云計算平臺系統(tǒng)運行模式設(shè)計研究

王鐵毅

（山東鋼鐵集團有限公司信息化中心，山東濟南 250014）

信息化建設(shè)

云計算平臺系統(tǒng)運行模式設(shè)計研究

王鐵毅

（山東鋼鐵集團有限公司信息化中心，山東濟南 250014）

圍繞著基于云架構(gòu)的企業(yè)OA、人力資源、固定資產(chǎn)、檔案管理、全面預(yù)算、外事管理等業(yè)務(wù)系統(tǒng)的整體云應(yīng)用，為獲得更加經(jīng)濟、適用的運行效果，實現(xiàn)資源的按需調(diào)配與供給，運用模板擴展方式具體定義和創(chuàng)建可自動執(zhí)行的系統(tǒng)運行模式，以支持綠色節(jié)能、高效運行和斷電保護，規(guī)避潛在的手工操作風(fēng)險，經(jīng)試用取得初步成效，并進一步探索了云應(yīng)用由自動化向智能化提升的可行性。

云計算；云應(yīng)用；資源調(diào)配；自動運行模式

1 前言

數(shù)據(jù)中心耗能巨大，IT設(shè)備特別是服務(wù)器約占其中的40%［1］。云計算技術(shù)的應(yīng)用不但為企業(yè)帶來了更加智能的運算方式，作為一種IT資源服務(wù)的獲取和交付，在促進企業(yè)科學(xué)決策、快速創(chuàng)新方面體現(xiàn)著巨大優(yōu)勢，并能幫助數(shù)據(jù)中心大幅提高資源利用率，減少系統(tǒng)軟硬件采購，節(jié)省能源開支，實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級和綠色發(fā)展［2］。

企業(yè)整體云架構(gòu)的建立，為日后充分發(fā)揮IT平臺的作用，提供了廣泛的發(fā)展和想象空間，特別在資源按需調(diào)配與供給方面，通過合理操作，提高云平臺運行質(zhì)量和效益，利用有限的資源消費可獲得更加經(jīng)濟、適用的運行效果，既能響應(yīng)不同類型的業(yè)務(wù)需求［3］，又能使系統(tǒng)資源占用更少、能耗開銷更低，進而降低IT系統(tǒng)的運營成本和再建投資。但由于資源調(diào)配、系統(tǒng)遷移的嚴(yán)謹性和復(fù)雜性，在企業(yè)具體實施過程中卻苦于沒有自動化的運行模式而望而卻步，因為借助于工具軟件的人工離散性操作，盡管事先針對既定目標(biāo)制定了嚴(yán)密的計劃，可稍有不慎也會產(chǎn)生意想不到的后果，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)性風(fēng)險。因此在云平臺的實際使用上只按固定的初始運行模式工作，不論工作日、節(jié)假日，還是白天、黑夜，甚至不管任務(wù)輕重緩急，資源配置固定于初始狀態(tài)，系統(tǒng)運行不做動態(tài)調(diào)整，致使云平臺應(yīng)有的作用大打折扣。這就提醒我們，在云平臺交付使用時，為獲得預(yù)期的運行效果并規(guī)避潛在的操作風(fēng)險，必須針對不同的需求確定相應(yīng)的系統(tǒng)追求目標(biāo)和資源調(diào)配策略，并依此定義和創(chuàng)建一系列可自動執(zhí)行的運行模式，以全流程完成各既定目標(biāo)、滿足不同需求，這應(yīng)該作為企業(yè)真正實現(xiàn)私有云落地的必然步驟，而不能只停留在固定的初始運行模式階段，但它的確是一項十分復(fù)雜和耐心細致的工作。對此，基于微軟System Center 2012建立的企業(yè)云計算平臺，實現(xiàn)了各類業(yè)務(wù)的整體云應(yīng)用，并在系統(tǒng)動態(tài)資源調(diào)配和優(yōu)化運行模式方面做了有益的探索，獲得初步成效。

