虛擬化在公共圖書館的應用研究——以深圳圖書館為例

●成 星（深圳圖書館，廣東 深圳 518026）

1 引言

虛擬化技術是目前整合管理服務器群的最優技術，其工作原理是在一臺服務器上虛擬出多個虛擬機，或者多臺服務器的資源集中生成一個虛擬機，使一臺物理服務器完成多個不同的業務應用。該技術能夠提高機器利用率、靈活遷移應用系統以及安全備份與恢復數據，確保數據與應用的高安全性，因此是深圳圖書館解決隨著服務器的增長而帶來管理壓力的有效方法。[1]

2 VMware應用可行性分析

目前深圳圖書館（以下簡稱“深圖”）的IT設備配置高端，功能開發齊全，且業務應用豐富，業務和服務器數量都已突破70個。這些業務應用，由于其對服務器的要求各不相同，比如操作系統、系統硬件兼容性以及軟件開發平臺等，所以只能單獨為其配置服務器。這樣一來，服務器數量將直線增加，增加的不僅是購置成本，同時也增加了管理壓力，降低了設備的利用率。因此，單靠增加服務器已經不能適應業務應用的快速發展。

2.1 服務器應用現狀

深圖的硬件系統主要由網絡、服務器與存儲、PC及周邊設備三大塊組成，軟件系統主要由數據庫及多個業務子系統組成。其中服務器數量隨著業務量的不斷增加直線上升，作為業務平臺和數據庫后臺的強大支撐，服務器合理的管理和使用尤為重要。下表為目前服務器配置使用情況（AIX系統暫不做統計）。

表統計顯示：深圖共有73臺服務器，其中2臺閑置。60臺為Windows/Linux/Unix系統，11臺為AIX系統（對于AIX系統，建議采用IBM PowerVM進行虛擬化，本文只討論非AIX的虛擬化過程）。60臺從功能上又劃分為測試編譯用機（8臺）、核心業務用機（其中包括核心熱備用機，19臺），24小時對外業務用機（16臺），專業數據庫資源用機（12臺），內部辦公業務用機（5臺）五大類，業務應用共52個。如此龐大的服務器群，在使用和管理過程已出現諸多問題。

表 深圖服務器使用率統計表

另有11臺AIX系統服務器，2臺閑置服務器

2.1.1 硬件成本高且利用率低

新增設備的費用逐年增加；大部分設備已超過廠家維保期限，由經銷商承保，維保費用居高不下；部件已開始損壞，進入老化期，配件成本高；占用機房空間大，增加了機柜、網線、電量和人工成本；由于一臺服務器只能運行一個應用，因此CPU、內存、硬盤空間的資源利用率大都不超過20%，相反有些系統需要大量的資源來提升業務速度但本地資源不夠用，資源不能充分調配而被閑置。

2.1.2 可維護性差

由于服務器數量多，機柜空間擁擠，每新上一臺服務器及部署新應用都將耗費大量時間。一旦出現故障，配件更換周期長，且更換的時間要選擇業務量最少的時段，通常都在凌晨。

2.1.3 業務應用無保障

首先，由于每個應用都占用一臺服務器單機，如果機器出現故障，則相應的業務將被中止，而如果每個應用都采用雙機熱備，則配置成本更高；其次，系統周期維護需要停機進行，也將影響為讀者服務的質量；第三，由于大多數應用沒有做熱備，讀者業務處于無保障狀態。

2.2 系統的設計目標

通過虛擬技術的應用，我們將達到如下既定目標。

（1）提高資源利用率。通過整合服務器，將所有運算設備作為大的資源池進行統一管理，并按需分配資源，從而提高單機資源利用率。

（2）提高維護靈活性。部署新應用時，可減少服務器重建和應用加載的時間，快速響應讀者需求；當物理機發生故障時，可遷移業務系統模塊到正常設備上繼續運行，方便對故障設備的維護。

（3）確保業務無障礙運行。每個業務都可進行熱備，心跳感應設備故障，自動啟用備份系統接管主業務；當業務量增加導致設備負載增大時，服務器可動態遷移業務數據到其他閑置設備來保證業務應用有足夠的資源，避免讀者業務受到影響。

（4）為集中網絡存儲打基礎。整合物理設備后，所有應用的數據將全部接入到存儲網絡，將分散數據集中存儲備份，為異地災備打下基礎。[2]

（5）延長舊業務系統的生命周期。由于應用平臺的限制使得原有應用系統硬件不能升級。虛擬化后可確保原系統平穩運行，且大幅提高其應用性能。

3 VMware技術的優點

3.1 集中資源管理

通過集中資源管理，管理員可以管理虛擬化平臺內所有的計算資源，包括服務器、網絡、存儲和應用等。利用此功能，管理員可對設備資源進行靈活配置。

3.2 池化資源管理

通過服務器、存儲、網絡等虛擬化技術將設備資源按照不同的標準組織成不同的資源池，如高性能資源池、高存儲能力資源池、低負載資源池、數據庫資源池和中間件資源池等，定義模式靈活、便利。[3]

