貴州省氣象信息業(yè)務系統(tǒng)的虛擬化實現

汪 華, 黃 笞, 方 斌

(貴州省氣象信息中心,貴州貴陽50002)

0 引言

貴州省氣象局業(yè)務綜合網目前有國家局和省局的40多個業(yè)務系統(tǒng),分別運行在61臺服務器和27臺PC上。實時業(yè)務系統(tǒng)一般都要求7*24小時不間斷運行,面對不可避免的設備故障,必須考慮核心業(yè)務的冗余備份,以保障業(yè)務系統(tǒng)的穩(wěn)定和服務的連續(xù)性。傳統(tǒng)的“一種工作負載配一臺機器”的服務器部署方法,致使90%的服務器只利用總體負載容量的5%～15%,操作系統(tǒng)和應用兼容性的問題致使服務器整合難度較大,因此硬件的過度部署和設備實際利用率不足的矛盾日益突出,隨之而來的電力、散熱、網絡基礎架構、存儲基礎架構、管理開銷致使服務器的運維成本也不斷增加。隨著云計算和虛擬化技術的發(fā)展,在充分發(fā)揮計算機硬件性能的前提下,把多個對資源要求不高的業(yè)務系統(tǒng)集中到一臺或多臺計算機平臺上運行,在不改變業(yè)務系統(tǒng)網絡環(huán)境和應用架構的情況下,實現業(yè)務系統(tǒng)的虛擬化和高可用,這是解決當前所面臨的資源空置浪費等難題的有效途徑。

1 技術對比

虛擬化架構將工業(yè)標準服務器及其現有的處理器、內存、磁盤和存儲虛擬化成一個邏輯計算資源池,操作系統(tǒng)及應用程序被隔離到安全、可移植的虛擬機中,從而實現服務器的整合與控制,簡化IT操作,提高管理效率。當前主流的基礎架構虛擬化解決方案產品有:微軟Hyper-V、VMware(vSphere)以及Xen(思杰):

微軟Hyper-V:Hyper-V至少可以支持主機多達8個CPU和1TB內存。具有一項重要的功能特性就是實時遷移(live migration),也就是將運行中的虛擬機從一個Hyper-V物理主機遷移到另一個物理主機,不干擾服務,對Windows系統(tǒng)的兼容性好。

VMware vSphere:是如今部署最廣泛的虛擬機管理程序,最新版本可支持每個主機多達64個邏輯處理核心、256個虛擬CPU和多達1 TB內存;可以運行一系列廣泛的訪客操作系統(tǒng),包括Windows、Linux、Solaris和NetWare。VMware vStorage虛擬機文件系統(tǒng)(VMFS)是一種集群文件系統(tǒng),允許多個ESX主機同時訪問某一個虛擬卷,通過光纖通道SAN、iSCSI SAN或網絡附加存儲(NAS)實現存儲資源共享。

Xen:Xen虛擬機管理程序采用開源版本,支持一系列廣泛的訪客操作系統(tǒng),包括Windows、Linux、Solaris及多種版本的BSD操作系統(tǒng)。Xen的特點是占用資源少、性能高。

經過性能測試和對比,VMware提供可靠的虛擬機管理程序和可擴展的管理工具,實現管理自動化(HA)、動態(tài)分配資源(DRS),在物理機器之間或不同存儲之間遷移運行狀態(tài)的業(yè)務虛擬機(vMotion),減少計劃外停機,保持業(yè)務系統(tǒng)高可用的特點,使之成為較好的選擇。

2 虛擬化的業(yè)務實現

在保證不影響正常業(yè)務服務的原則下分階段實施業(yè)務系統(tǒng)的虛擬化,系統(tǒng)虛擬化結構圖見圖1,配置2臺IBM x3850 x5的PC服務器,作為虛擬化基礎架構的硬件平臺,安裝VMWare vSphere的ESXi服務器軟件;配置一臺IBM N3400的磁盤陣列,8*600GB SAS硬盤作為虛擬化共享存儲,業(yè)務系統(tǒng)虛擬化文件存放在設備中;虛擬化基礎架構的集中管理服務應用vCenter以虛擬機的方式運行,通過虛擬化基礎架構的虛擬交換機配置,實現虛擬網絡與外部物理網絡配置一致,讓虛擬機可以分屬于不同的vlan。

目前先對12個占用資源不高的業(yè)務系統(tǒng)進行虛擬化改造,其中包括病毒庫升級服務器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、資料備份服務器等,同時為對比分析虛擬機和物理機的性能,將提供用戶訪問的兩臺區(qū)域自動站數據庫系統(tǒng)中的一臺進行虛擬化。

