油田企業數據中心虛擬化技術綜述

魯立　李功權

摘 要： 介紹了油田企業數據中心的運行現狀，闡述了虛擬化的一般概念，分析了數據中心虛擬化技術的優勢并指出其不足。針對油田企業數據中心存在的一些問題，提出應用虛擬化技術，把物理的數據中心打造成虛擬的數據中心是緩解這些問題的一個可行方案，并給出其應用思路。簡要論述了數據中心虛擬化技術的發展趨勢和前景。

關鍵詞： 油田； 數據中心； 虛擬化； 虛擬數據中心

中圖分類號：TP311 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）03-18-03

Abstract： This paper describes the operation status of oil enterprise datacenter nowadays， expounds the general concepts of virtualization， analyses the advantages and shortcomings for the datacenter in which the virtualization technology are used. The paper propounds that application of virtualization technology in oilfield enterprise datacenter， turning the physical datacenter into the virtual datacenter is a feasible scheme to alleviate the problems in oilfield datacenter and gives application ideas. Finally， the data center virtualization technology trends and prospects are briefly discussed.

Key words： oil field； data center； virtualization； virtual datacenter

0 引言

隨著計算機和信息技術的迅速發展和普及，數字化和信息化浪潮席卷全球。美國是全球信息技術產業發展最早、信息化程度最高的國家，自上世紀90年代以來，相繼提出了“數字地球”以及“智慧地球”等戰略目標[1-2]。在石油行業，為了適應信息化發展潮流，大慶油田于1999年率先提出了“數字油田”的概念及建設目標[3]。油田數據中心囊括了油田企業圍繞數據開展的主營業務。

油田數據中心是一個以油田勘探、開發、生產、經營等數據管理、數據處理、數據服務為核心業務的專業數據管理機構[4]，它可以較好地保護和充分地利用在油田勘探開發及生產經營過程中獲得的大量數據資料。然而資料表明，油田現有信息化基礎設施（數據中心）并不能很好地滿足未來業務快速發展的需求，特別體現在資源利用率不高；軟硬件部署模式不能滿足油田勘探開發研究的需求，急需將軟硬件資源進行整合；不能對業務系統的需求做出快速響應；基礎設施建設分散、種類/數量繁多造成運維管理壓力大等等方面[5]。油田企業迫切需要引入新技術，提升已有數據中心運營效率，優化資源整合，同時讓在建的數據中心建設過程中避免資源過度部署。而虛擬化技術正是這樣一種技術，它可以幫助油田企業數據中心節約資源，提升數據中心運營效率并降低運營成本，為企業可持續發展做出貢獻。

1 虛擬化的概念

在計算機技術中，虛擬化（Virtualization）是一種采用軟硬件分區、聚合、部分或完全模擬、分時復用等方法來管理計算資源、構造一個或多個計算環境的技術[6]。具體地，虛擬化是將計算機物理資源如服務器、網絡、內存及外部存儲等予以抽象、轉換后呈現出來，使用戶可以用從原始配置中獲益的方式來訪問這些資源。換句話說，它為數據、計算能力、存儲資源以及其他資源提供了一個邏輯視圖，而這種資源的邏輯視圖并不受實現、地理位置或底層資源的物理配置的限制。我們可以通過軟件或固件管理程序構成虛擬化層并對其進行管理，把物理資源映射為虛擬資源。這些虛擬資源在使用上和物理資源的特性相差很少或沒有差別[7]。采用虛擬化技術后，計算元件會在虛擬的基礎上而不是真實的基礎上運行，于是可以把有限的、分散的硬件資源進行整合，并根據不同需求重新進行規劃，從而最大化地提升資源利用率。

虛擬化技術最早可追溯到20世紀70年代，當時是為了使多個用戶共享昂貴的計算機（主要是大型機）硬件資源而產生的[8-9]。隨著硬件資源成本的降低以及PC機（主要是x86計算機）的興起，虛擬化技術曾沉寂了一段時間。然而，當今x86計算機的體系結構使其在同一時間只能運行一個操作系統和應用。這樣一來，由于企業業務復雜性，即使是小型數據中心也必須部署大量服務器，而每臺服務器的利用率只有5%到15%[10]，這是十分低效的。鑒于這種情況，企業IT部門不得不將其70%的預算用于維護，只留下很少的資源用于業務發展創新，這在很大程度上阻礙了企業的發展。為了應對這個IT部門面臨的最緊迫難題，虛擬化技術重新被人們所青睞。虛擬化軟件可使多個操作系統和應用在一臺物理服務器（即“主機”）上運行，從而解決這一問題。每個獨立的“虛擬機”都與其他虛擬機隔離，并可根據自身需要量使用主機計算資源。

