貴州省氣象信息業務系統的虛擬化實現

汪 華, 黃 笞, 方 斌

(貴州省氣象信息中心,貴州貴陽50002)

0 引言

貴州省氣象局業務綜合網目前有國家局和省局的40多個業務系統,分別運行在61臺服務器和27臺PC上。實時業務系統一般都要求7*24小時不間斷運行,面對不可避免的設備故障,必須考慮核心業務的冗余備份,以保障業務系統的穩定和服務的連續性。傳統的“一種工作負載配一臺機器”的服務器部署方法,致使90%的服務器只利用總體負載容量的5%～15%,操作系統和應用兼容性的問題致使服務器整合難度較大,因此硬件的過度部署和設備實際利用率不足的矛盾日益突出,隨之而來的電力、散熱、網絡基礎架構、存儲基礎架構、管理開銷致使服務器的運維成本也不斷增加。隨著云計算和虛擬化技術的發展,在充分發揮計算機硬件性能的前提下,把多個對資源要求不高的業務系統集中到一臺或多臺計算機平臺上運行,在不改變業務系統網絡環境和應用架構的情況下,實現業務系統的虛擬化和高可用,這是解決當前所面臨的資源空置浪費等難題的有效途徑。

1 技術對比

虛擬化架構將工業標準服務器及其現有的處理器、內存、磁盤和存儲虛擬化成一個邏輯計算資源池,操作系統及應用程序被隔離到安全、可移植的虛擬機中,從而實現服務器的整合與控制,簡化IT操作,提高管理效率。當前主流的基礎架構虛擬化解決方案產品有:微軟Hyper-V、VMware(vSphere)以及Xen(思杰):

微軟Hyper-V:Hyper-V至少可以支持主機多達8個CPU和1TB內存。具有一項重要的功能特性就是實時遷移(live migration),也就是將運行中的虛擬機從一個Hyper-V物理主機遷移到另一個物理主機,不干擾服務,對Windows系統的兼容性好。

VMware vSphere:是如今部署最廣泛的虛擬機管理程序,最新版本可支持每個主機多達64個邏輯處理核心、256個虛擬CPU和多達1 TB內存;可以運行一系列廣泛的訪客操作系統,包括Windows、Linux、Solaris和NetWare。VMware vStorage虛擬機文件系統(VMFS)是一種集群文件系統,允許多個ESX主機同時訪問某一個虛擬卷,通過光纖通道SAN、iSCSI SAN或網絡附加存儲(NAS)實現存儲資源共享。

Xen:Xen虛擬機管理程序采用開源版本,支持一系列廣泛的訪客操作系統,包括Windows、Linux、Solaris及多種版本的BSD操作系統。Xen的特點是占用資源少、性能高。

經過性能測試和對比,VMware提供可靠的虛擬機管理程序和可擴展的管理工具,實現管理自動化(HA)、動態分配資源(DRS),在物理機器之間或不同存儲之間遷移運行狀態的業務虛擬機(vMotion),減少計劃外停機,保持業務系統高可用的特點,使之成為較好的選擇。

2 虛擬化的業務實現

在保證不影響正常業務服務的原則下分階段實施業務系統的虛擬化,系統虛擬化結構圖見圖1,配置2臺IBM x3850 x5的PC服務器,作為虛擬化基礎架構的硬件平臺,安裝VMWare vSphere的ESXi服務器軟件;配置一臺IBM N3400的磁盤陣列,8*600GB SAS硬盤作為虛擬化共享存儲,業務系統虛擬化文件存放在設備中;虛擬化基礎架構的集中管理服務應用vCenter以虛擬機的方式運行,通過虛擬化基礎架構的虛擬交換機配置,實現虛擬網絡與外部物理網絡配置一致,讓虛擬機可以分屬于不同的vlan。

目前先對12個占用資源不高的業務系統進行虛擬化改造,其中包括病毒庫升級服務器、視頻監控系統、資料備份服務器等,同時為對比分析虛擬機和物理機的性能,將提供用戶訪問的兩臺區域自動站數據庫系統中的一臺進行虛擬化。

通過vCenter,實現2臺ESX服務器的集群(HA和DRS)應用管理,如果其中一臺ESX服務器出現物理故障,其上運行的業務虛擬機將自動在另一臺ESX服務器重新啟動,實現虛擬化業務系統的高可用;如果一臺ESX服務器出現計算資源(CPU/內存)不足,通過動態分配資源(DRS),自動在線遷移其中的業務虛擬機到另一臺ESX服務器中運行;如果要對虛擬主機硬件或ESX服務器軟件做維護,通過vMotion的動態遷移功能,把虛擬機從一臺ESX服務器遷移到另一臺ESX服務器中,而不影響實時業務系統的連續服務。

同時網絡管理人員通過桌面PC上安裝的vSphere Client軟件,遠程訪問vCenter,管理維護業務虛擬機及虛擬架構平臺,登錄業務虛擬機控制臺,遠程安裝維護業務系統,查看業務虛擬機動態性能監視圖(圖2),查看虛擬主機-存儲-虛擬網絡-業務虛擬機的關系拓撲圖如圖3所示,查看虛擬主機硬件健康狀態,大大簡化了業務系統的管理維護工作。

圖1 氣象局業務系統虛擬化架構圖

圖2 任務與事件

另外,通過這次業務系統虛擬化建設,實現了業務系統的數據及系統集中備份,通過VMware提供的存儲快照備份機制DR,實現業務虛擬機文件的快照備份,同時通過Symantec的Backup Exce實現業務數據的在線周期性備份,在不停止業務系統服務的情況下,始終保持業務數據備份的最新狀態。

