基于虛擬化的云計算數據中心整體解決方案

馬錫坤，楊國斌，于京杰

南京軍區南京總醫院a.信息科；b.醫務部，江蘇 南京 210002

虛擬化和云計算是近年來在IT界廣為流傳的術語。數據中心要實現云計算，虛擬化是一個重要的基礎，虛擬化本身并不是云計算，而是走向云計算的途徑之一。虛擬化讓數據中心的計算能力更具有伸縮性，供給也更為靈活，從而可以更好地為云計算服務[1]。面向云計算的數據中心使用“池”的概念，每個池均可實現動態的資源調整，能夠實現虛擬資源池中資源的動態調度，以達到調度過程中充分利用資源的能力。

1 虛擬化和云計算概述

1.1 虛擬化

虛擬化是一個廣義的術語，是指計算在虛擬的基礎上而不是真實的基礎上運行，是一個為了簡化管理、優化資源的解決方案[2]。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，把有限的固定的資源根據不同需求進行重新規劃以達到最大利用率。虛擬化是業務系統和IT硬件設備間的一次重要解耦，通過虛擬化后業務系統和虛擬資源映射，虛擬資源再和實際物理資源映射，實際的物理資源對業務系統變成黑盒，在邏輯層形成標準化的虛擬資源池。

由于虛擬化技術能夠通過資源共享與合并來提高效率并降低成本，它已經被迅速地應用于數據中心與其他設備上。在傳統的數據中心，單個應用至少占用1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，必須要考慮要選購的物理機器和 CPU 資源，這使得一些應用被擱置。利用虛擬化，可以在1臺物理機上運行多個虛擬機，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[3]。

1.2 云計算

云計算已成為 IT 業一個新的發展趨勢。云計算將計算任務分布在大量的資源池上，使各種應用系統能夠通過網絡根據需要獲取計算力、存儲空間和各種軟件服務。所謂云，就是提供資源的網絡是一些能自我管理和維護的虛擬計算資源。將其稱謂云，既是對那些分布在網絡中的成千上萬臺電腦和服務器連接成一片電腦云的比喻，也是指代數據的計算過程被隱匿起來，由服務器按需要，從整個大云中“雕刻”出所需要的那一朵[4]。

云計算的實質是將計算、應用和服務作為一種公共設施提供給公眾，使人們能夠隨時隨地根據自己的需要來使用計算機資源。云計算的一個核心理念就是通過不斷提高“云”的處理能力，進而減少用戶終端的處理負擔，最終使用戶終端簡化成一個單純的輸入輸出設備，并能按需享受“云”的強大計算處理能力。“云”中的資源在使用者看來是可以無限擴展的，并且可以隨時獲取，按需使用，隨時擴展，按使用付費[5]。

1.3 虛擬化和云計算的關系

虛擬化實現了IT資源的邏輯抽象和統一表示，在大規模數據中心管理和解決方案交付方面發揮著巨大的作用，是支撐云計算偉大構想的最重要的技術基石[6]。云計算的特征體現在虛擬化、分布式和動態可擴展。虛擬化，是云計算最主要的特點，每一個應用部署的環境和物理平臺是沒有關系的。通過虛擬平臺進行管理、擴展、遷移、備份，各種操作都通過虛擬化層次完成；動態可擴展是指通過動態擴展虛擬化的層次，進而達到對以上應用進行擴展的目的；分布式是指計算所使用的物理節點是分布的。

從云計算的最重要的虛擬化特點來看，可以把各種IT資源、軟件、硬件、操作系統和存儲網絡等要素都進行虛擬化，放在云計算平臺中統一管理。通過虛擬化形成標準化的虛擬資源池，解決數據中心資源的整合問題，在整合過程中對計算、存儲等各種資源進行標準化。虛擬化技術打破了物理結構之間的壁壘，代表著把物理資源轉變為邏輯可管理資源的必然趨勢。所有的資源都透明地運行在各種物理平臺上，資源的管理都將按邏輯方式進行，完全實現資源的自動化分配，而虛擬化技術則是實現這一理想的唯一工具。

2 云計算數據中心解決方案

2.1 云計算數據中心的產生

隨著信息化建設的發展，以及對數據存儲、數據挖掘、高性能計算需求的不斷增長，數據中心的規模變得越來越大，傳統的數據中心建設模式已經無法滿足這種變化。必須有一種高度整合統一、能夠靈活擴充、按需分配，并且性能優越的數據中心來滿足需求。云計算交付模式以及新一代數據中心建設就是在這種需求中誕生的，其虛擬化技術應用水平不斷提高，幾乎所有新建和改造的大型數據中心都開始使用或研究虛擬化技術。

