劉莉 江西省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 南昌市 330002

淺談虛擬化技術(shù)在資源整合中的應(yīng)用

劉莉 江西省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 南昌市 330002

電信行業(yè)一些系統(tǒng)建設(shè)時(shí)存在資源無(wú)法有效共享、設(shè)備利用率低等問(wèn)題。本文基于服務(wù)器虛擬化技術(shù)，提出了服務(wù)器的資源整合應(yīng)用方案，分析了存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)實(shí)施的可行性。整合結(jié)果表明，通過(guò)虛擬化技術(shù)的應(yīng)用可充分實(shí)現(xiàn)資源的共享與自動(dòng)配置，有效降低企業(yè)投資和運(yùn)營(yíng)成本。

虛擬化 資源 整合

0、引言

隨著電信行業(yè)轉(zhuǎn)型的深入與業(yè)務(wù)的發(fā)展，支撐系統(tǒng)的硬件數(shù)量日趨飽和。本文以某企業(yè)管理域系統(tǒng)作為分析、研究對(duì)象，包括若干小型機(jī)、PC服務(wù)器及存儲(chǔ)等設(shè)備；較多設(shè)備的利用率僅為其整體性能的30%甚至更少，資源缺乏共享，難以充分利用及靈活調(diào)配。以下將對(duì)合理利用虛擬化應(yīng)用技術(shù)來(lái)整合資源、提高管理水平與資源利用率進(jìn)行積極、有效地探討。

1、支撐系統(tǒng)存在問(wèn)題分析

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)摸排、數(shù)據(jù)調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)存在問(wèn)題如下：

(1) 每個(gè)系統(tǒng)都有相對(duì)獨(dú)立的一套硬件平臺(tái)，原先針對(duì)單一系統(tǒng)提出需求、進(jìn)行資源配置的建設(shè)模式和思路不能適應(yīng)業(yè)務(wù)發(fā)展的需求。

(2) 主機(jī)的資源使用情況不均衡，如部分設(shè)備長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)行，且CPU、內(nèi)存忙時(shí)利用率處于不同的時(shí)間段。

(3) 機(jī)房資源緊張，部分退網(wǎng)設(shè)備依然占據(jù)機(jī)房位置，造成電能與空間的浪費(fèi)。

2、核心技術(shù)研究

2.1、主機(jī)虛擬化技術(shù)

（1）小型機(jī)分區(qū)技術(shù)

目前主要的虛擬化技術(shù)分物理分區(qū)、邏輯分區(qū)、軟件分區(qū)及應(yīng)用分區(qū)四個(gè)層次。

物理分區(qū)，是通過(guò)完全的電氣化隔離在不同的操作系統(tǒng)之間提供最大程度的保護(hù)；每個(gè)分區(qū)擁有一個(gè)或多個(gè)處理器與一塊指定的內(nèi)存，多分區(qū)共享磁盤(pán)和I/ O組件，一個(gè)分區(qū)的故障不影響其它分區(qū)。

邏輯分區(qū)，是通過(guò)利用硬件微碼或固件的方式，使一個(gè)處理器運(yùn)行多個(gè)分區(qū)；各分區(qū)可獨(dú)立運(yùn)行不同版本的操作系統(tǒng)并獨(dú)占資源，相互操作不受影響。

軟件分區(qū)，是使用虛擬機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)與固件邏輯分區(qū)一樣的效果；虛擬機(jī)軟件作為宿主,同時(shí)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)，以安全受控的方式共享底層的硬件資源。

應(yīng)用分區(qū)，是通過(guò)虛擬化操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序執(zhí)行環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)分區(qū)功能；可使多個(gè)應(yīng)用程序在單一的操作系統(tǒng)中運(yùn)行而又互相隔離。

以下分別簡(jiǎn)要介紹IBM、HP、SUN的虛擬化技術(shù)：

IBM從硬件分區(qū)技術(shù)開(kāi)始，經(jīng)歷了LPAR、APV至PowerVM。PowerVM作為統(tǒng)一虛擬化解決方案，有Express、Standard 和 Enterprise 3 個(gè)版本。包含微分區(qū)和共享處理器池、VIO 服務(wù)器、動(dòng)態(tài)分區(qū)遷移、共享專用容量、多個(gè)處理器池、工作負(fù)載分區(qū)等多種技術(shù)。

