虛擬化技術在黃河數據中心建設中的應用研究

湯 進 李自尊 馮 建

（黃河水利委員會信息中心 數據中心，河南 鄭州 450000）

黃河數據中心是全國水利行業首家投入應用的數據中心。目前，黃河數據中心部署有黃河水庫調度運行信息平臺、黃委辦公自動化系統、防洪工程維護管理系統等信息系統，配置有不同型號的服務器、光纖交換機、磁盤陣列等，存儲有防洪工程基礎數據庫、黃河下游灘區社會經濟數據庫等重要數據資源。其作為全河數據存儲與管理系統的核心組成部分，為治黃信息化提供了基礎設施保障［1］。

隨著治黃信息化的不斷深入，現有架構下的數據中心資源利用率低、信息共享困難、擴展性和業務靈活性差、運維成本高等局限性［2］也逐步顯現出來。虛擬化技術是解決上述黃河數據中心存在問題的有效方法。從技術角度講，就是利用虛擬化技術整合現有服務器、網絡設備、存儲等硬件資源，為用戶提供一個統一的計算平臺，并在該平臺上部署各業務系統，實現各項資源統一管理和自動調配［3］。

本文將從黃河云數據中心建設需求的角度，在現有數據中心的基礎上，研究虛擬化技術在黃河數據中心建設中的應用。首先討論現有數據中心存在的主要問題，分析將虛擬化技術應用在黃河數據中心的意義及先進性，接著對黃河云數據中心建設中使用的虛擬化技術進行研究，分析虛擬化平臺架構，提出黃河云數據中心虛擬化技術方案，并對預期成果進行分析。

1 研究意義及先進性

當前，虛擬化在商業和科研領域的應用價值得到眾多肯定，我國企業和研究機構都正在開展虛擬化相關研究。虛擬化的應用為未來海量數據處理提供了許多新的解決思路和方案，并已有學者在鐵路、交通和電信等行業開展了虛擬化在數據中心建設中的應用研究［4］。為滿足治黃信息化建設需求，黃委已建立了自己的數據中心，但是由于各項軟硬件資源分散部署，資源利用率低，運維管理復雜，應對未來信息化的高速發展將可能遇到瓶頸，如能將虛擬化應用于黃河數據中心的建設，則是一種有效的解決方案，也是構建“數字黃河”的重要技術支撐平臺。基于虛擬化建設黃河數據中心將成為黃河數據中心的發展趨勢。

整合黃河數據中心現有資源，將虛擬化技術應用于黃河數據中心的建設，提供高性能的計算和存儲能力，實現資源最優利用，將極大地提升黃河數據中心在治黃信息化建設中的基礎支撐作用［5］，為黃河云數據中心的建設打下基礎。

2 關鍵技術及應用研究

2.1 虛擬化技術概述

虛擬化（Virtualization）技術［6］是云計算系統的核心組成部分之一，是將各種計算及存儲資源充分整合和高效利用的關鍵技術。從基礎設施、平臺資源到應用資源，不同層次都可以應用虛擬化技術。將一個硬件設備虛擬化為同類型多個硬件設備或將多個同類型硬件設備虛擬化為一個虛擬設備采用的是硬件虛擬化技術。利用存儲虛擬化技術可以將多個存儲資源整合形成一個虛擬的存儲資源池，實現數據的集中存儲、統一管理和調度分配。利用網絡虛擬化技術可以將網絡節點按邏輯劃分，形成多個邏輯組。虛擬化技術的采用使應用層和物理層呈松耦合狀態，有利于資源的擴展和動態調度，為云計算資源動態管理提供了強有力的技術支撐。

2.2 虛擬化平臺架構

虛擬機是指使用系統虛擬化技術，運行在一個隔離環境中、具有完整硬件功能的邏輯計算機系統，包括客戶操作系統和其中的應用程序。黃河數據中心現有的存儲平臺、數據庫平臺，可為虛擬機的運行提供存儲及數據庫支持，由虛擬化平臺實現對多個虛擬機操作系統的監視和多個虛擬機對物理資源的共享。

虛擬化平臺利用虛擬化、集群管理、動態資源管理、負載均衡等技術實現對物理資源的虛擬化、控制和管理。虛擬化平臺［7］主要由三部分組成：最下層是提供基本虛擬化能力支持的虛擬化層，中間層提供各控制能力的執行能力，最上層對中間層進行策略管理、控制，提供對虛擬化平臺統一管理的能力。其邏輯結構如圖1所示：

圖1 虛擬化平臺功能結構

2.3 黃河云數據中心虛擬化技術方案

黃河數據中心的虛擬化方案由底層虛擬化和桌面虛擬化相結合的模式實現。底層虛擬化構建云資源池，桌面虛擬化為業務應用提供運行環境。通過采用高性能X86服務器，并配置專業的底層虛擬化軟件，可部署高效可靠且易于管理維護的虛擬化平臺架構。基于云資源池構建3個邏輯集群，第一個為日常運行，第二個為系統容災，第三個為本地應用備份、運維管理及容災演練等其他服務使用。作為未來系統多應用平臺的整體彈性部署基礎架構，這樣就使得未來業務系統的部署能夠根據實際業務量大小對運行該應用的虛擬機資源進行在線動態調整與增加，以提高未來快速部署應用系統的效率及實現基礎架構平臺的高效管理維護，同時提高服務器平臺的高可用性、降低應用業務系統的整體建設成本。黃河云數據中心虛擬化技術方案如圖2所示。

