基于虛擬化技術(shù)的雙活數(shù)據(jù)中心方案設(shè)計(jì)

侯紅祥

(中國電信股份有限公司泰州分公司,江蘇 泰州 225300)

0 引言

經(jīng)過多年的信息化建設(shè)，政府、銀行、醫(yī)院、學(xué)校等單位的信息中心已初具規(guī)模，關(guān)鍵信息系統(tǒng)中積累了較多的數(shù)據(jù)，但原有系統(tǒng)建設(shè)時(shí)均采用傳統(tǒng)的“煙囪式IT”建設(shè)模式，一個(gè)應(yīng)用模塊部署到一臺服務(wù)器，由于業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)量眾多，采用傳統(tǒng)建設(shè)模式，一個(gè)單位的整套運(yùn)營系統(tǒng)至少需要幾十臺以上服務(wù)器，同時(shí)為了應(yīng)對少量的峰值負(fù)載，往往會(huì)過度配置計(jì)算資源，導(dǎo)致資源利用率低下。為了解決以上問題需要構(gòu)建一個(gè)合理的數(shù)據(jù)中心[1]，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的“煙囪式IT”建設(shè)模式邁向數(shù)據(jù)中心建設(shè)模式，從而消除物理邊界，提升資源利用率，統(tǒng)一資源的分配。

在數(shù)據(jù)中心時(shí)代，為了避免不必要的數(shù)據(jù)丟失，往往需要建兩套數(shù)據(jù)中心。一套作為主中心，運(yùn)營生產(chǎn)系統(tǒng)，一套作為備中心，作為容災(zāi)系統(tǒng)。當(dāng)主中心的生產(chǎn)系統(tǒng)遇到發(fā)生崩潰或者受到攻擊等情況時(shí)，能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)切換到備中心的容災(zāi)系統(tǒng)，從而保證生產(chǎn)的連續(xù)性。由于備中心的配置與主中心相當(dāng)，硬件投資也相當(dāng)，但主中心近乎滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，備中心很空閑，造成了資源的浪費(fèi)，設(shè)備的綜合利用率不高。

本文采用虛擬化云技術(shù)對服務(wù)器資源統(tǒng)一管理，設(shè)計(jì)出一套能自動(dòng)負(fù)載均衡的雙活數(shù)據(jù)中心。用戶層面只看到系統(tǒng)快速高效地運(yùn)轉(zhuǎn)，而不用關(guān)心應(yīng)用在主中心還是在備中心運(yùn)行，系統(tǒng)根據(jù)主、備中心的運(yùn)行情況，動(dòng)態(tài)均衡地分配負(fù)載，當(dāng)一個(gè)中心發(fā)生崩潰或者受到攻擊時(shí)，另一個(gè)中心能承接所有的負(fù)載，用戶層面應(yīng)用不受影響，從而保障應(yīng)用系統(tǒng)安全、可靠、有效地運(yùn)行，減少了資金的投入，提高了設(shè)備的綜合利用率和性能，簡化了設(shè)備運(yùn)維管理的復(fù)雜度。

文本介紹了基于虛擬化技術(shù)的雙活數(shù)據(jù)中心方案設(shè)計(jì)，首先敘述了數(shù)據(jù)中心的總體架構(gòu)，然后從網(wǎng)絡(luò)層面、應(yīng)用層面、數(shù)據(jù)庫層面、存儲層面描述了如何實(shí)現(xiàn)雙活設(shè)計(jì)，最后總結(jié)了實(shí)現(xiàn)雙活設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，并展望了雙活數(shù)據(jù)中心發(fā)展的方向。

1 數(shù)據(jù)中心總體架構(gòu)

針對雙活數(shù)據(jù)中心平臺[2]建設(shè)要求，平臺總體架構(gòu)如圖1所示，兩個(gè)中心通過Internet網(wǎng)絡(luò)，在核心層和接入層都進(jìn)行負(fù)載均衡，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)雙活。中央存儲和服務(wù)器集群分別采用虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)雙活、數(shù)據(jù)庫雙活和存儲雙活。

