基于虛擬化技術(shù)的校園網(wǎng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)

王歡　譚帥　趙成嶸　張雯

關(guān)鍵詞：虛擬化技術(shù)；數(shù)據(jù)中心

傳統(tǒng)校園網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的整體架構(gòu)已經(jīng)比較成熟，但是硬件資源利用率低、業(yè)務(wù)連續(xù)性無法保障，可擴(kuò)展性不強(qiáng)、資源消耗大等問題還是比較突出。虛擬化技術(shù)是一種新型的資源整合模式，當(dāng)前虛擬化技術(shù)發(fā)展迅速，顛覆了傳統(tǒng)的計算模式。通過虛擬化，可以將獨立的硬件資源（如服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)等）整合分配，形成池化資源，實現(xiàn)統(tǒng)一的資源管理和動態(tài)分配使用。這種方法可以節(jié)約資源，提高資源的利用效率和可管理性，并且能夠動態(tài)擴(kuò)展資源，提高業(yè)務(wù)的可靠性和安全性[1]。

一、虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)（Virtualization） 實質(zhì)上是信息系統(tǒng)資源管理技術(shù)。它將信息系統(tǒng)中使用的各種物理資源，比如服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和存儲等進(jìn)行抽象轉(zhuǎn)換為邏輯概念，打破物理結(jié)構(gòu)間不可分割的阻礙，使得用戶可以更有效地利用這些資源。通過虛擬化，物理資源可以被抽象成為虛擬資源，不受現(xiàn)有資源的物理形態(tài)和架設(shè)方式的影響和限制。這使得這些資源可以被管理員或業(yè)務(wù)按需分配、動態(tài)調(diào)整和彈性擴(kuò)展。

在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和存儲是主要的關(guān)注點。通過利用服務(wù)器虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化和存儲虛擬化技術(shù)，可以將這些資源抽象為邏輯資源，并形成資源池。這使得管理員和業(yè)務(wù)可以更好地管理和利用這些資源，從而提高數(shù)據(jù)中心的建設(shè)效益[2]。

（一）服務(wù)器虛擬化

服務(wù)器虛擬化技術(shù)利用Hypervisor 將一臺物理服務(wù)器虛擬為多臺邏輯計算機(jī)，虛擬出來的邏輯計算機(jī)稱為虛擬機(jī)（VM，Virtual Machine）。虛擬機(jī)運(yùn)行和執(zhí)行命令實質(zhì)是通過物理服務(wù)器實現(xiàn)的，但同一物理主機(jī)下運(yùn)行的虛擬機(jī)擁有獨立的虛擬硬件以及操作系統(tǒng)環(huán)境，互不影響[3]。

Hypervisor 又被稱為虛擬機(jī)監(jiān)視器（VMM，VirtualMachine Monitor）。它本質(zhì)是計算機(jī)程序，其可能是操作系統(tǒng)或者應(yīng)用軟件，可以將物理機(jī)虛擬為虛擬機(jī)，為虛擬機(jī)提供獨立的運(yùn)行環(huán)境和虛擬的硬件資源。同時，它也管理和分配從物理機(jī)虛擬出來的硬件資源，并確保在同一物理主機(jī)上運(yùn)行的虛擬機(jī)之間相互隔離。根據(jù)程序類型，可以將Hypervisor 分為兩種：操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。

Hypervisor 作為操作系統(tǒng)時直接安裝在物理機(jī)上。另一種Hypervisor 作為應(yīng)用程序，需要運(yùn)行在物理機(jī)上安裝的操作系統(tǒng)之上，并由操作系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)用程序Hypervisor。按照系統(tǒng)架構(gòu)區(qū)分，服務(wù)器虛擬化可以分為裸金屬架構(gòu)以及寄居架構(gòu)。前者在物理機(jī)上安裝操作系統(tǒng)，再在操作系統(tǒng)之上安裝和運(yùn)行Hypervisor。這種系統(tǒng)依靠物理機(jī)操作系統(tǒng)進(jìn)行資源管理和設(shè)備支持，稱為寄居架構(gòu)。后者中，虛擬化軟件Hypervisor 直接安裝在硬件上面。虛擬機(jī)運(yùn)行在虛擬層之上，安裝各自的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。然后通過Hypervisor 虛擬層內(nèi)核和物理服務(wù)器的Console 控制臺進(jìn)行管理。這種架構(gòu)被稱為裸金屬架構(gòu)[4]。

