基于虛擬化技術的數據中心解決方案

摘要:虛擬化技術日臻成熟，成為在建數據中心的技術基礎。介紹了虛擬化的概念、虛擬化的意義和虛擬化的架構。結合報社自身的業務特點和應用現狀，提出了一種基于虛擬化技術的數據中心解決方案。對于數據中心項目的論證，設備的選型具有一定的參考價值。

關鍵詞:虛擬化;云計算;高可靠性;熱遷移;災難恢復

中圖分類號:TP302文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)21-5667-03

The Solutions of Data Centre Based on Virtualization

SHI Jia-liang

(Anhui Daily Press Group， Hefei 230071， China)

Abstract:The gradual maturity of the virtual technology is one of the technological foundation of data centre. This article systematically introduces the conception and framework of virtual technology and its significance. Combining the characteristic of newspaper office and the current situation of the usage of virtual technology， this article has designed a scheme of solutions of data centre base on virtual technology. It has a certain reference value on the demonstration for the date centre project and the equipment selection.

Key words: virtualization; cloud-computing; HA(High Availability); vmotion; DR(Disaster Recovery)

虛擬化和云計算[1]是近年來在IT界廣為流傳的術語。虛擬化指計算在虛擬的基礎上而不是真實的基礎上運行。虛擬化技術可以擴大硬件的容量，簡化軟件的重新配置過程。 CPU的虛擬化技術可以單CPU模擬多CPU并行，允許一個平臺同時運行多個操作系統，并且應用程序都可以在相互獨立的空間內運行而互不影響，從而顯著提高計算機的工作效率。

在傳統的數據中心中單個應用只少占用一臺物理的計算機資源，這使得大量的計算資源得不到利用。擴展應用時必須要考慮要選購物理機器和CPU資源，這使得一些應用被擱置。利用虛擬化，可以在一臺物理機上運行多個虛機，可在多個環境間共享這一臺計算機的資源。不同的虛擬機可以在同一臺物理機上運行不同的操作系統以及多個應用程序。這樣應用可以在小范圍測試，到推廣時再做硬件設備的預算。

1 虛擬化

虛擬化定義成個抽象層，它將物理硬件與操作系統分開，從而提供更高的 IT 資源利用率和靈活性。

虛擬化允許具有不同操作系統的多個虛擬機在同一物理機上獨立并行運行。每個虛擬機都有自己的一套虛擬硬件(例如 RAM、CPU、網卡等)，可以在這些硬件中加載操作系統和應用程序。無論實際采用了什么物理硬件組件，操作系統都將它們視為一組一致、標準化的硬件。要實現云計算必須以虛擬化技術為基礎來開展。

1.1 虛擬化的意義

虛擬化的基礎是虛擬機。虛擬機工作原理見圖1。

虛擬機是一種嚴密隔離的軟件容器，它可以運行自己的操作系統和應用程序，就像一臺物理計算機一樣。虛擬機的運行完全類似于一臺物理計算機，它包含自己的虛擬(即基于軟件實現的)CPU、RAM 硬盤和網絡接口卡 (NIC)。

操作系統無法分辨虛擬機與物理計算機之間的差異，應用程序和網絡中的其他計算機也無法分辨。即使是虛擬機本身也認為自己是一臺“真正的”計算機。不過，虛擬機完全由軟件組成，不含任何硬件組件。因此，虛擬機具備物理硬件所沒有的很多獨特優勢。

1.2虛擬化的優勢

可以從效率、隔離、可靠性、成本、兼容性、便于管理這六個方面來說明虛擬化的優勢。

1)效率:將原本一臺服務器的資源分配給了數臺虛擬化的服務器，有效的利用了閑置資源，確保企業應用程序發揮出最高的可用性和性能。

2)隔離:雖然虛擬機可以共享一臺計算機的物理資源，但它們彼此之間仍然是完全隔離的，就像它們是不同的物理計算機一樣。因此，在可用性和安全性方面，虛擬環境中運行的應用程序之所以遠優于在傳統的非虛擬化系統中運行的應用程序，隔離就是一個重要的原因。

3)可靠:虛擬服務器是獨立于硬件進行工作的，通過改進災難恢復解決方案提高了業務連續性，當一臺服務器出現故障時可在最短時間內恢復且不影響整個集群的運作，在整個數據中心實現高可用性。

