虛擬化技術在數據中心的應用

鄭盛吉 武佳賀

[摘? ? 要] 傳統數據中心信息系統建設周期較長、運營成本較高，能源消耗較大，且硬件資源存在一定的閑置，彼此之間相互獨立，無法共享，因此信息技術人員一直在尋找適合的方式改變運維現狀。近年來，服務器虛擬化技術日趨成熟，虛擬化大幅度提高了數據中心的運營能力，提高了利用效率和成本效益，數據中心的基礎架構實現了智能化和集中管理，由于虛擬化的技術優勢、管理便捷和在節能降耗上的突出貢獻，已日漸成為企業數據中心的主要運維管理方式。吉林石化公司也探索性完成了雙節點虛擬化平臺搭建，根據建設后的運行情況來看，完全實現了建設初衷。文中對傳統數據中心存在的問題、虛擬化概念、技術特征、優點進行了詳細的敘述，指明了數據中心的基礎設施通過虛擬化技術可以更加緊密聯系，擴展能力也會更自由，最后結合吉林石化公司虛擬化平臺建設項目的實施過程以及最終實施效果給予實際的闡述。

[關鍵詞] VMware;虛擬化技術;服務器虛擬化;VMware Vsphere;數據中心

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 11. 080

[中圖分類號] TP311;V242.3? ? [文獻標識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2019）11- 0184- 04

0? ? ? 前? ? 言

傳統的數據中心信息系統設計理念為IT資源的煙囪式設計，資源孤立和不能共享，工作負載靜態管理，不能在整個基礎設施架構中實時、動態調度，內部形成很多基于單個系統需要而建立起來的一個個“孤島”，從服務器、網絡和存儲所有資源都與單個系統靜態的捆綁在一起，成為孤島架構的系統。在這種應用分配模式下，有些應用存在著資源嚴重的浪費，有些應用卻面臨資源的極大不足，無法進行合理的資源整合[1]。除此之外傳統數據中心還存在以下問題。

（1）運營成本高。服務器設備和其他IT設備每年按比例增加，使投資成本和運營成本不斷上升，運營成本包括能耗、制冷、機房空間占用等，且設備運行到一定年限，故障發生率增加，最終解決辦法是對原有設備進行一對一的更換，涉及數據遷移等問題，后續的投資將會持續增加。

（2）項目建設周期長。每個業務上線之前都要進行相應的軟硬件設備配置、咨詢、采購、調試運行等過程，業務實現處于重復過程，建設周期被不斷的延長。

（3）系統恢復耗時長。當設備故障發生時，技術人員在故障定位后，往往要花費大量的時間替換故障硬件，重裝操作系統，重裝應用軟件，重新導入備份的數據等操作。傳統的架構，恢復系統功能耗時一般在4～12個小時[2]。

（4）管理效率低下、對運維人員技術水平要求越來越高。應用系統服務器數量和類型很多，相互之間技術架構和平臺差別很大，很難進行統一的管理和維護，技術人員只能被動運維管理，工作效率較低。

傳統數據中心無論在運營成本和運維方式上都存在巨大的壓力，提升IT資源利用率、合理分配資源、簡化運維已經成為數據中心急需解決的難題。

1? ? ? 虛擬化技術的提出

對于服務器資源共享，曾用單臺服務器部署多個應用，但是這樣部署的結果是應用之間相互影響較大，且重啟服務器會導致其他應用不可用。

虛擬化技術可以實現不同虛擬機之間徹底隔離，每個虛擬機各自安裝操作系統，并將底層硬件平臺視為自己所擁有的資源，將傳統的基礎架構最小化單元從每臺服務器轉變成每個虛擬機。通過虛擬化軟件的部署，在物理主機上運行一個虛擬化層，虛擬化層直接運行在裸硬件之上，該虛擬化層將CPU、內存、存儲等資源進行虛擬化，此時服務器物理資源抽象成邏輯資源，根據需要進行分配，利用這種特性可以將不同操作系統的應用服務同時提供給用戶，也就是說同一臺服務器可以提供Windows Server 2012，Windows Server 2008以及Linux等操作系統，也能方便地實現對舊系統應用程序的支持，延長軟件的生命周期，提高對服務器的利用率，即實現了將硬件服務器進行邏輯層面上的劃分和整合[3]。

虛擬化技術確保整個平臺的可用性和安全性，并針對應用和訪問量進行靈活部署，集中管理方面通過Vcenter（管理中心）可以對多個服務器上的數百個虛擬機進行統一界面上的管理，從而實現資源集中管理的虛擬化應用平臺[4]，為數據中心部署提供更靈活的實施方案，適用于企業信息化建設與發展[5]。

