應(yīng)用服務(wù)器虛擬化技術(shù)優(yōu)化氣象信息系統(tǒng)建設(shè)

陸明典　莫滿堂

摘要：通過分析臺站信息系統(tǒng)應(yīng)用的現(xiàn)狀，引入基于VMware Hypervisor的服務(wù)器虛擬化技術(shù)，簡化臺站基礎(chǔ)架構(gòu)，優(yōu)化氣象信息系統(tǒng)建設(shè)。在虛擬化的基礎(chǔ)上，結(jié)合服務(wù)高可用、雙機容錯等技術(shù)，降低應(yīng)用系統(tǒng)單點故障的風(fēng)險，進一步提高氣象信息系統(tǒng)服務(wù)的可靠性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：氣象；服務(wù)器；虛擬化；高可用

隨著氣象信息應(yīng)用系統(tǒng)的增多，為了管理方便，減少不同系統(tǒng)對運行環(huán)境的復(fù)雜依賴，大多數(shù)的臺站都會考慮為每個應(yīng)用系統(tǒng)配置獨立的硬件服務(wù)器。在這種情況下，絕大多數(shù)服務(wù)器工作方式單一，系統(tǒng)資源利用率不高[1-2]，各個應(yīng)用系統(tǒng)之間缺乏有效溝通，致使數(shù)據(jù)信息難以共享、數(shù)據(jù)備份困難，而且管理成本、機房供電、占地空間、制冷等也隨著服務(wù)器的增多在不斷攀升[3]。因此，如何提高系統(tǒng)資源的利用率、保證應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全、縮短應(yīng)用系統(tǒng)的故障恢復(fù)時間、降低機房能耗，成了臺站信息化建設(shè)值得考慮的一大難題。服務(wù)器虛擬化的出現(xiàn)，為解決以上問題提供了有力保障，一方面可以將多臺物理服務(wù)器進行整合、提高現(xiàn)有設(shè)備的資源利用率，減少機房服務(wù)器數(shù)量、簡化臺站的基礎(chǔ)架構(gòu)，降低管理成本、縮短應(yīng)用交付時間、實現(xiàn)快速自動化部署；而且通過虛擬化集群提供的負(fù)載均衡、服務(wù)高可用、雙機熱備份等方案提高業(yè)務(wù)連續(xù)性、縮短非計劃停機時間[4]，進一步優(yōu)化臺站的氣象信息系統(tǒng)應(yīng)用。

1 服務(wù)器虛擬化

1.1 技術(shù)概述

硬件虛擬化是一種將硬件資源轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖募夹g(shù)。通過該技術(shù)，可以在一臺計算機上以虛擬機的形式運行多個操作系統(tǒng)，且讓這些操作系統(tǒng)覺得自身好像是擁有獨立的硬件設(shè)備，而不是和別的操作系統(tǒng)分享相同的物理硬件設(shè)備。提供這個核心功能的組件Hypervisor，是各種硬件虛擬化技術(shù)的基石，它是運行在物理服務(wù)器和操作系統(tǒng)之間的中間軟件層，可允許多個操作系統(tǒng)和應(yīng)用共享基礎(chǔ)硬件。運行在Hypervisor上的VMM（Virtual Machine Monitor），即虛擬機監(jiān)視器，是一種將單個硬件平臺劃分成一個或多個虛擬機的軟件抽象層，VMM給每一臺虛擬機分配CPU、內(nèi)存和I/O資源，負(fù)責(zé)運行傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)，每一個劃分后的虛擬機的硬件都與位于下層的物理機硬件非常相似，從而實現(xiàn)服務(wù)器的虛擬化[5-7]。

1.2 虛擬化的種類

由于Hypervisor是硬件虛擬化的底層技術(shù)實現(xiàn)，因此，虛擬化的程度、功能和性能極大的取決Hypervisor的架構(gòu)和實現(xiàn)方式。目前Hypervisor主要分為原生及寄居兩種架構(gòu)。所謂原生架構(gòu)，就是Hypervisor本身不需要依賴任何操作系統(tǒng)，或者說Hypervisor本身就是一個操作系統(tǒng)，只是這個操作系統(tǒng)專門為虛擬機服務(wù)；而寄居架構(gòu)，是把Hypervisor看成一個應(yīng)用軟件或者服務(wù)，運行在已安裝好的操作系統(tǒng)上，依賴宿主操作系統(tǒng)進行服務(wù)。