圖1 雙活數(shù)據(jù)中心總體架構(gòu)圖

2 網(wǎng)絡(luò)雙活設(shè)計(jì)

本方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是主中心和備中心的外聯(lián)網(wǎng)絡(luò)鏈路的雙活，數(shù)據(jù)中心核心網(wǎng)絡(luò)虛擬化，分別在主中心和備中心各配置兩臺核心交換機(jī)并通過橫向虛擬化技術(shù)將核心設(shè)備虛擬化為邏輯上的一臺交換機(jī)，簡化了網(wǎng)絡(luò)管理同時(shí)提高了可靠性，同時(shí)將雙中心的核心網(wǎng)絡(luò)整合成按需調(diào)度的大型虛擬資源池。在雙活數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中心環(huán)境下，數(shù)據(jù)中心通過前端網(wǎng)絡(luò)雙活技術(shù)，用戶能快速訪問“距離最近”的可用數(shù)據(jù)中心相對應(yīng)的業(yè)務(wù)，提高服務(wù)響應(yīng)速度，提升用戶訪問體驗(yàn)。本方案中數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)對外發(fā)布時(shí)，采用純IP地址方式實(shí)現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)雙活。

在純IP地址方式的網(wǎng)絡(luò)雙活設(shè)計(jì)中，正常情況下只有主中心對外發(fā)布業(yè)務(wù)路由，從而將用戶訪問流量牽引到主中心，實(shí)現(xiàn)主中心業(yè)務(wù)訪問，而備中心的流量管理設(shè)備只探測業(yè)務(wù)地址，因沒有探測到而不對外發(fā)布業(yè)務(wù)路由，實(shí)現(xiàn)主中心的備份作用。具體過程如圖2所示。

圖2 主中心業(yè)務(wù)訪問圖

當(dāng)主中心業(yè)務(wù)遷移到備中心后，備中心的流量管理設(shè)備探測到業(yè)務(wù)IP已經(jīng)轉(zhuǎn)移到備中心，從而對外發(fā)布業(yè)務(wù)路由，引導(dǎo)用戶訪問備中心的業(yè)務(wù)IP，從而實(shí)現(xiàn)基于純IP發(fā)布業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)中心前端網(wǎng)絡(luò)雙活，具體過程如圖3所示。

圖3 備中心業(yè)務(wù)訪問圖

純IP地址方式的網(wǎng)絡(luò)雙活設(shè)計(jì)實(shí)際上還是主-備模式，不是主-主模式。采用全局負(fù)載均衡設(shè)備的動(dòng)態(tài)DNS功能來實(shí)現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)雙活的主-主模式，通過動(dòng)態(tài)DNS可以實(shí)現(xiàn)訪問流量的智能分發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的主-主模式。

由于主備中心采用主-主模式，數(shù)據(jù)中心的出入口相當(dāng)于做了冗余，一旦某個(gè)入口有故障，可從另一個(gè)入口走，只要主動(dòng)做好運(yùn)維管理，后期的設(shè)備維保能及時(shí)跟進(jìn)，出入口部分設(shè)備的故障發(fā)現(xiàn)和故障處理能在短時(shí)間內(nèi)排除。出入口鏈路不處于系統(tǒng)核心區(qū)域，出入口單側(cè)端的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。在后期的建設(shè)中，可考慮出入口鏈路設(shè)備單側(cè)的冗余問題。

3 應(yīng)用雙活設(shè)計(jì)

在網(wǎng)絡(luò)雙活的基礎(chǔ)上要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的雙活，必須要實(shí)施應(yīng)用服務(wù)器的虛擬化及負(fù)載均衡，方案中應(yīng)用程序服務(wù)在VMware虛擬機(jī)上啟用[3]，應(yīng)用程序服務(wù)級別內(nèi)置控制由vSphere來完成，保證提供安全、可用的平臺。

