基于虛擬化技術(shù)的云數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃方案

李自尊 馮 建 湯 進(jìn)

（黃委會(huì)信息中心數(shù)據(jù)中心，河南 鄭州450000）

數(shù)據(jù)中心”是20世紀(jì)IT界的一大發(fā)明，標(biāo)志著IT應(yīng)用的規(guī)范化和組織化［1］。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心中各業(yè)務(wù)系統(tǒng)單獨(dú)部署在獨(dú)立的服務(wù)器中，當(dāng)新的業(yè)務(wù)系統(tǒng)上線(xiàn)時(shí)，需配套配置特定的物理設(shè)備。

隨著科技的不斷進(jìn)步，業(yè)務(wù)新需求的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)架構(gòu)下數(shù)據(jù)中心的局限性也逐步顯現(xiàn)出來(lái)，主要表現(xiàn)在［2］：

①資源利用率低，資源分配不均衡；

②服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備種類(lèi)多，能耗高，系統(tǒng)管理復(fù)雜，運(yùn)維難度大、成本高；

③資源動(dòng)態(tài)調(diào)配能力低，無(wú)法提供靈活、安全和易于擴(kuò)展的應(yīng)用環(huán)境。

整合現(xiàn)有軟硬件資源，將虛擬化技術(shù)應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，是解決上述數(shù)據(jù)中心存在問(wèn)題的有效方法。本文從云數(shù)據(jù)中心建設(shè)需求的角度，在現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)上，研究虛擬化關(guān)鍵技術(shù)，提出了一套基于虛擬化技術(shù)整合現(xiàn)有服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)等硬件資源的基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃方案。通過(guò)本方案的實(shí)施，可以為用戶(hù)提供一個(gè)統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)及容災(zāi)備份環(huán)境，使用戶(hù)可以在該平臺(tái)上部署業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)資源的統(tǒng)一管理和自動(dòng)調(diào)配，并有效保證業(yè)務(wù)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的安全性。

1 虛擬化關(guān)鍵技術(shù)

虛擬化是為某些對(duì)象創(chuàng)造的虛擬（相對(duì)于真實(shí)）版本，比如操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)資源等。通過(guò)虛擬化可以用與訪(fǎng)問(wèn)抽象前資源一致的方法訪(fǎng)問(wèn)抽象后的資源，可以為一組類(lèi)似資源提供一個(gè)通用的抽象接口集，從而隱藏屬性和操作之間的差異，并允許通過(guò)一種通用的方式來(lái)查看和維護(hù)資源。

依據(jù)被虛擬的IT資源類(lèi)型不同，虛擬化技術(shù)可分為以下3個(gè)大類(lèi)［3］：基礎(chǔ)設(shè)施虛擬化，如存儲(chǔ)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化；系統(tǒng)虛擬化，如服務(wù)器虛擬化、桌面虛擬化；以及軟件虛擬化，如應(yīng)用虛擬化。虛擬化技術(shù)的分類(lèi)如圖1所示。

圖1 虛擬資源池常見(jiàn)類(lèi)型

1.1 存儲(chǔ)虛擬化

存儲(chǔ)虛擬化指的是為物理存儲(chǔ)設(shè)備提供一個(gè)邏輯、抽象的視圖。它為許多用戶(hù)或應(yīng)用提供了一種訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)的方式，用戶(hù)或應(yīng)用在訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)的時(shí)候，無(wú)須擔(dān)心存儲(chǔ)的物理位置和物理管理方式［4］。存儲(chǔ)虛擬化將所有設(shè)備綜合在一個(gè)設(shè)備中進(jìn)行使用，從而隱藏了一個(gè)組織內(nèi)有多個(gè)獨(dú)立存儲(chǔ)設(shè)備的事實(shí)及尋找數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置、獲取數(shù)據(jù)、向用戶(hù)提供數(shù)據(jù)的復(fù)雜過(guò)程。根據(jù)存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)層次不同，有基于主機(jī)層的存儲(chǔ)虛擬化、基于SAN交換層的存儲(chǔ)虛擬化及基于陣列控制器的存儲(chǔ)虛擬化3種實(shí)現(xiàn)方式［5］。

1.2 網(wǎng)絡(luò)虛擬化

在一套物理網(wǎng)絡(luò)上采用VPN或VRF技術(shù)劃分出多個(gè)相互隔離的邏輯網(wǎng)絡(luò)，是1:N的虛擬化；將多個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備整合成一臺(tái)邏輯設(shè)備，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，是N:1虛擬化［6］。網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)屬于N:1整合型虛擬化技術(shù)范疇，其不僅使多臺(tái)物理設(shè)備簡(jiǎn)化成一臺(tái)邏輯設(shè)備，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)各層之間的多條鏈路連接也將變成兩臺(tái)邏輯設(shè)備之間的直連，因此可以將多條物理鏈路進(jìn)行跨設(shè)備的鏈路聚合，從而變成一條邏輯鏈路，增加帶寬的同時(shí)也避免了由多條物理鏈路引起的環(huán)路問(wèn)題。

