核電廠VVER 機組全范圍模擬機服務器虛擬化研究

吉艷紅，徐偉博，李連海，相栓柱

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222042）

0 引言

VVER 機組全范圍模擬機主要功能為機組主控室運行人員培訓，運行應急程序的驗證、修改及檢查，分析新技術方案或核電站設計修改驗證，操縱員支持系統(tǒng)的評估，真實事件的再現(xiàn)及事故后分析，調(diào)試程序的演練，調(diào)節(jié)、控制系統(tǒng)參數(shù)的標定，控制和保護系統(tǒng)的測試，優(yōu)化機組啟動、停堆程序，嚴重事件的演練。模擬機硬件服務器數(shù)量較多且均為俄羅斯、德國西門子提供，在長時間的運行后，設備老化及性能下降帶來的問題越來越凸顯，而采購新硬件面臨軟硬件匹配、成本高、運行維護等一系列問題，針對目前虛擬化技術越來越流行，企業(yè)使用比例也在慢慢提高，故對全范圍模擬機服務器進行虛擬化研究并實施。

1 模擬機服務器虛擬化實施分析

1.1 虛擬化軟件選擇

目前主流的虛擬化軟件包括微軟、VMware、Citrix 等：微軟虛擬化軟件對Windows 系統(tǒng)擁有良好的技術支持，VMware 軟件對目前主流的操作系統(tǒng)支持性都比較好，且主要適用于企業(yè)內(nèi)部，Citrix 主要應用于網(wǎng)絡虛擬化。由于模擬機系統(tǒng)設備使用了Windows、Redhat Linux、CentOS 等多種操作系統(tǒng)，考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性和兼容性，為了確保x86 架構(gòu)服務器上的模擬機系統(tǒng)高可用性，保證模擬機系統(tǒng)的服務連續(xù)性和模擬機數(shù)據(jù)的安全性，選用VMware vSphere 部署全新的虛擬化架構(gòu)。VMware vSphere 對整體應用體系架構(gòu)設計的改變很大，單從虛擬架構(gòu)角度可以大致分為基礎架構(gòu)服務層、應用程序服務層和虛擬應用程序?qū)樱瑥墓芾磉\維的角度又可以分為基礎架構(gòu)管理層、虛擬資源管理層和自動化服務管理層。

1.2 模擬機服務器虛擬化構(gòu)成說明

（1）虛擬化對象：由于模擬機OM690 系統(tǒng)大多數(shù)服務器系統(tǒng)資源的利用率在10%～15%，虛擬化載體機設備性能有限，基于低服務器的利用率、低CPU 的合并和中等I/O 的要求，首選模擬機OM690 系統(tǒng)服務器進行虛擬化和相關整合，選取ESDBA、PU、SU 服務器進行相關單機虛擬化工作。

（2）軟件需求：VMware vSphere 6，VMware Esxi 6.0，VMware Converter Standalone Client 6.2.0。

（3）硬件需求：①被虛擬的實體設備，HP DL360P G8，4 核CPU，8G 內(nèi)存，Redhat Linux 6.5 操作系統(tǒng)；②虛擬化載體機設備，2 臺HP 服務器（HP DL380G9，配置至少為2 顆16 核CPU，8 個千兆網(wǎng)口），1 臺普通PC Server。

1.3 模擬機服務器虛擬化結(jié)構(gòu)描述

（1）基礎架構(gòu)服務層。基礎架構(gòu)服務層是整個虛擬架構(gòu)的重要支撐，主要是將物理的資源，包括計算資源、存儲資源和網(wǎng)絡資源進行虛擬化，提供一些虛擬化的基本單元，為整個架構(gòu)的虛擬化做好鋪墊，一般稱為vComputer、vStorage 和vNetwork。

（2）虛擬應用程序?qū)?。vSphere 包括對vApp 的支持，vApp 是包含1 個或多個虛擬機的邏輯實體，它使用行業(yè)標準開放虛擬化格式來指定和封裝多層應用程序的所有組件，以及與該應用程序相關聯(lián)的操作策略和服務級別。

2 模擬機服務器虛擬化單機運行測試

2.1 性能測試

測試模擬機服務器啟動速度，虛擬機較真實服務器減少自檢時間（約4 min）；測試ESDBA 虛擬機和真實服務器正常運行時的CPU 資源、I/O、內(nèi)存使用、網(wǎng)絡流量情況等。

2.2 功能測試

功能測試主要是為了確定虛擬的OM690 系統(tǒng)的各功能進程是否完全啟動，以及啟動的進程是否能得到充足的資源。

2.3 穩(wěn)定性測試

用已經(jīng)虛擬的ESDBA 服務器替換現(xiàn)有的真實ESDBA 服務器，接入VVER 機組全范圍模擬機，投入試運行，讓模擬機教員和學員等最終用戶通過模擬機教學活動使用一段時間，測試虛擬ESDBA 穩(wěn)定性是否滿足要求。

