數(shù)據(jù)中心計(jì)算資源池的規(guī)劃與設(shè)計(jì)探討

周福斌，楊 巍，何 沅

（中國人民解放軍66389部隊(duì)，河南 鄭州 450000）

0 引 言

隨著云計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，以云計(jì)算和虛擬化技術(shù)為核心的新一代數(shù)據(jù)中心已成為建設(shè)發(fā)展的趨勢。云數(shù)據(jù)中心能夠滿足各行各業(yè)應(yīng)用高性能、高可靠、高安全以及高可用性的要求，實(shí)現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)調(diào)整、按需分配、靈活擴(kuò)展，大大提高資源利用率和智能化管理水平，降低運(yùn)維成本。云數(shù)據(jù)中心建設(shè)過程中，云平臺(tái)的規(guī)劃設(shè)計(jì)是重點(diǎn)內(nèi)容，而計(jì)算資源的規(guī)劃設(shè)計(jì)又是重中之重，直接關(guān)系數(shù)據(jù)中心效能發(fā)揮[1,2]。

1 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心問題分析

與云數(shù)據(jù)中心對比，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心主要存在以下幾點(diǎn)不足。

1.1 資源利用率低

當(dāng)前部分用戶存在孤島式和煙囪式建設(shè)情況，各個(gè)平臺(tái)無法直接相互通聯(lián)，導(dǎo)致資源不能重用。部分用戶存在一臺(tái)服務(wù)器部署一套業(yè)務(wù)系統(tǒng)的現(xiàn)象，服務(wù)器空余的大量資源處于空閑狀態(tài)，經(jīng)一些機(jī)構(gòu)評測，大部分企業(yè)數(shù)據(jù)中心資源利用率甚至不到20%。還有些用戶部署一些階段性的應(yīng)用，在較長的一段時(shí)間不再使用或者永久停用，但是相關(guān)的計(jì)算、存儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)等資源不能及時(shí)、便捷地釋放回收，造成一定程度的資源浪費(fèi)，導(dǎo)致資源利用率低[3]。

1.2 建設(shè)維護(hù)成本高

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)系統(tǒng)部署在物理服務(wù)器中，隨著業(yè)務(wù)的不斷擴(kuò)展，應(yīng)用系統(tǒng)不斷增加，需要不斷增加物理服務(wù)器的數(shù)量，還要增大機(jī)房面積，增加配套的制冷和消防設(shè)施，導(dǎo)致建設(shè)和運(yùn)維成本不斷上升。另外，非云化部署存在設(shè)備選型和招標(biāo)采購等問題，影響業(yè)務(wù)上線進(jìn)度，增加時(shí)間成本[4]。

1.3 智能化水平低

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心依靠人力進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)，效率低，出錯(cuò)率高，難以精細(xì)掌握整體資源狀況，無法實(shí)現(xiàn)資源按需調(diào)配，無法隨進(jìn)程任務(wù)自動(dòng)調(diào)配資源保證性能最優(yōu)，智能化運(yùn)維水平較低。

2 計(jì)算資源池規(guī)劃設(shè)計(jì)的原則

2.1 架構(gòu)開放

開放的架構(gòu)主要包含兩個(gè)層面：一是源代碼開放，允許用戶自主掌控，可以根據(jù)自身需求進(jìn)行功能的增加、刪除和修改；二是標(biāo)準(zhǔn)開放，用戶可以使用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品構(gòu)建自己的云計(jì)算工程。二者相比，標(biāo)準(zhǔn)開放比源代碼開放更加重要，標(biāo)準(zhǔn)的開放可以避免受單個(gè)實(shí)體控制，帶來擴(kuò)容迭代和升級換代的局限性，避免成本的提高。

2.2 資源彈性可變

資源彈性可變體現(xiàn)在3個(gè)層面：一是硬件層面，就是計(jì)算、存儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)等資源可以線性擴(kuò)展，快速部署；二是云資源層面，主要體現(xiàn)在資源可以隨著應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)務(wù)量的增加而彈性增加，可以隨著應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)務(wù)量的減少而彈性收縮；三是應(yīng)用層面，主要體現(xiàn)在靈活的上線部署和下線釋放資源，同時(shí)可以根據(jù)進(jìn)程任務(wù)對計(jì)算資源進(jìn)行智能優(yōu)化和動(dòng)態(tài)調(diào)整，使進(jìn)程任務(wù)在各階段均獲得更好的性能。

2.3 高可用性

高可用性體現(xiàn)在基礎(chǔ)框架、物理網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算和存儲(chǔ)資源、云平臺(tái)以及業(yè)務(wù)的高可用性，同時(shí)也包含數(shù)據(jù)的可靠性，各類資源冗余設(shè)計(jì)，業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系松耦合，保證不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題而影響業(yè)務(wù)的開展[5]。

2.4 可管理性

可管理性主要體現(xiàn)在層次分明且結(jié)構(gòu)簡捷，具備清晰智能的可視管理界面，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行運(yùn)維管理，滿足日常監(jiān)管和運(yùn)維需求，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理運(yùn)行中出現(xiàn)的各類故障。