虛擬化技術按其應用類型來分，可以分為服務器虛擬化、存儲虛擬化、網絡虛擬化以及桌面虛擬化等等，其中服務器虛擬化、存儲虛擬化、網絡虛擬化技術均適用于數據中心的虛擬化，而桌面虛擬化適用于終端設備（包括PC機及各種移動設備）的虛擬化。數據中心虛擬化的終極目標就是綜合運用服務器虛擬化、存儲虛擬化、網絡虛擬化技術，將低效、高維護成本的物理數據中心打造成為高效、健壯、自動化的虛擬數據中心。

2 數據中心虛擬化技術的優勢和不足

2.1 數據中心虛擬化技術的優勢

數據中心虛擬化技術可以為企業帶來良好的效益，其優勢具體表現為以下幾個方面[11-14]。

⑴ 提升硬件資源利用率，節省總體擁有成本（TCO，Total Cost of Ownership）：將多個操作系統和應用整合到一個物理服務器，使得各應用相互隔離，提高了服務器利用率，減少了服務器數量，避免了過度部署，從而降低了硬件購置成本和運行維護成本。資料顯示，每個服務器的平均利用率從原先的5%到15%提高至80%，而硬件和運營成本可削減50%之多，能源成本可削減80%之多，每項虛擬化的服務器工作負載每年可節省3000多美元。

⑵ 縮短維護時間，提升運營效率：可以為虛擬機創建模板，在增加新的應用時，只需通過模板生成一臺虛擬機，再安裝應用系統即可，加快了新服務器和應用的部署，大大縮短了服務器重建和應用的加載時間。再加上虛擬化帶來的硬件獨立性，可以將部署新IT服務所需的時間減少50%到70%。虛擬機模板還使公司的防病毒和管理類軟件標準實施起來更加輕松。

⑶ 增強數據中心可靠性和容錯性：通過把服務器虛擬化和存儲虛擬化相結合，可以把虛擬機檔案文件以及相關配置文件存儲到虛擬化的分布式RAID或SAN集群中，以此確保在發生磁盤、主機或網絡故障時絕不丟失數據。同時，在為每個虛擬機設置存儲策略時，通過指定虛擬機能夠容忍虛擬SAN集群中多少個主機、網絡或磁盤發生故障，可以最大限度地提高恢復能力。

⑷ 使企業IT資源變得更易于管理：通過服務器整合、存儲整合及網絡劃分與整合，將原有的分散的硬件資源集中起來，一方面可以針對不同業務采取相應的管理模式，另一方面對處于不同地理位置的各級單位可以采取集中式的統一管理，大大降低了企業IT資源的管理復雜度。

⑸ 舊硬件和操作系統的投資保護：采用虛擬化技術后，因為服務器、存儲、網絡整合而降低硬件要求，使得舊的硬件和系統資源得以充分利用，從而不再擔心舊硬件系統兼容性、維護和升級等一系列問題，原有的基礎設施投資將會得到保護。

2.2 數據中心虛擬化技術的不足

盡管采用數據中心虛擬化技術擁有著巨大的優勢，但目前仍然存在一些問題與不足，這是油田企業在引進虛擬化技術時需要考慮到的。

⑴ 虛擬機性能問題：盡管虛擬機設備的使用感受和真實物理設備相差無幾，但是當用戶數量達到一定程度時，整合在一臺服務器上的虛擬機必然會產生性能問題。原先用戶各自使用自己的物理硬件和應用，但實現虛擬化后，一些用戶共用一臺物理服務器上的虛擬機資源（當然，用戶并不知道他們其實使用的是同一物理資源這一點，因為對用戶而言，每臺虛擬機就是他專有的虛擬設備），這就對虛擬機的性能提出了嚴峻的挑戰。測試表明，當負載增加到一定程度時，虛擬機的性能會大幅下滑，從而造成不良的用戶體驗。

⑵ 應用兼容性問題：當前的虛擬化技術已經能完全模擬市面上主流的硬件和操作系統，但對于某些特定的行業應用可能會存在一定的兼容性問題。從目前掌握的資料來看，虛擬化技術對于部分大型三維圖形程序的3D加速以及通用計算支持程度不高，這是因為當今GPU（Graphic Processing Unit，圖形處理單元）虛擬化的技術尚未完全成熟。

⑶ 安全性問題：安全性始終是企業考慮的一個重要方面。企業內部的機密數據首先是不能泄露給外部人員的，其次是內部員工也不能越權使用。還要防止數據被病毒和惡意軟件破壞，保證數據不能因機器故障而造成破壞。虛擬化后資源集中到一臺服務器上，當物理服務器出現重大硬件故障時會成為嚴重的風險集中問題。同時，虛擬化后不同密級信息混合存儲在同一個物理介質上，將造成越權訪問等問題。另外，由于虛擬化技術改變了網絡結構，可能使某臺虛擬機上的安全問題造成擴散，引發新的安全風險。最為嚴重的是，一旦有不法分子控制了虛擬機管理層并植入惡意程序，位于其上層的系統及其他應用很難檢測到威脅，這將會引發極其嚴重的后果[15]。

