硬件虛擬化在IP播控系統中的應用

雷 宇

（作者單位：南京廣播電視集團）

1 研究背景

隨著IP播控技術的興起，傳統電視技術行業開始越來越多地觸及在互聯網領域運用多年的虛擬化技術。所謂虛擬化技術原先是用于計算機科學中在邏輯上劃分大型計算資源的一種方式，最為人們所熟知的就是基于操作系統下的虛擬機軟件，例如，在Windows10系統下運行一個WindowsXP虛擬機來解決一些老舊軟件的兼容性問題。目前，業內對于虛擬化技術主流的分類有如下五種：硬件虛擬化、操作系統層虛擬化、桌面虛擬化、應用程序虛擬化、網絡虛擬化。每一種虛擬化方式在目前的IP播控中都有極為巨大的應用空間，本文結合南京廣電集團電視播出部的IP播控測試系統，談談硬件虛擬化技術在其中的應用。

2 硬件虛擬化的概念

硬件虛擬化又稱為hypervisor（虛擬機器監視器），是通過一種稱之為“虛擬機管理程序”的底層系統，在一套硬件設備上虛擬化出多個虛擬機實例的虛擬化技術。在目前虛擬化的技術中出現最早也應用最為普遍，從結構上來看硬件虛擬化可分為如下的兩種結構。

2.1 Type-1基于裸金屬架構的虛擬機

虛擬機管理程序直接在主機/服務器上運行，通過管理程序分配計算機資源、安裝需要的操作系統。例如，微軟的Hyper-V，VMware的ESXi，Linux下的KVM等都屬于此類。優點是由于不需要宿主操作系統，所以幾乎沒有額外的資源開銷，可靠性和效率都很高。這也是各種企業級云服務商提供IaaS的服務器架構，例如，AWS和阿里云都是使用深度二次開發的KVM虛擬機作為云服務器的底層虛擬化技術。

2.2 Type-2基于宿主操作系統架構的虛擬機

此類型需要在主機上已有的宿主操作系統上安裝虛擬機管理程序，然后再分配資源進行虛擬機實例安裝。例如，VMware的 Workstation，Oracle的VirtualBox等就屬于此類。對比Type-1其缺點是由于存在宿主操作系統，穩定性和資源開銷都比不上Type-1，所以，此類型虛擬機常用于實驗和調試。

3 相關技術及優勢

3.1 硬件資源利用率提高

隨著單顆CPU集成的核心數量越來越多，性能越來越強，使得配置多核心處理器的服務器成本優勢十分明顯。例如，一臺擁有兩顆16核32線程CPU的服務器，共有64個邏輯處理核心，滿載狀態下可以創建64臺同時運行的虛擬機，其供電方案、設備占用面積、散熱等部署成本遠小于64臺單核處理器主機。在內存的利用上則更為靈活，單臺主機的內存占用率往往是動態的，容易造成資源閑置。而硬件虛擬化通過虛擬內存、共享內存等技術讓服務器上的物理內存通過“資源池”的方式進行動態調控，使虛擬機分配的內存總和可以大于服務器物理內存，提高了內存利用率。

3.2 簡化系統架構

采用了硬件虛擬化后單臺服務器的外圍設備需求量減少，整個系統的可靠性增加，也減少了運維工作量。例如，傳統電視播出的播出控制系統，主備播控機、字幕機、板卡配置機在硬件上都是相互獨立的，通過KVM控制器集中操作，接線復雜且故障率高，而且無法跨KVM操作。一旦出現硬盤故障或者散熱故障，單臺主機的上下線維修非常耗時。如果采用虛擬機部署，只需要將瘦客戶端接入核心交換機，即可通過遠程桌面訪問任何一臺虛擬機服務器。簡化了拓撲結構，增加了系統可靠性，通過虛擬機管理系統可以查看每一臺虛擬機的運行狀態，在單臺瘦客戶端上即可完成整個系統內虛擬機的維護。由于虛擬機采用集中存儲，通過磁盤陣列來創建存儲冗余，這樣可以方便監控存儲池中每一塊硬盤的狀態，在故障時實現不中斷業務維護。

3.3 彈性資源分配

通過虛擬機管理程序可以對每臺虛擬機的配置（CPU核心數、內存、硬盤、網卡）進行動態的調整，以滿足不同時期的硬件資源需求。在這個過程中只需要重啟虛擬機而不需要對操作系統進行重裝和配置，這是以往單機系統無法做到的。通過彈性資源管理，可以動態地重新分配資源，以便高效地使用可用硬件資源。

