基于虛擬化的云計算數(shù)據(jù)中心整體解決方案

馬錫坤，楊國斌，于京杰

南京軍區(qū)南京總醫(yī)院a.信息科；b.醫(yī)務(wù)部，江蘇 南京 210002

虛擬化和云計算是近年來在IT界廣為流傳的術(shù)語。數(shù)據(jù)中心要實現(xiàn)云計算，虛擬化是一個重要的基礎(chǔ)，虛擬化本身并不是云計算，而是走向云計算的途徑之一。虛擬化讓數(shù)據(jù)中心的計算能力更具有伸縮性，供給也更為靈活，從而可以更好地為云計算服務(wù)[1]。面向云計算的數(shù)據(jù)中心使用“池”的概念，每個池均可實現(xiàn)動態(tài)的資源調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬資源池中資源的動態(tài)調(diào)度，以達到調(diào)度過程中充分利用資源的能力。

1 虛擬化和云計算概述

1.1 虛擬化

虛擬化是一個廣義的術(shù)語，是指計算在虛擬的基礎(chǔ)上而不是真實的基礎(chǔ)上運行，是一個為了簡化管理、優(yōu)化資源的解決方案[2]。虛擬化技術(shù)可以擴大硬件的容量，簡化軟件的重新配置過程，把有限的固定的資源根據(jù)不同需求進行重新規(guī)劃以達到最大利用率。虛擬化是業(yè)務(wù)系統(tǒng)和IT硬件設(shè)備間的一次重要解耦，通過虛擬化后業(yè)務(wù)系統(tǒng)和虛擬資源映射，虛擬資源再和實際物理資源映射，實際的物理資源對業(yè)務(wù)系統(tǒng)變成黑盒，在邏輯層形成標準化的虛擬資源池。

由于虛擬化技術(shù)能夠通過資源共享與合并來提高效率并降低成本，它已經(jīng)被迅速地應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心與其他設(shè)備上。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，單個應(yīng)用至少占用1臺物理的計算機資源，這使得大量的計算資源得不到利用。擴展應(yīng)用時，必須要考慮要選購的物理機器和 CPU 資源，這使得一些應(yīng)用被擱置。利用虛擬化，可以在1臺物理機上運行多個虛擬機，可在多個環(huán)境間共享這一臺計算機的資源。不同的虛擬機可以在同一臺物理機上運行不同的操作系統(tǒng)以及多個應(yīng)用程序[3]。

1.2 云計算

云計算已成為 IT 業(yè)一個新的發(fā)展趨勢。云計算將計算任務(wù)分布在大量的資源池上，使各種應(yīng)用系統(tǒng)能夠通過網(wǎng)絡(luò)根據(jù)需要獲取計算力、存儲空間和各種軟件服務(wù)。所謂云，就是提供資源的網(wǎng)絡(luò)是一些能自我管理和維護的虛擬計算資源。將其稱謂云，既是對那些分布在網(wǎng)絡(luò)中的成千上萬臺電腦和服務(wù)器連接成一片電腦云的比喻，也是指代數(shù)據(jù)的計算過程被隱匿起來，由服務(wù)器按需要，從整個大云中“雕刻”出所需要的那一朵[4]。

云計算的實質(zhì)是將計算、應(yīng)用和服務(wù)作為一種公共設(shè)施提供給公眾，使人們能夠隨時隨地根據(jù)自己的需要來使用計算機資源。云計算的一個核心理念就是通過不斷提高“云”的處理能力，進而減少用戶終端的處理負擔(dān)，最終使用戶終端簡化成一個單純的輸入輸出設(shè)備，并能按需享受“云”的強大計算處理能力。“云”中的資源在使用者看來是可以無限擴展的，并且可以隨時獲取，按需使用，隨時擴展，按使用付費[5]。

1.3 虛擬化和云計算的關(guān)系

虛擬化實現(xiàn)了IT資源的邏輯抽象和統(tǒng)一表示，在大規(guī)模數(shù)據(jù)中心管理和解決方案交付方面發(fā)揮著巨大的作用，是支撐云計算偉大構(gòu)想的最重要的技術(shù)基石[6]。云計算的特征體現(xiàn)在虛擬化、分布式和動態(tài)可擴展。虛擬化，是云計算最主要的特點，每一個應(yīng)用部署的環(huán)境和物理平臺是沒有關(guān)系的。通過虛擬平臺進行管理、擴展、遷移、備份，各種操作都通過虛擬化層次完成；動態(tài)可擴展是指通過動態(tài)擴展虛擬化的層次，進而達到對以上應(yīng)用進行擴展的目的；分布式是指計算所使用的物理節(jié)點是分布的。

