文/崔然 張弘 林澤東 張杏莉

虛擬化技術(shù)構(gòu)建新型數(shù)據(jù)中心

文/崔然 張弘 林澤東 張杏莉

隨著信息化建設(shè)的不斷深入，高校信息化建設(shè)過程中暴露出越來越多的問題，比如欠缺整體規(guī)劃，投資不斷加大，資源利用率持續(xù)降低等。隨著信息應(yīng)用系統(tǒng)的不斷增加，數(shù)據(jù)中心軟硬件資源整合逐漸成為關(guān)注的重點(diǎn)。與此同時(shí)，虛擬化技術(shù)作為云計(jì)算時(shí)代背景下快速發(fā)展的一門新技術(shù)，已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外高校的普遍重視。

數(shù)據(jù)中心建設(shè)中存在的問題

隨著高校信息化的快速發(fā)展，服務(wù)于教學(xué)、科研、辦公和管理的各類應(yīng)用系統(tǒng)越來越多。按照傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)思路，為避免應(yīng)用系統(tǒng)之間軟件和資源配置的沖突，每增加一個(gè)新需求、新應(yīng)用，就需要申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)、采購服務(wù)器、安裝系統(tǒng)、部署應(yīng)用，因此服務(wù)器數(shù)量急劇增加。而每增加一臺(tái)新服務(wù)器，就意味著需要更多的空間、電源、散熱、網(wǎng)絡(luò)接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及管理人員。一個(gè)學(xué)校內(nèi)部可能具有幾十，甚至上百種應(yīng)用，通常分散地部署在幾十臺(tái)或更多的服務(wù)器上，維護(hù)工作量極大。另外，許多應(yīng)用運(yùn)行在單臺(tái)物理服務(wù)器上，一旦設(shè)備出現(xiàn)問題，服務(wù)就會(huì)中斷，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性差，業(yè)務(wù)連續(xù)性不高。

因此，從整個(gè)學(xué)校信息化工作全局出發(fā)，我們需要整合學(xué)校數(shù)據(jù)中心硬件資源，提高硬件資源利用率，提升關(guān)鍵應(yīng)用的業(yè)務(wù)連續(xù)性，加強(qiáng)IT基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)維管理，以適應(yīng)學(xué)校信息化發(fā)展的快速需求。

圖1 服務(wù)器虛擬化

虛擬化技術(shù)整合資源

虛擬化技術(shù)是將底層物理設(shè)備與上層操作系統(tǒng)、軟件分離的一種“去耦合”技術(shù)。利用虛擬化技術(shù)可以將計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等IT基礎(chǔ)資源整合起來，形成共享的虛擬資源池，把邏輯資源按實(shí)際需求同時(shí)提供給各個(gè)應(yīng)用。當(dāng)前，虛擬化技術(shù)主要包含以下三類：

1.服務(wù)器虛擬化

實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的第一步就是對(duì)服務(wù)器基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行虛擬化。服務(wù)器的虛擬化就是將服務(wù)器物理資源抽象成邏輯資源，讓一臺(tái)服務(wù)器變成幾臺(tái)，甚至上百臺(tái)相互隔離的虛擬服務(wù)器，不再受限于物理上的界限，而是讓CPU、內(nèi)存、磁盤、I/O等硬件變成可以動(dòng)態(tài)管理的“資源池”，從而提高服務(wù)器資源的利用率，簡(jiǎn)化系統(tǒng)管理，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器整合。

在傳統(tǒng)方式中，一臺(tái)服務(wù)器裝載和使用一個(gè)物理服務(wù)器操作系統(tǒng)，每臺(tái)服務(wù)器平均CPU利用率僅為10%左右。在高校數(shù)據(jù)中心、院系及辦公區(qū)存在數(shù)以百計(jì)的服務(wù)器，這會(huì)導(dǎo)致CPU資源的極大浪費(fèi)。因此，使用VMware，Hyper-V和XenServer等虛擬化技術(shù)，整合校園內(nèi)分散的物理服務(wù)器與數(shù)據(jù)中心的高性能物理服務(wù)器，部署多臺(tái)虛擬機(jī)，當(dāng)有新的校園業(yè)務(wù)加入，數(shù)據(jù)中心即可為該業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)分配一臺(tái)或多臺(tái)虛擬機(jī)。一般來說，虛擬環(huán)境由三個(gè)部分組成：硬件、虛擬機(jī)監(jiān)控器(VMM，Virtual Machine Monitor)和虛擬機(jī)。VMM取代了操作系統(tǒng)的位置，管理著真實(shí)的硬件。如圖1所示，在一臺(tái)物理服務(wù)器上虛擬出兩臺(tái)虛擬服務(wù)器。而且從應(yīng)用者的角度看，使用虛擬機(jī)和使用物理服務(wù)器是完全一樣的。

