一種虛擬化云管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

覃國(guó)孫

【摘 要】文章首先根據(jù)云管理平臺(tái)的基本特點(diǎn)介紹了基于虛擬化的云管理平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，然后以廣西廣播電視監(jiān)測(cè)中心的監(jiān)測(cè)監(jiān)管云管理平臺(tái)為例，介紹了云管理平臺(tái)的功能架構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)，對(duì)企事業(yè)單位構(gòu)建私有云管理平臺(tái)具有一定的參考意義。

【關(guān)鍵詞】云管理平臺(tái)；虛擬化；高可用

【中圖分類號(hào)】TP311.52 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）04-0030-03

0 前言

一個(gè)完整的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心必然包含云管理平臺(tái)，它也是云數(shù)據(jù)中心的核心部分。云管理平臺(tái)的創(chuàng)建，一是為了提高資源的利用率，簡(jiǎn)化資源和服務(wù)的管理和維護(hù)，減少數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)成本；二是為了通過快速、簡(jiǎn)單和可擴(kuò)展的方式創(chuàng)建和管理大型、復(fù)雜的IT基礎(chǔ)設(shè)施（服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用、存儲(chǔ)設(shè)備等）。本文旨在研究設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一種既符合云管理平臺(tái)的基本特點(diǎn)，又貼合實(shí)際工作應(yīng)用需求的虛擬化云管理平臺(tái)。

1 云管理平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的云管理平臺(tái)的技術(shù)思路主要從以下幾個(gè)方面去研究和設(shè)計(jì)，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1 資源池化管理

通過對(duì)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等硬件資源進(jìn)行虛擬化處理，形成虛擬層面的資源池。該資源池可管理物理資源、虛擬資源、存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)資源。同時(shí)，可按需分配資源，為每一套應(yīng)用系統(tǒng)提供基礎(chǔ)的計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力及網(wǎng)絡(luò)能力。

當(dāng)資源池中的資源不夠時(shí)，平臺(tái)能快速地將新增加的物理資源直接池化，平臺(tái)可自動(dòng)識(shí)別新資源，在增加硬件資源的過程中不需要再做其他設(shè)定，由平臺(tái)自動(dòng)進(jìn)行管理。虛擬服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的增加由管理平臺(tái)對(duì)虛擬服務(wù)器鏡像進(jìn)行復(fù)制即可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)服務(wù)器的增加，整個(gè)過程的資源分配由平臺(tái)管理軟件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，減少了人工管理成本。

1.2 高可用管理

采用從虛擬機(jī)、應(yīng)用程序和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)3個(gè)維度進(jìn)行高可用管理的策略來保障部署在云上的業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

1.2.1 虛擬機(jī)高可用

管理平臺(tái)底層設(shè)計(jì)采用分布式文件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)多備份，自動(dòng)檢測(cè)故障，自動(dòng)恢復(fù)數(shù)據(jù)，可以保證虛擬機(jī)硬盤資源的安全性。CPU、內(nèi)存和存儲(chǔ)都化為虛擬資源被加入到資源池中，虛擬機(jī)可以在資源池中的任意物理機(jī)上啟動(dòng)，并配合虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)切換機(jī)制，保證虛擬機(jī)的高可用。通過偵聽虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)提供的Heartbeat接口，在短時(shí)間內(nèi)完成虛擬機(jī)狀態(tài)的判斷，并創(chuàng)建新虛擬機(jī)接替業(yè)務(wù)程序，切換時(shí)間視虛擬機(jī)的操作系統(tǒng)的不同而有所變化。

虛擬機(jī)鏡像采用支持寫時(shí)復(fù)制的qcow2鏡像格式，以鏡像模板加快照的方式創(chuàng)建和還原虛擬機(jī)。虛擬機(jī)中的業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行升級(jí)更新時(shí)，可先在后臺(tái)復(fù)制的一臺(tái)虛擬機(jī)中進(jìn)行應(yīng)用升級(jí)，待該克隆虛擬機(jī)測(cè)試通過后快速替換運(yùn)行原應(yīng)用程序的虛擬機(jī)，采用這種虛擬機(jī)創(chuàng)建替換方法，使系統(tǒng)應(yīng)用不發(fā)生中斷，保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