新一代數據中心將所有設備和系統資源池化，利用統一計算系統、統一存儲系統、統一網絡系統，分別構建計算池、存儲池、網絡池，其整體架構拓撲圖，見圖1。實現整個數據中心網狀結構向虛擬化結構的轉變，所有的應用系統、數據、網絡數據流全部與硬件系統無關，簡化了整個數據中心的邏輯架構，使得數據中心的管理、運維更加簡單和高效。所有的應用系統全部處于虛擬化程序的保護之下，在任何設備出現不穩定、故障的情況下，都可以保證應用系統的高效、可用。統一交換和虛擬化是新一代數據中心最關鍵的兩個技術，其虛擬化技術不是將一臺服務器變成多臺這么簡單，它涉及計算虛擬化、存儲虛擬化、網絡虛擬化等[7]。

圖1 數據中心整體架構拓撲圖

2.2 云計算數據中心的組成

2.2.1 統一計算系統

將統一計算系統顛覆了傳統刀片服務器架構，展現出了一種新穎的觀念，將計算能力、聯網、存儲器和管理都整合到一個由各種廠商的硬件和軟件綜合而成的平臺上。統一計算的作用是，通過突破計算、存儲、虛擬化和網絡平臺間的孤井集成來消除人工集成。虛擬化與統一計算系統共同組成了數據中心的計算節點，利用虛擬化，統一計算系統可以整合工作負載，提高利用率。對于虛擬化部署來說，只有在應用程序運行在一個或多個統一的服務器資源池時，才能最好地發揮自身的作用。傳統的服務器和虛擬化部署是分離的，這顯然不利于整體資源的應用。而統一計算平臺的整體打造則能夠將這種問題解決。

思科的統一計算系統采用了10G FCoE技術，消除了虛擬化部署所擔心的I/O瓶頸問題；并且通過內存擴展技術將服務器的內存擴展到384G，海量內存擴展技術使服務器為虛擬化架構提供更高的性能，搭建數據中心時花費更少的費用；通過虛擬化軟件的HA和Vmotion功能，能夠將負載在虛擬池中進行遷移，徹底消除了正常和非正常的系統停機，確保所有應用系統的高可用性；另外通過SAN Boot技術，將所有虛機放在存儲系統中，使刀片服務器真正成為“無狀態”計算節點，無狀態運算技術使得物理機的遷移成為可能，從而使數據中心的管理更加靈活，虛擬服務器的安全性更高。

2.2.2 統一存儲系統

統一存儲，實質上是一個可以支持基于文件的網絡附加存儲以及基于數據塊的網絡附加存儲的網絡化的存儲架構。這些多協議系統可以通過網絡連接口或者光纖通道連接到服務器上。在云計算數據中心部署統一存儲系統，可以規劃整體存儲容量，省去對文件存儲容量以及數據塊存儲容量的單獨考慮。用戶可以在無需知道應用是否需要數據塊或者文件數據訪問的情況下，自由分配存儲來滿足應用環境的需要，提高存儲資源池的靈活性。統一存儲系統可以滿足用戶的各種需求，所有的應用程序都可以使用同一套存儲系統，并且可以支持所有的存儲訪問協議，包括此前所有的和未來的主流協議，用戶不必擔心該存儲系統無法支持或者兼容此前的應用系統或者今后的應用系統。

在很多時候，用戶在部署服務器虛擬化環境時都會因為性能方面的要求而對基于數據塊的裸設備映射提出要求。統一存儲為用戶如何購買存儲虛擬機提供了選擇，而無需像之前那樣分別購買存儲區域網絡和網絡附件存儲設備。高存儲控制器配置提升了整套存儲系統的性能。并且通過對固態盤的優化，采用固態磁盤虛擬緩存方式，大幅度提升整個存儲系統的緩存命中率，尤其是在虛擬化架構下，效果更加明顯。以較低的成本，消除了整個數據中心的性能瓶頸。采用自動分層技術，存儲系統后臺自動調整數據存放位置，優化存儲訪問方式[8]。

2.2.3 統一網絡系統

目前，絕大多數數據中心內部通信網絡仍然主要依賴以太網，而光纖通道（FC）網絡主要用于存儲系統。隨著10GB以太網的成熟，基于以太網的光纖通信技術（FCoE）和新的無損10GB以太網技術開始在數據中心流行，使用統一的以太網整合FC-SAN存儲數據流和普通數據流，該網絡融合讓數據中心能夠保持FC存儲的現有投資，能夠把LAN、SAN和Infiniband等整合為一個統一的網絡架構，從而大幅度降低網絡建設的復雜度和成本，并且在技術層面實現更高的帶寬、更低的延遲、更好的安全性和可管理性。