（二）網(wǎng)絡(luò)虛擬化

網(wǎng)絡(luò)虛擬化作為虛擬化技術(shù)的一個分支。從廣義上講，任何用于虛擬物理網(wǎng)絡(luò)資源的技術(shù)都可稱作網(wǎng)絡(luò)虛擬化。它與其他虛擬化技術(shù)一樣，是一種物理資源共享技術(shù)，能夠池化物理網(wǎng)絡(luò)資源，從而對虛擬的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行任意地整合或者分拆。構(gòu)建的虛擬網(wǎng)絡(luò)可以滿足上層服務(wù)動態(tài)調(diào)整。傳統(tǒng)基于硬件的網(wǎng)絡(luò)可以通過網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)轉(zhuǎn)換為基于軟件的網(wǎng)絡(luò)，這樣網(wǎng)絡(luò)資源的管理和應(yīng)用就會變得簡便易行。與其他的IT 虛擬化一樣，網(wǎng)絡(luò)虛擬化在物理硬件和利用該硬件的活動之間引入一個抽象層。這一層可以獨立于硬件來交付網(wǎng)絡(luò)功能。網(wǎng)絡(luò)虛擬化不僅可以合并物理網(wǎng)絡(luò)，也可以細(xì)分物理網(wǎng)絡(luò)，也可以將虛擬機(jī)（VM）連接起來[5]。

網(wǎng)絡(luò)虛擬化有兩種形式，即外部虛擬化和內(nèi)部虛擬化。外部虛擬化作用于單個服務(wù)器之外，將實際連接到同一局域網(wǎng)（LAN）的設(shè)備虛擬成單獨的虛擬局域網(wǎng)（VLAN）。內(nèi)部虛擬化則是作用于服務(wù)器內(nèi)部，用于模擬實際的網(wǎng)絡(luò)，可以與服務(wù)器虛擬化相輔相成。網(wǎng)絡(luò)虛擬化可以使用更少的硬件，提高靈活性以及工作負(fù)責(zé)的可移植性，支持彈性擴(kuò)展資源，以適應(yīng)更多的網(wǎng)絡(luò)需求[6]。

一般情況下，網(wǎng)絡(luò)虛擬化結(jié)構(gòu)如圖3 所示。將物理網(wǎng)絡(luò)虛擬化之后，網(wǎng)絡(luò)管理員能夠根據(jù)用戶需求定制網(wǎng)絡(luò)資源，并將用戶需求指令傳遞給虛擬網(wǎng)絡(luò)層。虛擬網(wǎng)絡(luò)層能夠?qū)⒂脩粜枨笥成渲恋讓拥奈锢砭W(wǎng)絡(luò)資源，再將網(wǎng)絡(luò)資源以服務(wù)的形式提供給上層的網(wǎng)絡(luò)用戶。這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠隱藏底層的網(wǎng)絡(luò)硬件工作的細(xì)節(jié)，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的質(zhì)量，同時也簡化了網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜性 [7-8]。

（三）存儲虛擬化

SNIA（ 存儲網(wǎng)絡(luò)工業(yè)協(xié)會） 對存儲虛擬化定義是通過對存儲（ 子） 系統(tǒng)或存儲服務(wù)的內(nèi)部功能進(jìn)行抽象、隱藏或隔離，使存儲或數(shù)據(jù)的管理與應(yīng)用、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)資源的管理分離，從而實現(xiàn)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)的獨立管理[9]。

如圖4 所示，存儲虛擬化利用虛擬化層連接物理存儲系統(tǒng)和服務(wù)器，虛擬層對下管理和控制所有物理存儲，對上層的服務(wù)器提供存儲服務(wù)。服務(wù)器和存儲硬件之間增加虛擬化層可以減少兩者之間的依存和綁定，服務(wù)器層不用關(guān)心存儲硬件的增減、調(diào)換以及合并分拆等等，這樣一來，存儲虛擬化可以提高物理存儲的使用效率、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理接口、提高數(shù)據(jù)跨設(shè)備流動和可擴(kuò)展性[10]。

存儲虛擬化的實現(xiàn)方法主要有以下三種：

第一種，基于主機(jī)的存儲虛擬化。它依賴于安裝在主機(jī)上的一個或多個代理或管理軟件來實現(xiàn)存儲虛擬化的控制和管理。優(yōu)點是設(shè)備成本低，目前有成熟的軟件產(chǎn)品可以提供便于使用的圖形界面，方便進(jìn)行存儲的管理和虛擬化，并且支持異構(gòu)的存儲系統(tǒng)。缺點是由于控制軟件運(yùn)行在主機(jī)上，因此會占用主機(jī)的資源，加大主機(jī)的開銷。這種虛擬化方式還可能造成數(shù)據(jù)的越權(quán)訪問，影響隱私數(shù)據(jù)的保密性。單點主機(jī)的故障還可能影響整個存儲系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的完整性。最后，由于不同存儲廠商軟硬件的差異而帶來的互操作性開銷，導(dǎo)致這種方法的靈活性也比較差。

第二種，基于存儲設(shè)備的虛擬化。它應(yīng)用于物理存儲設(shè)備內(nèi)部，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)遷移等。優(yōu)點是易于進(jìn)行數(shù)據(jù)管理并且不需要消耗存儲主機(jī)資源，硬件開銷小，功能豐富。缺點是存儲虛擬化只能針對本設(shè)備，無法跨設(shè)備應(yīng)用，數(shù)據(jù)管理軟件只能應(yīng)用于同一存儲設(shè)備，跨存儲應(yīng)用成本高。