2? ? ? 虛擬化技術的特征

虛擬化技術可以合理地分配資源池，也能夠將大量異構服務器的差別做相應的處理，配置相應規模數量的物理CPU、內存、網卡、存儲，能夠使每一臺物理服務器上都會運轉可以動態改變的虛擬機，且多臺物理服務器之間采用高可用性（HA）的原則，一旦某一臺物理服務器出現故障，可在具有備用容量的其他生產服務器中自動重新啟動受影響的虛擬機，從而最大限度地減少因服務器和操作系統故障造成的停機，提高整個基礎架構范圍內的保護力度。對于硬件維護也可進行無業務停頓的維護，實現方式是將一臺物理服務器上運行的虛擬機遷移到另外一臺主機服務器上，這樣在不影響業務的前提下對虛擬化主機（物理服務器）進行維護。虛擬機的活動內存和執行狀態通過高速網絡快速從一臺服務器傳輸到另一臺服務器，對虛擬機磁盤存儲器的訪問被即刻切換到新的物理主機， 實現無縫遷移[6]。

虛擬化技術下運行維護信息系統的優點：

（1）虛擬化后物理服務器，數量大幅度減少，整體計算性能利用率提高，數據中心運維管理成本得到有效控制。

（2）傳統的應用采用一對一的模式，即大部分為單點業務結構，單點架構會由于硬件故障導致業務系統停頓，虛擬化后的信息系統底層的物理服務器具有HA架構，可以有效地減少單點故障率的發生。

（3）縮短信息系統建設周期，整個虛擬化平臺建設完成后，如果需要部署新應用時，直接在計算資源充足平臺里直接創建虛擬機，快速實現信息系統上線。

（4）統一管理窗口，虛擬化環境中的所有主機、虛擬機都可在管理中心界面下管理，簡化了管理流程，提高數據中心管理效率。

虛擬服務器產品能夠以較少的物理服務器服務較多的信息系統，從而達到節約成本，節省資源，擴大公司IDC 的服務能力，既實現收益的增加，也達到綠色環保，可持續發展的要求[7]。

3? ? ? 吉林石化虛擬化平臺項目實施

結合公司信息系統建設的實際需求，制定了服務器虛擬化技術的實施方案。實施方案共解決吉林石化信息系統兩方面的問題。一是將新規劃建設的信息系統直接部署在虛擬化環境中，實現資源合理分配等需求。二是利用虛擬化技術提供的遷移工具，將財務等重要應用系統遷移至虛擬化環境中，待物理生產系統出現故障后，在虛擬化環境中啟動虛擬機接管業務，從而構建重要信息系統的應用級容災環境。

3.1? ?虛擬化平臺架構設計

吉林石化公司虛擬化平臺技術采用VMware公司vSpere解決方案。將VMware ESXi Server分別部署在2臺物理服務器裸機上，利用服務器虛擬化技術將物理服務器硬件資源分配給多個虛擬服務器。為保障物理鏈路冗余，每臺物理服務器配置兩塊冗余HBA卡連接至兩臺冗余光纖交換機，同時每臺服務器采用雙網卡數據上聯至數據交換機，物理服務器采用千兆內網連接，以增強數據傳輸速率及故障切換速度。

文件共享方式采用SAN集中存儲架構，將每個虛擬機文件系統創建在共享的SAN集中存儲陣列上，由于VMware的虛擬架構系統中的虛擬服務器實際上是被封裝成了一個個文件，通過將這些文件放在SAN 存儲陣列的VMFS 文件系統中，讓不同服務器上的虛擬服務器都可以訪問到該文件，不同虛擬服務器可實現互相熱備，一臺虛擬服務器故障，其上的應用可及時轉移到另一臺虛擬服務器，這樣就實現了通過虛擬服務器共享硬件資源、提高硬件利用率、消除單點故障、提高系統高可用性和安全服務級別[8-9]，虛擬化平臺的拓撲圖如圖1所示。

3.2? ?實際部署情況

針對公司重要信息系統的容災需求情況和新建信息系統的要求，評估物理服務器的需求和性能，本方案采用兩臺高性能的PC服務器，每臺物理服務器規劃建設20個虛擬機。

（1）硬件配置。采購2臺高性能PC服務器（配置為2顆12核Intel CPU E5 2600V4處理器、256 G內存），本地硬盤300 G×2及相應的集中存儲EMC-VNX5600 10 T存儲空間。

（2）軟件配置。采購VMware vSpere 5.5虛擬化標準版套件，包括VMware vSpere 5.5軟件及vCenter虛擬化集中管理控制平臺。VMware vCenter 是一套虛擬架構的管理軟件，可以使用單點控制臺管理上百臺服務器，維護界面統一、簡潔。

3.2.1? ?應用系統的創建

虛擬機的配置需求需要根據系統同時在線人數評估，和物理服務器配置需求方式一致，再進行合理的資源劃分，硬盤及內存過大的分配將造成資源的浪費。為保證兩臺物理服務器能互為冗余，每臺服務器的內存使用一半，保證在其中一臺物理服務器出現故障時，該臺物理服務器運行的虛擬機能全部正常切換到另一臺物理服務器上運行。虛擬機磁盤選擇有三種，包括：①厚置備延遲置零磁盤。優點是磁盤性能較好，時間短，適合于做池模式的虛擬桌面。②厚置備置零磁盤。適合于運行繁重應用業務的虛擬機。③精簡置備。適合于對磁盤I/O不頻繁的業務應用虛擬機。根據業務系統的不同需求選擇虛擬機磁盤模式。

