虛擬化技術在云計算數(shù)據(jù)中心中的應用研究

王小軍　朱祎

摘要：通過對云計算數(shù)據(jù)中心提高資源利用率和用戶QOS的需求進行分析，圍繞其中的關鍵技術虛擬化技術，從服務器虛擬化、網(wǎng)絡虛擬化、存儲虛擬化三個方面進行總結，針對云計算平臺建立其可用性模型，分析了IAAS，PAAS，SAAS三種云服務模式的可用性計算方法，最后通過實驗驗證了云計算可用性參考模型適用于常見的云服務模式。

關鍵詞：虛擬化；云計算；數(shù)據(jù)中心；可用性

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）04-0677-03

1 概述

目前數(shù)據(jù)中心的規(guī)模迅速發(fā)展，根據(jù)Netcraft服務器數(shù)量報告，Akamai Technology達到10.5萬臺，OVH達到10萬臺，Google根據(jù)能耗估計約90萬臺?？焖侔l(fā)展的數(shù)據(jù)中心正面臨著用戶需求多、能耗高、運維成本高、安全性差等的突出問題[1]。因此，數(shù)據(jù)中心需要采用新的技術，來實現(xiàn)降低成本，提高資源利用率和系統(tǒng)可靠性的目的。

云計算概念從提出之初，其目標非常明確，即利用虛擬化技術整合現(xiàn)有零散資源為可擴展的動態(tài)資源，以網(wǎng)絡為載體提供硬件基礎設施、運行平臺、業(yè)務功能軟件等形式的自動化服務，而用戶利用網(wǎng)絡便可以以低廉的價格、良好的服務質量保證（QOS）、按需地獲得資源和服務。其具有按需服務、廣泛的網(wǎng)絡接入、資源共享、彈性計算、服務可度量的特征[2]，目前云計算研究中關注的熱點主要包括提高資源利用率、節(jié)約能源、降低運行成本、云計算安全等。

云計算數(shù)據(jù)中心，要求資源能夠被統(tǒng)一調度、網(wǎng)絡可擴展、系統(tǒng)高可靠、運維自動化。虛擬化技術對底層硬件資源進行抽象，對上層應用程序透明，其通過整合零散的資源為虛擬可管理的動態(tài)資源，從而實現(xiàn)資源的按需管理，提高動態(tài)資源的利用率。因此虛擬化技術是推動數(shù)據(jù)中心發(fā)展的核心技術。

2 虛擬化技術

數(shù)據(jù)中心硬件主要包括服務器，存儲和網(wǎng)絡。因此虛擬化技術也分為三個部分，分別為服務器虛擬化技術、存儲虛擬化技術、網(wǎng)絡虛擬化技術。

2.1 服務器虛擬化

服務器虛擬化的目標是提高服務器資源的利用率，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的綠色節(jié)能。從技術實現(xiàn)方案來說，可以大致分為操作系統(tǒng)級虛擬化（OS-Level）、主機虛擬化（Hosted）、裸金屬虛擬化（Bare-Metal）[3]。

操作系統(tǒng)級虛擬化是在操作系統(tǒng)中模擬出一個運行應用程序的容器VE（Virtual Environment），所有虛擬機共享內核空間，性能最好，耗費資源最少，缺點是操作系統(tǒng)強關聯(lián)性，如基礎操作系統(tǒng)為Windows，虛擬機系統(tǒng)只能是Windows。代表產(chǎn)品有Parallels公司的Virtuozzo（商用產(chǎn)品）和OpenVZ（開源項目）。

主機虛擬化技術引入虛擬機管理層Virtual Machine Monitor（VMM），構建出基本的虛擬硬件平臺，達到虛擬化系統(tǒng)的獨立性。Hosted虛擬化中VMM需要管理所有資源的調度，因此虛擬化性能較差，主要適用于個人用戶和測試環(huán)節(jié)。代表產(chǎn)品有VMware Workstation、Microsoft Virtual PC、Virtual Server、Oracle Virtual Box等。