第三種，基于網(wǎng)絡(luò)的存儲虛擬化。它主要用于異構(gòu)的存儲系統(tǒng)之間，能夠整合不同物理存儲上的數(shù)據(jù)，管理方便。優(yōu)點是能夠跨物理存儲設(shè)備應(yīng)用，兼容異構(gòu)主機(jī)和存儲設(shè)備，不消耗物理存儲資源，并且具備數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和擴(kuò)展功能。缺點是不同廠商仍然有兼容性問題[11]。

二、數(shù)據(jù)中心虛擬化建設(shè)實踐

（一） 數(shù)據(jù)中心建設(shè)思路

1. 資源池化、按需分配。

虛擬化旨在支持更有效地利用物理計算機(jī)硬件的過程，是云計算的基礎(chǔ)。它將服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)等信息資源打造成一個資源池，根據(jù)用戶需求動態(tài)分配。在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，虛擬化打造了統(tǒng)一的邏輯網(wǎng)絡(luò)、存儲和計算接口，最大化提高資源的利用率，避免閑置浪費。

2. 系統(tǒng)可靠、數(shù)據(jù)安全

集中化管理和冗余計算給系統(tǒng)帶來了更好的安全保障，可以避免單點故障導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。虛擬化技術(shù)使物理硬件由虛擬管理器直接管理，而被虛擬出來的邏輯單元無法直接訪問物理硬件，實現(xiàn)了管理與業(yè)務(wù)分離，互不影響，從而提高了數(shù)據(jù)的保密性、完整性和可用性。

3. 控制成本、易于擴(kuò)展

虛擬數(shù)據(jù)中心可以整合異構(gòu)系統(tǒng)，提供物理資源無法提供或兼容的結(jié)構(gòu)或協(xié)議。資源分區(qū)和匯聚支持比物理資源小得多或大得多的虛擬資源支持在線擴(kuò)展容量，這意味著當(dāng)物理資源已無法滿足當(dāng)前負(fù)載時，可以在線擴(kuò)展虛擬資源的容量來支撐業(yè)務(wù)需求。同時，虛擬數(shù)據(jù)中心的資源池也支持在線擴(kuò)展容量，當(dāng)資源池容量無法承載當(dāng)前負(fù)載時，也可以在線擴(kuò)展資源池，從而更好地滿足業(yè)務(wù)需求。

（二） 數(shù)據(jù)中心建設(shè)構(gòu)思

校園網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的物理資源應(yīng)該通過虛擬化技術(shù)打造為一體化云平臺，包括計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)等方面。在計算資源池中，應(yīng)該盡量采用同類型的物理服務(wù)器，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能一致性。同時要注意集群規(guī)模的冗余設(shè)計，保證系統(tǒng)的高可用性，每個物理CPU 和內(nèi)存大小應(yīng)當(dāng)超過當(dāng)前業(yè)務(wù)所需的20% 之上。為此，建議集群中至少部署三臺物理服務(wù)器來實現(xiàn)高可用性的設(shè)計[12]。物理架構(gòu)如圖5 所示。

存儲池既可以采用傳統(tǒng)的SAN 存儲網(wǎng)絡(luò)，也可以利用分布式存儲將每臺物理機(jī)上的磁盤空間整合成一個虛擬的存儲設(shè)備。這樣既能提高資源利用率，也能將數(shù)據(jù)分散的存儲在的各個物理設(shè)備，大大提高數(shù)據(jù)災(zāi)備恢復(fù)能力。

網(wǎng)絡(luò)虛擬化有控制平面和數(shù)據(jù)平面兩個維度，控制平面多虛一將核心層虛擬為一個邏輯單元，利用鏈路聚合來實現(xiàn)邏輯設(shè)備和接入設(shè)備只有單路由來連接虛擬邏輯設(shè)備，使整個網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)拓?fù)錇闊o環(huán)樹狀連接結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)無環(huán)路和多路徑轉(zhuǎn)發(fā)[13]；數(shù)據(jù)平面多虛一，通過核心層和接入層引入外層動態(tài)尋址和封裝標(biāo)識，對接入設(shè)備而言接入和核心交換機(jī)是一臺邏輯框式交換機(jī)[13-14]。

三、結(jié)束語

隨著信息技術(shù)高速發(fā)展，云計算和虛擬化技術(shù)已經(jīng)改變傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)。利用虛擬化技術(shù)改造傳統(tǒng)校園網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，可以有效配置資源，提高硬件資源利用率和信息系統(tǒng)靈活度。

作者單位：王歡 譚帥 空軍預(yù)警學(xué)院教研保障中心信息技術(shù)室

趙成嶸 空軍預(yù)警學(xué)院教研保障中心圖書館

張雯 空軍預(yù)警學(xué)院教研保障中心信息技術(shù)室