通過vCenter,實現2臺ESX服務器的集群(HA和DRS)應用管理,如果其中一臺ESX服務器出現物理故障,其上運行的業(yè)務虛擬機將自動在另一臺ESX服務器重新啟動,實現虛擬化業(yè)務系統(tǒng)的高可用;如果一臺ESX服務器出現計算資源(CPU/內存)不足,通過動態(tài)分配資源(DRS),自動在線遷移其中的業(yè)務虛擬機到另一臺ESX服務器中運行;如果要對虛擬主機硬件或ESX服務器軟件做維護,通過vMotion的動態(tài)遷移功能,把虛擬機從一臺ESX服務器遷移到另一臺ESX服務器中,而不影響實時業(yè)務系統(tǒng)的連續(xù)服務。

同時網絡管理人員通過桌面PC上安裝的vSphere Client軟件,遠程訪問vCenter,管理維護業(yè)務虛擬機及虛擬架構平臺,登錄業(yè)務虛擬機控制臺,遠程安裝維護業(yè)務系統(tǒng),查看業(yè)務虛擬機動態(tài)性能監(jiān)視圖(圖2),查看虛擬主機-存儲-虛擬網絡-業(yè)務虛擬機的關系拓撲圖如圖3所示,查看虛擬主機硬件健康狀態(tài),大大簡化了業(yè)務系統(tǒng)的管理維護工作。

圖1 氣象局業(yè)務系統(tǒng)虛擬化架構圖

圖2 任務與事件

另外,通過這次業(yè)務系統(tǒng)虛擬化建設,實現了業(yè)務系統(tǒng)的數據及系統(tǒng)集中備份,通過VMware提供的存儲快照備份機制DR,實現業(yè)務虛擬機文件的快照備份,同時通過Symantec的Backup Exce實現業(yè)務數據的在線周期性備份,在不停止業(yè)務系統(tǒng)服務的情況下,始終保持業(yè)務數據備份的最新狀態(tài)。

圖3 虛擬化關系拓撲圖

3 采用虛擬化技術的效益分析

3.1 提高服務器的利用率

目前利用 VMware vSphere整合 12臺 x86服務器,由于VMware虛擬機獨立于底層硬件運行,每個VMware虛擬機代表一個具有處理器、內存、網絡、存儲器和BIOS的完整系統(tǒng),因此在相同的硬件上可以同時運行Windows、Linux、Solaris和NetWare操作系統(tǒng)及軟件應用程序,在整合12個獨立運行的工作負載后將服務器內存的利用率提高到現有的峰值53%。圖4中疊加展現了消耗內存和CPU使用排名前10的業(yè)務。圖5中以圖形方式展現虛擬化后整體業(yè)務負載的內存性能。

圖4 vSphere Client性能視圖

3.2 自動化虛擬基礎架構以實現資源的動態(tài)調配

由于不同的應用程序有些受制于內存,有些受制于CPU,而且不同業(yè)務的利用率峰值往往發(fā)生在不同的時間,因此通過 VMware ESX、VMware vCenter Server、VMware VMotion和 VMware DRS,在運行中的虛擬機之間共享物理服務器的資源,起到了資源倍增器的作用,同時提供可用性、資源管理和安全性等特性為實時業(yè)務提供比靜態(tài)物理環(huán)境更高的服務級別。實際運行環(huán)境中,虛擬化的區(qū)域自動站數據庫服務器的并發(fā)訪問測試獲得了和物理機一致的訪問性能。

圖5 vSphere Client內存性能視圖

3.3 最大限度地減少因服務器和操作系統(tǒng)故障造成的停機

從vSphere Client界面中單擊一次即可配置HA以提供故障切換保護,不必進行依賴于操作系統(tǒng)或應用程序的解決方案所需的復雜安裝和配置。由于所有的業(yè)務系統(tǒng)都以快照文件的方式存放,可以實現從操作系統(tǒng)到應用軟件的高可用,同時vSphere Client可以隨時監(jiān)控虛擬機的情況以便檢測操作系統(tǒng)和硬件故障,在檢測到服務器故障時,無需手動干預即可重新啟動資源池中其他物理服務器上的虛擬機。

4 采用VMware vSphere帶來的綠色效益

4.1 從單一控制點管理虛擬基礎架構,減少運維成本

VMware單一控制點管理(管理界面如圖6所示)以虛擬機形式存在的工作負載,實現集中的業(yè)務系統(tǒng)維護管理,通過基于x86的異構操作系統(tǒng)(包括Windows、Linux和Netware系統(tǒng))放在一個虛擬硬件平臺上,利用詳細的性能圖表監(jiān)控和分析虛擬機、資源池以及服務器的利用率和可用性。

