基于虛擬化技術(shù)的云數(shù)據(jù)中心構(gòu)建及自動化運維管理

王曉天

摘? 要：針對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心逐漸過渡為云數(shù)據(jù)中心，以及對云數(shù)據(jù)中心中大量服務(wù)進(jìn)行更快速地部署，更準(zhǔn)確地服務(wù)狀態(tài)監(jiān)控的需求。本文提出虛擬化環(huán)境下數(shù)據(jù)中心構(gòu)建方案，并對云數(shù)據(jù)中心中大量虛擬機(jī)如何進(jìn)行自動化運維提出解決方法。通過數(shù)據(jù)中心中集群、虛擬網(wǎng)絡(luò)及虛擬存儲的部署，完整地體現(xiàn)了在虛擬化環(huán)境下數(shù)據(jù)中心的構(gòu)建過程，采用自動化運維平臺對云數(shù)據(jù)中心中虛擬機(jī)及虛擬機(jī)中的服務(wù)進(jìn)行批量部署、管理及監(jiān)控，并將采集到的服務(wù)器預(yù)警信息及時進(jìn)行反饋。從而幫助企業(yè)快速構(gòu)建虛擬化環(huán)境下的數(shù)據(jù)中心，提高服務(wù)運維的效率，保障服務(wù)運行的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬化;云數(shù)據(jù)中心;自動化運維;Ansible

中圖分類號：TP393? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： With the transition from traditional data center to cloud data center， accurate service status monitoring for a large number of fast-deployed services is required. This paper proposes a data center construction framework in a virtual environment， which provides a solution for automatic operation and maintenance of large numbers of virtual machines in a cloud data center. Through deployment of clusters， virtual networks and virtual storage， the framework fully demonstrates the construction process of data center in a virtual environment. The automated operation and maintenance platform enables us to deploy， manage and monitor the virtual machines and the services in cloud data center in batches， and give a feedback to the warning information collected from server in time. The proposed framework helps enterprises quickly build data center in virtualized environment， improve maintenance efficiency， and ensure service quality.

Keywords： virtualization; cloud data center; automated operation and maintenance; Ansible

1? ?引言（Introduction）

隨著虛擬化技術(shù)的不斷發(fā)展，企業(yè)對服務(wù)器運維成本及服務(wù)質(zhì)量的要求，云數(shù)據(jù)中心已逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，虛擬化環(huán)境的合理構(gòu)建是保證業(yè)務(wù)連續(xù)性的基礎(chǔ)。在虛擬化環(huán)境中存在數(shù)量眾多的虛擬機(jī)，而作為服務(wù)器的各虛擬機(jī)中運行著不同種類的服務(wù)，這導(dǎo)致運維工程師負(fù)責(zé)管理的服務(wù)器及服務(wù)的數(shù)量進(jìn)行了成倍地增長。如何對這些虛擬化環(huán)境下服務(wù)器中的服務(wù)進(jìn)行高效的管理，保障服務(wù)運行效率以及服務(wù)的穩(wěn)定性成為虛擬化環(huán)境下運維工作的難點問題[1]。本文針對以上問題進(jìn)行研究，首先提出合理構(gòu)建虛擬化環(huán)境的方案，之后在此虛擬化環(huán)境的基礎(chǔ)上提出如何進(jìn)行服務(wù)的自動化部署及監(jiān)控的解決方案，從而提高虛擬化環(huán)境中運維工作的效率，不斷提升服務(wù)器運行質(zhì)效，減少故障發(fā)生概率[2]。

2? ?虛擬化技術(shù)（Virtualization technology）

2.1? ?虛擬化技術(shù)概述

虛擬化技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60代，美國IBM公司在大型機(jī)CP-40系統(tǒng)中嘗試虛擬化的實現(xiàn)，隨著小型機(jī)以及x86的流行，虛擬化技術(shù)越來越成熟[3]。

虛擬化技術(shù)把物理上的資源轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嬌峡晒芾淼馁Y源，通過對原本各自獨立的硬件資源整合與池化后進(jìn)行資源的統(tǒng)一分配及再管理。

虛擬化技術(shù)的優(yōu)點主要包括：（1）提高硬件資源利用率。一臺物理設(shè)備的利用率并不會達(dá)到100%，例如當(dāng)磁盤利用率超過70%時即為重負(fù)載，磁盤響應(yīng)時間呈指數(shù)增長。虛擬化技術(shù)出現(xiàn)后，可以通過集中化的管理來調(diào)整“峰值”的問題，同一臺物理機(jī)上的多臺虛擬機(jī)可被按需分配到資源，而物理機(jī)不必額外增加物理資源。（2）提高服務(wù)器及應(yīng)用程序的可靠性。傳統(tǒng)的物理服務(wù)器出現(xiàn)計劃外的停機(jī)時，服務(wù)器上的應(yīng)用程序必然受到影響，無法保障業(yè)務(wù)連續(xù)性。虛擬化技術(shù)可以對虛擬機(jī)及其應(yīng)用程序進(jìn)行實時監(jiān)控，當(dāng)監(jiān)測到預(yù)警時可對虛擬機(jī)進(jìn)行及時的遷移或其他容錯操作，從而保證了虛擬機(jī)與應(yīng)用程序的正常運行[4，5]。