2.存儲(chǔ)虛擬化

存儲(chǔ)虛擬化將物理存儲(chǔ)虛擬化成邏輯存儲(chǔ)，使用者只訪問邏輯存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)分散的、不同品牌、不同級(jí)別的存儲(chǔ)系統(tǒng)的整合。節(jié)約了大量的資金投入，簡(jiǎn)化了對(duì)存儲(chǔ)的管理。如圖2所示，四個(gè)不同品牌和級(jí)別的物理存儲(chǔ)被虛擬成五個(gè)相同(對(duì)用戶而言)的邏輯存儲(chǔ)。

另外，我們還可以采用分級(jí)存儲(chǔ)，根據(jù)數(shù)據(jù)的訪問頻率、保留時(shí)間、容量、性能要求等因素，將其存放在不同級(jí)別的存儲(chǔ)設(shè)備中，整合高校各部門的一些閑散的、成本較低的存儲(chǔ)資源用來存放訪問頻率較低的數(shù)據(jù)和信息。而高校數(shù)據(jù)中心的磁盤或磁盤陣列等成本高、速度快的設(shè)備，用來存儲(chǔ)經(jīng)常訪問的重要數(shù)據(jù)和信息。

可見，通過整合高校的存儲(chǔ)系統(tǒng)，能夠有效提高存儲(chǔ)容量的利用率，可以根據(jù)性能差別對(duì)存儲(chǔ)資源進(jìn)行區(qū)分和利用。對(duì)用戶屏蔽存儲(chǔ)設(shè)備的物理差異，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)共享的一致性，并簡(jiǎn)化了管理，降低了存儲(chǔ)成本。

3.網(wǎng)絡(luò)虛擬化

網(wǎng)絡(luò)虛擬化是使用基于軟件的抽象從物理網(wǎng)絡(luò)元素中分離網(wǎng)絡(luò)流量的一種方式。隨著服務(wù)器虛擬化的實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)邊緣或接入層自動(dòng)擴(kuò)展到服務(wù)器領(lǐng)域。虛擬服務(wù)器之間及虛擬服務(wù)器與外部的數(shù)據(jù)交換要求在服務(wù)器內(nèi)部能虛擬出相應(yīng)的交換機(jī)和網(wǎng)卡。虛擬交換機(jī)在主機(jī)內(nèi)部提供了多個(gè)網(wǎng)卡的互聯(lián)及為不同的網(wǎng)卡流量設(shè)定不同的VLAN標(biāo)簽功能，使得主機(jī)內(nèi)部如同存在一臺(tái)交換機(jī)，可以方便地將不同的網(wǎng)卡連接到不同的端口。虛擬網(wǎng)卡是在一個(gè)物理網(wǎng)卡上虛擬出多個(gè)邏輯獨(dú)立的網(wǎng)卡，使得每個(gè)虛擬網(wǎng)卡具有獨(dú)立的MAC地址，同時(shí)還可以在虛擬網(wǎng)卡之間實(shí)現(xiàn)一定的流量調(diào)度策略。

IEEE 802.1Qbg EVB（Edge Virtual Bridging）和802.1Qbh BPE（Bridge Port Extension）是為擴(kuò)展虛擬數(shù)據(jù)中心交換機(jī)和虛擬網(wǎng)卡的功能而制定的邊緣網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

基于虛擬化技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)中心

2009年以前，山東科技大學(xué)一直采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心架構(gòu)模式建設(shè)校園網(wǎng)數(shù)據(jù)中心。每增加一個(gè)或一類網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時(shí)，往往需要對(duì)應(yīng)增加一臺(tái)或幾臺(tái)服務(wù)器，應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)通常存放在服務(wù)器本地磁盤上，僅對(duì)少量特別重要的應(yīng)用，如校園一卡通系統(tǒng)、教務(wù)管理系統(tǒng)等采用雙機(jī)熱備加磁盤陣列方式。截止到2008年底，校園網(wǎng)上包括校園一卡通、教務(wù)管理、財(cái)務(wù)管理、科研管理、研究生管理、辦公自動(dòng)化、視頻會(huì)議、電子郵件等近50項(xiàng)應(yīng)用系統(tǒng)，服務(wù)器數(shù)量80余臺(tái)，大部分應(yīng)用運(yùn)行在單臺(tái)物理服務(wù)器上。但常常由于物理服務(wù)器故障導(dǎo)致應(yīng)用中斷，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。為了不影響用戶應(yīng)用，服務(wù)器維護(hù)只能在夜間或節(jié)假日進(jìn)行，管理人員維護(hù)工作量大，沒有更多精力投入到創(chuàng)新性的工作中。

