于 強，康 凌

(1. 天津市人民政府12345市長熱線受理中心，天津300045；2. 天津市人民政府辦公廳信息技術服務中心，天津300040)

信息科學與技術

服務器虛擬化技術在政務系統(tǒng)資源整合中的應用

于 強1，康 凌2

(1. 天津市人民政府12345市長熱線受理中心，天津300045；2. 天津市人民政府辦公廳信息技術服務中心，天津300040)

數(shù)據(jù)中心作為政務應用服務系統(tǒng)的核心組成部分，對整個服務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互有著重要影響．面對當前數(shù)據(jù)中心機房空間緊張、服務器資源利用率低下以及管理維護成本不斷增加的狀況，通過采用虛擬化技術，對數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有服務器資源進行有效整合，提出了整合原則，給出了整合模型和具體的應用實現(xiàn)方案．

虛擬化；硬件輔助虛擬化；VMware Infrastructure；資源整合

隨著我國電子政務的不斷推進，各級政府部門的各類應用系統(tǒng)不斷增加，各類服務器越來越多，機房也在不斷擴建和升級改造．即便這樣，數(shù)據(jù)中心機房環(huán)境資源還是變得越來越緊張，這就對數(shù)據(jù)中心機房的電力供給、環(huán)境保障、設備管理等的安全和穩(wěn)定提出了更高的要求．

1　問題提出

1.1服務器資源利用率低，硬件設施投資增加

在政務信息化建設過程中，為了滿足不同部門的業(yè)務需求，各應用系統(tǒng)獨立建設、獨立運行．為保證系統(tǒng)運行的高效性和穩(wěn)定性，多采用冗余的機制和手段，如雙機熱備、互備、異地備份等，這就導致隨著應用的增加而出現(xiàn)服務器數(shù)量急劇增加的狀況．通過對正在運行的服務器性能的監(jiān)測、分析，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)時間很多服務器基本處于睡眠狀態(tài)，資源利用率甚至不到10%，無形中浪費了寶貴的硬件資源，并消耗大量能源．

1.2政務機房環(huán)境資源日趨緊張

隨著各類應用的上線、服務器數(shù)量的增加，導致機房環(huán)境資源日趨緊張．每上一套業(yè)務應用系統(tǒng)，至少購置一臺服務器，經(jīng)過若干年的積累，政務機房大多布滿了機柜，機柜都放滿了服務器，很多地方已出現(xiàn)了“機滿為患”的情況．許多地方政務機房已經(jīng)處于滿負荷狀態(tài)，各部門不斷提出新建、擴建機房的要求．

1.3機房環(huán)境控制成本增加

服務器等設備需要恒定的溫濕度環(huán)境，因此機房必不可少要安裝環(huán)控系統(tǒng)，以保證機房設備的正常運行．建設機房環(huán)控系統(tǒng)也是機房建設投資較大的一部分．隨著服務器數(shù)量的增加，對環(huán)控系統(tǒng)的要求也越來越高，環(huán)控系統(tǒng)的設備投資和運維成本均在不斷增加．

1.4供電成本增加

由于各類用電設備的增加，需進一步擴容機房供電和不間斷電源(UPS)供電的容量．服務器24,h不間斷運行，使機房的電力消耗極大．

1.5管理維護成本增加

服務器數(shù)量的增多將會直接導致管理維護成本的增加．當服務器出現(xiàn)故障時，重新部署服務至少持續(xù)幾天時間．如果硬件出現(xiàn)損壞，設備的維修維護則需要更長的時間，這樣造成系統(tǒng)維護人員的工作壓力很大．當服務器故障數(shù)量較多時，要想保障服務器的穩(wěn)定運行幾乎不可能[1]．

數(shù)據(jù)中心服務器資源面臨的以上問題可采用業(yè)界成熟的服務器虛擬化技術加以解決．保障政務數(shù)據(jù)中心在統(tǒng)一的虛擬化平臺上進行服務器資源的整合和統(tǒng)一的管理，可以最大限度地提高應用程序性能，降低硬件和軟件的投資成本，保障業(yè)務應用的24,h穩(wěn)定運行．

2　虛擬化技術

所謂虛擬化技術，是指將一臺物理的計算機系統(tǒng)環(huán)境分割為多個獨立分區(qū)，每個分區(qū)均可按照需求模擬出一臺完整的計算機的技術．模擬出來的計算機稱為虛擬機(virtual machine，簡稱VM)．虛擬化技術的實質(zhì)是通過中間層次實現(xiàn)計算機資源的統(tǒng)一管理和再分配，實現(xiàn)資源利用的最大化．虛擬化帶來的最大好處是使同一物理平臺能夠同時運行多個相同類型或不同類型的操作系統(tǒng)，以分別作為不同業(yè)務和應用的支撐平臺[2]．

