虛擬機(jī)技術(shù)在上海磁浮線的應(yīng)用

馬千里

摘 要：該文主要介紹了虛擬機(jī)技術(shù)，闡述了準(zhǔn)虛擬化技術(shù)和泛虛擬化技術(shù)的工作原理，并針對這兩項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了對比。在此理論基礎(chǔ)上，著重描述了虛擬化技術(shù)在上海磁浮線上的應(yīng)用。與一般情況下使用虛擬機(jī)技術(shù)以達(dá)到節(jié)約成本的目的不同，上海磁浮線虛擬機(jī)技術(shù)應(yīng)用完全是為了解決實(shí)際中遇到的硬件和軟件兼容性問題。該文以上海磁浮線升級改造項(xiàng)目作為一個實(shí)際案例，為虛擬機(jī)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用拓寬思路，也為遇到類似問題的企業(yè)提供一個解決途徑。

關(guān)鍵詞：虛擬機(jī)技術(shù) 準(zhǔn)虛擬化技術(shù) 完全虛擬化技術(shù) 上海磁浮線

中圖分類號：U237 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（b）-0014-02

1 虛擬機(jī)技術(shù)簡介

傳統(tǒng)方式下運(yùn)行一臺計(jì)算機(jī)需要一個操作系統(tǒng)，而無論選擇windows還是linux操作系統(tǒng)，都無法實(shí)現(xiàn)直接在windows操作系統(tǒng)上直接運(yùn)行l(wèi)inux操作系統(tǒng)，反之亦然。一般情況，安裝了雙系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，只能通過重啟計(jì)算機(jī)硬件來切換操作系統(tǒng)。然而，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，越來越多的企業(yè)服務(wù)器或者個人電腦都需要跨平臺（即多操作系統(tǒng)）使用計(jì)算機(jī)。用戶的需求促進(jìn)了虛擬機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展。

虛擬機(jī)技術(shù)的主要原理是在現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)硬件平臺上，通過安裝一個虛擬機(jī)監(jiān)控（Virtual Machine Monitor，VMM）軟件來實(shí)現(xiàn)虛擬一個新的操作系統(tǒng)。對于使用者來說，使用虛擬的操作系統(tǒng)就像在一臺獨(dú)立計(jì)算機(jī)硬件上運(yùn)行操作系統(tǒng)完全一樣，擁有獨(dú)立的CPU、內(nèi)存、硬盤等硬件。不過，這些硬件都是虛擬出來的，除了內(nèi)存必須劃出獨(dú)立的物理內(nèi)存供虛擬操作系統(tǒng)使用，其他硬件都是底層操作系統(tǒng)和虛擬操作系統(tǒng)共享的。

根據(jù)VMM軟件運(yùn)行方式的不同，可以將虛擬機(jī)技術(shù)分為兩大類。第一類稱之為準(zhǔn)虛擬化（Para-virtualization，PV），此類VMM軟件集成在主操作系統(tǒng)中，在運(yùn)行VMM軟件時，客戶操作系統(tǒng)就可以直接訪問計(jì)算機(jī)硬件，從而提高客戶操作系統(tǒng)的訪問和處理速度以及穩(wěn)定性；第二類稱之為完全虛擬化（Full-virtualization，F(xiàn)V），該類VMM軟件等同于主操作系統(tǒng)的一個應(yīng)用程序，在運(yùn)行VMM軟件時，客戶操作系統(tǒng)需要通過VMM軟件這個媒介間接訪問計(jì)算機(jī)硬件。相比之下，準(zhǔn)虛擬化由于VMM軟件直接訪問硬件設(shè)備，所以相對完全虛擬化具有更好的性能和穩(wěn)定性。兩種類型虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)圖示意圖如圖1所示。

虛擬機(jī)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)也得到了廣泛的共識，并應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。虛擬機(jī)技術(shù)最廣泛的被網(wǎng)站運(yùn)營商和游戲運(yùn)營商所使用，由于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商是根據(jù)服務(wù)器機(jī)柜數(shù)量收取租賃費(fèi)用，所以為了節(jié)約成本，網(wǎng)站運(yùn)營商和游戲運(yùn)營商使用虛擬機(jī)技術(shù)，利用有限的硬件服務(wù)器虛擬出幾十甚至上百臺服務(wù)器來，從而大大地節(jié)約了運(yùn)營成本。此外，一些軟件開發(fā)人員利用虛擬機(jī)對開發(fā)軟件進(jìn)行兼容性測試。在我國，由于高校招生規(guī)模擴(kuò)張，學(xué)校的硬件資源緊缺，虛擬機(jī)技術(shù)也被廣泛地應(yīng)用在學(xué)校的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