2.2? ?服務(wù)器虛擬化

目前應(yīng)用較多的幾種虛擬化技術(shù)為：服務(wù)器虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、存儲虛擬化及桌面虛擬化。其中服務(wù)器虛擬化技術(shù)發(fā)展時間最長，應(yīng)用最為廣泛。它可以將物理服務(wù)器的資源集中化管理，將這些資源按照目前服務(wù)器上虛擬機(jī)對資源需求的優(yōu)先次序來進(jìn)行分配，從而達(dá)到資源最大的利用率。越來越多傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎锰摂M化技術(shù)的數(shù)據(jù)中心，通過服務(wù)器虛擬化技術(shù)減少了物理服務(wù)器的數(shù)量，提高了服務(wù)的可靠性[6]。

2.3? ?虛擬化技術(shù)選擇

VMware的vSphere是一組基礎(chǔ)架構(gòu)虛擬化套件，它能夠提供虛擬化、管理、資源優(yōu)化、應(yīng)用可用性和操作自動化等功能。同時可以聚合物理硬件資源并為數(shù)據(jù)中心提供虛擬資源，是一款數(shù)據(jù)中心級別的虛擬化產(chǎn)品，也是目前市場占有率較高的一款服務(wù)器虛擬化產(chǎn)品。本文將采用vSphere套件進(jìn)行虛擬化環(huán)境的構(gòu)建。

3? ?虛擬化數(shù)據(jù)中心（Virtualized data center）

3.1? ?集群構(gòu)建

本文以兩臺物理服務(wù)器為例展現(xiàn)采用vSphere套件構(gòu)建數(shù)據(jù)中心過程。

（1）安裝ESXi主機(jī)。首先為兩臺物理服務(wù)器安裝ESXi操作系統(tǒng)，使其成為ESXi主機(jī)，為兩臺ESXi主機(jī)配置相同網(wǎng)絡(luò)地址的IP地址。

（2）在第一臺ESXi主機(jī)中部署vCenter Server，訪問vCenter Server，創(chuàng)建數(shù)據(jù)中心并在數(shù)據(jù)中心下創(chuàng)建集群，將兩臺ESXi主機(jī)加入vCenter Server管理。

（3）分別在兩臺ESXi主機(jī)上創(chuàng)建四臺虛擬機(jī)并安裝Linux操作系統(tǒng)。

vCenter Server與ESXi主機(jī)及其上虛擬機(jī)關(guān)系，如圖1所示。

3.2? ?虛擬網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

vSphere中的虛擬網(wǎng)絡(luò)主要由虛擬交換機(jī)、虛擬端口組、VMKernel端口組、上行鏈路端口和物理網(wǎng)卡組成。虛擬網(wǎng)絡(luò)中存在兩種類型的虛擬交換機(jī)，一種為標(biāo)準(zhǔn)虛擬交換機(jī)，在ESXi主機(jī)內(nèi)部創(chuàng)建。另一種分布式交換機(jī)，需要通過vCenter Server創(chuàng)建，跨越ESXi主機(jī)。虛擬交換機(jī)上可建立端口組，用來連接虛擬機(jī)。每個端口組可以設(shè)置名字及VLAN ID，一個端口組可以看作是一個VLAN。

構(gòu)建數(shù)據(jù)中心中虛擬網(wǎng)絡(luò)，首先在第一臺ESXi主機(jī)上創(chuàng)建兩臺標(biāo)準(zhǔn)虛擬交換機(jī)，在第一臺標(biāo)準(zhǔn)交換機(jī)上創(chuàng)建虛擬端口組，并將該ESXi主機(jī)上的虛擬機(jī)加入此虛擬端口組中。再在第二臺標(biāo)準(zhǔn)交換機(jī)上創(chuàng)建VMkernel端口組并設(shè)置IP地址，VMKernel端口組主要用于IP存儲、vSphere vMotion遷移及Fault Tolerance等操作。第二臺ESXi主機(jī)上做相同操作。虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖2所示。

3.3? ?虛擬存儲構(gòu)建

采用Openfiler這款開源存儲管理平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心中存儲部分功能。Openfiler能把標(biāo)準(zhǔn)x86/64架構(gòu)的系統(tǒng)變成一個強大的NAS、SAN存儲和IP存儲網(wǎng)關(guān)，并為管理員提供一個強大的管理平臺。

（1）首先將Openfiler部署為一個虛擬機(jī)實例，之后對該虛擬機(jī)的磁盤進(jìn)行LUN的劃分，共劃分為四個LUN，其中三個LUN模擬iSCSI存儲，一個LUN模擬NFS存儲，如圖3所示。

