基于IAAS的異構(gòu)虛擬化管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)與搭建

（中國(guó)移動(dòng)（深圳）有限公司，深圳 518048）

基于IAAS的異構(gòu)虛擬化管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)與搭建

陳思

（中國(guó)移動(dòng)（深圳）有限公司，深圳 518048）

本文所闡述的異構(gòu)虛擬化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思想和實(shí)現(xiàn)方案是以虛擬化管理思想為依據(jù)，以開(kāi)源虛擬化庫(kù)libvirt為技術(shù)基礎(chǔ)，以J2EE開(kāi)源開(kāi)發(fā)框架為工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)多平臺(tái)虛擬化環(huán)境集成管理技術(shù)研究成果的可視化體現(xiàn)。該系統(tǒng)的成功建立將對(duì)各虛擬化管理平臺(tái)建設(shè)起到很好的支撐作用，從而解決長(zhǎng)期以來(lái)虛擬化管理難以工程化的問(wèn)題。

虛擬化；虛擬化管理；私有云平臺(tái)；多平臺(tái)虛擬化環(huán)境

1 引言

近年來(lái)隨著虛擬化技術(shù)的快速發(fā)展，為計(jì)算集群管理中服務(wù)的快速部署和快速切換提供了新的更加有效的解決方案，云計(jì)算的誕生，更是給大規(guī)模的分布式計(jì)算開(kāi)辟了一條新的途徑，為全球大數(shù)據(jù)量的處理和高集中服務(wù)的部署提供了解決方案，使得信息化的發(fā)展步伐進(jìn)入了前所未有的高速階段。然而，隨著虛擬化技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬化的產(chǎn)品也是層出不窮，當(dāng)前主流的虛擬化軟件已經(jīng)多達(dá)十余種，這就給管理者帶來(lái)了很大的麻煩，由于各虛擬化軟件之間使用技術(shù)的不統(tǒng)一、設(shè)計(jì)思想的不統(tǒng)一，使得它們相互之間無(wú)法進(jìn)行通信，也無(wú)法將它們放入到一個(gè)虛擬化群組中進(jìn)行管理部署，因此，要解決這些問(wèn)題給集群建設(shè)帶來(lái)的限制，就必須研究設(shè)計(jì)對(duì)多平臺(tái)虛擬化環(huán)境集成管理的技術(shù)。

2 虛擬化技術(shù)現(xiàn)狀

從虛擬化的應(yīng)用層面來(lái)說(shuō)，目前企業(yè)使用的虛擬化產(chǎn)品中主流和成熟有以下幾種：在x86架構(gòu)下主流的虛擬化技術(shù)有VMware ESX和微軟的Hyper-V以及KVM、AIX系統(tǒng)的有IBM的PowerVM、HP-UX的有vPar，基本完成了物理設(shè)備的虛擬化，務(wù)求實(shí)現(xiàn)物理資源利用的最大化。然而針對(duì)如此眾多的虛擬化環(huán)境，缺乏統(tǒng)一管理，設(shè)備硬件資源與虛擬化資源無(wú)法統(tǒng)一調(diào)度，難以集中監(jiān)控，無(wú)法根據(jù)具體的需求，快速搭建虛擬機(jī)，按需實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化版本更新以及軟件部署。本文將提出構(gòu)建一個(gè)完善的、綜合的、統(tǒng)一的基于IAAS的異構(gòu)虛擬化管理平臺(tái)的概念，并論述如何采用底層虛擬化統(tǒng)一接口的實(shí)現(xiàn)方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同虛擬化環(huán)境的統(tǒng)一管理。

3 異構(gòu)虛擬化管理

3.1 虛擬化管理概述

虛擬化管理是針對(duì)企業(yè)虛擬化部署及虛擬化環(huán)境中的管理環(huán)節(jié)，是目前在虛擬化應(yīng)用中不可或缺的重要組成部分，在企業(yè)應(yīng)用方面，戴爾推出了vStart，即時(shí)虛擬化設(shè)備，包括管理工具、部件、快速部署以及從單一供應(yīng)商的支持。同時(shí)，在集群管理領(lǐng)域，要實(shí)現(xiàn)集群的快速部署和快速切換，虛擬化管理技術(shù)是不可或缺的一個(gè)重要部分，它承擔(dān)著虛擬化資源和虛擬機(jī)的調(diào)度、管理等工作，使得集群的管理脫離物理設(shè)備，透明化操作，節(jié)省了大量的管理力度，并且使得管理更加清晰明了。目前具備虛擬化管理功能的技術(shù)或者軟件系統(tǒng)已經(jīng)很多，典型的VMM(Virtual Machine Manager)通過(guò)Libvirt接口對(duì)KVM虛擬機(jī)進(jìn)行管理，CloudStack可以對(duì)多種虛擬化環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，OpenStack通過(guò)搭建公共或者私有云計(jì)算平臺(tái)的方式將計(jì)算資源進(jìn)行虛擬化并進(jìn)行管理。這些產(chǎn)品都實(shí)現(xiàn)了虛擬化管理技術(shù)，并且在虛擬化管理的思想架構(gòu)上逐漸完善，為云平臺(tái)的建設(shè)提供了越來(lái)越完整的方案。