裸金屬虛擬化技術采用VMM代替操作系統(tǒng)直接管理硬件資源的方式，這種管理硬件資源方式的性能處于主機虛擬化與操作系統(tǒng)虛擬化之間，裸金屬虛擬化技術的代表產(chǎn)品有VMware公司的Vsphere Esxi系列產(chǎn)品 、微軟公司的Microsoft Hyper-V系列產(chǎn)品和思杰公司的Citrix XenServer系列產(chǎn)品，以上虛擬化技術比較成熟，在金融、證券、互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)的生成環(huán)境中大量被使用。

2.2 網(wǎng)絡虛擬化

網(wǎng)絡虛擬化的是利用物理網(wǎng)絡資源在邏輯上劃分出各自獨立的虛擬網(wǎng)絡，達到以滿足多租戶權限分離、自由管控邏輯網(wǎng)絡、網(wǎng)絡流量隔離的網(wǎng)絡技術發(fā)展方向。虛擬局域網(wǎng)（VLAN）由于4096個邏輯網(wǎng)絡的限制，很難滿足由大量虛擬機構成的大二層網(wǎng)絡的網(wǎng)絡需求[4]。

在虛擬化產(chǎn)品中，VMware等虛擬化廠商就提出了Vswitch的概念通過軟件交換機解決同一臺物理服務器內部的VM二層網(wǎng)絡互訪，跨物理服務器的VM二層互訪轉發(fā)給傳統(tǒng)的接入層交換機去處理。但Vswitch部署帶來兩個問題，一是對于VSwitch的管理問題，Vswitch是在服務器中進行部署，模糊了網(wǎng)絡管理和服務器管理的界限；二是Vswitch的性能問題，由于同一臺物理機的VM二層流量還是由服務器的CPU來處理，不符合虛擬化提高資源性能的利用率的要求。

為解決虛擬交換機的管理問題，Cisco首先提出了Nexus1000V技術架構。通過部署Nexcus1000V軟件，配置管理層面的虛擬化，像管理物理交換機一樣管理Vswtich，實現(xiàn)對傳統(tǒng)VSwitch的功能擴展，但該產(chǎn)品也只解決了網(wǎng)絡和服務器管理的邊界問題，同時還對服務器性能有一定的影響。

為了解決性能問題，IEEE （Institute of Electrical and Electronics Engineers）標準組織提出了802.1Qbg EVB（Edge Virtual Bridging）和802.1Qbh BPE（Bridge Port Extension）兩個標準，目前Cisco采用FEX+VN-Link（包括vNIC，vETH，Port Profile）技術實現(xiàn)了802.1Qbh標準體系。

2.3 存儲虛擬化

存儲虛擬化的定義為利用存儲系統(tǒng)的內部系統(tǒng)對計算、網(wǎng)絡和應用資源進行進一步抽象和隔離，目的是實現(xiàn)獨立于數(shù)據(jù)管理、應用程序和網(wǎng)絡的邏輯上統(tǒng)一的存儲資源[5]。

在虛擬運行環(huán)境下，為虛擬平臺提供虛擬存儲設備主要包括下面4種方式：1）基于網(wǎng)絡存儲協(xié)議（Network Storage Protocol），包括并行文件系統(tǒng)、NFS、OCFS2等方式。這種方式需要高可靠的網(wǎng)絡支持，缺點是穩(wěn)定性和性能不高。2）物理硬盤（含分區(qū)），包括SAN磁盤， iSCSI 磁盤等。這種方式缺點是存儲空間容量大小不易調整。3）基于虛擬磁盤鏡像文件的方式，目前常見的鏡像文件格式有vmdk、 vhd、img等格式。這種方式的優(yōu)點是可以通過配置文件靈活配置鏡像文件屬性。4）基于邏輯卷的方式，可以動態(tài)地增減容量的大小，支持 Snapshot、條帶化、提高IO并行性能等屬性，目前邏輯卷管理工具主要有基于Linux內核自帶的LVM、HP-LVM、EVMS、VxVM等邏輯卷管理工具。endprint

3 云計算可用性參考模型

根據(jù)Berkeley對云計算模型的定義，可以分為基礎架構平臺IAAS（Infrastructure as a service），平臺服務PAAS（Platform as a service），業(yè)務軟件SAAS（Software as a Service）三層結構[6]，其中IAAS主要關注網(wǎng)絡架構和虛擬化技術，提供基礎架構服務，PAAS主要面向應用開發(fā)，提供開發(fā)平臺服務，SAAS面向終端用戶，提供軟件產(chǎn)品服務。