HP的分區(qū)技術(shù)也起步于硬件分區(qū)，后逐步發(fā)展為邏輯分區(qū)和軟件分區(qū)，到2009年提出VSE，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬服務(wù)器的集成管理，支持nPartition（基于Cell板實(shí)現(xiàn)）、vPARs（在同一個(gè)nPartition或服務(wù)器上運(yùn)行的單獨(dú)的操作系統(tǒng)實(shí)例）、IntegrityVM（在同一個(gè)nPartition上運(yùn)行的單獨(dú)的實(shí)例，使用不同的操作系統(tǒng)版本）、resource Partition（為單一操作系統(tǒng)中的特定應(yīng)用程序分配資源）四種分區(qū)技術(shù)。

SUN的虛擬化主要分為系統(tǒng)域、ZONE、邏輯域三種。系統(tǒng)域是硬件分區(qū)，分區(qū)粒度是每個(gè)系統(tǒng)域至少要有1個(gè)CPU/MEM板和一個(gè)I/O板，支持動(dòng)態(tài)熱插拔系統(tǒng)CPU/內(nèi)存/IO硬件；Zone是軟件分區(qū)，支持創(chuàng)建多個(gè)邏輯上獨(dú)立的操作系統(tǒng)實(shí)例；邏輯域是邏輯分區(qū)，是建立在Firmware之上的。

（2）X86服務(wù)器虛擬化技術(shù)

在X86服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)虛擬化主要有三種虛擬化軟件：vmware、xen、hyper-v。微軟的hyper-v不支持異構(gòu)存儲(chǔ)，且安全性不如其它兩種，本文僅針對(duì)vmware與xen進(jìn)行比較。

a）系統(tǒng)架構(gòu)

兩種軟件均采用裸機(jī)或Type-1系統(tǒng)管理程序技術(shù)，Type-1系統(tǒng)管理程序直接安裝在物理服務(wù)器上，無(wú)需主機(jī)操作系統(tǒng)支持。

b）安裝、配置和管理

XenServer通過(guò)CD光盤(pán)或基于網(wǎng)絡(luò)的安裝過(guò)程安裝在主機(jī)系統(tǒng)上，配置信息保存在控制域內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置中，然后復(fù)制到管理的服務(wù)器上。Vmware ESX的系統(tǒng)管理程序也安裝在主機(jī)上，采用vCenter服務(wù)器完成多服務(wù)器管理和配置，并運(yùn)行在一個(gè)單獨(dú)的管理服務(wù)器上。

c）支持訪客操作系統(tǒng)

VMware和XenServer均支持目前最流行的Windows和Linux操作系統(tǒng)。根據(jù)微軟服務(wù)器虛擬化認(rèn)證計(jì)劃的要求，VMware和XenServer均通過(guò)了Windows認(rèn)證。

d）存儲(chǔ)集成

VMware通常利用其專有的虛擬機(jī)文件系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)，也可選用原始磁盤(pán)進(jìn)行存儲(chǔ)。XenServer不要求在存儲(chǔ)系統(tǒng)中使用自己的文件系統(tǒng)，而是直接利用原始存儲(chǔ)能力。

e）虛擬機(jī)備份和恢復(fù)

XenServer和VMware都提供虛擬機(jī)快照功能，同時(shí)也支持基于代理的備份解決方案。對(duì)Windows虛擬機(jī)而言，通過(guò)一個(gè)XenServer專用的VSS提供商，擴(kuò)展了基于代理的方法來(lái)用于Windows VM。VMware提供一種名為“vSphere數(shù)據(jù)恢復(fù)”的功能，用于虛擬機(jī)備份。

f）災(zāi)難恢復(fù)

災(zāi)難恢復(fù)指在遠(yuǎn)程站點(diǎn)上復(fù)制虛擬服務(wù)器基礎(chǔ)架構(gòu)和數(shù)據(jù)，以便在任何事件導(dǎo)致主站點(diǎn)無(wú)法訪問(wèn)時(shí)實(shí)現(xiàn)恢復(fù)。XenServer和VMware都支持多站點(diǎn)部署，主站點(diǎn)和災(zāi)難恢復(fù)站點(diǎn)上均可。