圖6 vSphere Client虛擬機統(tǒng)一管理界面

4.2 通過減少硬件降低運維成本

使用VMware vSphere合并整合12臺服務器,每臺服務器每年大約可節(jié)約 8760元電費(雙750w電源,1元/度,按1000w/小時計算)。將硬件成本節(jié)約和其他資金的減少合計起來,對于虛擬化的每一臺服務器,每年節(jié)約超過10000 RMB。此外,一臺業(yè)務系統(tǒng)的虛擬化可以減少2U～4U的物理空間,同時降低熱量的排放,更好的控制機房的溫度,降低對購置空調的需求。

4.3 加快資源部署時間,節(jié)約系統(tǒng)部署時間成本

利用虛擬機模板可以避免重復的安裝和配置任務,可重用的映像使部署新服務器工作負載變得方便快捷。常規(guī)情況下新業(yè)務系統(tǒng)的部署從硬件的上架到操作系統(tǒng)的安裝往往需要好幾個小時,通過虛擬化提供的模板部署只需要十幾分鐘,所花的時間減少多達50%～70%。VMware vSphere可以讓模板反映操作系統(tǒng)和應用程序的最新更新,因此創(chuàng)建的模板將具有更持久的價值。

5 業(yè)務虛擬化實現中需注意的問題

做業(yè)務系統(tǒng)的虛擬化遷移,有多種方式:業(yè)務系統(tǒng)全新安裝配置(適用于安裝配置簡單應用服務器);通過系統(tǒng)冷備份工具如BESR/Acronis等做業(yè)務系統(tǒng)的磁盤映像備份和恢復(適用于數據量不大的業(yè)務服務器系統(tǒng),在許可的停機時間內完成);通過VMWare提供的在線遷移工具Coventer做業(yè)務系統(tǒng)的在線遷移(適用于數據量大的業(yè)務服務器系統(tǒng))。

業(yè)務系統(tǒng)虛擬化遷移,需強調風險防范,虛擬化遷移實施前應先對業(yè)務數據和系統(tǒng)做備份,遷移完成后,盡量保留原業(yè)務服務器狀態(tài)不破壞,并定時備份業(yè)務虛擬機中的業(yè)務數據,經運行一段時間確認沒有問題后,才能確認業(yè)務系統(tǒng)虛擬化遷移成功。

在此次部署中視頻監(jiān)控服務器則采用系統(tǒng)冷備份遷移方式,在業(yè)務系統(tǒng)不啟動的情況下,把業(yè)務系統(tǒng)的磁盤映像備份到移動存儲中,然后恢復到虛擬機中,保證業(yè)務系統(tǒng)狀態(tài)的完全一致性。其他系統(tǒng)大多數采用全新安裝配置,如區(qū)域站的數據庫服務器、資料備份服務器等,均通過模板安裝得到比較穩(wěn)定可靠的業(yè)務系統(tǒng)運行環(huán)境,僅遷移數據庫中的數據。

VMWare的虛擬化遷移工具Coventer,支持Windows和Linux系統(tǒng)的在線遷移,需要在現有的業(yè)務系統(tǒng)中安裝相應的代理,以系統(tǒng)快照的方式把業(yè)務系統(tǒng)的磁盤映像通過網絡復制到業(yè)務虛擬機中,并最終同步所有的系統(tǒng)狀態(tài),完成業(yè)務系統(tǒng)的在線遷移。在線遷移對業(yè)務系統(tǒng)的服務有影響,并要安裝遷移代理,需事前做好業(yè)務系統(tǒng)的系統(tǒng)和數據備份,而且對低版本的LINUX系統(tǒng)如Turbo7.0支持不好。

業(yè)務虛擬機遷移完成后,需要在業(yè)務虛擬機中安裝VMWare Tools工具,可以提高業(yè)務虛擬機的穩(wěn)定性、網絡性能和顯示性能,實現HA中虛擬機運行狀態(tài)監(jiān)測和綠色系統(tǒng)關機。

6 結束語

在業(yè)務系統(tǒng)進行虛擬化后,不僅簡化了日常維護管理,提升業(yè)務服務的連續(xù)性,減少多個單一業(yè)務服務器,提高硬件系統(tǒng)的資源利用率,并且使系統(tǒng)資源可以按需自由調控,無需停機維護,減少業(yè)務中斷時間。尤其新業(yè)務系統(tǒng)測試開發(fā)前期會產生大量的硬件需求,在VMWare平臺上可以非常方便的架設測試環(huán)境,而且相互獨立,部署方便,成為IT基礎架構虛擬化最大的受益者。

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