據(jù)Gartner2013年公有云市場份額將會增長18%，達到1310億美金，在IAAS方面，增長速度為47.3%，市場份額為90億美元，隨著越來越多的企業(yè)把基礎架構、應用和業(yè)務數(shù)據(jù)遷移到云計算平臺，對云服務提供商的服務質量QOS（Quality Of Service）提出了越來越高要求。

3.1 云計算可用性模型

云計算可用性模型（Cloud Computing Model，CCM）如圖1所示，模型中共分為三個部分，分別為基礎架構層（Infrastructure Layer，IL），云計算服務層（Service Layer，SL），用戶層（User Layer，UL），可表示為CCM={IL，SL，UL}。

其中基礎架構層由計算資源，存儲資源和網(wǎng)絡資源組成

定義1：AU（Availability Unit）：相連兩層之間，為上層提供服務里的最小服務單元，是云計算服務的最小單位。同一層中多個AU之間互相獨立，互不影響。

定義2：AS（Availability Set）：同一層中，多個AU聯(lián)合，對外提供同一個服務，如負載均衡服務（Load Balance Service，LBS），高可用服務HA（High Availability）。

定義3：DA（Deploy Availability）：業(yè)務部署后的可靠性，與提供服務的多層次的AU和AS相關，如一個SAAS服務利用第三方的PAAS和IAAS提供服務。

定義4：AU的云計算服務的最小單位，假設其獨立可靠性是個常數(shù)λ。

由定義2，當所有AU都失效的情況下，AS才失效，因此AS的部署可靠性可表示為：

根據(jù)圖1所示，SAAS業(yè)務由兩個PAAS共同提供服務，為了提高PAAS的可靠性每個PAAS由兩個IAAS共同提供服務。根據(jù)公式（4）不難得出如下結論：

通過對云計算可用性模型的分析，要提高資源的利用率和云計算用戶的QOS，采用虛擬化技術提高AU的可靠性和利用率，實現(xiàn)資源的按需使用。

4 實驗分析和總結

為了驗證云計算可用性參考模型，采用Cisco Ucs B200刀片服務器3臺，Cicso6248 交換矩陣2臺，EMC NAS48 存儲1臺，安裝Vmware Vsphere 5.1服務器虛擬化軟件，VMware Vcenter管理軟件，Vmware Vcloud Director 數(shù)據(jù)中心管理軟件，搭建完成2套IAAS平臺的功能，并模擬提供申請服務，結合Vmware Vsphere 5.1中的HA、DRS（Distributed Resource Scheduler）、Vmotion特性功能，依據(jù)可用性參考模型得出如下結論，在保障云計算數(shù)據(jù)中心電力、制冷等外在因素的條件下，全年整個系統(tǒng)的業(yè)務恢復時間不大于10小時，可以滿足用戶系統(tǒng)的可用性達到99.9%。

本文通過對云計算數(shù)據(jù)中心提高資源利用率需求進行分析，圍繞數(shù)據(jù)中心的虛擬化技術，從服務器虛擬化、網(wǎng)絡虛擬化、存儲虛擬化三個方面進行總結，針對云計算業(yè)務可用性建立可用性模型，分析IAAS，PAAS，SAAS三種服務模式的可用性計算方法，最后通過實驗驗證了云計算可用性參考模型適用于常見的云服務模式。

參考文獻：

[1] 孫鑫.面向云環(huán)境數(shù)據(jù)中心的高效資源調度機制研究[D].北京：北京郵電大學，2012.

[2] 林偉偉，齊德昱.云計算資源調度研究綜述[J].計算機科學，2012，39（10）：1-6.

[3] 張熒允.基于虛擬技術的數(shù)據(jù)中心建設研究[D].天津：天津大學，2010.

[4] 宋振華.虛擬化技術中存儲管理問題研究[D].合肥：中國科技大學，2012.

[5] 湯泉.基于文件的Xen虛擬磁盤研究[D].上海：上海交通大學，2012.

