虛擬化技術(shù)在鐵路信息系統(tǒng)運維中的應(yīng)用研究

王奇成

（廣州鐵路（集團）公司 信息技術(shù)所，廣州 510088）

虛擬化技術(shù)在鐵路信息系統(tǒng)運維中的應(yīng)用研究

王奇成

（廣州鐵路（集團）公司 信息技術(shù)所，廣州 510088）

信息系統(tǒng)運維中主要有3個問題：系統(tǒng)持續(xù)可用、資源均衡使用和維護(hù)簡便。傳統(tǒng)應(yīng)對方法存在資源閑置或不夠用、資源不能靈活調(diào)配、系統(tǒng)維護(hù)不便的問題。應(yīng)用虛擬機技術(shù)，能有效解決這些問題，在實際工作中利用4個節(jié)點運行多個高可用應(yīng)用，充分驗證其有效性。

信息系統(tǒng)；運維；高可用；IT資源；IT服務(wù)；虛擬化

隨著鐵路的快速發(fā)展，信息系統(tǒng)全面建設(shè)完成后，都進(jìn)入了運行維護(hù)階段。運維階段的工作，因為歷史沿革的原因，一直沒有什么大的改變，現(xiàn)在面對業(yè)務(wù)形勢的快速發(fā)展變化，需要改變理念和思路，引入新的方法和技術(shù)平臺，來應(yīng)對日益沉重的運維壓力。

1 信息系統(tǒng)運維主要問題及傳統(tǒng)應(yīng)對方法

信息系統(tǒng)運行維護(hù)中最主要的問題有 3 個：（1）保證 IT 服務(wù)持續(xù)可用，持續(xù)在線，應(yīng)用系統(tǒng)不間斷運行；（2）IT 資源包括存儲、網(wǎng)絡(luò)帶寬、服務(wù)器等得到均衡使用；（3）對系統(tǒng)進(jìn)行更新維護(hù)盡可能簡便。有關(guān)這3個問題的傳統(tǒng)應(yīng)對方法及其弊端闡述如下。

1.1 服務(wù)持續(xù)在線

保證 IT 服務(wù)持續(xù)在線的基本思路是對各種資源都設(shè)計出多路冗余的結(jié)構(gòu)，能相互備份，消除單點故障，提高可靠性。在實際應(yīng)用中，機房電源、空調(diào)、網(wǎng)絡(luò)、存儲、主機等環(huán)節(jié)都采用至少雙路以上設(shè)計。

機房的雙路設(shè)計稱作災(zāi)備。網(wǎng)絡(luò)、存儲的雙路設(shè)計體系，提供了故障轉(zhuǎn)移和負(fù)載均衡的雙重功效，存儲網(wǎng)絡(luò)類似于通信網(wǎng)絡(luò)。

雙路主機稱為雙機群集，首先提供了故障轉(zhuǎn)移功能，即一臺服務(wù)器故障，自動切換到另外一臺，但切換需要時間，應(yīng)用還是會離線。如果讓兩臺服務(wù)器同時在線一起分擔(dān)負(fù)載，當(dāng)一臺故障時由另外一臺全部承擔(dān)負(fù)載，服務(wù)器系統(tǒng)就不會因一路資源故障而離線，大大提高可用性。

IT 資源采用雙路以上結(jié)構(gòu)，投資需要翻倍。為保證服務(wù)在一段時期內(nèi)持續(xù)在線，還要考慮如何應(yīng)對未來的需求擴展，有兩種基本策略：（1）預(yù)估未來業(yè)務(wù)需求擴展空間，預(yù)留資源，這種方式導(dǎo)致前期資源閑置；（2）緊跟需求變化動態(tài)擴展資源，在實際中，拘于立項申請、預(yù)算審批、工程招投標(biāo)、產(chǎn)品訂購、安裝配置調(diào)試等各環(huán)節(jié)的流程，這種方式效果很不理想。所以在實際工作中，為了最大限度追求系統(tǒng)的高可用，往往碰到資源閑置或者不夠用的問題。

1.2 資源均衡使用

各種 IT 資源均衡使用的問題，既體現(xiàn)在同一個應(yīng)用內(nèi)，也體現(xiàn)在不同應(yīng)用間，包括兩方面要求：資源使用的忙閑程度盡可能做到多點均衡；出現(xiàn)不均衡時或者按照特定的業(yè)務(wù)需求可以靈活調(diào)配。