1.3 服務(wù)器虛擬化

通常所說(shuō)的服務(wù)器虛擬化指的是虛擬整合，即使得在單一物理服務(wù)器上可以運(yùn)行多個(gè)虛擬服務(wù)器。服務(wù)器虛擬化為虛擬服務(wù)器提供了能夠支持其運(yùn)行的硬件資源抽象，包括虛擬BIOS、虛擬處理器、虛擬內(nèi)存、虛擬設(shè)備與I/O，并為虛擬機(jī)提供良好的隔離性和安全性［7］。服務(wù)器虛擬化主要包括2種實(shí)現(xiàn)方式：寄宿虛擬化和原生虛擬化，寄宿虛擬化典型實(shí)現(xiàn)如VMwareWorkstation和微軟windows 2008 Hyper-V，原生虛擬化典型實(shí)現(xiàn)有Citrix公司的Xen、IBM公司的PowerVM、VMWare公司的VMWare系列產(chǎn)品（VSphere）以及Microsoft公司的Hyper-V等。如圖2所示。

圖2 服務(wù)器虛擬化的實(shí)現(xiàn)方式

2 云數(shù)據(jù)中心虛擬化技術(shù)方案

2.1 云數(shù)據(jù)中心體系結(jié)構(gòu)

云數(shù)據(jù)中心的建設(shè)采用云計(jì)算理念和虛擬化技術(shù)，集成整合數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有的基礎(chǔ)資源，構(gòu)建存儲(chǔ)備份資源池、計(jì)算資源池，對(duì)資源統(tǒng)一管理、調(diào)配，提供各業(yè)務(wù)運(yùn)行的基礎(chǔ)環(huán)境。各業(yè)務(wù)系統(tǒng)不需要再單獨(dú)購(gòu)置設(shè)備，數(shù)據(jù)中心根據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的需求配置資源，同時(shí)提供基本的操作系統(tǒng)及通用的軟件配置，并統(tǒng)籌考慮安全備份。數(shù)據(jù)中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可參考如圖3所示：

圖3 云計(jì)算數(shù)據(jù)中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

部署虛擬化系統(tǒng)之后的整體架構(gòu)和傳統(tǒng)架構(gòu)區(qū)別不大，利用共享存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中和共享，并為本地災(zāi)備和異地容災(zāi)提供擴(kuò)展空間；利用服務(wù)器虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源的共享整合，并由云計(jì)算管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的分配與管理；處于性能和安全角度考慮，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和備份系統(tǒng)使用獨(dú)立的服務(wù)器，共享存儲(chǔ)資源池的存儲(chǔ)。

2.2 資源池建設(shè)

2.2.1 計(jì)算池

根據(jù)需求購(gòu)置多臺(tái)X86服務(wù)器，CPU配置4路高主頻，其上部署VMWare VSphere虛擬化軟件，將計(jì)算資源虛擬成資源池，并通過(guò)云計(jì)算管理平臺(tái)對(duì)資源池進(jìn)行管理和調(diào)配。同時(shí)，充分考慮數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有資源，將業(yè)務(wù)系統(tǒng)逐步遷移至云計(jì)算平臺(tái)，服務(wù)器逐步納入虛擬計(jì)算資源池，利舊使用。處于系統(tǒng)使用性能及安全性?xún)煞矫婵紤]，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和備份服務(wù)器并不選用虛擬服務(wù)器，而是部署在獨(dú)立的物理設(shè)備中。

服務(wù)器虛擬化環(huán)境的高可用性通過(guò)以下3方面實(shí)現(xiàn)：

2.2.1.1 高可用集群HA：當(dāng)計(jì)算資源池中的某個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障宕機(jī)時(shí)，HA功能自動(dòng)將該主機(jī)節(jié)點(diǎn)上的虛擬機(jī)在集群中的另外一個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)上重啟，并根據(jù)虛擬機(jī)上業(yè)務(wù)系統(tǒng)的重要性設(shè)置虛擬機(jī)重啟的優(yōu)先級(jí)，對(duì)服務(wù)的影響時(shí)間是虛擬機(jī)的重啟時(shí)間加應(yīng)用程序的啟動(dòng)時(shí)間，用戶(hù)幾乎感覺(jué)不到業(yè)務(wù)切換，保證了業(yè)務(wù)的持續(xù)不中斷。