[6] 羅軍舟，金嘉暉.云計算：體系架構與關鍵技術[J].通信學報，2011（7）：3-21.endprint

3 云計算可用性參考模型

根據(jù)Berkeley對云計算模型的定義，可以分為基礎架構平臺IAAS（Infrastructure as a service），平臺服務PAAS（Platform as a service），業(yè)務軟件SAAS（Software as a Service）三層結構[6]，其中IAAS主要關注網(wǎng)絡架構和虛擬化技術，提供基礎架構服務，PAAS主要面向應用開發(fā)，提供開發(fā)平臺服務，SAAS面向終端用戶，提供軟件產(chǎn)品服務。

據(jù)Gartner2013年公有云市場份額將會增長18%，達到1310億美金，在IAAS方面，增長速度為47.3%，市場份額為90億美元，隨著越來越多的企業(yè)把基礎架構、應用和業(yè)務數(shù)據(jù)遷移到云計算平臺，對云服務提供商的服務質量QOS（Quality Of Service）提出了越來越高要求。

3.1 云計算可用性模型

云計算可用性模型（Cloud Computing Model，CCM）如圖1所示，模型中共分為三個部分，分別為基礎架構層（Infrastructure Layer，IL），云計算服務層（Service Layer，SL），用戶層（User Layer，UL），可表示為CCM={IL，SL，UL}。

其中基礎架構層由計算資源，存儲資源和網(wǎng)絡資源組成

定義1：AU（Availability Unit）：相連兩層之間，為上層提供服務里的最小服務單元，是云計算服務的最小單位。同一層中多個AU之間互相獨立，互不影響。

定義2：AS（Availability Set）：同一層中，多個AU聯(lián)合，對外提供同一個服務，如負載均衡服務（Load Balance Service，LBS），高可用服務HA（High Availability）。

定義3：DA（Deploy Availability）：業(yè)務部署后的可靠性，與提供服務的多層次的AU和AS相關，如一個SAAS服務利用第三方的PAAS和IAAS提供服務。

定義4：AU的云計算服務的最小單位，假設其獨立可靠性是個常數(shù)λ。

由定義2，當所有AU都失效的情況下，AS才失效，因此AS的部署可靠性可表示為：

根據(jù)圖1所示，SAAS業(yè)務由兩個PAAS共同提供服務，為了提高PAAS的可靠性每個PAAS由兩個IAAS共同提供服務。根據(jù)公式（4）不難得出如下結論：

通過對云計算可用性模型的分析，要提高資源的利用率和云計算用戶的QOS，采用虛擬化技術提高AU的可靠性和利用率，實現(xiàn)資源的按需使用。

4 實驗分析和總結

為了驗證云計算可用性參考模型，采用Cisco Ucs B200刀片服務器3臺，Cicso6248 交換矩陣2臺，EMC NAS48 存儲1臺，安裝Vmware Vsphere 5.1服務器虛擬化軟件，VMware Vcenter管理軟件，Vmware Vcloud Director 數(shù)據(jù)中心管理軟件，搭建完成2套IAAS平臺的功能，并模擬提供申請服務，結合Vmware Vsphere 5.1中的HA、DRS（Distributed Resource Scheduler）、Vmotion特性功能，依據(jù)可用性參考模型得出如下結論，在保障云計算數(shù)據(jù)中心電力、制冷等外在因素的條件下，全年整個系統(tǒng)的業(yè)務恢復時間不大于10小時，可以滿足用戶系統(tǒng)的可用性達到99.9%。

本文通過對云計算數(shù)據(jù)中心提高資源利用率需求進行分析，圍繞數(shù)據(jù)中心的虛擬化技術，從服務器虛擬化、網(wǎng)絡虛擬化、存儲虛擬化三個方面進行總結，針對云計算業(yè)務可用性建立可用性模型，分析IAAS，PAAS，SAAS三種服務模式的可用性計算方法，最后通過實驗驗證了云計算可用性參考模型適用于常見的云服務模式。

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[5] 湯泉.基于文件的Xen虛擬磁盤研究[D].上海：上海交通大學，2012.