圖3 虛擬化關系拓撲圖

3 采用虛擬化技術的效益分析

3.1 提高服務器的利用率

目前利用 VMware vSphere整合 12臺 x86服務器,由于VMware虛擬機獨立于底層硬件運行,每個VMware虛擬機代表一個具有處理器、內存、網絡、存儲器和BIOS的完整系統,因此在相同的硬件上可以同時運行Windows、Linux、Solaris和NetWare操作系統及軟件應用程序,在整合12個獨立運行的工作負載后將服務器內存的利用率提高到現有的峰值53%。圖4中疊加展現了消耗內存和CPU使用排名前10的業務。圖5中以圖形方式展現虛擬化后整體業務負載的內存性能。

圖4 vSphere Client性能視圖

3.2 自動化虛擬基礎架構以實現資源的動態調配

由于不同的應用程序有些受制于內存,有些受制于CPU,而且不同業務的利用率峰值往往發生在不同的時間,因此通過 VMware ESX、VMware vCenter Server、VMware VMotion和 VMware DRS,在運行中的虛擬機之間共享物理服務器的資源,起到了資源倍增器的作用,同時提供可用性、資源管理和安全性等特性為實時業務提供比靜態物理環境更高的服務級別。實際運行環境中,虛擬化的區域自動站數據庫服務器的并發訪問測試獲得了和物理機一致的訪問性能。

圖5 vSphere Client內存性能視圖

3.3 最大限度地減少因服務器和操作系統故障造成的停機

從vSphere Client界面中單擊一次即可配置HA以提供故障切換保護,不必進行依賴于操作系統或應用程序的解決方案所需的復雜安裝和配置。由于所有的業務系統都以快照文件的方式存放,可以實現從操作系統到應用軟件的高可用,同時vSphere Client可以隨時監控虛擬機的情況以便檢測操作系統和硬件故障,在檢測到服務器故障時,無需手動干預即可重新啟動資源池中其他物理服務器上的虛擬機。

4 采用VMware vSphere帶來的綠色效益

4.1 從單一控制點管理虛擬基礎架構,減少運維成本

VMware單一控制點管理(管理界面如圖6所示)以虛擬機形式存在的工作負載,實現集中的業務系統維護管理,通過基于x86的異構操作系統(包括Windows、Linux和Netware系統)放在一個虛擬硬件平臺上,利用詳細的性能圖表監控和分析虛擬機、資源池以及服務器的利用率和可用性。

圖6 vSphere Client虛擬機統一管理界面

4.2 通過減少硬件降低運維成本

使用VMware vSphere合并整合12臺服務器,每臺服務器每年大約可節約 8760元電費(雙750w電源,1元/度,按1000w/小時計算)。將硬件成本節約和其他資金的減少合計起來,對于虛擬化的每一臺服務器,每年節約超過10000 RMB。此外,一臺業務系統的虛擬化可以減少2U～4U的物理空間,同時降低熱量的排放,更好的控制機房的溫度,降低對購置空調的需求。

4.3 加快資源部署時間,節約系統部署時間成本

利用虛擬機模板可以避免重復的安裝和配置任務,可重用的映像使部署新服務器工作負載變得方便快捷。常規情況下新業務系統的部署從硬件的上架到操作系統的安裝往往需要好幾個小時,通過虛擬化提供的模板部署只需要十幾分鐘,所花的時間減少多達50%～70%。VMware vSphere可以讓模板反映操作系統和應用程序的最新更新,因此創建的模板將具有更持久的價值。

5 業務虛擬化實現中需注意的問題

做業務系統的虛擬化遷移,有多種方式:業務系統全新安裝配置(適用于安裝配置簡單應用服務器);通過系統冷備份工具如BESR/Acronis等做業務系統的磁盤映像備份和恢復(適用于數據量不大的業務服務器系統,在許可的停機時間內完成);通過VMWare提供的在線遷移工具Coventer做業務系統的在線遷移(適用于數據量大的業務服務器系統)。

業務系統虛擬化遷移,需強調風險防范,虛擬化遷移實施前應先對業務數據和系統做備份,遷移完成后,盡量保留原業務服務器狀態不破壞,并定時備份業務虛擬機中的業務數據,經運行一段時間確認沒有問題后,才能確認業務系統虛擬化遷移成功。

在此次部署中視頻監控服務器則采用系統冷備份遷移方式,在業務系統不啟動的情況下,把業務系統的磁盤映像備份到移動存儲中,然后恢復到虛擬機中,保證業務系統狀態的完全一致性。其他系統大多數采用全新安裝配置,如區域站的數據庫服務器、資料備份服務器等,均通過模板安裝得到比較穩定可靠的業務系統運行環境,僅遷移數據庫中的數據。

VMWare的虛擬化遷移工具Coventer,支持Windows和Linux系統的在線遷移,需要在現有的業務系統中安裝相應的代理,以系統快照的方式把業務系統的磁盤映像通過網絡復制到業務虛擬機中,并最終同步所有的系統狀態,完成業務系統的在線遷移。在線遷移對業務系統的服務有影響,并要安裝遷移代理,需事前做好業務系統的系統和數據備份,而且對低版本的LINUX系統如Turbo7.0支持不好。

業務虛擬機遷移完成后,需要在業務虛擬機中安裝VMWare Tools工具,可以提高業務虛擬機的穩定性、網絡性能和顯示性能,實現HA中虛擬機運行狀態監測和綠色系統關機。

6 結束語

在業務系統進行虛擬化后,不僅簡化了日常維護管理,提升業務服務的連續性,減少多個單一業務服務器,提高硬件系統的資源利用率,并且使系統資源可以按需自由調控,無需停機維護,減少業務中斷時間。尤其新業務系統測試開發前期會產生大量的硬件需求,在VMWare平臺上可以非常方便的架設測試環境,而且相互獨立,部署方便,成為IT基礎架構虛擬化最大的受益者。

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