2.4 測試過程截圖及測試結(jié)果

模擬機服務器虛擬化實施了單機的虛擬化，了解單臺服務器在虛擬化環(huán)境中性能的穩(wěn)定性，以及對模擬機整體網(wǎng)絡的影響。測試過程中，單臺模擬機服務器在虛擬化環(huán)境中運行，機器穩(wěn)定性相對實體主機服務器沒有明顯差異，運行速度有所提高，模擬機教員及學員在培訓過程中并未感覺到由實體機服務器切換到了虛擬機，模擬機調(diào)IC 的過程并沒有因為切換了虛擬ESDBA 受到影響。單機虛擬工作實現(xiàn)了實體服務器到虛擬服務器轉(zhuǎn)換，虛擬服務器替換實體服務器在線運行，虛擬服務器不影響模擬機系統(tǒng)的既定目標。

3 模擬機服務器虛擬化多機同平臺測試

3.1 多機虛擬化及網(wǎng)絡虛擬化

單機虛擬化具備在線接入模擬機系統(tǒng)運行的條件后，開始整合OM690 多臺主機在同一個虛擬化平臺上運行，同時多機虛擬化涉及到多機資源分配和網(wǎng)絡交換機的虛擬。由于模擬機系統(tǒng)設備使用了Windows、Redhat Linux、CentOS 等多種操作系統(tǒng)，現(xiàn)階段僅針對OM690 系統(tǒng)的Redhat Linux 6.5 進行多機同虛擬平臺測試，測試同一版本操作系統(tǒng)在同一個虛擬平臺上運行多臺虛擬機，在虛擬化層中虛擬交換機的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。

3.2 模擬機現(xiàn)階段虛擬化及拓撲圖

（1）虛擬化測試對象：單機虛擬化在線運行測試正常后，實施多機虛擬化及網(wǎng)絡在線測試，主要針對PU、SU、ESDBA、7 個OT 10 臺設備及SimBus、PlantBus、TerminalBus、OTBus 4 臺交換機進行在線聯(lián)機測試。

（2）多機虛擬化軟件配置：VMware vSphere 6，VMware vCenter server6，VMware esxi 6.0，VMware Converter Standalone Client 6.2.0。

（3）虛擬前實體設備及虛擬化載體硬件配置：①被虛擬的實體設備，10 臺HP DL360P G8，4 核CPU，8G 內(nèi)存，Redhat Linux 6.5操作系統(tǒng)；②虛擬化載體機設備，2 臺HP 服務器（HP DL380G9 配置為2 顆16 核CPU）、1 臺普通PC Server，2 臺HP 服務器安裝VMware exsi 6.0，通過VMware center 進行集群管理，實現(xiàn)esxi 主機的高可用，防止出現(xiàn)機器宕機導致模擬機不可用。

（4）多機虛擬化網(wǎng)絡拓撲：整合PU、SU、ESDBA、OT 及模擬機交換機到虛擬化主機服務器中，簡化了模擬機的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)（圖1，圖2）。

圖1 模擬機虛擬化實施前網(wǎng)絡拓撲

圖2 模擬機虛擬化實施后網(wǎng)絡拓撲

4 模擬機服務器虛擬化多機運行測試

4.1 性能測試

測試模擬機服務器啟動速度，虛擬機較真實服務器減少自檢時間（約4 min）；測試PU、SU、ESDBA、OT 虛擬機和真實服務器正常運行時的CPU 資源、I/O、內(nèi)存使用、網(wǎng)絡流量情況等。

4.2 功能測試

功能測試主要是為了確定虛擬的OM690 系統(tǒng)的各功能進程是否完全啟動，以及啟動的進程是否能得到充足的資源。

4.3 穩(wěn)定性測試

用已經(jīng)虛擬的PU、SU、ESDBA、OT 服務器替換現(xiàn)有的真實PU、SU、ESDBA、OT 服務器，接入田灣核電站3#、4#機組全范圍模擬機，投入試運行，讓模擬機教員和學員等最終用戶通過模擬機教學活動使用一段時間，測試虛擬PU、SU、ESDBA、OT 穩(wěn)定性是否滿足要求。

4.4 測試過程截圖及測試結(jié)果

模擬機服務器虛擬化在單機的虛擬化的基礎上實施了OM690 多主機虛擬化，進一步了解多臺OM690 服務器在虛擬化環(huán)境中性能的穩(wěn)定性，以及對模擬機整體網(wǎng)絡的影響。

5 總結(jié)

測試過程中，OM690 的10 臺模擬機服務器在虛擬化環(huán)境中運行，機器穩(wěn)定性相對實體主機服務器沒有明顯差異，運行速度有所提高，模擬機教員及學員在培訓過程中并未感覺到由實體機服務器切換到了虛擬機，模擬機調(diào)IC 的過程并沒有因為切換了虛擬OM690 服務器受到影響。多機虛擬工作實現(xiàn)了多臺實體服務器到虛擬服務器轉(zhuǎn)換，多臺虛擬服務器替換實體服務器在線運行，OM690 系統(tǒng)虛擬化網(wǎng)絡配置，虛擬化交換機冗余高可用配置，虛擬服務器不影響模擬機系統(tǒng)的既定目標。多機虛擬化的實施，有效控制了各臺虛擬服務器主機的資源配置，提高了虛擬載體硬件的使用效率。

通過使用先進服務器的虛擬集成技術，將多套同型號、不同型號的硬件集成到盡可能少的硬件設備中，精簡了在線服務器數(shù)量并消除模擬機軟件對硬件的依賴，規(guī)避模擬機硬件設備對俄方、德方的依賴，并降低了設備采購成本。