2 上海磁浮線的虛擬機(jī)技術(shù)應(yīng)用

上海磁浮線在2014年對列車牽引供電監(jiān)控和診斷系統(tǒng)進(jìn)行了改造升級，此次升級主要是將虛擬機(jī)技術(shù)應(yīng)用于牽引供電監(jiān)控系統(tǒng)的10臺服務(wù)器和17臺客戶端計(jì)算機(jī)。上海磁浮線采用了VMware公司的虛擬機(jī)軟件。

2.1 上海磁浮線牽引供電監(jiān)控和診斷系統(tǒng)簡介

上海磁浮線牽引監(jiān)控系統(tǒng)采用西門子SIMATIC WinCC軟件。其中，牽引WinCC系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)磁浮線高功率變頻器（12臺）、中功率變頻器（2臺）和低功率變頻器（2臺）的運(yùn)行監(jiān)控工作；供電WinCC系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)整個110kV供電網(wǎng)絡(luò)以及母排以上350kV市政供電開關(guān)的運(yùn)行監(jiān)控工作。

上海磁浮線列車牽引供電的監(jiān)控和診斷設(shè)備如表1。

2.2 改造背景

上海磁浮快速列車項(xiàng)目牽引供電監(jiān)控和診斷系統(tǒng)的所有計(jì)算機(jī)硬件需替換，原因在于線上使用的監(jiān)控和診斷計(jì)算機(jī)硬件正處于老化階段，故障率上升，而庫存?zhèn)浼饾u用盡，該類硬件在市面上面臨停產(chǎn)威脅。

改造面臨著一大難題。一方面，由于上海磁浮線建設(shè)于2000年，當(dāng)時的操作系統(tǒng)為windows2000，新采購的替換硬件如果安裝windows2000則會因?yàn)槿鄙衮?qū)動以及原有牽引供電監(jiān)控系統(tǒng)軟件的非兼容性而不可使用，所以需要采用新的操作系統(tǒng)。另一方面，原有軟件又不能運(yùn)行在新的操作系統(tǒng)例如windows7，特別是X64版本。且經(jīng)過第三方評估，這些軟件已明確不能在新版本的操作系統(tǒng)上得到許可使用。替換新硬件因?yàn)榧嫒菪詥栴}所以必須升級操作系統(tǒng)，而升級了操作系統(tǒng)原有軟件又無法運(yùn)行，這個矛盾的問題十分棘手。

為此改造必須找到一個解決方案，解決上述問題。另外，從長遠(yuǎn)方面考慮，由于硬件和操作系統(tǒng)發(fā)展日新月異，未來還將面臨硬件更新以及操作系統(tǒng)版本陳舊的問題，還需要進(jìn)一步確保在將來更新升級硬件和操作系統(tǒng)的可行性。

為了解決上述一系列問題，最終形成了應(yīng)用虛擬機(jī)技術(shù)的改造方案。將牽引供電監(jiān)控系統(tǒng)升級成新軟件版本（診斷系統(tǒng)軟件仍采用舊版本），并在虛擬計(jì)算機(jī)環(huán)境中運(yùn)行而不依賴于將來硬件的變化，這樣，在未來系統(tǒng)可以很容易地升級硬件版本。并且，那些沒有升級新版本的系統(tǒng)軟件或在新操作系統(tǒng)下無許可的其它系統(tǒng)軟件，也可以在虛擬計(jì)算機(jī)環(huán)境中舊的操作系統(tǒng)下運(yùn)行使用。

2.3 虛擬化方案

上海磁浮線牽引供電監(jiān)控和診斷系統(tǒng)升級項(xiàng)目中，10臺牽引供電監(jiān)控服務(wù)器全部采用準(zhǔn)虛擬化（PV）結(jié)構(gòu)，軟件選取VMware ESXI V5.0；其余17臺牽引供電監(jiān)控客戶端、牽引供電中央和分區(qū)診斷計(jì)算機(jī)、OTN診斷計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)均采用完全虛擬化（FV）結(jié)構(gòu)，軟件選取VMware Workstation V9.0，如表2。

2.3.1 牽引和供電監(jiān)控服務(wù)器虛擬化

在此次牽引和供電服務(wù)器升級改造項(xiàng)目中，WinCC服務(wù)器從WinCC5.1 SP1升級到WinCC7.0 SP3版本，相應(yīng)地，虛擬機(jī)的客戶操作系統(tǒng)為Microsoft Windows Server 2008 R2（64位版本）。endprint