3.2 異構(gòu)虛擬化管理

在虛擬化管理中不得不考慮到各虛擬化產(chǎn)品和環(huán)境的異構(gòu)性，需要通過(guò)虛擬化的異構(gòu)資源池技術(shù)將相對(duì)獨(dú)立、分散、能力有限的資源進(jìn)行共享和集中管理。本文所涉及到的系統(tǒng)支持不同廠家、不同類型的服務(wù)器的虛擬化技術(shù)的集中管理：對(duì)于IBM主機(jī)采用LPar和微分區(qū)技術(shù)； 對(duì)于HP主機(jī)采用nPartition和vPar技術(shù)；對(duì)于SUN主機(jī)采用DSD 技術(shù)，對(duì)于x86主機(jī)采用VMware技術(shù)。對(duì)于IBM小型機(jī)采用LPar和微分區(qū)技術(shù)； 對(duì)于HP小型機(jī)采用nPartition和vPar技術(shù)；對(duì)于SUN小型機(jī)采用DSD 技術(shù)，系統(tǒng)除了支持服務(wù)器的虛擬化管理，還支持對(duì)存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)的虛擬化管理。

本系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)上，采用了統(tǒng)一接口的實(shí)現(xiàn)方式，對(duì)底層虛擬化接口進(jìn)行了統(tǒng)一封裝，向上提供統(tǒng)一的接口調(diào)用方式。具體邏輯如圖1所示。

接下來(lái)，本文將重點(diǎn)闡述基于IAAS的異構(gòu)虛擬化管理平臺(tái)中服務(wù)器虛擬化和存儲(chǔ)虛擬化的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

3.3 服務(wù)器虛擬化

圖1 基于IAAS的異構(gòu)虛擬化管理平臺(tái)的異構(gòu)虛擬化管理邏輯圖

圖2 基于IAAS的異構(gòu)虛擬化管理平臺(tái)的服務(wù)器虛擬化總體設(shè)計(jì)圖

如圖2所示，面對(duì)異構(gòu)的服務(wù)器虛擬化管理環(huán)境，本方案設(shè)計(jì)如下：首先基于Libvrit開(kāi)源庫(kù)進(jìn)行深度的二次開(kāi)發(fā)，在原有功能基礎(chǔ)上，增加了對(duì)IA64架構(gòu)與Powre架構(gòu)的支持，同時(shí)增強(qiáng)了原有的對(duì)KVM、qemu的功能，可以說(shuō)自行擴(kuò)展開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了KVM/qemu/ lxc/uml等的虛擬化集成；另一方面，通過(guò) xenapi、Vcenter API實(shí)現(xiàn)xen、VMware的虛擬化集成。同時(shí)支持對(duì)IBM/HP小型機(jī)的虛擬化管理，比如基于nPar/ vPar實(shí)現(xiàn)了HP小型機(jī)的虛擬化管理，基于lPar實(shí)現(xiàn)了IBM的虛擬化管理。最終采用了統(tǒng)一接口的實(shí)現(xiàn)方式，對(duì)底層服務(wù)器的虛擬化接口進(jìn)行了統(tǒng)一封裝，向上提供統(tǒng)一的接口調(diào)用方式，具體如下：

（1）接口層：主要是基于CMD接口和API接口創(chuàng)建虛擬機(jī)，并將兩種接口統(tǒng)一封裝提供給用戶操作，也體現(xiàn)了統(tǒng)一的思想內(nèi)涵。在底層的虛擬化平臺(tái)提供API接口的情況下，可以通過(guò)API接口的調(diào)用實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的增刪改和狀態(tài)監(jiān)控等功能，如x86結(jié)構(gòu)的VMware；而在底層虛擬化平臺(tái)未提供API接口的情況下，就需要通過(guò)CMD接口調(diào)用底層命令方式實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的增刪改和狀態(tài)監(jiān)控等功能，如IBM的lPar和HP的vPar。