通過使用VMware VMotion實(shí)現(xiàn)服務(wù)器帶電維護(hù)及虛擬機(jī)實(shí)時(shí)遷移，操作過程中不需要關(guān)閉應(yīng)用程序，保證應(yīng)用服務(wù)不中斷。VMware Hot-Add技術(shù)向虛擬機(jī)添加CPU和內(nèi)存時(shí)不會(huì)導(dǎo)致服務(wù)中斷。

使用VMware DRS對服務(wù)器資源進(jìn)行負(fù)載平衡，將資源虛擬成一個(gè)統(tǒng)一的資源池，應(yīng)用程序根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級排成不同的隊(duì)列，資源池對優(yōu)先級不同的應(yīng)用程序隊(duì)列分別提供資源，應(yīng)用程序隊(duì)列根據(jù)資源池的運(yùn)行情況動(dòng)態(tài)調(diào)整，如圖4所示。

圖4 基于優(yōu)先級的負(fù)載平衡圖

通過使用VMware Storage VMotion實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遷移虛擬機(jī)磁盤。

通過使用VMware vShield Zones和VMware VMsafe在應(yīng)用服務(wù)級別實(shí)現(xiàn)企業(yè)安全策略，在共享環(huán)境中保持了對敏感數(shù)據(jù)的保護(hù)，對虛擬化層進(jìn)行協(xié)調(diào)，簡化了安全管理，提高了安全性。

4 數(shù)據(jù)庫雙活設(shè)計(jì)

應(yīng)用平臺往往由不同業(yè)務(wù)功能的子業(yè)務(wù)系統(tǒng)組成，各子業(yè)務(wù)系統(tǒng)都由不同廠商不同版本的數(shù)據(jù)庫來承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫雙活設(shè)計(jì)需要將承載各子業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器作為一個(gè)整體數(shù)據(jù)庫來考慮。本方案通過虛擬化技術(shù)將數(shù)據(jù)服務(wù)器做成一個(gè)專門的數(shù)據(jù)庫服務(wù)池，利用存儲虛擬化網(wǎng)關(guān)和ORACLE Extend RAC技術(shù)在數(shù)據(jù)底層進(jìn)行同步，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的雙活。

在雙活數(shù)據(jù)中心模式中，參見圖5，Oracle RAC數(shù)據(jù)庫可實(shí)現(xiàn)跨站點(diǎn)部署，兩個(gè)Oracle RAC節(jié)點(diǎn)分別部署到兩個(gè)數(shù)據(jù)中心上，比如Oracle RAC 1部署在主中心，Oracle RAC 2部署在備中心，如果主中心發(fā)生故障，不會(huì)影響運(yùn)行在備中心的Oracle RAC 2應(yīng)用，再結(jié)合VMware HA技術(shù)，可保證備中心自動(dòng)重啟原來運(yùn)行在主中心的Oracle RAC 1應(yīng)用。

圖5 雙活數(shù)據(jù)中心模式

運(yùn)行在虛擬化平臺之上的Oracle RAC結(jié)合VMware vMotion技術(shù),可實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)、擴(kuò)容和遷移，避免應(yīng)用服務(wù)中斷，通過VMware Hot-Add技術(shù)在線增加RAC節(jié)點(diǎn)的CPU和內(nèi)存[4]。通過高速雙鏈路與存儲池相連，實(shí)現(xiàn)熱備份和負(fù)載均衡[5]。

5 存儲雙活設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的雙活數(shù)據(jù)中心要求業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)庫、主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、存儲所有層面實(shí)現(xiàn)雙活，其最核心部分是存儲雙活。存儲雙活通過存儲虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)，存儲虛擬化技術(shù)通過輸入輸出重定向和存儲地址重編排來實(shí)現(xiàn)。存儲虛擬化可作為應(yīng)用服務(wù)與存儲設(shè)備之間的邏輯層，其主要任務(wù)是捕獲應(yīng)用程序輸入輸出指令并重定向，對所有存儲空間統(tǒng)一編址，并在這一基本機(jī)制衍生其他高級功能。