利用VMware的程序管理ESXI5.0完成虛擬化，此方案具有高可靠性低功耗特點(diǎn)。虛擬機(jī)在ESXI上運(yùn)行，并通過Direct I/O技術(shù)，直接連接到必要的Profibus CP5613 A2硬件上。串口和LAN口作為虛擬硬件設(shè)置在虛擬機(jī)內(nèi)。虛擬機(jī)的操作系統(tǒng)和軟件配置與未虛擬化的WinCC服務(wù)器相同。

可直接操作的WinCC服務(wù)器不配置顯示器，虛擬服務(wù)器通過VNC進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。通過VMware vSphere 客戶端實(shí)現(xiàn)ESXI Hypervisor遠(yuǎn)程管理。在開啟關(guān)斷或者配置操作虛擬機(jī)時，如果須與客戶操作系統(tǒng)或者ESXI軟件交互操作，則使用VMware vSphere客戶端。此客戶程序安裝在網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)（NET-CC-1， NET-CC-2）。如果需與服務(wù)器計(jì)算機(jī)發(fā)生任何直接交互操作，都通過網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)完成。

2.3.2 牽引和供電監(jiān)控多客戶端虛擬化

在此次牽引和供電多客戶端升級改造項(xiàng)目中，WinCC客戶端同WinCC服務(wù)器相同，也是升級到WinCCV7.0SP3版本，WinCC多客戶端使用Windows7SP1（X64）作為客戶操作系統(tǒng)。

在兩臺監(jiān)控器上直接操作WinCC，采用VMware Workstation 9.0作為虛擬軟件完成虛擬化改造。主操作系統(tǒng)是windows 7 SP1 （X64）。windows7系統(tǒng)環(huán)境下，通過以太網(wǎng)，利用NTP-client完成時間同步。

2.3.3牽引和供電中央/分區(qū)診斷計(jì)算機(jī)虛擬化

所有診斷計(jì)算機(jī)升級改造方式和監(jiān)控客戶端升級改造方式相同，采用完全虛擬化（FV）結(jié)構(gòu)。由于診斷軟件無需更新，所以所有新計(jì)算機(jī)將在原有的操作系統(tǒng)，原診斷軟件及原有內(nèi)在配置下安裝虛擬機(jī)。主操作系統(tǒng)為windows 7 X64，安裝VMware Workstation 9.0運(yùn)行虛擬機(jī)。

2.3.4OTN診斷計(jì)算機(jī)虛擬化

為確保安裝在上海的OTN診斷軟件與OTN部件的兼容性，此次升級改造項(xiàng)目中，所有OTN軟件版本未作改變。為此，新的計(jì)算機(jī)將在原有操作系統(tǒng)下，且保留原有OTN診斷軟件及內(nèi)在配置，安裝虛擬機(jī)。主操作系統(tǒng)為windows 7 x64，安裝VMware Workstation 9.0運(yùn)行虛擬機(jī)。

2.3.5網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)虛擬化

為確保網(wǎng)絡(luò)配置軟件與安裝在上海的網(wǎng)絡(luò)部件的兼容性，此次升級改造項(xiàng)目中，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)在原有操作系統(tǒng)下，且保留原有軟件及內(nèi)在配置，安裝虛擬機(jī)。主操作系統(tǒng)為windows 7 x64，安裝VMware Workstation 9.0運(yùn)行虛擬機(jī)。

為管理VMware ESXI服務(wù)器安裝在牽引供電監(jiān)控WinCC服務(wù)器上的虛擬機(jī)，安裝VMware vSphere Client在網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)上。這樣，WinCC服務(wù)器的應(yīng)用進(jìn)程可通過網(wǎng)絡(luò)在兩臺網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)上查看，或者也可以在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他計(jì)算機(jī)上使用Win VNC查看。

3 結(jié)語

與一般情況下使用虛擬機(jī)技術(shù)以達(dá)到節(jié)約成本的目的不同，上海磁浮線牽引供電監(jiān)控和診斷系統(tǒng)升級改造項(xiàng)目使用了虛擬機(jī)技術(shù)，完全是從自身實(shí)際情況出發(fā)，解決了目前軟硬件兼容以及未來再次升級的兼容性問題。該文以上海磁浮線升級改造項(xiàng)目作為一個實(shí)際案例，為虛擬機(jī)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用拓寬思路，也為有類似問題的企業(yè)提供一個解決途徑。

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