[6] 羅軍舟，金嘉暉.云計算：體系架構與關鍵技術[J].通信學報，2011（7）：3-21.endprint

3 云計算可用性參考模型

根據(jù)Berkeley對云計算模型的定義，可以分為基礎架構平臺IAAS（Infrastructure as a service），平臺服務PAAS（Platform as a service），業(yè)務軟件SAAS（Software as a Service）三層結構[6]，其中IAAS主要關注網(wǎng)絡架構和虛擬化技術，提供基礎架構服務，PAAS主要面向應用開發(fā)，提供開發(fā)平臺服務，SAAS面向終端用戶，提供軟件產(chǎn)品服務。

據(jù)Gartner2013年公有云市場份額將會增長18%，達到1310億美金，在IAAS方面，增長速度為47.3%，市場份額為90億美元，隨著越來越多的企業(yè)把基礎架構、應用和業(yè)務數(shù)據(jù)遷移到云計算平臺，對云服務提供商的服務質量QOS（Quality Of Service）提出了越來越高要求。

3.1 云計算可用性模型

云計算可用性模型（Cloud Computing Model，CCM）如圖1所示，模型中共分為三個部分，分別為基礎架構層（Infrastructure Layer，IL），云計算服務層（Service Layer，SL），用戶層（User Layer，UL），可表示為CCM={IL，SL，UL}。

其中基礎架構層由計算資源，存儲資源和網(wǎng)絡資源組成

定義1：AU（Availability Unit）：相連兩層之間，為上層提供服務里的最小服務單元，是云計算服務的最小單位。同一層中多個AU之間互相獨立，互不影響。

定義2：AS（Availability Set）：同一層中，多個AU聯(lián)合，對外提供同一個服務，如負載均衡服務（Load Balance Service，LBS），高可用服務HA（High Availability）。

定義3：DA（Deploy Availability）：業(yè)務部署后的可靠性，與提供服務的多層次的AU和AS相關，如一個SAAS服務利用第三方的PAAS和IAAS提供服務。

定義4：AU的云計算服務的最小單位，假設其獨立可靠性是個常數(shù)λ。

由定義2，當所有AU都失效的情況下，AS才失效，因此AS的部署可靠性可表示為：

根據(jù)圖1所示，SAAS業(yè)務由兩個PAAS共同提供服務，為了提高PAAS的可靠性每個PAAS由兩個IAAS共同提供服務。根據(jù)公式（4）不難得出如下結論：

通過對云計算可用性模型的分析，要提高資源的利用率和云計算用戶的QOS，采用虛擬化技術提高AU的可靠性和利用率，實現(xiàn)資源的按需使用。

4 實驗分析和總結

為了驗證云計算可用性參考模型，采用Cisco Ucs B200刀片服務器3臺，Cicso6248 交換矩陣2臺，EMC NAS48 存儲1臺，安裝Vmware Vsphere 5.1服務器虛擬化軟件，VMware Vcenter管理軟件，Vmware Vcloud Director 數(shù)據(jù)中心管理軟件，搭建完成2套IAAS平臺的功能，并模擬提供申請服務，結合Vmware Vsphere 5.1中的HA、DRS（Distributed Resource Scheduler）、Vmotion特性功能，依據(jù)可用性參考模型得出如下結論，在保障云計算數(shù)據(jù)中心電力、制冷等外在因素的條件下，全年整個系統(tǒng)的業(yè)務恢復時間不大于10小時，可以滿足用戶系統(tǒng)的可用性達到99.9%。

本文通過對云計算數(shù)據(jù)中心提高資源利用率需求進行分析，圍繞數(shù)據(jù)中心的虛擬化技術，從服務器虛擬化、網(wǎng)絡虛擬化、存儲虛擬化三個方面進行總結，針對云計算業(yè)務可用性建立可用性模型，分析IAAS，PAAS，SAAS三種服務模式的可用性計算方法，最后通過實驗驗證了云計算可用性參考模型適用于常見的云服務模式。

參考文獻：

[1] 孫鑫.面向云環(huán)境數(shù)據(jù)中心的高效資源調度機制研究[D].北京：北京郵電大學，2012.

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[4] 宋振華.虛擬化技術中存儲管理問題研究[D].合肥：中國科技大學，2012.

[5] 湯泉.基于文件的Xen虛擬磁盤研究[D].上海：上海交通大學，2012.

[6] 羅軍舟，金嘉暉.云計算：體系架構與關鍵技術[J].通信學報，2011（7）：3-21.endprint