2 技術(shù)構(gòu)思

Dell M910刀片服務(wù)器CPU利用率與機箱（M1000e+8*M910）總功耗的關(guān)系見表1，通過數(shù)據(jù)分析得知，當(dāng)服務(wù)器CPU利用率由10%提升到80%，系統(tǒng)整體能耗只增加10%；每多開1臺服務(wù)器，系統(tǒng)整體能耗幾乎增加1倍。盡管這一結(jié)果或許隨服務(wù)器的不同而做調(diào)整［4］，但總的趨勢足以說明，由于資源調(diào)配策略和運行模式不同，對完成同一項業(yè)務(wù)的能耗開銷和運行效率存在很大差異；服務(wù)器CPU利用率可做為平衡云計算平臺資源消費和運行效率、制定各類運行模式的基本依據(jù)［5］。

表1 Dell M910刀片服務(wù)器CPU利用率與機箱總功耗的關(guān)系

利用有限的資源獲得更加經(jīng)濟、適用的運行效果，須兼顧云平臺資源開銷與運行效率的平衡。資源配置最大化意味著資源投入最大化，換來的是系統(tǒng)運行和服務(wù)響應(yīng)的高效率；資源節(jié)約配置，犧牲的是系統(tǒng)運行的效率和服務(wù)響應(yīng)時間。業(yè)務(wù)需求性質(zhì)決定系統(tǒng)追求目標(biāo)的取舍，要圍繞不同的系統(tǒng)追求目標(biāo)，綜合考慮各種相關(guān)因素，制定相應(yīng)的資源調(diào)配策略和具體操作步驟，關(guān)鍵在于運用合適的方法，結(jié)合軟硬件實際環(huán)境，創(chuàng)建有針對性的可自動運行模式，使各項資源調(diào)配策略得以落地實施。為簡化工作、提高效率、減少失誤，本案運用模板擴展方式，完成多種自動運行模式的定義和創(chuàng)建，以支持綠色節(jié)能、高效運行和斷電保護，其中貫穿著“由簡到繁、由基本到復(fù)雜”以及“細化、優(yōu)化、固化并可逆化”全過程。其要點有：

1）按軟件工程觀點，為提高復(fù)用率，先創(chuàng)建幾個功能相對單一、可供直接調(diào)用的基本運行模板，通過調(diào)用執(zhí)行就能自動完成系統(tǒng)基礎(chǔ)資源（如CPU、內(nèi)存、存儲等）的調(diào)配或遷移操作；2）以基本運行模板為基礎(chǔ)，做適當(dāng)調(diào)整、擴充或組合，按實際需要制定功能較為完整、可達既定目標(biāo)的資源調(diào)配策略和操作流程，并形成固化的可自動執(zhí)行的運行模式；3）兼顧正、反雙向操作，既可正向操作完成既定目標(biāo)，又兼顧反向操作恢復(fù)原有狀態(tài)，進一步降低和消除操作風(fēng)險。

3 基本運行模板

3.1 自助資源申請

通過平臺軟件提供的統(tǒng)一服務(wù)交付工具和自助服務(wù)門戶，由需求客戶發(fā)出計算資源申請，經(jīng)系統(tǒng)管理員審批、生成和分配計算資源（見圖1），實現(xiàn)IT服務(wù)的按需申請和自助使用，以此支持業(yè)務(wù)的快速部署，提高系統(tǒng)管理效率。

圖1 資源自助申請流程

3.2 CPU資源動態(tài)調(diào)配

隨著某應(yīng)用負載增加，虛擬服務(wù)器過載將影響正常工作時，系統(tǒng)自動提高過載虛擬服務(wù)器的配置，實現(xiàn)了系統(tǒng)的動態(tài)資源調(diào)度，保證正常的業(yè)務(wù)處理。具體設(shè)定值是當(dāng)某個在線應(yīng)用系統(tǒng)的CPU利用率超過60%時，自定義工作流自動觸發(fā)該虛擬服務(wù)器的關(guān)機操作，并將CPU配置自動提升為4個CPU并增加適當(dāng)內(nèi)存后，重新啟動虛擬服務(wù)器。自動提高虛擬服務(wù)器配置滿足過載需求的相關(guān)流程參見圖2。