3.3 Vmotion動態遷移虛擬機

當設備虛擬化后，虛擬機以一組文件的狀態封裝在存儲設備中。系統通過虛擬網絡將源虛擬機的實時內存和執行狀態文件快速傳送到目的虛擬機，實現動態熱遷移。該功能確保了業務運行不中斷，實現零停機時間。

3.4 DRS分布式資源調度

在Vmotion的基礎上，系統可動態監控并調整虛擬機需要的資源，根據預先制定的策略觸發資源調整功能，保證應用有足夠的資源，實現資源動態均衡。如設定OPAC檢索系統并發連接最大值為100個的請求，當超過這個上限值時，系統自動觸發分配設備資源，增加CPU或者內存給該虛擬機，保證讀者業務不受影響。

3.5 VM HA高可用性

利用心跳技術，當一個關鍵業務的物理服務器或虛擬服務器發生災難時，系統會在別的服務器上自動啟動備份服務，減少業務中斷帶來的損失。[4]

4 虛擬化應用的設計與實現

4.1 設計原則

在虛擬化的同時，系統會產生兩個潛在的風險：一是單臺物理機中并行運行了多個虛擬機，當物理機出現故障，必然會同時造成多個業務的中斷。因此在加強物理機可靠性的同時，還應采用虛擬機熱備策略，保證業務能夠持續不斷地運行。二是由于虛擬機封裝在獨立文件中，并存放在共享的磁盤陣列中，因此我們還必須考慮單臺磁盤陣列故障帶來的業務中斷影響。根據深圖實際業務情況，我們對不同業務采取不同的資源配置方案：對于單機核心或AIX系統在保持原有架構不變的前提下，增加獨立雙機集群進行熱備，保證在出現災難的情況下所有業務不中斷；對于眾多應用服務器，采用虛擬化技術，將應用服務整合到多臺物理機上，實現物理服務器的虛擬化。同時采用虛擬機熱備策略，保證業務安全運行；在數據存儲方面，由于虛擬機存在的形式是一組實時封裝完畢的文件，因此通過IPSAN網絡進行存儲。通過IPSAN架構進行在線熱遷移虛擬機、進行資源配置的動態平衡管理和基于快照技術的數據恢復等，同時為以后搭建異地容災系統提供擴展性并打下基礎。

4.2 虛擬化步驟

根據深圖實際情況，擬將20臺IBM X3650服務器作為資源池。在物理層之上采用VMware Vsphere5.0進行虛擬化部署生成不同配置的虛擬機，然后通過VCenter虛擬機管理平臺并結合VMware的VMotion、DRS和HA等功能，進行虛擬機的管理，為全網虛擬機提供技術支持。

（1）在服務器裸機上部署VMware Vsphere5.0企業增強版，包括ESXi Server、VCenter(其中包含VMotion、DRS和HA等)和VMFS文件系統三大組件。它能自動將物理服務器上的資源池化，按照業務需要劃分成多個虛擬機。

（2）建立VirtualCenter統一管理平臺。在單臺IBM X3650服務器上部署Vcenter實現集中管理和監控，為應用提供自動資源調配。

（3）使用第三方遷移工具P2V Assistant，將現有物理系統的映像轉換為虛擬機，無需重裝軟件或重配應用程序，加快虛擬化進程。

（4）將建立好的虛擬機進行熱備。將封裝好的虛擬機文件熱遷移到不同虛擬機上，實現應用的雙機備份，并設置觸發策略，保證業務不間斷運行。[5]

（5）應用IPSAN網絡實現虛擬機封裝文件及數據共享。在存儲服務器上安裝VMFS文件系統，并將虛擬機封裝文件和數據存儲在SAN網絡存儲上，這樣多個ESXI Server將可以訪問到同一文件，從而消除單點故障。

4.3 虛擬化架構描述

4.3.1 VMware ESXi Server配置說明

本方案的主體部分是20臺安裝了VMware vSphere 5.0套件的IBM X3650服務器。ESXi Server是VMware虛擬架構套件的基礎組成部分，是實現動態優化IT結構的基礎。在物理機上安裝ESXi Server，池化其計算、存儲和網絡資源。在業務運行時，通過優化共享硬件資源的方法來提高硬件利用率。