1.2.1 原生架構(gòu)

原生架構(gòu)也稱作裸機虛擬化，在該架構(gòu)中，Hypervisor直接安裝為操作系統(tǒng)，接管所有的硬件資源，負(fù)責(zé)和上層的VM操作系統(tǒng)溝通和資源調(diào)度。其優(yōu)點是穩(wěn)定，Hypervisor的代碼少則幾千行，多的也不超過百兆，因而性能也是比較高的；缺點是對硬件依賴性較強，

Hypervisor往往是針對某一類硬件平臺進行開發(fā)，兼容性較差。原生架構(gòu)的典型產(chǎn)品包括：VMware vSphere、Microsoft Hyper-V、Citrix XenServer、RedHat KVM，以及開源架構(gòu)Xen和Qemm等。

1.2.2 寄居架構(gòu)

相對原生架構(gòu)，寄居架構(gòu)是指將Hypervisor包裝為應(yīng)用軟件，有選擇的安裝在某個操作系統(tǒng)之上。其優(yōu)點是硬件兼容性好，只要是所依賴的操作系統(tǒng)支持的硬件平臺都可以安裝并使用，也由于其寄居在其他操作系統(tǒng)之上，穩(wěn)定性和性能會有所下降，且宿主操作系統(tǒng)出現(xiàn)任何問題都會影響到Hypervisor，導(dǎo)致其上的虛擬機都無法使用。寄居架構(gòu)的典型產(chǎn)品包括：VMware workstation、Microsoft Virtual PC、Oracle VirtualBox、Parallels Virtuozzo Containers等。兩種架構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

1.3 部署適合臺站信息化的虛擬化產(chǎn)品

雖然寄居架構(gòu)的Hypervisor選擇面比原生架構(gòu)產(chǎn)品要多、商業(yè)軟件的授權(quán)費用更為低廉、亦可以選擇免費或開源的軟件產(chǎn)品、操作使用上也更為靈活，但在部署虛擬化時，我們更多的是關(guān)注運行在宿主機上面的虛擬機，而且完成動態(tài)資源分配、動態(tài)遷移、集群、服務(wù)高可用、負(fù)載均衡、熱備等企業(yè)級應(yīng)用方面部署起來較為復(fù)雜。因此，在臺站氣象信息系統(tǒng)的虛擬化過程中不建議采用寄居架構(gòu)的產(chǎn)品，而應(yīng)選擇功能更強大、性能更優(yōu)越、服務(wù)更穩(wěn)定的原生架構(gòu)虛擬化產(chǎn)品，以期提供更好的硬件資源利用率、完善的虛擬機管理平臺和與臺站異構(gòu)環(huán)境集成等。

2 VMware虛擬化實現(xiàn)

2.1 主流虛擬化產(chǎn)品介紹

現(xiàn)階段主流x86原生架構(gòu)的Hypervisor包括VMware vSphere、Microsoft Hyper-V、Citrix XenServer和RedHat KVM。VMware是最早將虛擬化技術(shù)從大型機引入x86架構(gòu)的廠商，在業(yè)界占有較高的市場份額；Hyper-V是微軟提出的一種系統(tǒng)管理程序虛擬化技術(shù)，也是Windows Server2008 R2中的一個角色；Citrix XenServer其核心Xen是劍橋大學(xué)開發(fā)的一個開源Hypervisor，Xen對系統(tǒng)資源的占用是所有主流產(chǎn)品中最小的；RedHat KVM即基于內(nèi)核的虛擬機（Kernel-based Virtual Machine），由Linux內(nèi)核模塊實現(xiàn)[9-13]。

2.2 VMware vSphere虛擬化環(huán)境搭建

vSphere的各個組件均可在VMware網(wǎng)站上下載，搭建VMware vSphere虛擬化環(huán)境，本地至少需要準(zhǔn)備一臺x86硬件服務(wù)器，vSphere高級功能如FT、TXT、VSA和IO直取等對硬件有更為苛刻的要求，部署時要根據(jù)兼容性列表檢查服務(wù)器硬件的配置。ESXi的入門級功能對用戶是免費的，在其網(wǎng)站上可申請到許可證，而高級版本和vCenter Server也提供了60天的試用期，足以評估虛擬化技術(shù)在氣象信息系統(tǒng)應(yīng)用上的改善效果。