（2）抽象驅(qū)動(dòng)層：將不同體系主機(jī)中的不同模塊進(jìn)行統(tǒng)一封裝，抽象為不同模塊的驅(qū)動(dòng)，以供上層調(diào)用。

（3）具體驅(qū)動(dòng)層： 調(diào)用底層的相應(yīng)虛擬化技術(shù)的接口，直接操作主機(jī)以實(shí)現(xiàn)具體功能。

通過(guò)服務(wù)器虛擬化統(tǒng)一接口（圖3）實(shí)現(xiàn)了最廣泛的對(duì)多體系架構(gòu)的支持和虛擬化管理，可管理業(yè)界主流架構(gòu)的主機(jī)，并對(duì)外提供API接口，可供其他模塊查詢和調(diào)用。

下面描述了具體不同服務(wù)器的虛擬化實(shí)現(xiàn)。

圖3 基于IAAS的異構(gòu)虛擬化管理平臺(tái)的服務(wù)器虛擬化統(tǒng)一接口設(shè)計(jì)圖

3.3.1 IBM虛擬化

IBM小型機(jī)虛擬化包含如下兩種接口方式：

(1）使用VIO： 統(tǒng)一虛擬化接口發(fā)出的指令會(huì)有HMC負(fù)責(zé)執(zhí)行。這種集成需要小型機(jī)安裝有VIO，當(dāng)創(chuàng)建新分區(qū)時(shí)，分區(qū)使用VIO提供的虛擬網(wǎng)卡和磁盤。

(2）不使用VIO：每個(gè)lPar需要獨(dú)立的網(wǎng)卡和HBA卡。這種小型機(jī)事先已經(jīng)創(chuàng)建好了所有的lPar，用戶申請(qǐng)資源時(shí)，系統(tǒng)會(huì)選擇一個(gè)空閑的lPar，并根據(jù)用戶申請(qǐng)的CPU、內(nèi)存量動(dòng)態(tài)調(diào)整lPar的設(shè)置，并重置操作系統(tǒng)。這種管理模式與x86物理機(jī)的管理類似。TSAM不會(huì)進(jìn)行分區(qū)的創(chuàng)建和刪除，只會(huì)進(jìn)行分區(qū)OS的重裝。

3.3.2 HP虛擬化

（1）HP nPar是一種電路級(jí)的虛擬化隔離技術(shù)。與IBM lPar不同，nPar的創(chuàng)建、刪除和回收有著諸多限制，與Cell的關(guān)系十分密切。在一般情況，nPar的數(shù)量和配置在硬件采購(gòu)前就已規(guī)劃好，在硬件購(gòu)買后首先都會(huì)進(jìn)行nPar的劃分，此后就不再變化。方案對(duì)于nPar的管理主要是進(jìn)行已有nPar資源的分配，這種方式十分類似于x86物理機(jī)的分配，而不是像VMware一樣，根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)創(chuàng)建虛擬機(jī)。

要實(shí)現(xiàn)對(duì)nPar的管理，需要具備一個(gè)HP分區(qū)，運(yùn)行Ingite服務(wù)器，用于HPUX操作系統(tǒng)的自動(dòng)部署。部署示意圖如圖4所示。

3.3.3 VMware虛擬化

統(tǒng)一接口支持與不同版本VMware的集成，這種集成基于vCenter的SDK實(shí)現(xiàn)。

3.4 存儲(chǔ)虛擬化

存儲(chǔ)虛擬化貫穿于整個(gè)IT環(huán)境、用于簡(jiǎn)化相對(duì)復(fù)雜的底層基礎(chǔ)架構(gòu)，是將實(shí)際的物理存儲(chǔ)實(shí)體與存儲(chǔ)的邏輯表示分離開(kāi)來(lái)，為系統(tǒng)和管理員提供一幅簡(jiǎn)化、無(wú)縫的資源虛擬視圖。使得應(yīng)用服務(wù)器只與分配給它們的邏輯卷（或稱虛卷）作為對(duì)象，而不必關(guān)心數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)實(shí)體。其實(shí)質(zhì)是將多種、多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備統(tǒng)一管理起來(lái)，為使用者提供大容量、高數(shù)據(jù)傳輸性能的存儲(chǔ)系統(tǒng)。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，虛擬化的存儲(chǔ)資源就像是一個(gè)巨大的“存儲(chǔ)池”，用戶不會(huì)看到具體的磁盤、磁帶，也不必關(guān)心數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)哪一條路徑通往哪一個(gè)的存儲(chǔ)設(shè)備