從云計算的最重要的虛擬化特點來看，可以把各種IT資源、軟件、硬件、操作系統(tǒng)和存儲網(wǎng)絡(luò)等要素都進行虛擬化，放在云計算平臺中統(tǒng)一管理。通過虛擬化形成標準化的虛擬資源池，解決數(shù)據(jù)中心資源的整合問題，在整合過程中對計算、存儲等各種資源進行標準化。虛擬化技術(shù)打破了物理結(jié)構(gòu)之間的壁壘，代表著把物理資源轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嬁晒芾碣Y源的必然趨勢。所有的資源都透明地運行在各種物理平臺上，資源的管理都將按邏輯方式進行，完全實現(xiàn)資源的自動化分配，而虛擬化技術(shù)則是實現(xiàn)這一理想的唯一工具。

2 云計算數(shù)據(jù)中心解決方案

2.1 云計算數(shù)據(jù)中心的產(chǎn)生

隨著信息化建設(shè)的發(fā)展，以及對數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)挖掘、高性能計算需求的不斷增長，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模變得越來越大，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心建設(shè)模式已經(jīng)無法滿足這種變化。必須有一種高度整合統(tǒng)一、能夠靈活擴充、按需分配，并且性能優(yōu)越的數(shù)據(jù)中心來滿足需求。云計算交付模式以及新一代數(shù)據(jù)中心建設(shè)就是在這種需求中誕生的，其虛擬化技術(shù)應(yīng)用水平不斷提高，幾乎所有新建和改造的大型數(shù)據(jù)中心都開始使用或研究虛擬化技術(shù)。

新一代數(shù)據(jù)中心將所有設(shè)備和系統(tǒng)資源池化，利用統(tǒng)一計算系統(tǒng)、統(tǒng)一存儲系統(tǒng)、統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，分別構(gòu)建計算池、存儲池、網(wǎng)絡(luò)池，其整體架構(gòu)拓撲圖，見圖1。實現(xiàn)整個數(shù)據(jù)中心網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)向虛擬化結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，所有的應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流全部與硬件系統(tǒng)無關(guān)，簡化了整個數(shù)據(jù)中心的邏輯架構(gòu)，使得數(shù)據(jù)中心的管理、運維更加簡單和高效。所有的應(yīng)用系統(tǒng)全部處于虛擬化程序的保護之下，在任何設(shè)備出現(xiàn)不穩(wěn)定、故障的情況下，都可以保證應(yīng)用系統(tǒng)的高效、可用。統(tǒng)一交換和虛擬化是新一代數(shù)據(jù)中心最關(guān)鍵的兩個技術(shù)，其虛擬化技術(shù)不是將一臺服務(wù)器變成多臺這么簡單，它涉及計算虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等[7]。

圖1 數(shù)據(jù)中心整體架構(gòu)拓撲圖

2.2 云計算數(shù)據(jù)中心的組成

2.2.1 統(tǒng)一計算系統(tǒng)

將統(tǒng)一計算系統(tǒng)顛覆了傳統(tǒng)刀片服務(wù)器架構(gòu)，展現(xiàn)出了一種新穎的觀念，將計算能力、聯(lián)網(wǎng)、存儲器和管理都整合到一個由各種廠商的硬件和軟件綜合而成的平臺上。統(tǒng)一計算的作用是，通過突破計算、存儲、虛擬化和網(wǎng)絡(luò)平臺間的孤井集成來消除人工集成。虛擬化與統(tǒng)一計算系統(tǒng)共同組成了數(shù)據(jù)中心的計算節(jié)點，利用虛擬化，統(tǒng)一計算系統(tǒng)可以整合工作負載，提高利用率。對于虛擬化部署來說，只有在應(yīng)用程序運行在一個或多個統(tǒng)一的服務(wù)器資源池時，才能最好地發(fā)揮自身的作用。傳統(tǒng)的服務(wù)器和虛擬化部署是分離的，這顯然不利于整體資源的應(yīng)用。而統(tǒng)一計算平臺的整體打造則能夠?qū)⑦@種問題解決。

思科的統(tǒng)一計算系統(tǒng)采用了10G FCoE技術(shù)，消除了虛擬化部署所擔(dān)心的I/O瓶頸問題；并且通過內(nèi)存擴展技術(shù)將服務(wù)器的內(nèi)存擴展到384G，海量內(nèi)存擴展技術(shù)使服務(wù)器為虛擬化架構(gòu)提供更高的性能，搭建數(shù)據(jù)中心時花費更少的費用；通過虛擬化軟件的HA和Vmotion功能，能夠?qū)⒇撦d在虛擬池中進行遷移，徹底消除了正常和非正常的系統(tǒng)停機，確保所有應(yīng)用系統(tǒng)的高可用性；另外通過SAN Boot技術(shù)，將所有虛機放在存儲系統(tǒng)中，使刀片服務(wù)器真正成為“無狀態(tài)”計算節(jié)點，無狀態(tài)運算技術(shù)使得物理機的遷移成為可能，從而使數(shù)據(jù)中心的管理更加靈活，虛擬服務(wù)器的安全性更高。