虛擬化技術已經(jīng)成為當前IT行業(yè)研究的熱點之一，它最大的優(yōu)勢就是大大降低了運行成本，提高了資源利用率．虛擬化技術能夠簡化操作流程，屏蔽復雜的物理實現(xiàn)過程，管理員可以統(tǒng)一對虛擬數(shù)據(jù)中心進行管理，也可對虛擬機運行進行設置，讓其自動進行遷移、備份、恢復等操作，在一定程度上保證了政務中心服務器運行的安全性．

根據(jù)虛擬指令集所運行的不同環(huán)境，虛擬化技術大致可以分為軟件虛擬化、硬件虛擬化和硬件輔助虛擬化三種模式．

2.1軟件虛擬化

軟件虛擬化技術就是純軟件實現(xiàn)的虛擬化操作，是通過覆蓋在服務器主操作系統(tǒng)的虛擬化軟件來創(chuàng)建一個系統(tǒng)環(huán)境，在該虛擬軟件上可運行各種應用服務軟件．在該系統(tǒng)環(huán)境中，可以虛擬出與物理服務器運行完全無異的虛擬機，可以說，虛擬機是物理主機的“完整克隆”．軟件虛擬化的具體模型[3]如圖1所示．

圖1　軟件虛擬化技術模型

由圖1可知，在軟件虛擬化技術中，虛擬機對實際物理資源的使用指令必須告知虛擬層，然后再由虛擬層通過主操作系統(tǒng)與系統(tǒng)硬件層通信，由主操作系統(tǒng)對操作指令進行翻譯和轉(zhuǎn)換，且從最低層到高層應用需要經(jīng)過好幾層軟件．這樣不僅通信效率非常低，而且由于諸多軟件的應用，占用了大量系統(tǒng)資源，增加了系統(tǒng)應用的額外開銷．

2.2硬件虛擬化

硬件虛擬化相對于軟件虛擬化來說，不僅大大減少了相應開支，支持更加多樣的計算機操作系統(tǒng)，而且在芯片等硬件資源中整合了核心的編譯程序，在編譯速度、性能方面有了更好的提升[4]．在計算機科學中，硬件虛擬化是一種對計算機或操作系統(tǒng)的虛擬．硬件虛擬化技術直接作用于物理硬件資源，對用戶隱藏了真實的計算機硬件，硬件虛擬化模型在軟件虛擬化技術模型的基礎上，去掉了主操作系統(tǒng)層，避免了繁瑣的指令翻譯，從而在運行速度上有了一定的提高，具體模型如圖2所示．

圖2　硬件虛擬化技術模型

雖然通過硬件虛擬化技術可以使虛擬機運行時更接近于物理主機的速度，并且與軟件虛擬化技術相比，在性能等方面有了很大的提高．但是，由于硬件虛擬化技術缺乏靈活性，無法對資源做出有效、合理的配置，并且現(xiàn)有的硬件虛擬化還不夠優(yōu)化，還需進一步提高，而且不是所有的CPU都支持硬件虛擬化技術．因此，兼具硬件虛擬化和軟件虛擬化優(yōu)點的硬件輔助虛擬化技術便應運而生．

2.3硬件輔助虛擬化

硬件輔助虛擬化是純硬件虛擬化技術與純軟件虛擬化技術的綜合，并兼具二者的優(yōu)點．具體來說，就是在采用支持虛擬化技術的硬件層上加入軟件虛擬化技術，解決了純軟件虛擬效率低下、開銷大、兼容性差以及純硬件虛擬缺乏靈活性的缺點，同時提高了系統(tǒng)的安全性、可靠性及靈活性[5]．

硬件輔助虛擬化包括硬件層、虛擬控制層VMM和VM層三個層次，其模型如圖3所示．

(1)硬件輔助虛擬化模型的最底層是支持硬件輔助虛擬化技術(如Intel VT技術)的物理硬件層，該層有直接與VMM層通信的功能，不需要像純軟件虛擬方式一樣在它們之間安裝操作系統(tǒng)來進行通信．