3 計(jì)算資源池規(guī)劃設(shè)計(jì)與實(shí)踐

3.1 計(jì)算資源池總體規(guī)劃

計(jì)算資源總體規(guī)劃主要是建立兼容異構(gòu)虛擬化、容器、裸金屬以及高性能計(jì)算的統(tǒng)一資源池，通過統(tǒng)一的云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各種資源的統(tǒng)一科學(xué)管理，同時(shí)根據(jù)不同業(yè)務(wù)的具體需求實(shí)現(xiàn)資源的智能調(diào)度。通過優(yōu)化的可視界面，實(shí)現(xiàn)對資源的精準(zhǔn)把控，使資源合理高效利用，同時(shí)也便于資源動(dòng)態(tài)調(diào)整滿足后期業(yè)務(wù)擴(kuò)展需求[6]。計(jì)算資源池總體規(guī)劃如圖1所示。

圖1 計(jì)算資源總體規(guī)劃圖

3.2 虛擬化技術(shù)選擇

虛擬化技術(shù)是云計(jì)算底層核心技術(shù)之一，它是實(shí)現(xiàn)計(jì)算、存儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)資源充分整合利用的關(guān)鍵技術(shù)。利用虛擬化技術(shù)構(gòu)建的資源池具有低成本、高可靠、高可用、高安全、高擴(kuò)展性以及彈性可變等優(yōu)勢。鑒于國內(nèi)云計(jì)算的底層基本都是基于Openstack，同時(shí)對比KVM和XEN內(nèi)核架構(gòu)，考慮到KVM是Linux內(nèi)核的一部分，兼容性好，性能和安全性均高于XEN，且KVM具備強(qiáng)大的生態(tài)圈（主流廠商基本全部支持KVM），因此云計(jì)算平臺(tái)虛擬化技術(shù)優(yōu)先選擇基于Openstack并選擇KVM內(nèi)核架構(gòu)[7]。

3.3 功能設(shè)計(jì)

在進(jìn)行計(jì)算資源池功能設(shè)計(jì)之前，首先應(yīng)對現(xiàn)有和將來要承載的業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行分類，主要分為適合虛擬化平臺(tái)部署的業(yè)務(wù)和不適合虛擬化平臺(tái)部署的業(yè)務(wù)兩類。其中前者是指環(huán)境有標(biāo)準(zhǔn)化（X86）和快速部署需求、資源利用率相對較低、業(yè)務(wù)增長快，需要頻繁擴(kuò)容、可以通過虛擬化技術(shù)提高系統(tǒng)可用性和可靠性以及可以利用資源池化共享來實(shí)現(xiàn)收縮擴(kuò)展的業(yè)務(wù)。后者是指廠商明確不支持虛擬化、非X86平臺(tái)系統(tǒng)、本地I/O或網(wǎng)絡(luò)吞吐繁忙，將導(dǎo)致整個(gè)集群資源產(chǎn)生瓶頸以及業(yè)務(wù)系統(tǒng)CPU或內(nèi)存資源需求量達(dá)到單臺(tái)云節(jié)點(diǎn)（物理服務(wù)器）資源80%以上的業(yè)務(wù)。

一般來說，用戶大部分的業(yè)務(wù)系統(tǒng)是適合虛擬化的，只有少部分高性能、高I/O需求的業(yè)務(wù)系統(tǒng)以及需要進(jìn)行大數(shù)據(jù)計(jì)算和存儲(chǔ)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)不適合虛擬化。因此，在計(jì)算資源功能設(shè)計(jì)時(shí)，將計(jì)算資源池分為以下3類。一是分布式虛擬化服務(wù)器資源池，用來針對資源需求較小但資源規(guī)格類型較多的情況，利用虛擬化技術(shù)進(jìn)行資源的按需分配和智能調(diào)度，便于資源合理充分利用。二是物理機(jī)資源池，主要適用于資源開銷需求大，高性能和高I/O業(yè)務(wù)系統(tǒng)的場景，可以避免資源爭用導(dǎo)致虛擬資源池整體效能發(fā)揮的現(xiàn)象[8]。三是大數(shù)據(jù)資源池，主要針對海量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)且需要分布式存儲(chǔ)和分布式計(jì)算的場景。

3.4 容量設(shè)計(jì)

計(jì)算資源池容量設(shè)計(jì)主要包括CPU數(shù)量和內(nèi)存容量計(jì)算兩部分內(nèi)容。

資源池CPU數(shù)量=業(yè)務(wù)系統(tǒng)所需服務(wù)器CPU數(shù)量×CPU平均使用率/(1-CPU預(yù)留率)。平均使用率一般取40%，預(yù)留率一般取20%[9]。資源池內(nèi)存容量=業(yè)務(wù)系統(tǒng)所需服務(wù)器內(nèi)存容量×內(nèi)存平均使用率/（1-內(nèi)存預(yù)留率）。平均使用率一般取40%，預(yù)留率一般取20%。