圖2 黃河云數據中心虛擬化技術方案

2.4 黃河虛擬數據中心的組成

基于底層虛擬化軟件構建的黃河虛擬數據中心，由計算池、存儲池［8-9］、IP網絡、虛擬化管理中心、管理客戶端等組成。

2.4.1 計算池

服務器虛擬化為虛擬服務器提供能夠支持其運行的硬件資源抽象，包括虛擬BIOS、虛擬處理器、虛擬內存、虛擬設備與I/O，并為虛擬機提供了良好的隔離性和安全性。

目前黃河數據中心部署有多品牌多型號的服務器幾十臺，其上分別部署有黃河防汛物資管理系統、防洪工程維護管理系統、數據交換與共享系統等，各系統占用單獨的服務器資源，造成了資源浪費，增加了運維管理難度，同時不利于資源信息的共享交換。基于服務器虛擬化技術，構建黃河計算資源池，可以有效地解決以上問題。

黃河計算資源池由兩部分組成，分別為應用計算資源池和小型機計算資源池。應用計算資源池用來按需構建虛擬機供應用系統及備份系統使用，小型機計算資源池用來搭建數據庫平臺，作為格式化數據存儲的基礎平臺使用。

2.4.2 存儲池

構建黃河存儲池的目的是實現數據的統一存儲，其實質是把物理上分散的眾多存儲資源整合為一個統一的邏輯視圖，用戶可以通過這個視圖中的統一邏輯接口來訪問被整合的存儲資源。現階段黃河數據中心存儲采用FC-SAN架構，D2D2T模式配置了專業備份管理軟件。

通過黃河云計算數據中心的建設，采用相關存儲虛擬化技術，整合現有存儲資源，按需采購存儲設備，構建黃河虛擬資源存儲池。黃河虛擬資源存儲池應具有集中存儲、分布式擴展、多協議存儲統一管理、虛擬本地硬盤等功能和特點。

2.4.3 IP網絡

每臺計算服務器都可以有多個物理網絡適配器，對應不同的物理IP地址。虛擬數據中心應配置高帶寬、可靠的網絡連接，且配置一個內部私有IP網段，供虛擬機使用。

2.4.4 虛擬化管理中心

虛擬化管理中心的作用是管理整個虛擬數據中心，為數據中心提供一個單一控制點。它提供基本的數據中心服務，如訪問控制、性能監控和配置功能，實現物理資源共享。虛擬化管理中心可根據應用服務需求，合理配置虛擬機共享資源，實現系統均衡及服務最優。

3 預期效果

整合數據中心現有各項軟硬件資源，將虛擬化技術應用于黃河數據中心的建設。基于虛擬化的概念設計數據中心整體結構，打破長期以來黃河數據中心分散式的IT基礎架構，解決基礎設施資源利用率低的問題，降低建設成本，提高系統部署效率，滿足基礎設施資源可擴展性的需求，增強黃河信息化建設的支撐能力，實現向按需提供基礎設施資源服務模式轉變的迫切需求；通過構建系統容災資源池、容災演練資源池，以及對高可用性集群、虛擬機管理等新技術的應用，可大大縮短災難恢復時間，降低系統級容災難度；計算資源、存儲資源池化，實現資源的統一管理，降低運維難度，減少運維成本。

4 結論

本文提出將虛擬化技術應用于黃河數據中心的建設，以虛擬資源池的方式分配各項軟硬件資源，打破現有數據中心煙囪式的IT基礎架構，提高資源利用率，實現資源整合及服務方式的靈活調度分配與配置優化，全面增強信息處理能力和綜合服務能力，為實現“數字黃河”工程規劃提出的“實現信息資源高度共享”目標奠定基礎。

［1］張永民.智慧城市云計算數據中心的規劃設計與建設［EB/OL］.http：//www.globrand.com/2013/574666.shtml.2013.

［2］王曉慶.基于云計算的南京財經大學數據中心建設研究［D］.南京：南京郵電大學，2013.

［3］互聯網革命——云計算發展及應用［EB/OL］.http：//web.heima.com/webview/analysis/41784.shtm.2010.

［4］梁焱.基于云計算的智慧黃山景區數據基礎設施規劃方案［J］.中國園林，2011（9）：26-29.

［5］于正水.基于云計算的鐵路信息系統數據中心的研究［J］.鐵路計算機應用，2011，20（1）：23-25.

［6］袁成文，朱怡安，陸偉.面向虛擬資源的云計算資源管理機制［J］.西北工業大學學報，2010，28（5）：1-4.

［7］李明棟，孟昱，胡捷.云計算關鍵技術及標準化［J］.信網技術，2010（9）：1-7.

［8］楊星.云計算環境下虛擬機部署機制研究［D］.鄭州：解放軍信息工程大學電子技術學院，2012.

［9］魏鑫.面向虛擬化云計算資源管理的研究與實現［D］.吉林：吉林大學，2013.