山東科技大學(xué)自2009年起開始應(yīng)用虛擬化技術(shù)構(gòu)建新型數(shù)據(jù)中心。其設(shè)計(jì)思路是采用將數(shù)據(jù)中心硬件設(shè)施資源“池”化的方法，形成虛擬的計(jì)算池、存儲(chǔ)池、網(wǎng)絡(luò)池，每個(gè)池均可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的資源配置，使資源的使用方式從專有獨(dú)占式轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆蚕硎健＜锤鶕?jù)實(shí)際情況自動(dòng)部署并動(dòng)態(tài)調(diào)整資源分配，建立一個(gè)基于業(yè)務(wù)的資源共享、靈活配置、面向服務(wù)和自動(dòng)化管理的新型數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心能夠集中承載全校所有業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理、統(tǒng)一運(yùn)維。

我們通過采用VMware、Cisco、EMC三大IT巨頭的產(chǎn)品及Eblock的整體解決方案，整合了現(xiàn)有的硬件資源和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。經(jīng)過三年的探索和實(shí)踐，建成了一個(gè)具有高可靠性、高擴(kuò)展性、易于管理的高品質(zhì)數(shù)據(jù)中心，為學(xué)校教學(xué)、科研、管理工作提供了更加全面和高效的服務(wù)，使學(xué)校信息化建設(shè)上了一個(gè)新的臺(tái)階。新型數(shù)據(jù)中心獲得了國(guó)內(nèi)外多家知名IT企業(yè)高管及國(guó)內(nèi)眾多高校信息化方面專家的高度評(píng)價(jià)。

山東科技大學(xué)數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)方案如下：

1.利用服務(wù)器虛擬化技術(shù)搭建數(shù)據(jù)中心計(jì)算資源池

在數(shù)據(jù)中心近50臺(tái)高性能（4路8核CPU和128G內(nèi)存）的刀片服務(wù)器和機(jī)架服務(wù)器中安裝了VMware vSphere虛擬化軟件，通過VMware vCenter Server對(duì)所有的物理服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)一管理，按照應(yīng)用級(jí)別不同，建立多個(gè)服務(wù)器群集。所有的虛擬機(jī)形成一個(gè)可統(tǒng)一分配的計(jì)算資源池。對(duì)應(yīng)圖3的Compute Pool部分。

2.利用存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)搭建存儲(chǔ)資源池

在數(shù)據(jù)中心部署了4臺(tái)存儲(chǔ)容量近100TB、高I/O性能的專業(yè)存儲(chǔ)陣列。通過EMC VPLEX Local引擎部署在存儲(chǔ)陣列前方，將后端不同型號(hào)的存儲(chǔ)陣列進(jìn)行整合，形成一個(gè)統(tǒng)一的存儲(chǔ)資源池，對(duì)應(yīng)圖3的Storage Pool部分。

3.利用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)搭建網(wǎng)絡(luò)資源池

在每臺(tái)刀片服務(wù)器上安裝Cisco Nexus 1000V虛擬交換機(jī)，用以代替VMware虛擬交換機(jī)。充分利用了思科和VMware共同開發(fā)的分布式虛擬交換機(jī)(DVS)的應(yīng)用程序接口，為虛擬機(jī)提供高級(jí)網(wǎng)絡(luò)功能。對(duì)應(yīng)圖3的Network Pool部分。

4.利用VMware的P2V技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心向新型數(shù)據(jù)中心的遷移

利用VMware的P2V技術(shù)，將傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的幾十項(xiàng)應(yīng)用系統(tǒng)，包括校園一卡通、教務(wù)管理、財(cái)務(wù)管理、人事管理、辦公自動(dòng)化等關(guān)鍵業(yè)務(wù)全部遷移到虛擬化平臺(tái)上，并使用Vizioncore vRanger Pro備份軟件對(duì)重要應(yīng)用虛擬機(jī)和數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。