2.2、存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備上包含數(shù)據(jù)管理信息（元數(shù)據(jù)）和數(shù)據(jù)本身。主機(jī)通過(guò)傳輸路徑訪問(wèn)元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)本身，虛擬化控制器需同時(shí)抽象元數(shù)據(jù)視圖和數(shù)據(jù)的物理位置。

（1）帶內(nèi)虛擬化與帶外虛擬化

若虛擬化控制器位于主機(jī)和存儲(chǔ)設(shè)備之間的路徑上，則稱為帶內(nèi)訪問(wèn)；它不需通過(guò)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)去發(fā)現(xiàn)和連接到多個(gè)存儲(chǔ)，而只看到由虛擬化設(shè)備提供的存儲(chǔ)資源。若虛擬化控制器將對(duì)元數(shù)據(jù)的訪問(wèn)路徑和對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)路徑劃分開(kāi)，則實(shí)現(xiàn)帶外訪問(wèn)。

圖1 帶內(nèi)虛擬化和帶外虛擬化圖

（2）基于主機(jī)的虛擬化

通過(guò)在主機(jī)上安裝邏輯卷管理器實(shí)現(xiàn)，向操作系統(tǒng)提供存儲(chǔ)資源的邏輯視圖。物理存儲(chǔ)的抽象發(fā)生在主機(jī)本地，消除分離的控制和數(shù)據(jù)路徑，避免帶內(nèi)虛擬化帶來(lái)的瓶頸和性能問(wèn)題。

（3）基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬化

將虛擬化控制器轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的核心部分，因?yàn)榇鎯?chǔ)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在所有的主機(jī)和存儲(chǔ)設(shè)備之間建立連接，所以更容易透明地截獲和處理存儲(chǔ)請(qǐng)求，是一種帶內(nèi)的虛擬化方法。

（4）基于存儲(chǔ)設(shè)備的虛擬化

可以實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)的完全透明化，無(wú)需在主機(jī)上安裝任何代理軟件，它位于存儲(chǔ)系統(tǒng)的后端而不是中間，避免了增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，且不會(huì)成為新的瓶頸。

3、整合策略與應(yīng)用方案

3.1、整合思路

本次虛擬化整合遵循以下原則：

（1）對(duì)于核心、較為重要的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，采用小型機(jī)的虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)集中整合，同時(shí)結(jié)合系統(tǒng)的擴(kuò)容要求，既達(dá)到整合的目的又滿足生產(chǎn)的需求。對(duì)PC服務(wù)器采用X86服務(wù)器的虛擬化技術(shù)，將多個(gè)平臺(tái)的應(yīng)用資源通過(guò)搭建資源池進(jìn)行部署，實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)調(diào)配和無(wú)故障切換。

通過(guò)虛擬化技術(shù)的運(yùn)用，可對(duì)各個(gè)分區(qū)的CPU、內(nèi)存的利用率和峰值以及IO讀寫(xiě)等負(fù)載進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦某個(gè)分區(qū)的負(fù)載突破警戒閥值，自動(dòng)把其他利用率較低的分區(qū)資源劃撥到該分區(qū)，迅速緩解系統(tǒng)壓力；當(dāng)該分區(qū)負(fù)載恢復(fù)正常，其空閑資源又可以被劃撥到其他壓力較大的分區(qū)，整個(gè)過(guò)程不會(huì)干擾應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行，對(duì)用戶透明。

（2）存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化方面，可設(shè)立一定的規(guī)則對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行生命周期的管理。即按優(yōu)先級(jí)將數(shù)據(jù)分別存放在高端、中/低端存儲(chǔ)上，提升系統(tǒng)性能和使用效率；屏蔽存儲(chǔ)異構(gòu)性，實(shí)現(xiàn)在線空間擴(kuò)展、回收和再利用，減少或消除計(jì)劃停機(jī)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器資源的縮放管理。