虛擬化過程可以根據不同應用對系統資源的不同要求，生成特定資源配置的虛擬機。如OA系統只需要一個3.0 GHz CPU，512MB的內存就可以很好地運行，而CNKI數據庫系統有高訪問率和高吞吐量，則需采用兩個雙核CPU、8GB內存配置。由于每個虛擬機所使用的資源都是由ESXi統一調配，因此可充分保證每一個應用都有充足的計算資源。同時系統可根據每個應用的負載情況自動調整對應的虛擬機資源配置，最大限度地提高硬件資源利用率。另外，虛擬對稱式多重處理技術，可使單個虛擬機并行使用多個物理處理器，增強虛擬機集群能力。

4.3.2 IPSAN集中存儲實現虛擬機文件共享

利用現有的IPSAN網絡存儲結構，將虛擬機系統文件創建在H3C IPSAN存儲陣列上。基于該網絡結構，所有虛擬機全部安裝VMFS虛擬機文件系統，這樣虛擬機都可以訪問同一虛擬機存儲，實現高性能的群集文件共享，為數據集中異地備份打好基礎。

4.3.3 虛擬機集中管理及優化

Virtual Center服務器對虛擬機進行管理和監控，同時還為IT資源提供集中池化管理，為業務應用提供自動化操作（Vmotion）、資源優化（DRS）和高可用性(HA)功能。其中VMotion可熱遷移虛擬機；DRS將根據業務優先策略來自動調配可用資源，優化資源利用；HA實現應用程序的高可用性。

4.4.4 雙機高可用性

為了使業務應用實現絕對的高可用性，Vcenter服務器上加裝NEC的虛擬機雙機高可用系統Expresscluster。該系統利用心跳技術全面監視服務器上的各種軟、硬件資源的狀態。一旦被監視項目發生故障，則可以根據故障類型并結合Virtual Center組件功能，在虛擬服務器之間或物理服務器之間將業務或虛擬機自動切換，保證業務連續運行。

5 使用效果

（1）減少了設備購置成本，優化了資源分配，提高了資源利用率。系統在20臺機器上總共部署了60個虛擬機，節約了近40臺設備，其中20臺用于完全高可用性雙機熱備，20臺用于核心和AIX系統服務器的完全熱備。由于應用和硬件完全分離，從數據層面杜絕非法訪問，保證網絡安全。

（2）靈活配置資源，為業務發展提供保障。虛擬化后系統按業務需求進行資源自動調配。當業務需要更多資源時，虛擬構架動態遷移業務或自動增加資源的分配，確保業務長足發展。

（3）提高IT服務效率。VCenter的應用，提高了IT部門設備管理能力，縮短了物理機維護周期，使服務器的管理更加直觀快捷，同時加載新的應用更加方便，全面提升了IT服務能力。

（4）方便數據備份，為容災系統打基礎。基于IPSAN的數據存儲，讓分散的數據集中統一存儲管理和備份，為即將開展的異地容災備份建設打下堅實基礎。

6 實施注意事項

（1）建立虛擬機冗余機制。在單臺物理服務器上運行多個虛擬機，同每臺物理服務器運行一個應用相比，硬件故障會影響更多的應用。因此需要建立冗余設備來降低風險。無論是數據庫還是虛擬機文件，都需要建立熱備，甚至是異地災備。

（2）確保虛擬機之間資源利用不沖突。雖然ESXi Server能在同一套物理環境中安裝多個操作系統，但在加載應用時，建議把對資源需求不同的應用分到一組，放在同一套硬件上。只有這樣才能確保運行在這些虛擬機上的應用不會互相沖突而降低應用性能，最大化地利用硬件資源。

（3）預測虛擬化帶來的性能損耗。測試結果表明，跟在物理服務器上運行相比，同一應用在虛擬機上運行會產生性能上的損耗。這種損耗隨著應用的不同而變化，在6%～20%之間。因此在分配資源時，磁盤容量的劃分應考慮到虛擬機鏡像文件的大小，并預留足夠多內存給虛擬機使用等。

（4）采用VMware或第三方工具簡化遷移成本。為了獲得更好的可移植環境，使得虛擬機更容易被遷移到其他硬件平臺，以便虛擬機從災難性硬件故障中恢復，建議購買一些特殊的第三方工具，如Altiris的方案。

［1］黃澤偉.基于多系統的虛擬網絡教學架構的實現［J］．重慶電力高等專科學校學報，2010（4）：32-34.

［2］李馥娟.虛擬機技術在復雜網絡技術中的應用［J］.實驗技術與管理，2009，26（12）：134-135.

［3］周俐軍，等.基于VMware的高校數據中心虛擬化管理探究［J］.中國管理信息化，2009，12（16）：65-66.

［4］董兆殷.基于ESXI Server的校園數據中心虛擬化技術的研究［J］.電腦知識與技術，2010，6（12）：3140-3141.

［5］孫昱，等.虛擬機實時遷移技術研究［J］．微型電腦應用，2008，24（7）：1-2.