2.2.1 安裝并使用ESXi

安裝ESXi的步驟與常規(guī)安裝操作系統(tǒng)的步驟基本一致，只需將下載的ISO文件刻錄成光盤，然后從光驅(qū)引導(dǎo)啟動服務(wù)器，在安裝程序指引下，配置存儲、網(wǎng)絡(luò)地址和管理員密碼即可完成，一個基本的虛擬化環(huán)境也就此創(chuàng)建完畢。在一臺Windows終端上安裝vSphere Client，通過網(wǎng)絡(luò)訪問ESXi主機，即可將Micaps服務(wù)器、公共氣象服務(wù)信息發(fā)布管理系統(tǒng)、SWAN服務(wù)器、OA辦公自動化系統(tǒng)等進行虛擬化遷移和應(yīng)用。

2.2.2 安裝vCenter

使用vSphere Client訪問ESXi主機，只能對虛擬機做簡單創(chuàng)建、啟動、修改、刪除等基本操作。vCenter將多臺計算服務(wù)器的資源統(tǒng)一為集群，使得這些資源能夠在數(shù)據(jù)中心環(huán)境中的虛擬機之間實現(xiàn)共享，還可管理虛擬機在計算服務(wù)器上的分配，以及資源到給定計算服務(wù)器內(nèi)虛擬機的分配，并提供更全面的數(shù)據(jù)中心管理功能。

在安裝好Windows Server2008 R2的服務(wù)器上，放入vCenter的安裝光盤，在安裝程序引導(dǎo)下，配置數(shù)據(jù)庫和管理口令，對大部分的縣市級應(yīng)用系統(tǒng)，選擇中小規(guī)模部署即可，完成安裝后，通過vSphere Client訪問vCenter，在主頁上即可看到主機、網(wǎng)絡(luò)、集群和分布式應(yīng)用等豐富的數(shù)據(jù)中心管理功能。

3 虛擬化的高級應(yīng)用

上述部署好ESXi主機和vCenter之后，一個虛擬化的氣象信息系統(tǒng)業(yè)已構(gòu)建起來，但由于數(shù)據(jù)和計算資源都集中在一臺主機上，一旦主機發(fā)生硬件故障，業(yè)務(wù)仍然會出現(xiàn)較長時間的中斷，配置兩臺以上的計算服務(wù)器和獨立存儲系統(tǒng)，可以大大加強系統(tǒng)的可靠性。

3.1 創(chuàng)建數(shù)據(jù)中心

在vCenter Server中先創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)中心，然后創(chuàng)建集群，依次添加ESXi主機，創(chuàng)建或遷移來自物理服務(wù)器的虛擬機，即可完成一個虛擬化集群的應(yīng)用。虛擬化氣象數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用如圖2所示：

3.2 服務(wù)高可用

創(chuàng)建集群的目的，是為了降低單點故障對業(yè)務(wù)系統(tǒng)的影響，服務(wù)高可用的定義是保護要求24小時在線的應(yīng)用系統(tǒng)，但可以允許有短暫的停機時間。vCenter在激活HA功能后，會在加入集群的主機中安裝HA代理，代理通過心跳網(wǎng)絡(luò)嗅探其他主機的運行狀態(tài)，當(dāng)心跳探測失敗時，主機根據(jù)算法釋放其管理的虛擬機，其他主機探測到共享存儲中的虛擬機文件已被解鎖，會將虛擬機重啟并納入其自身對外提供服務(wù)，從而實現(xiàn)服務(wù)高可用功能[16]。

根據(jù)主機的性能，在配置集群時勾選“打開vSphere HA”、調(diào)整集群中允許故障的主機數(shù)量、配置啟用HA的虛擬機，即可實現(xiàn)氣象信息系統(tǒng)的服務(wù)高可用。這里我們分別打開了氣象數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)、SWAN服務(wù)器、OA辦公自動化系統(tǒng)和氣象資料文件服務(wù)器的服務(wù)高可用。