資源使用的忙閑均衡，使得資源負(fù)荷減輕，故障率自然下降，使用壽命延長，IT 基礎(chǔ)架構(gòu)的整體可靠性提高，更好地發(fā)揮了所有資源的整體效能。資源的靈活調(diào)配，對于這類應(yīng)用，需要在高峰期借用其它應(yīng)用的資源來緩解壓力，在平日把富余的資源共享出去給別的應(yīng)用使用。

這種跨應(yīng)用的資源均衡是傳統(tǒng) IT 基礎(chǔ)架構(gòu)很難做到的，原因在于傳統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)規(guī)劃很多環(huán)節(jié)停滯在靜態(tài)思維模式，新形勢下開展工作一般沿用原有思路，很少啟用或者滲透動態(tài)、變化的理念，要在這種過于僵硬的傳統(tǒng)架構(gòu)下實現(xiàn)跨應(yīng)用資源均衡，工作太過復(fù)雜，會產(chǎn)生巨大的運維風(fēng)險和負(fù)擔(dān)。

1.3 系統(tǒng)維護(hù)簡便

運維中常見的幾類場景：應(yīng)用升級、服務(wù)器修理、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)調(diào)整、機房搬遷。使用傳統(tǒng)處理方式效果都不理想，不僅經(jīng)常導(dǎo)致業(yè)務(wù)系統(tǒng)中斷運行，而且維護(hù)工作變得繁瑣、被動。

1.4 傳統(tǒng)應(yīng)對方法的弊端

面對 IT 運維這 3個方面的問題，傳統(tǒng)應(yīng)對機制已顯得捉襟見肘，它的根本原因在于傳統(tǒng) IT 架構(gòu)不夠靈活，很難跟上業(yè)務(wù)變化。

如果在業(yè)務(wù)需求和底層基礎(chǔ)架構(gòu)之間構(gòu)筑一個中間層，就能夠使 IT 資源的使用靈活性大大加強，即由傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、客戶端兩層結(jié)構(gòu)擴展成數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用服務(wù)器、客戶端3層結(jié)構(gòu)。構(gòu)筑這個中間層，業(yè)界稱做虛擬化。

2 虛擬化技術(shù)解決方案

2.1 虛擬化概念

虛擬化是指計算機系統(tǒng)運行在虛擬基礎(chǔ)上而并非真實物理硬件上。在計算機硬件或操作系統(tǒng)上插入一個精簡的軟件層，虛擬機訪問物理硬件經(jīng)過該軟件層。多個虛擬機同時運行在單臺物理機上，共享硬件資源。借助虛擬化，可降低資金成本，發(fā)揮資源高可用性和性能，提高業(yè)務(wù)連續(xù)性，加快桌面部署，減少技術(shù)支持負(fù)荷。虛擬化讓基礎(chǔ)架構(gòu)更好地適應(yīng)業(yè)務(wù)變化，讓 IT 運營更有效率。

2.2 服務(wù)持續(xù)在線

因虛擬化技術(shù)的存在，可以方便地對 IT 物理資源進(jìn)行切割分塊、重組，搭配出更多的虛擬資源，形成更多有雙路以上冗余設(shè)計的系統(tǒng)。在某些系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，即時投入另外資源，回歸雙路架構(gòu)模式，持續(xù)保證服務(wù)的高可用。

2.3 資源均衡使用

使用虛擬化技術(shù)，很容易做到資源的均衡使用和靈活調(diào)配。例如服務(wù)器虛擬化，多臺虛擬機在一般設(shè)置下，就可以輕松共享存儲空間、整機內(nèi)存和計算資源。共享存儲空間如果也做了虛擬化，很容易讓訪問數(shù)據(jù)的 IO處理物理分散到多臺存儲、多個RAID 組上。