系統將虛擬機到虛擬機通信所需的交換機精簡為一個互聯陣列，支持虛擬機間的所有網絡流量傳輸，而無論虛擬機位于何處，都為網絡流量提供了單一控制和管理點。因此，無需在刀片服務陣列中部署交換機，而是使用陣列擴展模塊，其邏輯上是互聯陣列的一部分。將所有流量從刀片服務器傳輸到上游互聯陣列，無需使用軟件交換機，虛擬機直接連接到物理網卡，采用直通交換或采用Hypervisor-bypass技術對其進一步加速。

根據現有服務器的接入需求，并預留合理的端口接入數量（數據中心部署思科新一代Nexus核心交換機），不但能滿足在大規模采用服務器虛擬化后對核心交換機高端口數量、性能、功能的要求，也能通過網絡虛擬化最大程度發揮服務器虛擬化的優勢，從而進一步保障數據中心安全可靠地運行。思科新一代Nexus核心交換機能通過虛擬化技術將核心、匯聚、接入的功能融為一體并直接連接服務器，這種架構不但結構簡單、管理方便、安全可靠，而且充分節省了空間和布線，為各種應用服務的擴展提供了有力的支撐。

2.3 云計算數據中心實現步驟

實現云計算數據中心分為整合、虛擬化、自動化等3個階段性步驟。第一步：整合，整合就是將智能網絡所需的各種資源實現整合。資源整合的目標是便于被調用，網絡成為各種資源整合和調度的公共接口。第二步：虛擬化，虛擬化是將已整合在一體的資源以一種與物理位置和狀態無關的方式進行組織，實現自由的跨平臺資源調用。通過虛擬化，方便對整合后的資源進行高效調度。第三步：自動化，高度整合和虛擬化基礎上的自動化，把虛擬化的資源以一種動態的最優化方式由系統自動根據業務需求來調用；根據用戶指定的內容快速分配資源，加速實現應用程序的可用性，實現業務部署的自動化。

3 云計算數據中心的發展

在數據中心部署虛擬化可對資源整合管理，提高服務保障水平，降低管理費用[9]；改善資源分配，提高資源利用率；提高設備可用性，增強系統可移植性，降低單點故障；減少電力消耗，節約能源，減少運行成本；減少硬件資金投入和機房空間占用。服務器、存儲、網絡等資源形成的虛擬架構猶如一臺超級計算機，使最終用戶從關心單個服務器或存儲產品的性能轉變為關心虛擬化解決方案的整體性能。

基于虛擬化的云計算數據中心將會呈現以下幾個發展趨勢：首先是網絡的融合與統一交換。隨著FCoE國際標準的逐步普及和實施，在新一代數據中心網絡中，存儲網絡、數據網絡、服務器集群網絡等多個業務最終都將承載在以太網上，實現網絡的融合架構和統一交換，使得數據中心具備更好的性能、更低的成本和更高的安全可靠性。其次，隨著IEEE802.3ba 40G/100G標準的正式發布，100G將成為大型數據中心網絡規模部署的新標準。第三，虛擬化特性將表現得更為明顯。通過虛擬化技術，各種資源能夠被合理地利用，提高了物理設備的利用效率，同時也增加了各種業務部署的靈活性，最終通過云調度系統來協調各種業務的使用和遷移。最后，低碳節能對新一代數據中心越來越重要，在這方面有突出表現的產品將會格外得到用戶的青睞。

[1]朱潔蘭.淺議如何構建新一代數據中心[J].福建電腦,2008,(10):9-10.

[2]田豐,朱紅斌.淺談虛擬化與虛擬化IT架構[J].福建電腦,2011,(1):64-65.

[3]周鐵成.虛擬化技術在數據中心架構中的應用研究[J].現代計算機(專業版),2009,(4):88-89.

[4]焦強,陳曙.云計算技術在醫藥行業中的應用[J].藥學進展,2011,35(3):110-116.

[5]高林,宋相倩,王潔萍.云計算及其關鍵技術研究[J].微型機與應用,2011,30(10):5-7.

[6]陳云忠,曹定舟,許源.淺析基于云計算的區域衛生信息系統的構建[J].中國醫療設備,2011,26(9):57-60.

[7]石家亮.基于虛擬化技術的數據中心解決方案[J].電腦知識與技術,2010, 6(21):5667-5669.

[8]馬錫坤,于京杰,楊國斌.存儲虛擬化技術在醫院信息系統平臺中的作用[J].中國醫療設備,2011,26(10):39-40.

[9]李英壯,廖培騰,孫夢,等.基于云計算的數據中心虛擬機管理平臺的設計[J].實驗技術與管理,2011,28(5):1-3.