2.2.1.2 實(shí)時(shí)遷移Vmotion：當(dāng)需要對(duì)資源池中的資源進(jìn)行重新分配或?qū)χ鳈C(jī)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行維護(hù)操作時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)遷移功能使正在運(yùn)行的虛擬機(jī)從一臺(tái)物理服務(wù)器實(shí)時(shí)遷移到另一臺(tái)物理服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)零停機(jī)時(shí)間和連續(xù)可用的服務(wù)，并全面保證事務(wù)的完整性。

2.2.1.3 分布式資源調(diào)度DRS：DRS跨資源池不間斷地監(jiān)控資源利用率，根據(jù)業(yè)務(wù)反應(yīng)需要和不斷變化的優(yōu)先級(jí)的預(yù)定義規(guī)則，在多臺(tái)虛擬機(jī)之間智能地分配可用資源。當(dāng)虛擬機(jī)負(fù)載增大時(shí)，VMWare DRS會(huì)通過(guò)在資源池中的物理服務(wù)器之間重新分發(fā)虛擬機(jī)來(lái)自動(dòng)分配額外的資源。

2.2.2 存儲(chǔ)池

存儲(chǔ)部分設(shè)計(jì)分為服務(wù)器的本地存儲(chǔ)和共享存儲(chǔ)2部分，本地存儲(chǔ)用來(lái)保存資源池的源數(shù)據(jù)，共享存儲(chǔ)保存所有虛擬機(jī)的虛擬鏡像文件以支持虛擬機(jī)的高可用性。

共享存儲(chǔ)通過(guò)存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)形成虛擬存儲(chǔ)池，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)資源的統(tǒng)一管理和調(diào)配。存儲(chǔ)池的實(shí)質(zhì)是把物理上分散的眾多存儲(chǔ)資源整合為一個(gè)統(tǒng)一的邏輯視圖，用戶(hù)可以通過(guò)這個(gè)視圖中的統(tǒng)一邏輯接口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)被整合的存儲(chǔ)資源?，F(xiàn)階段數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)常用FC-SAN架構(gòu)，并配置有專(zhuān)業(yè)備份管理軟件。

存儲(chǔ)虛擬化的實(shí)現(xiàn)方式有3種：基于主機(jī)的虛擬存儲(chǔ)、基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬存儲(chǔ)和基于存儲(chǔ)設(shè)備的虛擬化。

基于主機(jī)的虛擬存儲(chǔ)依賴(lài)于代理或管理軟件，它們安裝在一個(gè)或多個(gè)主機(jī)上，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)虛擬化的控制和管理。由于此方案部署方便，投入資金少，加之云數(shù)據(jù)中心建設(shè)之初，物理服務(wù)器數(shù)量有限，在初始階段可以選用此方案執(zhí)行存儲(chǔ)虛擬化。但是，隨著業(yè)務(wù)系統(tǒng)的逐步增多，主機(jī)數(shù)量的增加，采用此方案需在每臺(tái)主機(jī)安裝虛擬化存儲(chǔ)應(yīng)用軟件，不管是對(duì)現(xiàn)有業(yè)務(wù)的影響程度，方案安裝部署、后期維護(hù)和方案采購(gòu)成本來(lái)說(shuō)都是非常不合算的。

基于存儲(chǔ)設(shè)備的虛擬化依賴(lài)于提供相關(guān)功能的存儲(chǔ)模塊，對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的要求較高，若數(shù)據(jù)中心機(jī)房已有不支持虛擬化功能的中低端存儲(chǔ)設(shè)備，則無(wú)法將其納入存儲(chǔ)資源池。若采購(gòu)高端陣列實(shí)現(xiàn)虛擬化的成本非常高，且受限制于存儲(chǔ)廠(chǎng)商，擴(kuò)展性不好。

基于SAN交換層的虛擬存儲(chǔ)指在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)虛擬化功能，其能夠滿(mǎn)足目前系統(tǒng)的異構(gòu)和擴(kuò)展需求，安裝部署基本不需要修改現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用，現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備可以全部應(yīng)用。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層虛擬化可以平滑升級(jí)數(shù)據(jù)保護(hù)的層次，后期擴(kuò)容也不受廠(chǎng)家和存儲(chǔ)設(shè)備功能特性的限制。但需購(gòu)置專(zhuān)用的硬件設(shè)備，前期投資較大，建議在資金允許的情況下采用此方案實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)虛擬化。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)包含2方面內(nèi)容，分別為云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)和虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)交換。云數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)依據(jù)接入密度分為三層架構(gòu)和二層架構(gòu)，如圖4所示：