（3）對(duì)于殘值較低的老舊設(shè)備，不符合未來(lái)系統(tǒng)的發(fā)展要求，在將其上部署的應(yīng)用遷移到資源池內(nèi)后，原設(shè)備可退網(wǎng)。

某企業(yè)管理域系統(tǒng)進(jìn)行虛擬化整合后的組網(wǎng)示意圖如下：

圖2 某企業(yè)管理域系統(tǒng)虛擬化整合后示意圖

3.2、演進(jìn)路徑

本次整合深入采用小型機(jī)和X86服務(wù)器的高級(jí)虛擬化、存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化等多項(xiàng)新技術(shù)，為保證系統(tǒng)整合的安全、穩(wěn)定、有序進(jìn)行，分三階段逐步推進(jìn)。分步實(shí)施如下：

（1）前期

第一階段，技術(shù)驗(yàn)證。

利舊測(cè)試機(jī)搭建X86服務(wù)器虛擬化測(cè)試環(huán)境；新增小型機(jī)，部署虛擬化軟件與系統(tǒng)管理軟件，建設(shè)小型機(jī)高級(jí)虛擬化測(cè)試環(huán)境；同期安裝存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化工具，將不同的存儲(chǔ)設(shè)備統(tǒng)一為共享存儲(chǔ)資源池。其后，在虛擬化測(cè)試環(huán)境上部署測(cè)試系統(tǒng)，驗(yàn)證服務(wù)器虛擬化技術(shù)和存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化的穩(wěn)定性和實(shí)用性。

第二階段，結(jié)合應(yīng)用逐步推廣。

在對(duì)系統(tǒng)資源的摸底，確定系統(tǒng)未來(lái)需求的基礎(chǔ)上，依托測(cè)試環(huán)境，建立服務(wù)器和存儲(chǔ)的共享資源池種子，根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)的輕重緩急，按重要性從低到高，負(fù)載壓力從輕至重，逐步割接到種子池，割接完成后，原有系統(tǒng)資源融入種子池，擴(kuò)大種子池資源。

（2）中期

在前期順利實(shí)現(xiàn)的前提下，建議擴(kuò)大資源實(shí)現(xiàn)共享的范圍，進(jìn)一步提升資源利用率；在此基礎(chǔ)上建立統(tǒng)一的資源調(diào)度中心，對(duì)服務(wù)器、存儲(chǔ)、備份等資源統(tǒng)一監(jiān)控管理，嘗試引入自動(dòng)化流程，提供系統(tǒng)的自助服務(wù)，加快系統(tǒng)的部署調(diào)整時(shí)間，更好的響應(yīng)業(yè)務(wù)需求。

（3）后期

在完全掌握虛擬化、標(biāo)準(zhǔn)化等共享資源池技術(shù)與資源自動(dòng)化流程后，建議逐步實(shí)現(xiàn)所有可納入系統(tǒng)資源的全局共享，并在云計(jì)算技術(shù)成熟的條件下，將共享資源池向云計(jì)算演進(jìn)。

4、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某企業(yè)管理域系統(tǒng)的資源應(yīng)用虛擬化技術(shù)，可解決原先存在的設(shè)備共享較少、利用率不均衡、機(jī)房資源緊張等問(wèn)題，有效提升系統(tǒng)建設(shè)和采購(gòu)過(guò)程的響應(yīng)速度。可見(jiàn)的成效有：減少服務(wù)器與存儲(chǔ)的采購(gòu)規(guī)模，盤(pán)活可用資源，降低維護(hù)成本，最大限度的保護(hù)投資；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加清晰、分明，簡(jiǎn)化維護(hù)與操作，管理手段也更加便捷。

［1］梅燕.《淺談虛擬化技術(shù)》.華章，2013(25).

［2］邢利榮、何曉龍.《從虛擬化到云計(jì)算》.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［3］田永飛.《區(qū)域數(shù)據(jù)中心虛擬化技術(shù)必要性和技術(shù)要點(diǎn)探討》.金融科技時(shí)代，2009(3).

［4］金海.《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬化——原理與應(yīng)用》.北京：清華大學(xué)出版社, 2008.

1009-0940(2014)-3-0026-04

2014-7-29