硬件虛擬化在IP播控系統(tǒng)中的應(yīng)用

雷 宇

（作者單位：南京廣播電視集團(tuán)）

1 研究背景

隨著IP播控技術(shù)的興起，傳統(tǒng)電視技術(shù)行業(yè)開(kāi)始越來(lái)越多地觸及在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域運(yùn)用多年的虛擬化技術(shù)。所謂虛擬化技術(shù)原先是用于計(jì)算機(jī)科學(xué)中在邏輯上劃分大型計(jì)算資源的一種方式，最為人們所熟知的就是基于操作系統(tǒng)下的虛擬機(jī)軟件，例如，在Windows10系統(tǒng)下運(yùn)行一個(gè)WindowsXP虛擬機(jī)來(lái)解決一些老舊軟件的兼容性問(wèn)題。目前，業(yè)內(nèi)對(duì)于虛擬化技術(shù)主流的分類有如下五種：硬件虛擬化、操作系統(tǒng)層虛擬化、桌面虛擬化、應(yīng)用程序虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化。每一種虛擬化方式在目前的IP播控中都有極為巨大的應(yīng)用空間，本文結(jié)合南京廣電集團(tuán)電視播出部的IP播控測(cè)試系統(tǒng)，談?wù)動(dòng)布摂M化技術(shù)在其中的應(yīng)用。

2 硬件虛擬化的概念

硬件虛擬化又稱為hypervisor（虛擬機(jī)器監(jiān)視器），是通過(guò)一種稱之為“虛擬機(jī)管理程序”的底層系統(tǒng)，在一套硬件設(shè)備上虛擬化出多個(gè)虛擬機(jī)實(shí)例的虛擬化技術(shù)。在目前虛擬化的技術(shù)中出現(xiàn)最早也應(yīng)用最為普遍，從結(jié)構(gòu)上來(lái)看硬件虛擬化可分為如下的兩種結(jié)構(gòu)。

2.1 Type-1基于裸金屬架構(gòu)的虛擬機(jī)

虛擬機(jī)管理程序直接在主機(jī)/服務(wù)器上運(yùn)行，通過(guò)管理程序分配計(jì)算機(jī)資源、安裝需要的操作系統(tǒng)。例如，微軟的Hyper-V，VMware的ESXi，Linux下的KVM等都屬于此類。優(yōu)點(diǎn)是由于不需要宿主操作系統(tǒng)，所以幾乎沒(méi)有額外的資源開(kāi)銷，可靠性和效率都很高。這也是各種企業(yè)級(jí)云服務(wù)商提供IaaS的服務(wù)器架構(gòu)，例如，AWS和阿里云都是使用深度二次開(kāi)發(fā)的KVM虛擬機(jī)作為云服務(wù)器的底層虛擬化技術(shù)。

2.2 Type-2基于宿主操作系統(tǒng)架構(gòu)的虛擬機(jī)

此類型需要在主機(jī)上已有的宿主操作系統(tǒng)上安裝虛擬機(jī)管理程序，然后再分配資源進(jìn)行虛擬機(jī)實(shí)例安裝。例如，VMware的 Workstation，Oracle的VirtualBox等就屬于此類。對(duì)比Type-1其缺點(diǎn)是由于存在宿主操作系統(tǒng)，穩(wěn)定性和資源開(kāi)銷都比不上Type-1，所以，此類型虛擬機(jī)常用于實(shí)驗(yàn)和調(diào)試。

3 相關(guān)技術(shù)及優(yōu)勢(shì)

3.1 硬件資源利用率提高

隨著單顆CPU集成的核心數(shù)量越來(lái)越多，性能越來(lái)越強(qiáng)，使得配置多核心處理器的服務(wù)器成本優(yōu)勢(shì)十分明顯。例如，一臺(tái)擁有兩顆16核32線程CPU的服務(wù)器，共有64個(gè)邏輯處理核心，滿載狀態(tài)下可以創(chuàng)建64臺(tái)同時(shí)運(yùn)行的虛擬機(jī)，其供電方案、設(shè)備占用面積、散熱等部署成本遠(yuǎn)小于64臺(tái)單核處理器主機(jī)。在內(nèi)存的利用上則更為靈活，單臺(tái)主機(jī)的內(nèi)存占用率往往是動(dòng)態(tài)的，容易造成資源閑置。而硬件虛擬化通過(guò)虛擬內(nèi)存、共享內(nèi)存等技術(shù)讓服務(wù)器上的物理內(nèi)存通過(guò)“資源池”的方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，使虛擬機(jī)分配的內(nèi)存總和可以大于服務(wù)器物理內(nèi)存，提高了內(nèi)存利用率。

