assistant 等容器化应用。

用户评价与社区反馈

Harvester 作为一个相对年轻但发展迅速的项目，在社区中获得了积极的关注，但也面临一些挑战。

优点 (Pros) / 积极反馈

• Kubernetes 用户友好： 对于已经熟悉 Kubernetes 的团队，能够像管理 Pod 一样管理 VM，极大地简化了“虚拟机+容器”的统一管理。
• 安装和 UI 直观： 安装过程快速自动化，Web UI 基于 Rancher Dashboard，易于上手，适合中小型企业和家庭实验室。
• 开源且成本效益高： 完全开源，无需昂贵的许可费用，是寻求摆脱 VMware 供应商锁定的理想选择。
• 与 Rancher 无缝集成： 能够从 Rancher 统一管理 Harvester 集群，实现从核心数据中心到边缘的全面基础设施覆盖。

缺点 (Cons) / 挑战与批评

• 项目相对年轻： 相比于 Proxmox VE 或 VMware vSphere 等成熟平台，Harvester 历史较短，早期版本存在稳定性问题，生产环境大规模部署的信心仍在建立中。
• 存储性能（Longhorn）考量： Longhorn 作为分布式存储，其性能开销（网络复制、写放大）可能不适合 I/O 密集型应用（如大型数据库），需要评估工作负载的 I/O 需求。
• 功能集仍有差距： 缺少一些 vSphere 等企业级平台提供的高级功能，如复杂的存储策略、精细的资源调度（DRS）和与第三方备份生态的深度集成。
• 对 Kubernetes 知识有要求： 虽然 UI 简单，但一旦出现问题需要深入排查，管理员需要具备 Kubernetes 的基础知识，这对于纯粹的传统虚拟化管理员构成学习曲线。

Harvester 与类似工具对比

技术深度解析与性能考量

Harvester 的性能评估需要结合其云原生 HCI 架构来理解。

1. 存储性能 (Longhorn)
   Longhorn 的性能与底层硬件和网络密切相关。由于其分布式特性，网络是 Longhorn 性能的生命线。

   • 关键因素： 10GbE 或更高速率的专用网络对 Longhorn 至关重要，尤其是在多副本写入和高 IOPS 场景下。
   • 优化： 为 Longhorn 存储池配置高性能 SSD (NVMe 优先)，并通过调整 StorageClass 的副本数（如 replica=1 或 replica=2）来平衡性能与冗余。

2. 计算性能 (KubeVirt)
   KubeVirt 在 Kubernetes Pod 中运行虚拟机，底层直接利用 Linux KVM。

   • 开销： CPU 和内存虚拟化开销通常在 5% 以内，非常低。
   • 优化： 对于计算密集型应用，可以利用 Kubernetes 的调度能力，通过 CPU Pinning (CPU 钉扎) 和 HugePages (大页内存) 等高级功能，进一步提升虚拟机性能，减少延迟。

3. 网络架构
   Harvester 默认提供基于网桥的管理网络。

   • 高性能网络： 对于需要高性能或网络隔离的场景，建议使用 Multus CNI 插件，允许虚拟机附加多个网络接口。
   • 极致性能： 通过 SR-IOV 虚拟功能 (VF) 直通，虚拟机可以绕过大部分虚拟化网络栈，直接与物理网卡通信，实现接近线速的性能和极低的延迟，适用于网络功能虚拟化 (NFV) 等场景。

4. 可伸缩性
   Harvester 的可伸缩性受限于其底层 Kubernetes 集群的 etcd 数据库。

   • 规模： 通常适用于数十到上百个物理节点的集群。
   • 瓶颈： 在大规模集群中，控制平面节点（运行 etcd）必须配备高性能 SSD，以保证低延迟的磁盘 I/O，防止 etcd 成为集群性能瓶颈。

Harvester 的性能优势更多体现在其 HCI 架构带来的整体运维效率、云原生整合能力和声明式管理上，而非单纯的单点极限性能。它为需要统一管理虚拟机和容器的现代化工作负载提供了高效、灵活的平台。

常见问题与故障排除

在使用 Harvester 过程中，用户可能会遇到一些常见问题：

1. 硬件兼容性问题：

   • 问题： 安装卡死，无法识别磁盘或网卡。
   • 建议： 优先选择 Intel 或 Mellanox 等服务器级网卡。对于存储控制器，确保设置为 HBA 或 IT 模式，让 Harvester 直接访问裸盘，避免使用硬件 RAID 卷作为 Longhorn 存储后端。请查阅官方的硬件兼容性列表 (HCL)。

2. 安装介质制作：

   • 问题： USB 启动盘引导失败。
   • 建议： 使用 dd 命令、Etcher 或在 Rufus 中明确选择 “DD Image” 模式来创建安装介质。

3. VLAN 网络配置：

   • 问题： 虚拟机无法访问外部网络或不同 VLAN 之间无法通信。
   • 建议： 确保上游物理交换机端口配置为 Trunk 模式，允许管理网络的 untagged 流量和所有虚拟机 VLAN 的 tagged 流量通过。理解 Harvester 管理网络和 VM 网络之间的关系。

4. 存储空间不足：

   • 问题： 安装 Harvester 后无法创建虚拟机，提示没有存储空间。
   • 建议： Harvester 安装盘所在的磁盘不会被用作 VM 存储。您必须在每个节点上提供额外的、未格式化的裸盘，Harvester 会将其格式化并加入 Longhorn 存储池。

5. Windows 虚拟机性能：

   • 问题： Windows Server VM 磁盘 I/O 和网络速度慢。
   • 建议： 为 Windows 客户机安装 VirtIO 驱动程序。在创建 VM 时，额外挂载一个包含 VirtIO 驱动的 ISO 镜像（如 virtio-win.iso），并在 Windows 安装过程中加载驱动。

总结

Harvester 作为一款基于 Kubernetes 和 KubeVirt 的开源超融合基础设施软件，为现代 IT 基础设施带来了革命性的变革。它通过将虚拟机和容器管理统一到云原生平台，极大地简化了运维复杂性，降低了总体拥有成本。

对于寻求现代化数据中心、拥抱边缘计算、或希望在家庭实验室中探索云原生技术的用户而言，Harvester 提供了一个强大、灵活且经济高效的解决方案。尽管作为一个相对年轻的项目，它仍在快速发展和完善中，但其独特的架构和与 Rancher 的无缝集成，使其成为未来基础设施管理领域不可忽视的力量。

我们鼓励您访问 Harvester 的 GitHub 项目页面 和 官方网站，了解更多信息并亲身体验这一创新平台。