一種基于占位虛擬機的云數據中心高可用方案

黃穎　徐嵐

摘要：本文針對分布式云數據中心間“數據跨中心備份、服務按需接管”的中心級高可用能力，提出一種基于占位虛擬機的云高可用方案，并將系統技術架構分為網絡層、云平臺層、數據層、服務層、訪問接八層五個層次，分析7每層的高可用技術應用策略，該方案具備較好的應用推廣前景。

關鍵詞：高可用 占位虛擬機 云數據中心

1高可用相關概念

隨著虛擬化、網絡化、服務化技術的快速發展，云架構已在各個領域大量運用，數據中心作為云資源的提供者承載了大量不同類型的應用。目前單一的數據中心已發展為分布式云數據中心模式，對分布式云數據中心構成一體化高可用能力的需求也越來越迫切。

在業界通常概念定義中，高可用性（High AvailabiLity， HA）用來描述一個系統經過專門的設計，以減少停工時間，而保持其服務的高度可用性。業界通常說的數據中心雙活，也屬于高可用能力的范疇。描述系統高可用能力，一般有兩個重要指標：系統恢復時間（RTO）和數據恢復點目標（RPO）。RTO是針對服務丟失，從業務系統故障開始，到業務系統恢復正常之間的時間段。RPO是針對數據丟失.指業務系統和應用數據恢復正常后，系統及生產數據能恢復到過去的哪個時間點。

一般來說，數據中心高可用能力根據備用中心活躍程度由低到高，可定義為5個等級，如圖1所示。對于最高等級的全集雙活，兩中心技術架構應是完全對稱、去中心化的，需要從底層網絡到上層應用進行一體化設計，實現起來難度很大，性價比不高。在大多數工程實踐中，一般結合高可用性需求在冷備、熱備、只讀、分片4個等級中選擇，也可采用混合架構，對系統進行分層，不同層采用不同的高可用技術策略。

2高可用方案簡述

在某大型系統建設了相距100公里以內的兩個數據中心，作為邏輯一體的后臺，共同對前臺客戶端提供服務。其中，系統的主用中心已經上線常態化運行，系統內的業務應用服務運行在華為云平臺（fusion cloud2.0.6），數據分別存儲在物理服務器部署的ORACLEllg、Hadoop、HBase上。現要求在應用層軟件不改造、兩中心對外信息交互服務的IP地址保持一致等前提下，提供兩中心的高可用方案，確保發生中心級故障時，核心數據RPO≈O，系統切換時間RTO在1小時內。

經過用戶需求分析，提出一種基于占位虛擬機的云數據中心高可用方案，即依托華為云平臺基于占位虛擬機的高可用能力，將兩中心云平臺構建為“一朵云”，通過底層存儲雙活技術，將主用中心云存儲節點上的虛擬機同步到備用中心。在該模式下，相當于在備用中心實時復制一套主用中心的服務（IP地址保持一致）;平時主用中心對外服務、備用中心離線備份;故障時，拉起備用中心占位虛機，切換數據庫，由備用中心對外提供服務。由于中心切換時，需拉起占位虛機，相當于重啟動備用系統，因此該方案適用于RTO要求不高、現有業務需快速具備高可用能力的場景。

3關鍵技術分析

要實現系統級高可用架構需對數據中心的各個層面進行高可用設計，將系統技術架構分為5層，分別為網絡層、云平臺層、數據層、服務層和訪問接人層。每一層采用不同的技術策略，實現整中心的高可用能力，如圖2所示。

下面對每一層高可用技術進行分析：

（1）網絡層

通過大二層網絡和虛擬機遷移，在網絡層提供計算服務的災后恢復、負載均衡、異地容災和雙機熱備等抗毀能力[6]，采用虛擬路由冗余協議VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol），把分布于兩個數據中心的路由設備聯合組成一臺虛擬的路由設備，將虛擬路由設備的IP地址作為用戶的默認網關實現與外部網絡通信。對路由設備采用主從備份方式配置，通過對路由設備的優先級調整，設置VRRP虛擬網關的主備狀態。當主用網關設備發生故障時，VRRP機制能夠選舉新的網關設備承擔數據流量，從而保障網絡的可靠通信。

（2）云平臺層

兩數據中心和仲裁區組成“一朵云”，其中兩中心的云管理節點、存儲節點之間網絡互通，主用后臺的存儲節點向備用中心存儲節點同步數據，第三方的仲裁服務器與主備的管理節點通信，發生中心級故障時，通過仲裁服務器避免出現腦裂情況。

（3）數據層

系統中在用的數據存儲方式主要是ORACLE、Hdfs和Hbsae三種，部署在物理服務器上，分別采用不同的技術策略。

關系型數據庫的高可用技術主要有數據庫集群技術和復制技術[7]兩類。一般，在中心內，可通過搭建ORACLE RAC實現高可用，在中心間的高可用技術有Data Guard、Golden Gate、RAC跨雙中心部署、Extended RAC等幾種。其中，前兩種屬于數據庫復制技術，后兩種屬于數據庫集群技術。對這幾種技術的分析比對，Data Guard方式穩定性高，部署難度最小，對業務系統影響也最小，但屬于一寫多讀模式，備升主切換時間在分鐘級;其它三種技術都處于雙寫模式，實時切換，但部署環境要求高，維護成本高。綜合考慮高可用要求及維護成本，在兩數據中心間采用Data Guard方式，保證在RTO分鐘級的條件下核心數據RPO≈O。

在中心內搭建了Hadoop集群數據存儲Hdfs和Hbase中，在中心間，Hdfs數據采用Distcp命令進行兩個中心分布式文件系統間的數據同步方式;Hbae數據采用基于協處理器的增量數據同步方式。

（4）服務層

服務層的高可用實現機制一般有三類，一是基于主機集群技術，二是基于中間件軟件自身集群實現功能，三是基于負載均衡設備方式。這三類方式需要增加第三方集群軟件、負載均衡器設備等設備/軟件。因此，在無法增加其它設備的條件下，采用華為云平臺的占位虛擬機，可方便實現服務層的備份和切換，但服務切換需進行虛擬機拉起操作，根據虛擬機數量和應用服務啟動先后順序的限制，服務層RTO -般在15至25分鐘內。

（5）訪問接入層

本系統中，數據中心面向前臺和與外部系統的信息路由方式是基于IP的尋址方式。同樣采用華為云平臺的占位虛擬機，在中心級切換時，對外的IP地址不變化，前臺和外部系統的服務尋址配置不改變。

4總結

高可用、持續服務已成為各類數據中心的基本需求，系統技術架構也正向分布式云數據中心架構轉變。本文提出的一種基于占位虛擬機的云數據中心高可用方案，可初步支撐主備數據中心間的數據備份與服務接替，并已通過了工程實踐，具備一定的推廣應用場景。要實現RTO秒級的數據中心雙活/多活能力，還需要對網絡、云平臺、數據存儲、應用服務等進行全系統一體化設計，緊密聯動，才能真正做到數據中心對外業務不中斷。

參考文獻

[1]何錫點，崔雋，劉祥，等，面向作戰任務的云資源統一規劃與動態重組技術[J].指揮信息系統與技術，2019.10 （2）

[2]鄒仁明，彭雋，李軍.OpenStack開源云平臺高可用架構的設計與實現[J].計算機科學，2014 （10）

[3]張龍興，朱志祥，梁小江.一種基于云計算的高可用性集群設計與實現[J].西安文理學院學報（自然科學版），2014 （3）