2.2.2 統(tǒng)一存儲系統(tǒng)

統(tǒng)一存儲，實質(zhì)上是一個可以支持基于文件的網(wǎng)絡(luò)附加存儲以及基于數(shù)據(jù)塊的網(wǎng)絡(luò)附加存儲的網(wǎng)絡(luò)化的存儲架構(gòu)。這些多協(xié)議系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)連接口或者光纖通道連接到服務(wù)器上。在云計算數(shù)據(jù)中心部署統(tǒng)一存儲系統(tǒng)，可以規(guī)劃整體存儲容量，省去對文件存儲容量以及數(shù)據(jù)塊存儲容量的單獨考慮。用戶可以在無需知道應(yīng)用是否需要數(shù)據(jù)塊或者文件數(shù)據(jù)訪問的情況下，自由分配存儲來滿足應(yīng)用環(huán)境的需要，提高存儲資源池的靈活性。統(tǒng)一存儲系統(tǒng)可以滿足用戶的各種需求，所有的應(yīng)用程序都可以使用同一套存儲系統(tǒng)，并且可以支持所有的存儲訪問協(xié)議，包括此前所有的和未來的主流協(xié)議，用戶不必擔(dān)心該存儲系統(tǒng)無法支持或者兼容此前的應(yīng)用系統(tǒng)或者今后的應(yīng)用系統(tǒng)。

在很多時候，用戶在部署服務(wù)器虛擬化環(huán)境時都會因為性能方面的要求而對基于數(shù)據(jù)塊的裸設(shè)備映射提出要求。統(tǒng)一存儲為用戶如何購買存儲虛擬機提供了選擇，而無需像之前那樣分別購買存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)附件存儲設(shè)備。高存儲控制器配置提升了整套存儲系統(tǒng)的性能。并且通過對固態(tài)盤的優(yōu)化，采用固態(tài)磁盤虛擬緩存方式，大幅度提升整個存儲系統(tǒng)的緩存命中率，尤其是在虛擬化架構(gòu)下，效果更加明顯。以較低的成本，消除了整個數(shù)據(jù)中心的性能瓶頸。采用自動分層技術(shù)，存儲系統(tǒng)后臺自動調(diào)整數(shù)據(jù)存放位置，優(yōu)化存儲訪問方式[8]。

2.2.3 統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

目前，絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)仍然主要依賴以太網(wǎng)，而光纖通道（FC）網(wǎng)絡(luò)主要用于存儲系統(tǒng)。隨著10GB以太網(wǎng)的成熟，基于以太網(wǎng)的光纖通信技術(shù)（FCoE）和新的無損10GB以太網(wǎng)技術(shù)開始在數(shù)據(jù)中心流行，使用統(tǒng)一的以太網(wǎng)整合FC-SAN存儲數(shù)據(jù)流和普通數(shù)據(jù)流，該網(wǎng)絡(luò)融合讓數(shù)據(jù)中心能夠保持FC存儲的現(xiàn)有投資，能夠把LAN、SAN和Infiniband等整合為一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從而大幅度降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的復(fù)雜度和成本，并且在技術(shù)層面實現(xiàn)更高的帶寬、更低的延遲、更好的安全性和可管理性。

系統(tǒng)將虛擬機到虛擬機通信所需的交換機精簡為一個互聯(lián)陣列，支持虛擬機間的所有網(wǎng)絡(luò)流量傳輸，而無論虛擬機位于何處，都為網(wǎng)絡(luò)流量提供了單一控制和管理點。因此，無需在刀片服務(wù)陣列中部署交換機，而是使用陣列擴展模塊，其邏輯上是互聯(lián)陣列的一部分。將所有流量從刀片服務(wù)器傳輸?shù)缴嫌位ヂ?lián)陣列，無需使用軟件交換機，虛擬機直接連接到物理網(wǎng)卡，采用直通交換或采用Hypervisor-bypass技術(shù)對其進一步加速。

根據(jù)現(xiàn)有服務(wù)器的接入需求，并預(yù)留合理的端口接入數(shù)量（數(shù)據(jù)中心部署思科新一代Nexus核心交換機），不但能滿足在大規(guī)模采用服務(wù)器虛擬化后對核心交換機高端口數(shù)量、性能、功能的要求，也能通過網(wǎng)絡(luò)虛擬化最大程度發(fā)揮服務(wù)器虛擬化的優(yōu)勢，從而進一步保障數(shù)據(jù)中心安全可靠地運行。思科新一代Nexus核心交換機能通過虛擬化技術(shù)將核心、匯聚、接入的功能融為一體并直接連接服務(wù)器，這種架構(gòu)不但結(jié)構(gòu)簡單、管理方便、安全可靠，而且充分節(jié)省了空間和布線，為各種應(yīng)用服務(wù)的擴展提供了有力的支撐。