⑷ 穩定性問題：目前，成熟的虛擬化解決方案（諸如VMware vSphere）在正常負載條件下已經可以達到很高的穩定性；而對于一些開源的虛擬化方案（如Xen）則在負載壓力較大時，可能出現虛擬機宕機等不穩定的情況[16]。

3 數據中心虛擬化技術在油田企業的應用思路

根據前文對虛擬化的介紹可知，虛擬化技術可以把硬件資源抽象出來，在單一的硬件上運行多個“虛擬機”，從而提升硬件資源的利用率。盡管存在一些不足，但大部分場景下虛擬化技術的表現還是讓人很滿意的，特別是在已部署了大量硬件資源的環境下，其優勢非常明顯。因此，對于存放有大量硬件資源的數據中心來說，應用虛擬化技術成為了企業IT部門的首選解決方案。對于油田企業而言也不例外。

具體來說，可以將數據中心虛擬化的目標分為服務器整合、存儲整合、網絡劃分與整合這幾個方面，分別對應于服務器虛擬化、存儲虛擬化、網絡虛擬化。下面分別介紹其特點，并且對其在油田企業關鍵數據業務上的應用思路作簡要論述。

服務器虛擬化可以在一臺物理機器上運行多個虛擬服務器（即運行多個操作系統，每個操作系統又可以運行多道應用程序），并且所有的應用程序都可以在相互獨立的空間內運行而互不影響。僅僅虛擬化一兩臺服務器是不夠的，下一步我們可以將服務器集群匯總到一個整合資源中，從而避免過度部署。例如，對于油田企業，可以把原先分散部署在研究院、采油廠和各個服務公司的勘探開發應用（地震處理和解釋、數值模擬等專業軟件系統）和經營管理應用（ERP軟件、財務軟件、辦公系統軟件等）采用虛擬化的方式整合到一臺或幾臺高性能物理服務器上，從而改變以往業務軟件與硬件系統一對一的低效模式，減少硬件數量，在提升資源利用率的同時降低了管理復雜度。

存儲虛擬化能使一個環境中的物理存儲在多個應用服務器間共享，將所有存儲設備如本地物理磁盤、獨立冗余磁盤陣列（RAID，Redundant Arrays of Independent Disks）、存儲區域網絡（SAN，Storage Area Network and SAN Protocols）等綜合在一個虛擬的設備中（共享池）使用，從而隱藏了一個組織內部有多個獨立存儲設備的事實，提升存儲性能并且降低因購買SAN系統而帶來的成本和復雜性。我們可以把分散在各級單位、研究院的勘探數據（地震、測井及地質資料等）以及經營管理（人事、財務等）數據匯總到某個存儲共享池或虛擬化的SAN集群中，并針對不同類型、不同級別的數據進行獨立存取，保證數據的高可用性、高性能存取以及操作安全性。

網絡虛擬化是一個相對寬泛的概念。一方面我們可以把多種應用承載在一張物理網絡上，將物理網絡進行縱向分割虛擬化為多個邏輯網絡，從而使得不同業務相互隔離；另一方面可以將多個網絡節點進行橫向整合以承載上層應用，將其虛擬化成一臺邏輯設備，在提升數據中心網絡可用性、節點性能的同時將極大簡化網絡架構。從技術層面來看，諸如虛擬局域網（VLAN，Virtual Local Area Network）、虛擬專有網絡（VPN，Virtual Private Network）、重疊網、虛擬路由和轉發（VRF， VPN Routing & Forwarding Instance）、虛擬上下文設備（VDC，Virtual Device Context）等技術均可納入網絡虛擬化的范疇[17]，并且有學者還提出了支持上下文感知的網絡虛擬化技術[18]。我們可以簡單地將油田企業數據中心網絡劃分為多個邏輯上的虛擬局域網，來分別實現勘探開發業務、經營管理業務及生產控制業務的數據傳輸，同時也可把存放于數據中心的多臺路由器和交換機設備進行虛擬化，而不需要進行物理上的網絡改造[19]，方便各級單位共享數據傳輸。

4 數據中心虛擬化技術的發展趨勢和前景展望

虛擬化技術代表著這樣一個大趨勢，就是把物理資源轉變為邏輯上可以管理的資源，打破物理結構之間的壁壘。虛擬化技術是企業IT基礎設施建設和管理上的一個重大進步，它降低了企業總成本，為企業IT用戶提供了更好的服務水平，顯著提高了IT資源靈活性且極大地降低了IT基礎設施的復雜性。