存儲雙活技術(shù)中的硬件解決方案在高可用、高性能、高擴(kuò)展性方面比軟件方案都更具優(yōu)勢，當(dāng)前業(yè)界具備相當(dāng)多的成熟案例。本文采用的硬件解決方案參見圖6，通過分布式聯(lián)合技術(shù)擴(kuò)展同步了主備中心的訪問能力，通過共享訪問數(shù)據(jù)拷貝實(shí)現(xiàn)主備業(yè)務(wù)系統(tǒng)同時(shí)訪問同一卷的愿望。通過主機(jī)集群技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩套業(yè)務(wù)系統(tǒng)同時(shí)訪問同一套共享卷，并協(xié)調(diào)輸入輸出之間的鎖機(jī)制，控制來自業(yè)務(wù)系統(tǒng)的輸入輸出訪問的負(fù)載平衡和一致性。用VPLEX來保證兩個(gè)存儲緩存的數(shù)據(jù)一致性。兩套業(yè)務(wù)系統(tǒng)共用的虛擬卷是由鏡像卷創(chuàng)建的，在主備中心的數(shù)據(jù)是鏡像關(guān)系，當(dāng)一個(gè)中心在寫的時(shí)候，另一個(gè)中心只可接受讀請求，保證讀出來的數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)。

圖6 硬件存儲虛擬化

將VMware技術(shù)與Cisco網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展技術(shù)相結(jié)合，打破了兩個(gè)中心之間的壁壘，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供同一數(shù)據(jù)副本的共享訪問，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在兩中心可透明地在線移動(dòng)，動(dòng)態(tài)平衡業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)負(fù)載。存儲雙活技術(shù)中的硬件解決方案的獨(dú)特特征[6]主要包括以下四點(diǎn)：

(1)硬件集群橫向擴(kuò)展，保證存儲在線擴(kuò)展，不影響服務(wù)應(yīng)用；

(2)數(shù)據(jù)緩存規(guī)模大，利用大規(guī)模緩存減少輸入輸出；

(3)分布式緩存相互吻合，可動(dòng)態(tài)平衡集群間輸入輸出；

(4)存儲陣列統(tǒng)一視圖化，顯示跨中心的存儲，實(shí)現(xiàn)跨集群的工作負(fù)載平衡。

憑借獨(dú)特的橫向和縱向擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，通過分布式數(shù)據(jù)緩存動(dòng)態(tài)平衡存儲域和工作負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用服務(wù)級的本地和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問。熱插熱拔功能支持在線添加、刪除網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和虛擬存儲，虛擬磁盤熱擴(kuò)展技術(shù)支持在線添加虛擬存儲。

6 結(jié)束語

真正的雙活數(shù)據(jù)中心，要從上到下各個(gè)層面都要實(shí)現(xiàn)雙活，包括網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用服務(wù)、存儲等各層面。企業(yè)中的IT基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)施經(jīng)過多年的積累，從硬件設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用軟件到存儲都來自不同廠家的不同版本，不同層面的整合又都有各種各樣的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心雙活的難點(diǎn)就是技術(shù)選型要實(shí)現(xiàn)承上啟下。本文介紹了一套完整的數(shù)據(jù)雙活中心在各個(gè)層面的雙活設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了主備兩個(gè)中心并行運(yùn)行，一個(gè)中心斷了，另一個(gè)中心正常運(yùn)行，用戶應(yīng)用不受影響，避免了傳統(tǒng)備中心長期處于閑置狀態(tài)的情況，提高了資源利用率，并提供了雙倍的服務(wù)能力。

雙活數(shù)據(jù)中心隨著技術(shù)的進(jìn)步肯定會(huì)實(shí)現(xiàn)得更加完美，將來隨著云計(jì)算技術(shù)的成熟，有可能實(shí)現(xiàn)多活數(shù)據(jù)中心或者云數(shù)據(jù)中心，為各單位提供更高的資源利用率、更加完美的容災(zāi)方案以及更加動(dòng)態(tài)靈活的硬件擴(kuò)展。