圖2 虛擬CPU資源動態(tài)調(diào)配流程

3.3 虛擬機調(diào)配

隨著工作負載不斷加大，當(dāng)1臺虛擬服務(wù)器無法滿足正常業(yè)務(wù)時，系統(tǒng)將動態(tài)增加虛擬機數(shù)量，分擔(dān)當(dāng)前虛擬機的負載，支撐業(yè)務(wù)正常工作，滿足大流量系統(tǒng)要求。

具體可利用網(wǎng)絡(luò)負載均衡集群技術(shù)（微軟NLB）構(gòu)建3臺Web服務(wù)器虛機，先啟動其中1臺，當(dāng)這臺應(yīng)用的CPU負載達到設(shè)定值60%時，自定義工作流觸發(fā)啟動第2臺虛機操作以分擔(dān)負載，進一步可類推觸發(fā)啟動第3臺虛機操作，進而動態(tài)增加虛擬機數(shù)量，滿足大流量系統(tǒng)正常工作。動態(tài)增加虛擬機數(shù)量支持大流量系統(tǒng)的相關(guān)流程參見圖3。

圖3 虛擬機資源動態(tài)調(diào)配流程

3.4 虛擬機與物理機漂移

當(dāng)虛擬服務(wù)器的性能無法滿足當(dāng)前應(yīng)用的快速擴張時，可有計劃地將虛擬服務(wù)器漂移到計算能力更強的物理服務(wù)器上去執(zhí)行，以保證業(yè)務(wù)的正常進行。利用Dell的AIM管理軟件，按AIM執(zhí)行計劃能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬服務(wù)器對物理服務(wù)器之間的互相漂移，相關(guān)流程參見圖4。

圖4 虛擬機與物理機之間的動態(tài)漂移流程

4 系統(tǒng)運行模式

4.1 一般性模式

總結(jié)實際工作需要，在分析各類業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的性質(zhì)和資源配置需求的基礎(chǔ)上，就不同的系統(tǒng)追求目標(biāo)，結(jié)合已創(chuàng)建的基本運行模板，具體定義和設(shè)計以下幾個更為實用的一般性運行模式。

1）最小化模式。以業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)集中部署為目標(biāo)，多開虛機服務(wù)器，盡可能減少服務(wù)器使用數(shù)量，此時投用的物理機最少，能耗最低，資源利用率最高，保守設(shè)置不低于80%（內(nèi)存足夠大的情況下）。

2）高效模式。為業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)配置足夠的資源量，以利其快速、高效地完成任務(wù)。為保證業(yè)務(wù)應(yīng)用順暢、毫無障礙的執(zhí)行，資源量一般按完成任務(wù)所需的最大峰值配置，以減少虛擬機資源調(diào)配和遷移，該模式下平均資源利用率不超過40%（在內(nèi)存足夠大的情況下）。

3）節(jié)能模式［6］。在服務(wù)響應(yīng)可以接受的前提下，以節(jié)約能耗為目的，二者兼顧，不斷加大任務(wù)負載、提高資源利用率并降低服務(wù)響應(yīng)直到用戶基本還可以承受，以此作為該模式的資源配置目標(biāo)。通常情況下，節(jié)能模式可能為最小化模式。

4）斷電保護模式。確定停電后關(guān)掉大部分應(yīng)用，以保護不宜關(guān)停的核心業(yè)務(wù)能夠堅持更長時間的運行。

4.2 智能化模式

基于一般性模式可推演智能化模式。按時間坐標(biāo)記錄各業(yè)務(wù)應(yīng)用的資源時序占用值，包括每個應(yīng)用的CPU利用率、內(nèi)存消耗、存儲大小等，以此按制定優(yōu)化的資源時序調(diào)配計劃，并能夠自修正、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)，使各應(yīng)用系統(tǒng)始終處于所希望的資源環(huán)境下運行。

智能化運行模式雖然只是多一維時間因素，但與一般性模式有很大不同。結(jié)合時間坐標(biāo)將最小化、高效和節(jié)能模式組合起來，通過運行環(huán)境預(yù)設(shè)、錯峰運行，合理運用有限的資源在合適的時間安排合適的事，進一步提高系統(tǒng)的運行質(zhì)量和效果，即所謂最佳運行模式，實現(xiàn)系統(tǒng)運行的精準(zhǔn)控制。