應(yīng)用效果

1.提高了硬件設(shè)備的資源利用率

使用虛擬化技術(shù)，可以使數(shù)據(jù)中心每臺(tái)物理服務(wù)器實(shí)現(xiàn)30:1，甚至更高的整合比率(可根據(jù)虛擬機(jī)負(fù)載情況預(yù)先設(shè)定策略動(dòng)態(tài)進(jìn)行調(diào)整)。這意味著，以前需要三十臺(tái)物理服務(wù)器完成的工作，在部署虛擬化后，僅一臺(tái)服務(wù)器就能滿足需求。對(duì)于負(fù)載較大的虛擬機(jī)可適當(dāng)降低整合比率，甚至可設(shè)定策略讓其獨(dú)享一臺(tái)物理服務(wù)器，以確保重要應(yīng)用。利用VMware電源管理及虛擬機(jī)的動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)，在虛擬機(jī)負(fù)載較低時(shí)，將其自動(dòng)遷移到一臺(tái)或幾臺(tái)物理服務(wù)器上，并將空閑物理服務(wù)器電源自動(dòng)關(guān)閉。反之，當(dāng)虛擬機(jī)負(fù)載加大時(shí)，則根據(jù)預(yù)先設(shè)定的策略自動(dòng)打開物理服務(wù)器電源，保證虛擬機(jī)的性能。一般設(shè)定物理服務(wù)器的利用率在60%～80%之間，既能保證應(yīng)用系統(tǒng)性能，又能節(jié)約電能。

存儲(chǔ)虛擬化的實(shí)現(xiàn)，整合了分散的存儲(chǔ)陣列和異構(gòu)存儲(chǔ)環(huán)境，大大減少了存儲(chǔ)碎片的產(chǎn)生，從而提高了存儲(chǔ)空間的利用率和信息交流的靈活性。

2.增強(qiáng)了應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)穩(wěn)定性

利用VMware的HA動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)，保證了虛擬機(jī)的高可用性，提升了整個(gè)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)架構(gòu)的穩(wěn)定性。當(dāng)某一臺(tái)服務(wù)器發(fā)生故障，虛擬機(jī)會(huì)自動(dòng)根據(jù)預(yù)置策略，將對(duì)應(yīng)的虛擬機(jī)遷移到其他正常運(yùn)行的主機(jī)上。整個(gè)過程無須人工干預(yù)，用戶也沒有明顯的服務(wù)中斷感覺，從而大大增強(qiáng)了應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)穩(wěn)定性。

3.實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)系統(tǒng)的快速部署

虛擬服務(wù)器可以在線復(fù)制為模板，通過預(yù)先建立的模板和克隆技術(shù)，管理人員可以在數(shù)分鐘，甚至數(shù)十秒時(shí)間內(nèi)將新應(yīng)用快速部署到相應(yīng)的服務(wù)器計(jì)算節(jié)點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)和應(yīng)用的統(tǒng)一化管理。

4.降低了數(shù)據(jù)中心機(jī)房能耗

新型數(shù)據(jù)中心正式投入使用后，由于物理服務(wù)器設(shè)備數(shù)量極大降低，同時(shí)結(jié)合分布式電源管理(DPM)技術(shù)，自動(dòng)關(guān)閉負(fù)載較低的空閑虛擬主機(jī)，使得數(shù)據(jù)中心電力消耗由原來的60余千瓦降低到30千瓦左右。

隨著數(shù)字化校園建設(shè)的快速發(fā)展，通過引入虛擬化技術(shù)構(gòu)建新型高校數(shù)據(jù)中心，不僅解決了當(dāng)前高校數(shù)據(jù)中心建設(shè)中存在的眾多問題，如提高服務(wù)器資源利用率、實(shí)現(xiàn)硬件資源高度共享、降低管理維護(hù)成本等，而且可以靈活、敏捷地管理不同的應(yīng)用和需求。

基于虛擬化技術(shù)的新型高校數(shù)據(jù)中心，展現(xiàn)出了一種新穎的觀念和靈活的管理模式，有效地推動(dòng)數(shù)據(jù)中心朝高效、穩(wěn)定、節(jié)能、環(huán)保的方向發(fā)展，使之能更好地服務(wù)于教學(xué)、科研和管理工作。我們完全有理由相信，虛擬化技術(shù)在未來高校數(shù)據(jù)中心建設(shè)的應(yīng)用前景將會(huì)十分廣闊。

（作者單位為山東科技大學(xué)現(xiàn)代教育中心）