圖4 基于IAAS的異構(gòu)虛擬化管理平臺(tái)的HP虛擬化部署示意圖

存儲(chǔ)虛擬化的實(shí)現(xiàn)層面可分為3層，即主機(jī)及操作系統(tǒng)層、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)層和存儲(chǔ)設(shè)備層?？梢栽谀硞€(gè)層面單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，也可以在多個(gè)層面共同實(shí)現(xiàn)。

3.4.1 基于主機(jī)和操作系統(tǒng)的虛擬存儲(chǔ)

典型的實(shí)現(xiàn)是依賴于主機(jī)上的邏輯卷管理軟件，針對(duì)分配主機(jī)的邏輯卷（即物理磁盤或LUN），邏輯卷管理軟件可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的虛擬化，對(duì)多個(gè)邏輯卷進(jìn)行統(tǒng)一管理、配置，屏蔽了上層應(yīng)用對(duì)物理磁盤的管理。在邏輯卷管理器的管理下，可以靈活地實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)的管理。

3.4.2 基于存儲(chǔ)設(shè)備的虛擬存儲(chǔ)

基于存儲(chǔ)設(shè)備的虛擬存儲(chǔ)的方法依賴于提供相關(guān)功能的存儲(chǔ)控制器，它可以對(duì)所管理的存儲(chǔ)提供虛擬化。將具有虛擬化功能的存儲(chǔ)控制器和相應(yīng)的存儲(chǔ)設(shè)備接入到SAN網(wǎng)絡(luò)中， SAN或NAS網(wǎng)絡(luò)中（SAN存儲(chǔ)只需要網(wǎng)絡(luò)地址可達(dá)就可以映射到虛擬機(jī)，NAS存儲(chǔ)則需要光纖交換機(jī)連接物理服務(wù)器，然后再由物理服務(wù)器分配到虛擬機(jī)，理論上都是可以基于存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬化存儲(chǔ)），由存儲(chǔ)控制器統(tǒng)一對(duì)服務(wù)器提供存儲(chǔ)空間，有些虛擬控制器可以管理多廠商的存儲(chǔ)系統(tǒng)，有些虛擬控制器則只能管理單個(gè)廠商的存儲(chǔ)系統(tǒng)。

3.4.3 基于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的虛擬存儲(chǔ)

基于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的虛擬存儲(chǔ)是依賴于在存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中添加相應(yīng)的虛擬化設(shè)備而實(shí)現(xiàn)的對(duì)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中存儲(chǔ)設(shè)備的虛擬化。存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)虛擬化設(shè)備可以是特有的虛擬化設(shè)備，也可以使在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上安裝虛擬化軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。在SAN網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)虛擬化是在SAN交換機(jī)上加入具有虛擬化的模塊，來(lái)控制存儲(chǔ)的分配和管理。特有的存儲(chǔ)虛擬化設(shè)備是指在SAN中加入虛擬化設(shè)備，而所有存儲(chǔ)的資源管理和分配是由這個(gè)特有的虛擬化設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。

本文所涉及到的系統(tǒng)中的虛擬存儲(chǔ)管理實(shí)現(xiàn)機(jī)制如圖5所示。

將存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上的各種品牌的存儲(chǔ)子系統(tǒng)整合成一個(gè)或多個(gè)可以集中管理的存儲(chǔ)池(存儲(chǔ)池可跨多個(gè)存儲(chǔ)子系統(tǒng))，并在存儲(chǔ)池中按需要建立一個(gè)或多個(gè)不同大小的虛卷，并將這些虛卷按一定的讀寫授權(quán)分配給存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上的各種應(yīng)用服務(wù)器。這樣就達(dá)到了充分利用存儲(chǔ)容量、集中管理存儲(chǔ)、降低存儲(chǔ)成本的目的。