2.4 系統(tǒng)維護(hù)方便

有了虛擬化技術(shù)，系統(tǒng)維護(hù)可以做到更便捷。

（1）對于應(yīng)用系統(tǒng)升級，利用虛擬機快照保存一個升級前的可用狀態(tài)，出現(xiàn)升級失敗時可以快速復(fù)原回退。利用導(dǎo)出功能，可以快速建立一個用作備份的舊系統(tǒng)。（2）對于物理服務(wù)器修理，切換虛擬機到另外服務(wù)器上后就可以停機修理。切換支持實時遷移，切換的瞬間也不會中斷業(yè)務(wù)系統(tǒng)。（3）對于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)調(diào)整，基于DNS的域名訪問機制，切換虛擬機到另外網(wǎng)絡(luò)上，更新域名服務(wù)器中記錄，利用組策略實時分發(fā)到客戶端，然后再進(jìn)行施工。（4）對于機房搬遷，先在新機房部署適當(dāng)數(shù)量的服務(wù)器，分批把虛擬機遷移到新機房，然后輕松搬遷物理設(shè)備。

總之，由于 IT 基礎(chǔ)架構(gòu)的靈活性，就不再需要用戶部門太多關(guān)注和參與基礎(chǔ)架構(gòu)的調(diào)整，包括資源的維修，省卻了很多業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)、溝通，不僅大大提高服務(wù)品質(zhì)，而且也能避免部門之間配合不暢帶來的問題，減少出錯幾率。

當(dāng) IT 基礎(chǔ)架構(gòu)中全方位引入虛擬化體系后，靈活性大大增強，但整體的技術(shù)管理工作變得復(fù)雜很多，如果還是依照原有手工作業(yè)模式，風(fēng)險極大，這時一定要借助專業(yè)的虛擬化管理平臺來輔助管理，并全面加強人員的素質(zhì)培訓(xùn)，才能讓整體工作簡化。

3 應(yīng)用案例

在實際項目建設(shè)和系統(tǒng)運維中的一個案例，可以驗證以上觀點。這是由 4 臺 IBM 3850 x6 服務(wù)器組建的兩個 Windows Server 2012 群集，每群集兩節(jié)點，每個節(jié)點可以連接到兩臺存儲共 4 個 RAID 組，運行了 SQL Server 2012， Oracle11gR2，AD 域控制器，SharePoint Server 2013 平臺，System Center 2012 平臺等應(yīng)用，每個應(yīng)用都實現(xiàn)了高可用，4臺服務(wù)器實現(xiàn)了負(fù)載均衡。

3.1 存儲分配及群集架構(gòu)

在兩臺存儲上創(chuàng)建了 4 個 RAID 組，命名為：DS1H、DS2H、DS1K、DS2K。

總共劃分 10個存儲空間，分配給 4個節(jié)點，提供相關(guān)應(yīng)用，如表1所示。

表1 存儲空間及節(jié)點

其中節(jié)點 1、節(jié)點 3組成群集，節(jié)點 1上為主運行 SQLServer2012，跟節(jié)點 3 上 SQLServer組成AlwaysOn 高可用組，主節(jié)點分配多一些存儲空間，容納數(shù)據(jù)倉庫平臺，該平臺是試驗性，舍棄了高可用特性；節(jié)點 3上為主運行虛擬機組 1，包括以下虛擬機，如表2所示。

節(jié)點 2、節(jié)點 4組成群集，節(jié)點 2上為主運行Oracle11g，跟節(jié)點 4 上的 Oracle 組成普通 Windows群集；節(jié)點 4上為主運行虛擬機組 2，包括以下虛擬機，如表3所示。

對于AD域，由于在兩個群集上都有域控制器，4個節(jié)點只要有一個節(jié)點工作，AD域都可以訪問，它擁有最高級別的可用性。

其它虛擬機都運行在共享存儲上，單節(jié)點故障，虛擬機自動切換到另外節(jié)點繼續(xù)運行。

表2 節(jié)點1和節(jié)點3上的服務(wù)器名稱、所屬應(yīng)用及角色

表3 節(jié)點2和節(jié)點4上的服務(wù)器名稱、所屬應(yīng)用及角色

3.2 群集共享卷和虛擬機遷移方式

虛擬機要在群集節(jié)點間實現(xiàn)高可用，需把虛擬機建立在群集節(jié)點都能訪問的群集共享卷（CSV）上。在群集共享卷技術(shù)出現(xiàn)之前，存儲管理員必須在共享式存儲上針對每個虛擬機提供 LUN，通過使用 CSV，所有群集節(jié)點都可以訪問共享存儲，每次新建虛擬機時不再需要提供新的 LUN。群集共享卷極大地簡化了存儲管理。