圖3　硬件輔助虛擬化模型

(2)第二層去掉主機操作系統(tǒng)層改用VMM層．VMM層是連接虛擬環(huán)境與物理硬件資源的橋梁，通過它可對虛擬主機硬件資源進行管理和控制，同時也為虛擬機的應用服務提供了虛擬環(huán)境，如對處理器、內(nèi)存等硬件資源的虛擬．

(3)在虛擬機監(jiān)控器的外圍是其虛擬出來的虛擬環(huán)境，虛擬機在該虛擬環(huán)境中運行，與物理服務器完全一樣，可以提供物理主機的全部服務功能．

通過使用硬件輔助虛擬化技術，不僅能提高運行速度，還能簡化虛擬化技術的架構(gòu)．

3　服務器資源整合

3.1服務器資源現(xiàn)狀

隨著政務數(shù)據(jù)中心業(yè)務應用的不斷擴大，整合服務器資源成為目前亟需解決的問題之一．現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心管理的各類應用服務器數(shù)量已近50臺，連接布局如圖4所示．

隨著服務器數(shù)量的增加，存在以下問題：①現(xiàn)有資源利用率低下，浪費現(xiàn)象嚴重，耗能較多；②服務器數(shù)目激增，造成管理成本、制冷成本、能耗成本增加；③應用系統(tǒng)穩(wěn)定性差．

通過對數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有服務器資源利用效率監(jiān)測統(tǒng)計，得知中心現(xiàn)有服務器的配置差異較大，有些配置相對比較落后，設備冗余度高，可管理性差，主機設備宕機的現(xiàn)象時有發(fā)生．隨著業(yè)務系統(tǒng)的不斷增加，數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有設備將承載更大的壓力，同時也帶來更多管理上的問題，現(xiàn)有資源已無法滿足業(yè)務應用增長的需求．

圖4　政務數(shù)據(jù)中心服務器現(xiàn)狀

3.2服務器整合模型

服務器資源整合模型如圖5所示．通過監(jiān)測、計算、分析、比對，選取需要整合的服務器，使用虛擬化技術，整合資源，將多區(qū)域的多臺資源利用率不高的應用服務器整合到一臺高配置的虛擬機上，被整合主機的操作系統(tǒng)及應用在虛擬機上運行，共享該虛擬主機的資源，提高了利用率，達到了最大限度地利用服務主機物理資源的目的，同時不影響其他應用服務的正常運行．

圖5　服務器資源整合模型

運行的虛擬服務器由VMware提供的VMware VirtualCenter管理軟件進行集中式管理，保證了整個虛擬環(huán)境的易操作性、可靠性和安全性．區(qū)域資源利用率相對較高的服務器，不做虛擬化處理，它們?nèi)詥为氝\行，由常規(guī)服務器管理平臺進行監(jiān)管．

3.3整合流程

在數(shù)據(jù)中心服務器整合過程中，必須按照一定的步驟，才能使整合方案符合資源現(xiàn)狀又合理，達到預期效果．基本流程如圖6所示．

圖6　服務器資源整合流程

(1)數(shù)據(jù)中心機房的所有服務器都需監(jiān)控和管理，網(wǎng)絡監(jiān)控軟件對其處理器、內(nèi)存、硬盤等硬件資源的容量及利用情況進行有效搜集整理．

(2)對監(jiān)測的服務器資源數(shù)據(jù)進行分析、比較、計算，選擇現(xiàn)有資源利用率高或不便于整合的主機單獨運行；在所屬區(qū)域選擇性能好、擴容性強、耗能相對較少、運行穩(wěn)定，且能訪問共享磁盤和網(wǎng)絡的服務器作為虛擬服務器．

(3)通過分析、比對、運算，確定虛擬服務器需整合的目標主機及其應用，形成分區(qū)域、合理高效的整合方案．

(4)依據(jù)整合所遵循的原則及整合模型，對機房各類服務器實施整合．第一，方案是在分析現(xiàn)有服務器的應用基礎上得到的，可以說被篩選為ESX主機的服務器在虛擬化之前運行過應用系統(tǒng)，整合前必須將這些應用數(shù)據(jù)加以拷貝，待主機虛擬化完成之后，再將這些數(shù)據(jù)以ESX服務器虛擬機的新方式重新運行；第二，需要在被選為ESX服務器的基礎上配備符合需求的硬件；第三，通過在準ESX服務器上安裝虛擬化軟件(如VMware ESX Server)的方式，使其由普通的物理主機轉(zhuǎn)化為一臺虛擬主機；第四，通過網(wǎng)絡架構(gòu)、存儲架構(gòu)及管理架構(gòu)的設計，形成虛擬數(shù)據(jù)中心的集中式網(wǎng)絡管理拓撲；第五，通過虛擬中心管理服務，采用VMware Converter遷移方式把物理主機操作系統(tǒng)及其所有應用遷移到ESX主機虛擬機．