1.2.2 應(yīng)用程序高可用

管理平臺(tái)同時(shí)為虛擬機(jī)中的應(yīng)用程序提供Heartbeat接口，實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)用程序的健康狀態(tài)，一旦監(jiān)控到當(dāng)前應(yīng)用程序與管理平臺(tái)部署的心跳檢測(cè)出現(xiàn)異常，管理平臺(tái)在預(yù)設(shè)閾值時(shí)間內(nèi)將自動(dòng)關(guān)閉當(dāng)前的虛擬機(jī)，啟動(dòng)備機(jī)，整個(gè)切換過程在極短的時(shí)間內(nèi)完成，能夠保證業(yè)務(wù)程序的高可用。

1.2.3 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)高可用

所有的虛擬機(jī)中都不保存業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過映射網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器保存至分布式存儲(chǔ)中，采用基于分布式存儲(chǔ)的容災(zāi)設(shè)計(jì)，保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的高可用。

1.3 設(shè)備監(jiān)控管理

管理平臺(tái)通過接口實(shí)時(shí)采集基礎(chǔ)設(shè)施硬件等物理資源的各種自身狀態(tài)信息，并設(shè)計(jì)基于圖像可視化的設(shè)備監(jiān)控界面，實(shí)時(shí)展示服務(wù)器磁盤運(yùn)行狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端口連接狀態(tài)等，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬資源及各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用性能進(jìn)行監(jiān)控與管理，以便更全面、直觀地掌握整個(gè)平臺(tái)的使用狀況并及時(shí)進(jìn)行維護(hù)管理。

1.4 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)告警管理

通過在多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)部署集群化的監(jiān)視器，設(shè)計(jì)采用虛擬機(jī)主動(dòng)向服務(wù)器發(fā)送心跳包的方式，避免了服務(wù)器主動(dòng)發(fā)包方式會(huì)增加管理平臺(tái)負(fù)擔(dān)和依賴客戶端程序穩(wěn)定性的情況，建立管理平臺(tái)與虛擬機(jī)之間心跳包自動(dòng)檢測(cè)機(jī)制，定時(shí)檢測(cè)虛擬機(jī)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常后立即自動(dòng)連接短信發(fā)布模塊向管理人員發(fā)送相應(yīng)的故障信息，能及時(shí)了解并處理平臺(tái)故障，保證云平臺(tái)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)維護(hù)的高效性。

1.5 Web服務(wù)

云平臺(tái)管理軟件可對(duì)資源域中所有節(jié)點(diǎn)上的資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，并提供Web接口給管理員和用戶，所有運(yùn)維管理用戶角色都通過網(wǎng)絡(luò)查看云平臺(tái)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)及管理整個(gè)集群，并對(duì)權(quán)限內(nèi)的資源進(jìn)行訪問和操作。

云平臺(tái)管理軟件相當(dāng)于云操作系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)將此軟件部署在高可用的虛擬機(jī)上，這樣的好處在于這臺(tái)虛擬機(jī)可以動(dòng)態(tài)地生成于云平臺(tái)中的任一節(jié)點(diǎn)服務(wù)器上，相較于固定節(jié)點(diǎn)安裝方式更靈活可靠，并實(shí)現(xiàn)了管理軟件的業(yè)務(wù)連續(xù)、高可用。此外，管理軟件如果發(fā)生故障，只會(huì)影響云數(shù)據(jù)中心的管理功能，而不會(huì)影響整個(gè)數(shù)據(jù)中心的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 云管理平臺(tái)主要功能設(shè)計(jì)

根據(jù)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與技術(shù)思路，設(shè)計(jì)云管理平臺(tái)的主要功能應(yīng)包括云平臺(tái)總覽、資源管理、項(xiàng)目管理、告警管理、模板管理、系統(tǒng)管理等功能模塊，其功能架構(gòu)圖如圖2所示。