2.3 云計算數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)步驟

實現(xiàn)云計算數(shù)據(jù)中心分為整合、虛擬化、自動化等3個階段性步驟。第一步：整合，整合就是將智能網(wǎng)絡(luò)所需的各種資源實現(xiàn)整合。資源整合的目標是便于被調(diào)用，網(wǎng)絡(luò)成為各種資源整合和調(diào)度的公共接口。第二步：虛擬化，虛擬化是將已整合在一體的資源以一種與物理位置和狀態(tài)無關(guān)的方式進行組織，實現(xiàn)自由的跨平臺資源調(diào)用。通過虛擬化，方便對整合后的資源進行高效調(diào)度。第三步：自動化，高度整合和虛擬化基礎(chǔ)上的自動化，把虛擬化的資源以一種動態(tài)的最優(yōu)化方式由系統(tǒng)自動根據(jù)業(yè)務(wù)需求來調(diào)用；根據(jù)用戶指定的內(nèi)容快速分配資源，加速實現(xiàn)應(yīng)用程序的可用性，實現(xiàn)業(yè)務(wù)部署的自動化。

3 云計算數(shù)據(jù)中心的發(fā)展

在數(shù)據(jù)中心部署虛擬化可對資源整合管理，提高服務(wù)保障水平，降低管理費用[9]；改善資源分配，提高資源利用率；提高設(shè)備可用性，增強系統(tǒng)可移植性，降低單點故障；減少電力消耗，節(jié)約能源，減少運行成本；減少硬件資金投入和機房空間占用。服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)等資源形成的虛擬架構(gòu)猶如一臺超級計算機，使最終用戶從關(guān)心單個服務(wù)器或存儲產(chǎn)品的性能轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)心虛擬化解決方案的整體性能。

基于虛擬化的云計算數(shù)據(jù)中心將會呈現(xiàn)以下幾個發(fā)展趨勢：首先是網(wǎng)絡(luò)的融合與統(tǒng)一交換。隨著FCoE國際標準的逐步普及和實施，在新一代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，存儲網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器集群網(wǎng)絡(luò)等多個業(yè)務(wù)最終都將承載在以太網(wǎng)上，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的融合架構(gòu)和統(tǒng)一交換，使得數(shù)據(jù)中心具備更好的性能、更低的成本和更高的安全可靠性。其次，隨著IEEE802.3ba 40G/100G標準的正式發(fā)布，100G將成為大型數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)規(guī)模部署的新標準。第三，虛擬化特性將表現(xiàn)得更為明顯。通過虛擬化技術(shù)，各種資源能夠被合理地利用，提高了物理設(shè)備的利用效率，同時也增加了各種業(yè)務(wù)部署的靈活性，最終通過云調(diào)度系統(tǒng)來協(xié)調(diào)各種業(yè)務(wù)的使用和遷移。最后，低碳節(jié)能對新一代數(shù)據(jù)中心越來越重要，在這方面有突出表現(xiàn)的產(chǎn)品將會格外得到用戶的青睞。

[1]朱潔蘭.淺議如何構(gòu)建新一代數(shù)據(jù)中心[J].福建電腦,2008,(10):9-10.

[2]田豐,朱紅斌.淺談虛擬化與虛擬化IT架構(gòu)[J].福建電腦,2011,(1):64-65.

[3]周鐵成.虛擬化技術(shù)在數(shù)據(jù)中心架構(gòu)中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代計算機(專業(yè)版),2009,(4):88-89.

[4]焦強,陳曙.云計算技術(shù)在醫(yī)藥行業(yè)中的應(yīng)用[J].藥學(xué)進展,2011,35(3):110-116.

[5]高林,宋相倩,王潔萍.云計算及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].微型機與應(yīng)用,2011,30(10):5-7.

[6]陳云忠,曹定舟,許源.淺析基于云計算的區(qū)域衛(wèi)生信息系統(tǒng)的構(gòu)建[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2011,26(9):57-60.

[7]石家亮.基于虛擬化技術(shù)的數(shù)據(jù)中心解決方案[J].電腦知識與技術(shù),2010, 6(21):5667-5669.

[8]馬錫坤,于京杰,楊國斌.存儲虛擬化技術(shù)在醫(yī)院信息系統(tǒng)平臺中的作用[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2011,26(10):39-40.

[9]李英壯,廖培騰,孫夢,等.基于云計算的數(shù)據(jù)中心虛擬機管理平臺的設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理,2011,28(5):1-3.