3.4整合方案

整合方案中主要涉及CPU、內(nèi)存、硬盤三類物理資源的分配，在VMM軟件上安裝VM，并為其分配一定的虛擬物理資源．因政務數(shù)據(jù)中心主要有應用服務器安全區(qū)、SOC安全區(qū)、DMZ安全區(qū)、數(shù)據(jù)庫安全區(qū)四個區(qū)域，所以在整合過程中，需根據(jù)不同的安全區(qū)域來進行分區(qū)虛擬化．各類資源分配原則如下．

3.4.1CPU

CPU的分配至關重要，需保證各虛擬機擁有充分的CPU空間，才能保證其正常運行．如：某臺主機擁有1顆雙核CPU(主頻為3,GHz)，那么說明這臺主機的計算能力就是1×2×3＝6,GHz，當該服務器上的所有應用對CPU的最大占用率為5%，在整合時分配給它的虛擬機擁有的CPU計算能力至少為6,GHz×5%＝0.3,GHz，也就是給它設定預定值．設置CPU預定值的目的是保證各個虛擬機啟動前擁有充足的處理器資源，以免它們相互爭奪資源，造成混亂，無法正常啟動．虛擬機只有檢測到它已經(jīng)獲得了必需的CPU預定值才會啟動．在資源整合過程中，集群中的物理服務器聚合的CPU總計算能力必須大于各虛擬機CPU的預定值總和．

3.4.2內(nèi)存

與CPU類似，也需為虛擬機的內(nèi)存設定預定值，分配時只要在原來主機內(nèi)存容量的基礎之上換算即可．如：一臺擁有1,G內(nèi)存的物理服務器，它的應用程序?qū)?nèi)存的最大利用率為10%，則把該物理主機轉(zhuǎn)換為虛擬機時，需給它分配至少1,G×10%＝0.1,G的內(nèi)存空間．但與CPU分配的區(qū)別在于，只要給虛擬機分配一定的內(nèi)存預定值后，就不會再釋放出去讓其他虛擬機利用，一直到該虛擬機被關閉為止．除了內(nèi)存必須滿足一定的預定值外，在服務器整合過程當中還涉及到對虛擬機虛擬內(nèi)存的分配．如上例，可以給虛擬機分配不少于1,G的內(nèi)存，但一臺虛擬機最多支持16,G的虛擬內(nèi)存．在資源整合過程中，集群中的物理服務器聚合的物理內(nèi)存總?cè)萘勘仨毚笥诟魈摂M機內(nèi)存的預定值總和[6]．

3.4.3硬盤

在服務器資源整合工作中，硬盤對虛擬機的制約較小，給虛擬機分配的虛擬硬盤大小可以與原物理主機的磁盤大小保持一致．在分配實際物理硬盤容量時，考慮應用程序運行中可能會產(chǎn)生一些新的數(shù)據(jù)，原則上在虛擬機磁盤預定值基礎上增加20～50,G空間即可，同時虛擬服務器硬盤總?cè)萘勘仨毚笥谔摂M主機各虛擬機硬盤預定值總和．在VMware Infrastructure中包含著諸如HA、VMotion、DRS等分布式服務，這些服務的功能是提高整個系統(tǒng)的安全性能、自動化程度以及管理的靈活性．虛擬機的文件既可存放在本地的ESX服務器中，也可進行集中性存儲，如集中存儲在SAN、NAS、iSCS等存儲設備上，每臺ESX Server都可以訪問存儲設備．

3.4.4集群與資源池邏輯分配

利用VMware VirtualCenter(VC)對虛擬數(shù)據(jù)中心進行集中管理引入集群與資源池的概念，以更便捷、高效且更動態(tài)的方式對物理資源進行分配．把運行有ESX Server的一個或多個虛擬服務器看作是聚合所有處理器和內(nèi)存等物理資源的集群，VC對其集中式管理．物理虛擬服務器和其ESX Server上游的虛擬機都可在集群中進行動態(tài)添加或刪除．創(chuàng)建新的虛擬機時，新的虛擬機被指定到特定的集群中，虛擬機可以利用集群中的所有資源，根據(jù)它的需要，把資源按照一定比例進行分配，制定一定的分配策略，為虛擬機提供更適合的虛擬主機．虛擬機工作過程中，會根據(jù)其負載的需要動態(tài)地增加或釋放資源，管理員可在虛擬機處理任務量大的情況下分配比較多的資源，待壓力減小時，主動釋放資源[7]．