4 實(shí)施應(yīng)用

圖5 基于IAAS的異構(gòu)虛擬化管理平臺(tái)的虛擬存儲(chǔ)管理實(shí)現(xiàn)機(jī)制圖

首先，規(guī)劃部署適用于該管理系統(tǒng)的硬件環(huán)境，當(dāng)前各企業(yè)悉數(shù)將刀片服務(wù)器遷入x86資源池和IBM、HP小機(jī)資源池一起組合成服務(wù)器資源池，并基于現(xiàn)有虛擬化軟件VMware ESX、IBM PowerVM、HP-UX npar/vapr等部署虛擬化環(huán)境。針對(duì)虛擬化技術(shù)繁多的異構(gòu)硬件環(huán)境，基于IAAS的異構(gòu)虛擬化管理平臺(tái)則是通過(guò)統(tǒng)一接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同虛擬化環(huán)境的統(tǒng)一管理，首先利用服務(wù)器虛擬化管理在服務(wù)器資源池內(nèi)進(jìn)行虛擬機(jī)的創(chuàng)建、調(diào)整和回收，并實(shí)現(xiàn)在虛擬主機(jī)上啟動(dòng)、關(guān)閉、遷移虛擬機(jī)等功能，進(jìn)一步可利用自動(dòng)化部署在虛擬機(jī)上實(shí)施操作系統(tǒng)、軟件部署和相關(guān)鏡像管理。另一方面通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)，遠(yuǎn)程連接虛擬化主機(jī)并對(duì)其實(shí)施集中監(jiān)控管理，對(duì)虛擬機(jī)實(shí)施告警，性能采集并進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。同時(shí)對(duì)存儲(chǔ)資源池也進(jìn)行虛擬化管理。

在實(shí)際項(xiàng)目中，異構(gòu)虛擬化管理平臺(tái)對(duì)應(yīng)用層提供了服務(wù)器虛擬化接口和存儲(chǔ)虛擬化接口，管理平臺(tái)基于這些接口，可以方便定制資源申請(qǐng)、資源創(chuàng)建、資源回收等功能，完成IAAS層操作系統(tǒng)的鏡像批量安裝、PAAS層應(yīng)用軟件的統(tǒng)一部署，并以云資源的集中監(jiān)控、動(dòng)態(tài)調(diào)整、自動(dòng)遷移、彈性伸縮、故障隔離及容量預(yù)測(cè)分析等手段充分支撐當(dāng)前云化背景下的異構(gòu)資源的全生命周期管理。

5 結(jié)束語(yǔ)

異構(gòu)虛擬化管理系統(tǒng)主要研究如何采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)思想在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中建立統(tǒng)一的異構(gòu)管理技術(shù)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)語(yǔ)義層起對(duì)整個(gè)資源系統(tǒng)的支撐，從而解決長(zhǎng)期以來(lái)虛擬化管理難以工程化的問(wèn)題。該系統(tǒng)的成功建立將對(duì)各個(gè)虛擬化管理系統(tǒng)建設(shè)起到很好的支撐作用，推動(dòng)信息化建設(shè)步伐。

[1] 陳全，鄧倩妮．云計(jì)算及其關(guān)鍵技術(shù)[J]．計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009(9): 2562-2566

[2] 趙長(zhǎng)才．云計(jì)算與虛擬化技術(shù)的研究[J]．信息與電腦(理論版), 2012(10).

[3] 李昕，吳劍平．虛擬化技術(shù)及其應(yīng)用[J]．鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具, 2011(3):32-35

[4] 趙治斌．淺述云計(jì)算[J]．科技信息, 2010(24).

[5] 韓金華．云計(jì)算綜述[J]．企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā), 2010(15).

[6] 胡慧，王輝．云計(jì)算技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析[J]．軟件導(dǎo)刊, 2009(9).

[7] 孫香花．云計(jì)算研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2011(5).

[8] 苑立娟，汪濤．云計(jì)算綜述及其我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀[J]．才智．2011(7).

[9] 商慶同．虛擬化管理平臺(tái)適配層的研究與評(píng)價(jià)[D]．北京：北京郵電大學(xué), 2011.

Design and construction of heterogeneous virtualization management platform based on IAAS

CHEN Si
(China Mobile (Shenzhen) Limited, Shenzhen 518048, China)

In this paper, the basic idea of the design and implementation of the heterogeneous virtualization management system was based on virtualization management thoughts, based on the technology of open source virtualization library libvirt, in J2EE open source development framework for tools, implementation of multi platform virtualization environment integrated management technology research of visualization. The success of this system will be based on the virtualization management platform construction have very good supporting effect, so as to solve the problem of virtualization management for a long time hard to engineering.

virtualization; virtualization management; private cloud platform; multi platform virtualization environment

TN929.5

A

1008-5599（2017）05-0051-05

2016-08-05