3.3 容錯應(yīng)用

現(xiàn)有的氣象信息系統(tǒng)中，最重要的應(yīng)用包括Micaps服務(wù)器、公共氣象服務(wù)信息發(fā)布管理平臺以及對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，由于服務(wù)高可用在探測到觸發(fā)執(zhí)行過程中，會出現(xiàn)短暫的服務(wù)中斷，為了確保上述應(yīng)用不間斷，需要為其部署雙機熱備份。Fault Tolerance使用VMware vLockstep技術(shù)實現(xiàn)雙機熱備，虛擬機啟用FT后，會在集群的另一臺主機上創(chuàng)建一個相同的輔助虛擬機，vLockstep捕獲主虛擬機上發(fā)生的輸入和事件，并將這些輸入和事件發(fā)送給輔助虛擬機，兩臺虛擬機一起以虛擬鎖步方式運行并持續(xù)交換檢測信號，其中一臺故障時，主機都可以無中斷地接管任意IO和事件的執(zhí)行，從而提供容錯保護。

創(chuàng)建虛擬機后，單擊右鍵，選擇“Fault Tolerance”，“打開Fault Tolerance”即可打開容錯應(yīng)用。

3.4 虛擬機備份與還原

vSphere將虛擬機封裝成虛擬機磁盤格式文件即VMDK，在虛擬機運行期間，VMDK是不斷在變化的，此時復(fù)制VMDK文件并不能完成虛擬機的備份，一旦VMDK出現(xiàn)錯誤或損壞，將導(dǎo)致虛擬機無法工作并出現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)丟失，因此，做好虛擬機的備份，也是確保應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全的必要操作。VMware Data Recovery是實現(xiàn)虛擬機自動化備份的一種實現(xiàn)方式，VDR基于vCenter提供服務(wù)，執(zhí)行備份時，首先創(chuàng)建虛擬機文件快照，然后將快照文件克隆至目標(biāo)存儲設(shè)備，實現(xiàn)磁盤數(shù)據(jù)級別的虛擬機備份和恢復(fù)。

在運行vSphere Client的客戶機上，放入VDR安裝光盤，根據(jù)安裝向?qū)瓿蒝DR插件的安裝，完成后使用vSphere Client重新連接vCenter，在“解決方案和應(yīng)用程序”一欄可以看到VDR插件已經(jīng)安裝成功，再通過部署OVF模板的方式安裝導(dǎo)入VDR，根據(jù)向?qū)渲肰DR虛擬機，在vSphere Client上通過插件連接VDR，就可以創(chuàng)建虛擬機的備份或還原任務(wù)。

至此，一個完整的氣象信息系統(tǒng)虛擬化應(yīng)用已構(gòu)建完成，還可以嘗試將更多的物理系統(tǒng)遷移至虛擬化環(huán)境中，或者擴展為臺站氣象私有云應(yīng)用。

4 結(jié)束語

服務(wù)器虛擬化技術(shù)能夠帶來諸多好處，利用該技術(shù)優(yōu)化氣象信息系統(tǒng)的建設(shè)是可行的。一方面能夠在一定程度上減少服務(wù)器的數(shù)量，提高服務(wù)器的資源利用率，降低臺站中心機房的維護成本；另一方面也提高了應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。臺站在實施過程中，可以充分利用現(xiàn)有的硬件設(shè)備，配合FreeNAS、Openfiler等軟件搭建多個iSCSI存儲系統(tǒng)，用于構(gòu)建低成本、高可用的虛擬化環(huán)境，因為購置高性能服務(wù)器、組建SAN環(huán)境的成本較高，且當(dāng)可虛擬化的服務(wù)器達(dá)到一定數(shù)量后，虛擬化方案才有比較可觀的效益回報。

在部署服務(wù)器虛擬化時，還需檢查應(yīng)用系統(tǒng)外接的設(shè)備可否被虛擬機所支持，綜合考慮各個系統(tǒng)的應(yīng)用規(guī)模，避免將頻繁讀寫的應(yīng)用放到同一臺宿主機或同一個存儲資源池、避免一臺宿主機上承載太多的虛擬機等，以免事倍功半。以佛山局為例，通過部署虛擬化，我們縮減了十多臺物理服務(wù)器，降低能耗、簡化了網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的維護管理，基于虛擬化環(huán)境中的高可用和定時備份，將信息系統(tǒng)的單點故障將至最低，使得各類業(yè)務(wù)應(yīng)用的穩(wěn)定性和可靠性得到明顯的提升，依托這些穩(wěn)定的系統(tǒng)，為各類氣象服務(wù)提供強有力的支持和保障。

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作者簡介：陸明典（1984年生），男，助理工程師，學(xué)士，主要從事氣象信息網(wǎng)絡(luò)和軟件開發(fā)等方面的研究。