3.5整合結(jié)果

在政務數(shù)據(jù)中心，采用硬件輔助虛擬化方案對現(xiàn)有的服務器資源進行虛擬化整合，將50臺服務器整合為23臺，圖7為采用硬件輔助虛擬化整合后的虛擬服務器群．

圖7　整合后的服務器拓撲圖

在數(shù)據(jù)中心服務中，主要有應用服務器A區(qū)交換機、SOC交換機、DMZ區(qū)域交換機、數(shù)據(jù)庫交換機，最終分成了四個區(qū)域．在充分考慮了CUP、內(nèi)存、硬盤等資源的有效利用及操作系統(tǒng)對硬件的要求等因素后，DMZ區(qū)域交換機由10臺整合為3臺；SOC交換機區(qū)域由6臺整合為4臺；數(shù)據(jù)庫交換機區(qū)域由13臺整合為11臺；應用服務器A區(qū)交換機區(qū)域由21臺整合為5臺．另外，考慮到未來的拓展性，整合后虛擬服務器硬件資源利用率在65%左右．為了解決擴展問題，同時方便對虛擬化后的服務器進行管理，還添加了熱備、冷備和漏洞更新服務器．

4　結(jié) 語

虛擬化方案既整合資源、節(jié)約空間、降低能耗、提高資源利用率，也能對機房設備進行方便快捷的管理，節(jié)約了政務中心服務系統(tǒng)的運行成本，提高了政務數(shù)據(jù)中心服務器群的整體工作效率，解決了服務器資源分配不合理的問題，為推進集約型社會做出了貢獻．

雖然服務器虛擬化技術為信息系統(tǒng)建設提供了便捷的服務，但也不能忽視虛擬技術的一些潛在問題．首先，服務器虛擬化還沒有行業(yè)標準，應盡快制定業(yè)界公認的虛擬化標準，以解決不同廠商、不同產(chǎn)品間的互操作問題；其次，服務器虛擬化后存在單點故障問題，服務器整合是基于軟件實現(xiàn)的，還應考慮服務器硬件性能能否滿足需求，一臺物理服務器上部署著多臺虛擬服務器，如硬件發(fā)生故障，將導致整個系統(tǒng)癱瘓．為此，服務器虛擬化技術還需進一步完善．

［1］ 葉水勇，孫曉燕. 利用虛擬化技術對服務器和應用系統(tǒng)進行整合[J]. 電力信息化，2009(11)：32-35．

［2］ 王金波，金 涬. 虛擬化與云計算[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008．

［3］ 董耀祖，周正偉. 基于X86架構(gòu)的系統(tǒng)虛擬機技術與應用[J]. 計算機工程，2006，32(13)：71-73．

［4］ 周鐵成. 虛擬化技術在數(shù)據(jù)中心架構(gòu)中的應用研究[J]. 現(xiàn)代計算機，2009(4)：88-89．

［5］ 芥 末. 虛擬服務器技術的四種虛擬模式[J]. 中國傳媒科技，2007(1)：18-19．

［6］ 宗小忠，趙春紅. 虛擬服務器技術及其在網(wǎng)絡管理中的應用[J]. 計算機工程應用技術，2010，6(27)：7,659-7,660．

The Application Research of Server Virtual Technology in Resource Integration of Government Administration System

YU Qiang1，KANG Ling2
(1. The People’s Government of Tianjin 12345 Hotline Reception Center，Tianjin 300045，China；2. The IT Server Center of Municipal Government of Tianjin，Tianjin 300040，China)

As core component of government application service system，data center has important influence on the interaction of the whole service system. In fact，the current data center room space is tight，the server resource utilization is low and the cost of management and maintenance is increasing. Through the use of virtualization technology to existing server resources data center for effective integration，the authors give the integration principles and models，and concrete scheme applications and implementation.

virtual technology；virtualization of hardware assisted；VMware Infrastructure；resource integration

TP391.9

A

2095-719X(2014)04-0281-07

2014-04-16；

2014-06-16

于 強（1975—），男，山東禹城人，天津市人民政府12345市長熱線受理中心高級工程師，碩士.