4 在IP播控系統的應用

VMware vSphere作為目前部署虛擬化私有云的成熟解決方案，本文以此為例，結合南京廣電電視播出部現有IP播控測試系統架構，利用Type-2架構在一臺工作機上部署單個頻道的電視播出系統虛擬化實驗方案，闡述在真實生產環境中部署硬件虛擬化系統的思路。

4.1 實驗環境

本實驗的工作機能提供32個邏輯處理器（AMD TR1950X），安裝Workstation 14作為虛擬化環境來模擬IP播出測試系統的虛擬化服務器架構。所有的虛擬機服務器作為一個Datacenter來進行管理，3臺ESXi服務器組成一個群集，作為虛擬機資源池，虛擬Storage服務器作為集中存儲，虛擬Backup服務器作為虛擬機快照備份。要實現對群集的復雜應用，還需要安裝vCenter Server對群集進行集中化管理，本實驗選擇VCSA方式在3臺ESXi上部署vCenter三節點群集。

4.2 存儲方案

目前，硬件虛擬化使用的共享存儲管理方式一般有SAN和NAS兩種，前者提供磁盤級的存儲而后者提供文件級的存儲。在對存儲性能要求較高的系統中一般會采用基于FC的SAN存儲方式，由于條件限制本實驗系統采用IP SAN作為共享存儲方式，將兩塊4TB的HDD組成RAID1全部劃分給Storage虛擬服務器作為集中存儲，通過在CentOS 7上部署iSCSI Target軟件來將TCP/IP模擬為iSCSI提供共享存儲服務。采用共享存儲的好處是可以集中管理存儲空間，通過RAID來保障數據安全，在線即可更換損壞的硬盤。虛擬機的存儲被封裝為VMFS格式進行管理，數據熱遷移、快照備份、分布式資源調度等虛擬化系統獨有的技術均是建立在共享存儲的基礎上。

4.3 容災

虛擬機架構對于容災的部署非常的靈活和高效，vSphere中有vMotion、HA和DRS等組件用于系統的容災。vMotion為虛擬機容災的核心技術，可以將一臺在運行狀態的虛擬機遷移到群集中的任意一臺服務器上，而這個過程不會中斷虛擬機上的業務，所以也被稱為熱遷移。其原理是將源服務器上虛擬機的內存狀態封裝為vmdk文件和目標服務器上新建的虛擬機進行同步，當同步率達到100%時即完成了虛擬機的熱遷移。DRS對群集中的硬件資源進行彈性化的調度，通過預先對虛擬機資源需求的權重設置，利用vMotion將虛擬機運行在合適的服務器中。這樣無需關心群集中的服務器上分別運行了哪些虛擬機，弱化了傳統播控系統的主-備概念。HA分為vSphere HA和vCenter HA，前者通過對群集內虛擬機狀態的實時監測來觸發DRS策略，對狀態不好和停止運行的虛擬機進行vMotion遷移或重啟。后者是在三臺不同的服務器上部署主動、被動、見證三個vCenter節點，來保證任意節點出故障的情況下vCenter服務仍能夠穩定運行且數據不會錯誤。通過VDP可以方便地對群集中的虛擬機建立快照，將設置時刻點的運行狀態封裝為文件保存在共享存儲上，這樣可以在虛擬機出現故障時回滾到任意一個備份點。

5 結語

IP播控對于傳統電視播控系統是一次巨大的技術升級，在其中運用虛擬化技術加快了系統搭建速度，降低了設備投入成本，改善了安全保障方式。但反過來也對廣電技術人員提出了更高要求，需要對很多新的知識架構體系進行學習，不然無法勝任新系統的設計和維護工作。從短期來看是陣痛，但長期來看是有利的。目前，多數系統還是采用VMware配合Windows服務器系統這樣的商業產品框架，雖然運行穩定部署相對容易，但是需要高昂的軟件授權成本。如果能夠有足夠的技術能力采用開源的KVM+Linux架構，一方面降低了成本，另一方面提高了廣電技術團隊的研發能力，對于在往后的互聯網化時代競爭從高資產低人力轉型到輕資產高人力的產業升級，可以起到積極作用。