虛擬化技術正日益受到IT業界的重視，尤其是全球虛擬化技術領導廠商VMware公司提供的虛擬化解決方案已經成為500000多家客戶的共同選擇。微軟、甲骨文、思杰、紅帽等著名軟件公司都紛紛推出了自己的虛擬化方案，Intel以及AMD等半導體公司也在其提供的處理器芯片中加入了硬件輔助虛擬化技術，來幫助虛擬機實現更好的性能。值得注意的是，全球最具權威的信息技術研究分析及咨詢機構Gartner公司公布的未來IT“十大戰略性技術”中，虛擬化名列其中[20]。

展望未來，企業數據中心虛擬化是將底層的硬件，包括服務器、存儲與網絡設備全面虛擬化，甚至上層應用也能夠虛擬化，從而建立起一個共享的、業務可伸縮的運行環境。所有的資源都透明地運行在各種各樣的物理平臺上，資源的管理都將按邏輯方式進行，實現資源的自動化分配。這樣，用戶無需擔心其使用的資源被搶占或產生安全性問題，只需專注于業務即可；而當業務擴展時虛擬機的實時在線遷移技術能讓用戶無縫轉移到新的應用上來，大大提高業務效率。

5 結束語

油田企業數據中心為了存儲大量的專業數據及業務數據，設有強大的硬件設備。一方面，這些硬件設備具備充分的條件來實施虛擬化；另一方面，隨著數據量的不斷增長及業務復雜性不斷增加，傳統手段是增加硬件設備，提升硬件處理能力，而虛擬化的方法則不需要這樣做。通過實現數據中心虛擬化，建成油田企業虛擬數據中心后，可為勘探開發核心技術創新提供更高性能的計算環境，對保障油田原油的持續穩產以及提高油田企業運營管理效率起到重要作用，獲得更加顯著的效益。

參考文獻：

[1] IBM.智慧地球贏在中國[EB/OL]. http：//www-900.ibm.com/

innovation/cn/think/downloads/smart_China.pdf，2009.

[2] 李德仁，龔健雅，邵振峰.從數字地球到智慧地球[J].武漢大學學報，

2010.35（2）：127-130

[3] 王權.油田信息化的新階段——數字油田時代[J].數字化工，2004.9：

1-3

[4] 李清輝，曾穎.油田數據中心建設及發展方向探討[J].數字化工，

2005.1-2合期：48-50

[5] 許代紅，王琦.大慶油田云數據中心建設思路[J].通信技術與管理，

2013.6（3）：19-23

[6] 金海，廖小飛.面向計算系統的虛擬化技術[J].中國基礎科學，2008.6：

12-18

[7] Smith J E， Nair R. Virtual Machines： Versatile Platforms for

Systems and Processes[M]. San Francisco： Morgan Kaufmann，2005.

[8] Goldberg RP. Survey of virtual machine research[J]. IEEE Computer

Magazine，1974.7（6）：34-45

[9] Creasy RJ. The origin of the VM/370 time-sharing system [J].

IBM Journal of Research and Development，1981.25（5）：483-490

[10] VMware Inc. Server Consolidation [EB/OL].http：//www.vmware.

com/consolidation/overview，2014.

[11] 張敏，陳云海.虛擬化技術在新一代云計算數據中心的應用研究[J].

廣東通信技術，2009.5：35-39

[12] 譚文輝.利用VMware實現數據中心服務器虛擬化[J].艦船電子工

程，2008.28（6）：156-159

[13] 李聰.服務器、網絡、存儲虛擬化技術在數據中心的應用研究[D].天

津大學計算機科學與技術學院，2009.

[14] VMware Inc. vSphere 5.5 Data Sheet [EB/OL]. http：//www.

vmware.com/files/pdf/products/vsphere/VMware-vSphere-

Datasheet.pdf，2014.

[15] 李洪敏，李宇明，葛楊.虛擬化數據中心的安全設計[J].兵工自動化，

2012.31（8）：49-51

[16] 支連意.云計算：Xen虛擬機與VMware ESX虛擬機性能及穩定性

對比研究[J].軟件導刊，2012.11（3）：46-48

[17] Josyula V， Orr M， Page G. Cloud Computing： Automating the

Virtualized Data Center[M]. Indianapolis：Cisco Press，2011.

[18] 韓言妮，覃毅芳，慈松.未來網絡虛擬化關鍵技術研究[J].中興通訊技

術，2011.17（2）：15-19

[19] 馬建國，方三輝.大港油田數據中心網絡改造[J].數字石油和化工，

2008.9：32-35

[20] Gartner Inc. Magic Quadrant for x86 Server Virtualization

Infrastructure [EB/OL]. http：//www.gartner.com/technology/reprints.do？id=1-1GRGRRU&ct=130702&st=sb，2013.