3.2 簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)

采用了硬件虛擬化后單臺(tái)服務(wù)器的外圍設(shè)備需求量減少，整個(gè)系統(tǒng)的可靠性增加，也減少了運(yùn)維工作量。例如，傳統(tǒng)電視播出的播出控制系統(tǒng)，主備播控機(jī)、字幕機(jī)、板卡配置機(jī)在硬件上都是相互獨(dú)立的，通過(guò)KVM控制器集中操作，接線復(fù)雜且故障率高，而且無(wú)法跨KVM操作。一旦出現(xiàn)硬盤(pán)故障或者散熱故障，單臺(tái)主機(jī)的上下線維修非常耗時(shí)。如果采用虛擬機(jī)部署，只需要將瘦客戶端接入核心交換機(jī)，即可通過(guò)遠(yuǎn)程桌面訪問(wèn)任何一臺(tái)虛擬機(jī)服務(wù)器。簡(jiǎn)化了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，增加了系統(tǒng)可靠性，通過(guò)虛擬機(jī)管理系統(tǒng)可以查看每一臺(tái)虛擬機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，在單臺(tái)瘦客戶端上即可完成整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)虛擬機(jī)的維護(hù)。由于虛擬機(jī)采用集中存儲(chǔ)，通過(guò)磁盤(pán)陣列來(lái)創(chuàng)建存儲(chǔ)冗余，這樣可以方便監(jiān)控存儲(chǔ)池中每一塊硬盤(pán)的狀態(tài)，在故障時(shí)實(shí)現(xiàn)不中斷業(yè)務(wù)維護(hù)。

3.3 彈性資源分配

通過(guò)虛擬機(jī)管理程序可以對(duì)每臺(tái)虛擬機(jī)的配置（CPU核心數(shù)、內(nèi)存、硬盤(pán)、網(wǎng)卡）進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整，以滿足不同時(shí)期的硬件資源需求。在這個(gè)過(guò)程中只需要重啟虛擬機(jī)而不需要對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行重裝和配置，這是以往單機(jī)系統(tǒng)無(wú)法做到的。通過(guò)彈性資源管理，可以動(dòng)態(tài)地重新分配資源，以便高效地使用可用硬件資源。

4 在IP播控系統(tǒng)的應(yīng)用

VMware vSphere作為目前部署虛擬化私有云的成熟解決方案，本文以此為例，結(jié)合南京廣電電視播出部現(xiàn)有IP播控測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)，利用Type-2架構(gòu)在一臺(tái)工作機(jī)上部署單個(gè)頻道的電視播出系統(tǒng)虛擬化實(shí)驗(yàn)方案，闡述在真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境中部署硬件虛擬化系統(tǒng)的思路。

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本實(shí)驗(yàn)的工作機(jī)能提供32個(gè)邏輯處理器（AMD TR1950X），安裝Workstation 14作為虛擬化環(huán)境來(lái)模擬IP播出測(cè)試系統(tǒng)的虛擬化服務(wù)器架構(gòu)。所有的虛擬機(jī)服務(wù)器作為一個(gè)Datacenter來(lái)進(jìn)行管理，3臺(tái)ESXi服務(wù)器組成一個(gè)群集，作為虛擬機(jī)資源池，虛擬Storage服務(wù)器作為集中存儲(chǔ)，虛擬Backup服務(wù)器作為虛擬機(jī)快照備份。要實(shí)現(xiàn)對(duì)群集的復(fù)雜應(yīng)用，還需要安裝vCenter Server對(duì)群集進(jìn)行集中化管理，本實(shí)驗(yàn)選擇VCSA方式在3臺(tái)ESXi上部署vCenter三節(jié)點(diǎn)群集。