4)成本:降低了部署成本，只需要更少的服務器就可以實現需要更多服務器才能做到的事情，也間接降低了安全等其他方面的成本。

5)兼容:所有的虛擬服務器都與正常的x86系統相兼容，他改進了桌面管理的方式，可部署多套不同的系統，將因兼容性造成問題的可能性降至最低[2]。

6)便于管理:提高了服務器/管理員比率，一個管理員可以輕松的管理比以前更多的服務器而不會造成更大的負擔。

通過實現 IT 基礎架構的虛擬化，可以降低 IT 成本，同時提高現有資產的效率、利用率和靈活性。

2 虛擬化架構

2.1 定義

虛擬化技術能夠通過資源共享與合并資源來提高效率并降低成本，它已經被迅速地應用于數據中心。

較早的虛擬軟件必須是裝在一個宿主操作系統上，然后再分別安裝配置虛擬機及其應用。隨著技術的發展，虛擬機可以通過虛擬機管理器(Virtual Machine Monitor，簡稱VMM)來進行管理的。

VMM是在底層實現對其上的虛擬機的管理和支持。但現在許多的硬件，比如Intel 的CPU已經對虛擬化技術做了硬件支持，大多數VMM就可以直接裝在裸機上，在其上再裝幾個虛擬機就可以就大大提升了虛擬化環境下的性能體驗。

目前常見的VMM工作模式見圖2。

利用虛擬基礎架構，可以在整個基礎架構范圍內共享多臺計算機的物理資源。利用虛擬機可以在多臺虛擬機之間共享單臺物理計算機的資源以實現最高效率。資源在多個虛擬機和應用程序之間進行共享。業務需要時將基礎架構的物理資源動態映射到應用程序的驅動力。

2.2包含的組件

一個虛擬基礎架構通常可以包括以下組件:

1)裸機管理程序，可使每臺 x86 計算機實現全面虛擬化。

2)虛擬基礎架構服務(如資源管理和整合備份)，可在虛擬機之間使可用資源達到最優配置

3)自動化解決方案，用于通過提供特殊功能來優化特定流程，如部署或災難恢復(DR:disaster recovery)。

將軟件環境與其底層硬件基礎架構分離，以便管理員可以將多個服務器、存儲基礎架構和網絡聚合成共享資源池。根據需要向應用程序動態提供所需資源。使用價格低廉的行業標準服務器以構造塊的形式構建自我優化的數據中心，并實現高水平的利用率、可用性、自動化和靈活性[3]。

通過虛擬架構部署的實例見圖3。

網絡存儲技術是基于數據存儲的一種通用網絡術語。網絡存儲結構大致分為三種:直連式存儲(DAS:Direct Attached Storage)、網絡存儲設備(NAS:Network Attached Storage)和存儲網絡(SAN:Storage Area Network)。

2.3 虛擬化分類

對虛擬化進行分類:應用虛擬化、桌面虛擬化、客戶機虛擬化、服務器虛擬化、存儲虛擬化[4]、網絡虛擬化。應用虛擬化:發布具體的應用。桌面虛擬化:類似遠程桌面技術，在一臺服務器上或集群上跑若干應用。客戶機虛擬化:發布具體的客戶機系統。利于統一打包統一升級，每個系統應用實例達到統一，減少維護量。服務器虛擬化:在一臺服務器上實現數個服務器的功能。存儲虛擬化:存儲設備對與具體的用戶和應用的位置是未知的。實現在線遷移功能。對于需要在線服務特別是流服務的應用，后端存儲遷移時不會對應用產生任何影響。網絡虛擬化:整合現有網絡資源，使用虛擬化技術使得不改變現有網絡拓撲結構，快速動態地調整網絡資源來適應存儲虛擬化對網絡鏈接端對端高速訪問的要求。這樣保障了虛擬系統的高可用性。

3 報業集團信息系統現狀

報業集團主要的信息系統有以下幾大類:財務系統、廣告系統、報刊發行、人事管理系統、一卡通系統、智能大廈系統、網絡安全管理系統、OA(office automatic辦公自動化系統)、新聞采編系統、遠程傳稿、電稿接收等等。每個應用系統都由一臺或若干臺服務器及存儲設備向外提供服務。例如新聞采編業務系統由兩臺IBM X3650服務器為集群作為數據庫服務器，一臺IBM X360作為文件服務器，一臺NAS9200作為后端存儲。現有業務系統見圖4。

4 虛擬化解決方案

結合報社的業務現狀，從硬件資源和應用的角度對數據中心實現虛擬化。

根據虛擬化的原理，報社的數據中心從存儲虛擬化、網絡虛擬化、服務器虛擬化三個方面出發進行資源整合，使這些硬件資源成為一個共享硬件資源池。

1)存儲虛擬化:這是數據中心虛擬化的核心。改變以往的DS存儲，NAS存儲和SAN存儲的客戶端訪問是知道具體的物理位置的[5]，一旦發生物理上的改變就必須通過人為干預的方式來設置訪問路徑。通過虛擬化存儲后對應用的訪問只給唯一的一個路徑，虛擬系統將信息存放的具體信息隱藏起來。