3.5 可靠性設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心云化的主要目的是提升數(shù)據(jù)中心的服務(wù)質(zhì)量和效益，避免和減少業(yè)務(wù)中斷情況，因此計(jì)算資源的可靠性設(shè)計(jì)至關(guān)重要，重點(diǎn)應(yīng)做好以下4個(gè)方面的設(shè)計(jì)。

3.5.1 虛擬化平臺(tái)的設(shè)計(jì)

虛擬化平臺(tái)要采用分布式集群部署，不能存在可能導(dǎo)致服務(wù)中斷的單點(diǎn)故障。另外虛擬化平臺(tái)要使用分層結(jié)構(gòu)，管理、計(jì)算、存儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)等各個(gè)部分要達(dá)到低耦合，做到相互獨(dú)立。

3.5.2 HA集群設(shè)計(jì)

HA是指一種以減少服務(wù)中斷時(shí)間為目的的服務(wù)器集群技術(shù)，將多臺(tái)物理機(jī)合并為一個(gè)共享資源的集群，從而提高業(yè)務(wù)系統(tǒng)可靠性。HA集群設(shè)計(jì)主要是在以下3個(gè)方面保證可靠性。一是監(jiān)控集群下的所有虛擬機(jī)，當(dāng)某一臺(tái)虛擬機(jī)發(fā)生故障時(shí)，HA能夠保證在該物理機(jī)內(nèi)重啟虛擬機(jī)并恢復(fù)中斷的業(yè)務(wù)。二是監(jiān)控集群下所有的物理機(jī)，當(dāng)某臺(tái)物理機(jī)發(fā)生故障時(shí)，HA能夠保證在集群內(nèi)的其他物理機(jī)上重啟受影響的虛擬機(jī)。三是當(dāng)某一臺(tái)虛擬機(jī)出現(xiàn)通信故障時(shí)，DC會(huì)按照策略算法，在空閑的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上重啟該故障虛擬機(jī)，從而保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

3.5.3 虛擬機(jī)遷移設(shè)計(jì)

虛擬機(jī)遷移設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)從4個(gè)方面的保證可靠性。一是保證在用戶無感知的情況下完成遷移，二是遷移過程中能夠持續(xù)智能優(yōu)化虛擬機(jī)資源，三是保證虛擬機(jī)運(yùn)行效率，比如及時(shí)將虛擬機(jī)從故障或者性能不佳的物理服務(wù)器智能遷移至性能較好的物理服務(wù)器中運(yùn)行，四是可以定制化策略遷移，如定時(shí)遷移。

3.5.4 虛擬機(jī)備份設(shè)計(jì)

在實(shí)踐應(yīng)用中，業(yè)務(wù)系統(tǒng)備份必不可少，對計(jì)算資源池中的虛擬機(jī)的備份也非常關(guān)鍵。虛擬機(jī)備份設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)做好3個(gè)方面的設(shè)計(jì)，一是可以進(jìn)行單個(gè)虛擬機(jī)備份，也可以進(jìn)行集群和資源池備份，二是備份時(shí)要保證應(yīng)用數(shù)據(jù)的一致性，三是要有基于磁盤的備份功能，以提供快速、簡單的數(shù)據(jù)保護(hù)。

3.6 擴(kuò)展性設(shè)計(jì)

擴(kuò)展性設(shè)計(jì)主要包括虛擬機(jī)規(guī)格動(dòng)態(tài)調(diào)整和自動(dòng)化資源彈性調(diào)度設(shè)計(jì)。虛擬機(jī)規(guī)格動(dòng)態(tài)調(diào)整主要是虛擬機(jī)能根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的性能需求，靈活調(diào)整虛擬機(jī)的配置規(guī)格，如vCPU數(shù)量、內(nèi)存大小、磁盤卷個(gè)數(shù)以及網(wǎng)卡數(shù)量等。自動(dòng)化資源彈性調(diào)度主要是可以根據(jù)單個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的負(fù)載情況動(dòng)態(tài)調(diào)整實(shí)際使用的資源。擴(kuò)展性設(shè)計(jì)還應(yīng)該在系統(tǒng)資源不足時(shí)，保證具有較高優(yōu)先級的應(yīng)用系統(tǒng)優(yōu)先使用資源[10]。

4 結(jié) 論

數(shù)據(jù)中心通過云計(jì)算虛擬化技術(shù)對計(jì)算資源的合理規(guī)劃設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算資源的彈性可變和智能高效，具備高可用性、高可靠性以及高擴(kuò)展性，可以為用戶構(gòu)建并提供一個(gè)可靠、安全、高效、靈活且動(dòng)態(tài)的計(jì)算資源池，滿足用戶應(yīng)用快速部署和可靠運(yùn)行的目的。計(jì)算資源池已成為云數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)，將會(huì)有極為廣闊的發(fā)展空間。