4.2 存儲(chǔ)方案

目前，硬件虛擬化使用的共享存儲(chǔ)管理方式一般有SAN和NAS兩種，前者提供磁盤(pán)級(jí)的存儲(chǔ)而后者提供文件級(jí)的存儲(chǔ)。在對(duì)存儲(chǔ)性能要求較高的系統(tǒng)中一般會(huì)采用基于FC的SAN存儲(chǔ)方式，由于條件限制本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用IP SAN作為共享存儲(chǔ)方式，將兩塊4TB的HDD組成RAID1全部劃分給Storage虛擬服務(wù)器作為集中存儲(chǔ)，通過(guò)在CentOS 7上部署iSCSI Target軟件來(lái)將TCP/IP模擬為iSCSI提供共享存儲(chǔ)服務(wù)。采用共享存儲(chǔ)的好處是可以集中管理存儲(chǔ)空間，通過(guò)RAID來(lái)保障數(shù)據(jù)安全，在線即可更換損壞的硬盤(pán)。虛擬機(jī)的存儲(chǔ)被封裝為VMFS格式進(jìn)行管理，數(shù)據(jù)熱遷移、快照備份、分布式資源調(diào)度等虛擬化系統(tǒng)獨(dú)有的技術(shù)均是建立在共享存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上。

4.3 容災(zāi)

虛擬機(jī)架構(gòu)對(duì)于容災(zāi)的部署非常的靈活和高效，vSphere中有vMotion、HA和DRS等組件用于系統(tǒng)的容災(zāi)。vMotion為虛擬機(jī)容災(zāi)的核心技術(shù)，可以將一臺(tái)在運(yùn)行狀態(tài)的虛擬機(jī)遷移到群集中的任意一臺(tái)服務(wù)器上，而這個(gè)過(guò)程不會(huì)中斷虛擬機(jī)上的業(yè)務(wù)，所以也被稱為熱遷移。其原理是將源服務(wù)器上虛擬機(jī)的內(nèi)存狀態(tài)封裝為vmdk文件和目標(biāo)服務(wù)器上新建的虛擬機(jī)進(jìn)行同步，當(dāng)同步率達(dá)到100%時(shí)即完成了虛擬機(jī)的熱遷移。DRS對(duì)群集中的硬件資源進(jìn)行彈性化的調(diào)度，通過(guò)預(yù)先對(duì)虛擬機(jī)資源需求的權(quán)重設(shè)置，利用vMotion將虛擬機(jī)運(yùn)行在合適的服務(wù)器中。這樣無(wú)需關(guān)心群集中的服務(wù)器上分別運(yùn)行了哪些虛擬機(jī)，弱化了傳統(tǒng)播控系統(tǒng)的主-備概念。HA分為vSphere HA和vCenter HA，前者通過(guò)對(duì)群集內(nèi)虛擬機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來(lái)觸發(fā)DRS策略，對(duì)狀態(tài)不好和停止運(yùn)行的虛擬機(jī)進(jìn)行vMotion遷移或重啟。后者是在三臺(tái)不同的服務(wù)器上部署主動(dòng)、被動(dòng)、見(jiàn)證三個(gè)vCenter節(jié)點(diǎn)，來(lái)保證任意節(jié)點(diǎn)出故障的情況下vCenter服務(wù)仍能夠穩(wěn)定運(yùn)行且數(shù)據(jù)不會(huì)錯(cuò)誤。通過(guò)VDP可以方便地對(duì)群集中的虛擬機(jī)建立快照，將設(shè)置時(shí)刻點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)封裝為文件保存在共享存儲(chǔ)上，這樣可以在虛擬機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)回滾到任意一個(gè)備份點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

IP播控對(duì)于傳統(tǒng)電視播控系統(tǒng)是一次巨大的技術(shù)升級(jí)，在其中運(yùn)用虛擬化技術(shù)加快了系統(tǒng)搭建速度，降低了設(shè)備投入成本，改善了安全保障方式。但反過(guò)來(lái)也對(duì)廣電技術(shù)人員提出了更高要求，需要對(duì)很多新的知識(shí)架構(gòu)體系進(jìn)行學(xué)習(xí)，不然無(wú)法勝任新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和維護(hù)工作。從短期來(lái)看是陣痛，但長(zhǎng)期來(lái)看是有利的。目前，多數(shù)系統(tǒng)還是采用VMware配合Windows服務(wù)器系統(tǒng)這樣的商業(yè)產(chǎn)品框架，雖然運(yùn)行穩(wěn)定部署相對(duì)容易，但是需要高昂的軟件授權(quán)成本。如果能夠有足夠的技術(shù)能力采用開(kāi)源的KVM+Linux架構(gòu)，一方面降低了成本，另一方面提高了廣電技術(shù)團(tuán)隊(duì)的研發(fā)能力，對(duì)于在往后的互聯(lián)網(wǎng)化時(shí)代競(jìng)爭(zhēng)從高資產(chǎn)低人力轉(zhuǎn)型到輕資產(chǎn)高人力的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，可以起到積極作用。