2)網絡虛擬化:在虛擬化架構上，使得傳統網絡中離散的安全控制點被整合進來，進一步強化并簡化了基礎網絡安全[6]，網絡虛擬化技術將在數據中心端到端總體設計中發揮重要作用。

3)服務器的虛擬化:通過虛擬化基礎架構來實現服務器資源的整合。根據應用規模和資源的占用的動態分配硬件資源。將現有應用系統平滑地遷移到虛擬服務器中。服務器虛擬化確保高可靠性(HA High Availability)。系統維護人員不再擔心應用系統的中斷。部署新的業務時大大縮短部署的周期。要上馬新的應用，服務器不再是論證時的瓶頸，可以通過先搭建業務平臺來運行測試，根據測試結果來判斷是否立項。

對不同的人群和業務應用我們可以從下面所述三個方式來予以解決[7]:

1)應用虛擬化，將一些常見的應用系統發布出來。例如新聞采編系統。記者在任何地方都可以及時的傳回稿件和圖片。編輯可以在異地編發稿件。

2)桌面虛擬化:例如系統維護人員可以通過桌面虛擬化的方式，從遠端及時了解業務系統的運行狀態。發現錯誤可以對系統進行維護。

3)客戶機虛擬化:通過自己的電腦訪問這個虛擬化的客戶機，不受終端電腦系統的影響。例如圖片編輯在虛擬的客戶機上運行耗龐大資源的圖片設計軟件。大大的提高了工作效率。

物理設備擬采用Netapp3140存儲系統為虛擬為虛擬存儲池。用IBM刀片服務器集群系統為虛擬服務器系統。網絡采用高性能的存儲專用交換機連接存儲設備。

選業界普遍好評的威睿[8] (VMWARE)的VMware vSphere來整合硬件資源創建資源池。用VMware vCenterTM Server來管理來實現虛擬機的一系列管理。Vmware支持業務連續性及其內置的數據災難恢復功能可以減少停機并提高可靠性。通過實時遷移(Vmotion)工具來無縫的遷移現有的系統。可以分步實施，按照系統的復雜度來遷移，先遷移簡單的業務系統，例如人事考勤系統。再遷移比較復雜的系統。向新聞采編系統就比較復雜。

思杰(citrix)的虛擬化軟件XenApp dvanced Server，可以實現應用虛擬化、桌面虛擬化和客戶機虛擬化。系統用戶可以通過臺式機、筆記本以及手持終端(智能手機、ipad)就可以方便的訪問相關的授權業務系統。

虛擬化后的數據中心是一個基于存儲、服務器和網絡的一個大的資源共享池。根據業務來動態調配資源。該方案實現的虛擬化數據中心，實現了圖3的虛擬架構。

5 結束語

虛擬化技術不斷成熟，軟硬件的投資成本逐步的減小。在報社的虛擬化數據中心項目論證中參照了一些成功實施虛擬化的案例。方案實現時還是要充分考慮廠商的具體實現形式，合理配置硬件資源。并結合報業集團的現狀，為報業信息化發展預留可持續發展的空間。完成數據中心的虛擬化，為基于端到端的云計算打好基礎。

參考文獻:

[1] 張敏，陳云海.虛擬化技術在新一代云計算數據中心的應用研究[J].廣東通信技術，2009(5):35-39.

[2] 黃歆媚，雷航.X86平臺上高效高安全性的設備虛擬化模型[J].計算機應用，2008，28(8):2113-2116.

[3] 楊建華，薛恒新.基于虛擬產業群的虛擬企業與企業虛擬化研究[J].中國機械工程，2002，13(21):1841-1844.

[4] 吳松，金海.存儲虛擬化研究[J].小型微型計算機系統，2003，24(4):728-732.

[5] 程耀東，許冬.存儲資源的整合與虛擬化[J].計算機工程與應用，2003(33):85-88.

[6] 張成峰，謝長生.網絡存儲的統一與虛擬化[J].2006，33(6):11-14.

[7] 朱嘉賢，白偉化.基于服務虛擬化的業務編程模型[J].計算機應用，2008，28(6):1635-1638.

[8] 譚文輝.利用VMware實現數據中心服務器虛擬化[J].艦船電子工程，2008(6):156-159.

注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文