虛擬機在群集節(jié)點間做故障轉(zhuǎn)移或切換，分為快速遷移（QuickMigration）和實時遷移（LiveMigration）兩種方式。快速遷移是先把節(jié)點1的內(nèi)存數(shù)據(jù)保存下來，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到節(jié)點2后再把內(nèi)存數(shù)據(jù)給還原出來，在此過程中虛擬機的網(wǎng)絡(luò)連接會中斷，中斷時間隨虛擬機內(nèi)存大小及網(wǎng)絡(luò)速度從幾秒到幾分鐘不等。而實時遷移是在遷移虛擬機時，原來由節(jié)點1讀取群集共享卷，改為由節(jié)點2來讀取，同時節(jié)點 1上內(nèi)存數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到節(jié)點 2。整個遷移過程中只有當(dāng)節(jié)點2接替節(jié)點1讀取群集共享卷時才會出現(xiàn)非常短暫的服務(wù)中斷，中斷時間僅在毫秒級別，用戶基本體驗不到。

3.3 創(chuàng)建群集角色

在 Windows Server 2012 操作系統(tǒng)下利用故障轉(zhuǎn)移群集管理器創(chuàng)建一個群集角色，在高可用性向?qū)Ы缑嬷羞x擇虛擬機類型，然后選擇虛擬機，即每一臺虛擬機將作為一個群集角色出現(xiàn)在列表中。在故障轉(zhuǎn)移群集管理器中就可以對虛擬機進(jìn)行手工遷移以測試高可用，當(dāng)在單臺物理服務(wù)器有計劃停機或者出現(xiàn)故障突然宕機時，這種遷移會自動發(fā)生。

3.4 應(yīng)用效果

數(shù)據(jù)庫服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)兩大類應(yīng)用都取得了高可用，其中很多應(yīng)用服務(wù)器部署在虛擬機上，均具備高可用能力。在應(yīng)用服務(wù)器中，作為最高等級的域控制器部署在兩個群集上總共4臺物理服務(wù)器上，只要其中任意一臺在線就能確保域的可用。兩個群集總共4臺物理服務(wù)器上運行多個應(yīng)用，資源效率得到了充分均衡的使用。在進(jìn)行服務(wù)器軟硬件配置時，經(jīng)常重啟服務(wù)器，重啟過程中所有應(yīng)用都不會中斷。作為應(yīng)用服務(wù)器的虛擬機，在節(jié)點間遷移方便。進(jìn)行負(fù)載架構(gòu)調(diào)整時，省時省力。

4 結(jié)束語

虛擬化技術(shù)是云計算技術(shù)的基礎(chǔ)與核心，當(dāng)容納眾多信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心尚未按照云計算理念全面更新改造完成時，逐步引入虛擬化技術(shù)到 IT 系統(tǒng)建設(shè)和運維工作中，是解決目前信息系統(tǒng)運維中常見問題的有效法寶。

[1] 廣小明，胡 杰，陳 龍，等 .虛擬化技術(shù)原理與實現(xiàn) [M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2] Stephen R.Smoot，Nam K.Tan. 私有云計算：整合、虛擬化和面向服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施 [M].潘 怡，譯 .北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[3] 王春海 . Microsoft虛擬化與云計算應(yīng)用案例詳解 [M].北京：中國鐵道出版社，2013.

責(zé)任編輯 方 圓

Virtualization technology in operation and maintenance of Railway Information System

WANG Qicheng
( Institute of Information Technology, Guangzhou Railway (Group) Corporation, Guangzhou 510088, China )

There were three problems in operation and maintenance of Information System, such as the system continuously available, balanced use of resources, easy maintenance. The traditional methods were with the problems of idle resources idle or shortage of resources, not f l exible deployment of resources, system maintenance inconvenience. These problems could be effectively solved by application of virtual technology. Four nods were used to run several high available application in practical work. The effectiveness was fully proved.

Information System; operation and maintenance; high availability; IT resource; IT service; virtualization

U29∶TP39

：A

1005-8451（2015）03-0039-04

2014-05-15

王奇成，高級工程師。