1）最小化模式運行：安排在系統(tǒng)大修期、設(shè)備更換期，或在夜間、節(jié)假、公休日。2）高效模式運行：安排在業(yè)務(wù)處理高峰時段，如剛上班時，或在月末結(jié)算時，等。3）節(jié)能模式運行：多安排在業(yè)務(wù)處理量平穩(wěn)時段。4）最佳模式運行：將上述模式合理組合起來，將生成一系列適合正常工作日、節(jié)假公休日、月末結(jié)算日的系統(tǒng)運行模式，以閉環(huán)、自適應(yīng)的方式控制云平臺系統(tǒng)運行，在保證完成規(guī)定任務(wù)的同時，用較低資源消費獲得最佳效果，進而減少IT系統(tǒng)的運營成本和再建投資。

5 結(jié)語

本項目一期云計算系統(tǒng)由12臺Dell刀片服務(wù)器、一臺高性能存儲和若干網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等硬件組成，部署微軟System Center 2012和Dell的AIM等軟件，構(gòu)建了整體云應(yīng)用的云計算平臺和云數(shù)據(jù)庫資源，已遷入并正常運行的有OA、人力資源、固定資產(chǎn)、檔案管理、全面預(yù)算、全面風(fēng)險、外事管理以及內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)站等十幾套業(yè)務(wù)系統(tǒng)，業(yè)已通過有省關(guān)部門組織的技術(shù)鑒定。基于該應(yīng)用實例，利用微軟3個公共組件SCOM+ORCH+SCVMM，創(chuàng)建了基本運行模板和一般性運行模式，通過驗證性運行，結(jié)果分析表明，系統(tǒng)運行的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)明顯改善，需要投入的計算資源大幅減少，能耗大約是傳統(tǒng)單機方式的1/7，與云平臺初始模式相比可節(jié)能19%～23.7%，后者主要來自夜間或非工作日的最小化模式運行，擴大內(nèi)存優(yōu)化配置后運行效果會更為明顯。

［1］谷立靜，周伏秋，孟輝.我國數(shù)據(jù)中心能耗技能效水平研究［J］.中國能源，2010（11）：42-45.

［2］過敏意.綠色計算內(nèi)涵及趨勢［J］.計算機工程，2010，36（10）：1-7.

［3］陳廷偉，周山杰，秦明達.面向云計算的任務(wù)分類方法［J］.計算機應(yīng)用，2012，32（10）：2 719-2 723.

［4］張桂林.主流刀片PK能耗［EB/OL］.（2010-09-19）［2014-05-26］.http://server.zol.com.cn/196/1967447.html.

［5］雷成軍，羅亮，吳文峻.基于云計算的集群能耗監(jiān)控與節(jié)能方法［J］.計算機應(yīng)用與軟件，2011，28（11）:242-244.

［6］徐驍勇，潘郁，凌晨.云計算環(huán)境下資源的節(jié)能調(diào)度［J］.計算機應(yīng)用，2012，32（7）：1 913-1 915.

Design and Research of Operating SystemModel Based on Cloud Computing

WANG Tieyi

（The Information Technology Center of Shandong Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

Based on overall cloud computing framework,around comprehensive cloud application of enterprise OA system,human resource,fixed assets,file management,overall budgeting,foreign affairs management system etc.,and in order to get more economic and efficient operating result,define and build an automatic operating model for allocation of resources to support green energy, effective operating,and avoid artificial risk,the operation model of cloud computing system was researched and designed and the possibility of raising automatic cloud to intelligent cloud was explored further.

cloud computing;cloud application;allocation of resources;automatic operating model

TP393.09

B

1004-4620（2014）03-0054-03

2014-02-11

王鐵毅，男，1961年生，1984年畢業(yè)于鞍山鋼鐵學(xué)院計算機科學(xué)專業(yè)?，F(xiàn)為山東鋼鐵集團信息化中心副總經(jīng)理，高級工程師，從事大型企業(yè)集團數(shù)據(jù)中心及IT基礎(chǔ)架構(gòu)的研究應(yīng)用工作。