具體部署過程每臺物理服務器上分別安裝VMware vSphere標準版軟件，將單個物理服務器虛擬成多個虛擬服務器，而每一臺虛擬服務器從性能、功能和操作方式上，與傳統的單臺物理服務器等同，裝完軟件后用VMware client連接物理服務器，在管理界面內創建虛擬機并安裝vCenter后，建好群集并添加兩臺物理服務器節點，之后就可以自由的創建虛擬機了。操作系統可以制作模板，當新虛擬服務器需要安裝同樣的操作系統時，只需要使用模板生成虛擬機即可，無需進行操作系統的重復安裝。

虛擬化環境可以隨時規劃要上線的應用系統，對于上線后的生產系統會持續監測，當發現虛擬機上運行的系統CPU和內存使用率過高，對于Windows Server 2008及以上的操作系統，會采用在線添加方式為虛擬服務器添加相應的CPU和內存，并不影響應用系統使用，而磁盤空間也可以隨時增加，只要集中存儲有可用空間即可。

3.2.2? ?重要信息系統遷移

容災虛擬機使用VMware自帶遷移工具VMware Vcenter Converter Standalone實現遷移。遷移過程大多數情況較為順利，需要輸入原服務器和目標服務器的用戶名、密碼、IP等信息，系統可自動完成遷移。需要注意的是遷移的卷最好采用精簡模式，Linux服務器需要手動配置虛擬網絡等信息。當然有些系統遷移過程會遇到各種報錯，需要分情況進行處理。遷移后的容災虛擬系統需要經過相關業務人員測試后驗證與生產系統一致，將容災虛擬機進行關機處理，當生產服務器出現故障，再行開啟容災虛擬機接管業務，保證關鍵業務系統快速恢復。

4? ? ? 應用效果

目前石化公司已經完成虛擬化基礎平臺的建設，從運行情況來看，虛擬化平臺運行良好，虛擬化技術的應用改變了傳統的應用運行模式，實現了建設的初衷，主要表現在：

（1）減少了機房服務器數量，全面提高服務器的資源利用率。原計劃新建8個應用系統，需要采購至少8臺服務器，部署虛擬化軟件后需要采購的物理服務器減少為2臺，實現在少量物理服務器上運行多個虛擬服務器方式。對于傳統的服務器應用方式，通常服務器的平均利用率在5%～15%之間，而采用虛擬架構整合后，服務器的利用率尤其是內存利用率已達到50%，充分利用了服務器的資源，減少資源閑置和浪費。

（2）解除軟件和硬件的互相依賴。傳統的部署方式每臺服務器對應一個操作系統和應用程序，軟件硬件緊密地結合，在同一主機上運行多個應用程序通常會遭遇沖突，低版本的程序很難在新服務器上部署。虛擬化物理隔離技術打破了操作系統和硬件的這種依賴關系，通過封裝到虛擬機的技術，管理操作系統和應用程序為單一的個體，和底層硬件沒有任何依賴關系，即使是版本很低的應用程序仍可通過虛擬機形式部署在最新的服務器上[10-11]。

（3）提高業務系統的高可用性。傳統應用多為單一服務器部署，只有極少數的重要系統會采用群集部署方式，這種部署難以保障系統連續運行，在設備出現故障后，會導致業務系統的停頓，而虛擬化的HA技術可保證單臺設備故障，會在虛擬化冗余服務器陣列里在另外一臺服務器里迅速恢復，以此提高業務系統高可用性。

（4）降低運維成本。控制和減少物理服務器的數量，明顯提高每臺物理服務器及其CPU的資源利用率，從而降低硬件成本。同時，降低運營和維護成本，包括數據中心空間、機柜數量、電力消耗，冷氣空調和人工成本等。

（5）簡化運維工作。數據中心的管理從原來的多線管理變成了統一管理，簡化了服務器管理人員的工作量，提高了數據中心的響應能力。

5? ? ? 結? ? 論

此次項目實施利用虛擬化技術實現對服務器整合，將兩臺服務器作為統一的資源進行管理，有效減少了服務器的數量，提高了單臺服務器的利用效率，加快了新系統部署進程，合理控制了機房電力、空調等資源的消耗，簡化了維護管理，同時對其他重要應用系統實現了應用級的容災，提高了公司整體信息系統的運行連續性。

未來幾年信息系統運維部門將繼續開展基于虛擬化技術的基礎設施的工作部署，繼續深入發掘虛擬化技術的優勢，促進企業信息化建設的發展，也為今后新建項目統一規劃、全局信息化水平的提高打好堅實的基礎。

主要參考文獻

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