（2）將ESXi主機(jī)與存儲進(jìn)行關(guān)聯(lián)。在ESXi主機(jī)中添加iSCSI存儲適配器后掃描到目前存儲，將目標(biāo)存儲添加至ESXi存儲中。ESXi主機(jī)共關(guān)聯(lián)三個存儲，第一個為ESXi主機(jī)本地存儲“datastore1”，第二個存儲為Openfiler存儲服務(wù)器中NFS存儲，第三個為Openfiler存儲服務(wù)器中的iSCSI存儲，如圖4所示。

4? 自動化運維平臺（Automated operation and maintenance platform）

通過自動化運維平臺對數(shù)據(jù)中心中ESXi主機(jī)上的虛擬機(jī)進(jìn)行批量的服務(wù)部署、服務(wù)狀態(tài)的監(jiān)控并及時發(fā)布預(yù)警信息，從而對數(shù)據(jù)中心中的虛擬機(jī)進(jìn)行自動化的管理。平臺前端Web部分采用JSP進(jìn)行開發(fā)，服務(wù)配置文件的設(shè)置等通過shell腳本開發(fā)實現(xiàn)，采用Ansible作為主要運維工具。

4.1? ?Ansible概述

Ansible是一款開源的運維自動化工具，是基于Python語言開發(fā)的，集合了眾多運維工具的優(yōu)點，實現(xiàn)了配置管理、應(yīng)用部署、復(fù)雜任務(wù)編排等功能。

Ansible基于模塊工作，主要包括：負(fù)責(zé)和被監(jiān)控端實現(xiàn)通信的連接插件Connection Plugins;指定被管理主機(jī)的清單Host Inventory;Command模塊、自定義模塊;能夠一次性執(zhí)行多個任務(wù)的Playbook。

4.2? ?自動化運維平臺功能實現(xiàn)

選擇ESXi主機(jī)中的一臺虛擬機(jī)作為主控主機(jī)，在這臺虛擬機(jī)上部署自動化運維平臺，數(shù)據(jù)中心中其他幾臺虛擬機(jī)作為控制節(jié)點，被主控主機(jī)管理。

4.2.1? ?虛擬化服務(wù)器管理

（1）虛擬機(jī)管理。可以在資源管理界面中的主機(jī)管理中看到已經(jīng)連接到主控主機(jī)的虛擬機(jī)，對相關(guān)虛擬機(jī)進(jìn)行修改和刪除等操作。

（2）批量添加虛擬服務(wù)器相關(guān)信息：名稱、IP地址段、創(chuàng)建數(shù)量、系統(tǒng)用戶名、密碼、操作系統(tǒng)類型、默認(rèn)狀態(tài)，是否授權(quán)遠(yuǎn)程桌面管理等。如圖5所示。

（3）在管理端服務(wù)器上執(zhí)行autoDHCP.sh將所管理的服務(wù)器IP地址與網(wǎng)卡MAC地址綁定。如圖6所示。

4.2.2? ?批量管理服務(wù)

對各虛擬化服務(wù)器上的服務(wù)進(jìn)行批量管理。

（1）批量編譯部署程序。選擇編譯部署的版本號信息及要編譯部署的環(huán)境。這里提供開發(fā)、測試、演示、生產(chǎn)四種環(huán)境信息。

（2）選擇要編譯的服務(wù)內(nèi)容，確認(rèn)后信息后，平臺會從版本服務(wù)器下載最新提交的程序進(jìn)行編譯。確認(rèn)編譯成功，提交資源服務(wù)應(yīng)程序包，將打包好的程序分發(fā)至各虛擬化服務(wù)器上。

（3）重新啟動服務(wù)，加載最新應(yīng)用程序包。

4.2.3? ?批量服務(wù)監(jiān)控

可以通過系統(tǒng)資源服務(wù)信息，查看連接虛擬化服務(wù)器的狀態(tài)，包括網(wǎng)絡(luò)信息：DNS域名解析信息;IP地址信息;系統(tǒng)信息：主機(jī)名稱、系統(tǒng)發(fā)布版本、內(nèi)核版、確件信息、虛擬化信息等;硬件信息：CPU個數(shù)、線程數(shù)、硬件信息、內(nèi)存信息等;虛擬化服務(wù)器中服務(wù)運行狀態(tài)等。如圖7所示。

通過自動化運維平臺，可以在成千上萬臺虛擬服務(wù)器上做到批量執(zhí)行命令，根據(jù)不同業(yè)務(wù)特性進(jìn)行配置集中化管理、分發(fā)文件、采集服務(wù)器數(shù)據(jù)、操作系統(tǒng)基礎(chǔ)及軟件包管理等。

5? ?結(jié)論（Conclusion）

本文詳細(xì)闡述了采用虛擬化技術(shù)構(gòu)建云數(shù)據(jù)中心的方案，包括數(shù)據(jù)中心中集群、虛擬網(wǎng)絡(luò)，以及共享存儲的部署，并提出在虛擬化環(huán)境下實現(xiàn)自動化運維的方法，實現(xiàn)了批量的服務(wù)部署、服務(wù)配置、系統(tǒng)信息監(jiān)控等功能。有效地提高了運維人員工作質(zhì)量與效率，降低了運維成本。

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