設(shè)計(jì)采用二層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，原因如下：

三層架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備較多，不便于網(wǎng)絡(luò)管理，運(yùn)維工作量大，且組網(wǎng)成本相對(duì)較高。

圖4 扁平化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

考慮到未來(lái)云數(shù)據(jù)中心物理分散的部署結(jié)構(gòu)，或采用兩地三中心、同城雙中心等容災(zāi)部署方式，為了實(shí)現(xiàn)跨數(shù)據(jù)中心的資源調(diào)度、業(yè)務(wù)集群和虛擬機(jī)遷移，需要采用“共享存儲(chǔ)方式”或“雙活存儲(chǔ)方式”實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，同時(shí)要求網(wǎng)絡(luò)層保證不同的數(shù)據(jù)中心間VLAN二層互通，以便在虛機(jī)遷移之后仍然可以訪(fǎng)問(wèn)位于同一網(wǎng)段內(nèi)的其他虛機(jī)（或服務(wù)器）。二層架構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)VLAN的大二層互通，滿(mǎn)足虛擬機(jī)跨數(shù)據(jù)中心的部署和遷移。

虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)交換包括物理網(wǎng)卡虛擬化和虛擬網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，在服務(wù)器內(nèi)部虛擬出相應(yīng)的交換機(jī)和網(wǎng)卡功能。虛擬交換機(jī)在主機(jī)內(nèi)部提供了多個(gè)網(wǎng)卡的互聯(lián)以及為不同的網(wǎng)卡流量設(shè)定不同的VLAN標(biāo)簽功能，其使得在主機(jī)內(nèi)部如同存在一臺(tái)交換機(jī)，可以方便地將不同的網(wǎng)卡連接到不同的端口上。虛擬網(wǎng)卡是在一個(gè)物理網(wǎng)卡上虛擬出多個(gè)邏輯獨(dú)立的網(wǎng)卡，使得每個(gè)虛擬網(wǎng)卡具有獨(dú)立的MAC地址、IP地址，同時(shí)還可以在虛擬網(wǎng)卡之間實(shí)現(xiàn)一定的流量調(diào)度策略。

2.3 基于虛擬網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)容災(zāi)

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)備份以主機(jī)為備份節(jié)點(diǎn)，通過(guò)建立統(tǒng)一的備份策略，定時(shí)執(zhí)行數(shù)據(jù)的完全備份和增量備份。這種備份方式在一定程度上保護(hù)了數(shù)據(jù)的安全，但由于備份操作存在一定的時(shí)間窗口，無(wú)法保證數(shù)據(jù)的零丟失。

基于虛擬網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)容災(zāi)即采用基于SAN交換層的存儲(chǔ)虛擬化設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)容災(zāi)，這種方式的特點(diǎn)是依靠外加的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)2個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)復(fù)制，數(shù)據(jù)復(fù)制過(guò)程不占用主機(jī)資源，2個(gè)存儲(chǔ)之間的數(shù)據(jù)同步在網(wǎng)絡(luò)層完成。

虛擬網(wǎng)關(guān)通過(guò)交換機(jī)分別連接主機(jī)端Fabric和存儲(chǔ)端Fabric，主要功能是對(duì)已有的邏輯卷進(jìn)行虛擬化或創(chuàng)建虛擬的條帶卷，消除存儲(chǔ)設(shè)備異構(gòu)對(duì)主機(jī)系統(tǒng)的影響，提高存儲(chǔ)設(shè)備的可用性和總體性能。同時(shí)，利用虛擬網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)卷復(fù)制和鏡像，實(shí)現(xiàn)2個(gè)虛擬卷之間的數(shù)據(jù)安全保護(hù)。SAN層次容災(zāi)的典型代表如飛康的CDP管理器和浪潮AS8000。云計(jì)算環(huán)境下SAN層次數(shù)據(jù)容災(zāi)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示：

圖5 云計(jì)算環(huán)境下SAN層次數(shù)據(jù)容災(zāi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

本文提出一種基于虛擬化技術(shù)的云數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃方案，通過(guò)采用多種虛擬化技術(shù)搭建虛擬資源池，基于虛擬網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)容災(zāi)，打破了現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心分散式的IT基礎(chǔ)架構(gòu)，提高了資源利用率，實(shí)現(xiàn)了資源的統(tǒng)一管理和統(tǒng)一分配，簡(jiǎn)化運(yùn)維管理，降低運(yùn)維成本，并為業(yè)務(wù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了有效保障。

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