由于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能眾多，下面結(jié)合廣西廣播電視監(jiān)測(cè)中心云管理平臺(tái)實(shí)踐，選取幾個(gè)重要的功能進(jìn)行介紹。

2.1 云平臺(tái)總覽

云平臺(tái)總覽是將數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的所有硬件信息的健康狀況、資源的使用率、所在網(wǎng)絡(luò)的位置等綜合地展現(xiàn)出來，給管理用戶展示更直觀的管理界面。通過該界面可直觀、動(dòng)態(tài)地反映整個(gè)云平臺(tái)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，包括CPU、內(nèi)存、硬盤等池化資源的實(shí)時(shí)使用情況，各類物理服務(wù)器、交換機(jī)和存儲(chǔ)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和設(shè)備健康狀態(tài)，以及一些集群的概況和告警信息等。其中，動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)拓?fù)湟晥D與機(jī)柜中實(shí)際的交換機(jī)和服務(wù)器盤位一一真實(shí)對(duì)應(yīng)，具體到每個(gè)接口和每塊磁盤的狀態(tài)，管理平臺(tái)每秒輪巡顯示所有機(jī)柜中每臺(tái)物理機(jī)和交換機(jī)的連接情況，以不同的顏色顯示每個(gè)節(jié)點(diǎn)、鏈路的實(shí)時(shí)狀況，并實(shí)時(shí)更新物理機(jī)的圖標(biāo)和連接線顏色，畫面更加生動(dòng)、直觀，能更快速、全面地掌握整個(gè)云平臺(tái)的資源狀態(tài)，也能更好地定位故障點(diǎn)，提高系統(tǒng)維護(hù)的及時(shí)性。云平臺(tái)總覽實(shí)際效果圖如圖3所示。

2.2 資源管理

資源管理包括物理機(jī)管理及監(jiān)控、虛擬機(jī)管理及監(jiān)控、存儲(chǔ)管理及監(jiān)控等模塊，其整合了數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源，并做到從上層的應(yīng)用到底層硬件設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，幫助管理員和用戶檢查應(yīng)用和控制資源的動(dòng)態(tài)分配。

2.2.1 虛擬機(jī)管理

虛擬機(jī)管理包括創(chuàng)建虛擬機(jī)、維護(hù)虛擬機(jī)、替換虛擬機(jī)、開關(guān)及刪除虛擬機(jī)、遠(yuǎn)程登錄虛擬機(jī)、分配和遷移虛擬機(jī)、制作虛擬機(jī)模版、虛擬機(jī)高可用管理等模塊，這些也是管理平臺(tái)日常使用最頻繁的功能。這里介紹創(chuàng)建虛擬機(jī)和虛擬機(jī)高可用管理這2個(gè)比較具有本平臺(tái)特點(diǎn)的功能。

2.2.1.1 創(chuàng)建虛擬機(jī)

創(chuàng)建虛擬機(jī)是管理平臺(tái)時(shí)常使用的操作，為提高管理使用效率，本平臺(tái)設(shè)計(jì)出的配置虛擬機(jī)界面幾乎是“傻瓜化”的，只需簡(jiǎn)單填寫數(shù)字和拉動(dòng)進(jìn)度條即可快速配置所需要的虛擬機(jī)，真正做到了像使用水電一樣按需靈活分配，不用經(jīng)過培訓(xùn)即可操作，大大提高了工作效率。

2.2.1.2 虛擬機(jī)高可用管理

中心管理員或者團(tuán)隊(duì)管理員都可以對(duì)其管理的虛擬機(jī)進(jìn)行高可用操作。本平臺(tái)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求設(shè)計(jì)提供了2種高可用的方式供用戶選擇，即還原式高可用和重啟式高可用。

還原式高可用能夠在虛擬機(jī)宕機(jī)時(shí)，按照最新的快照部署新的虛擬機(jī)，保證虛擬機(jī)的業(yè)務(wù)不間斷；重啟式高可用能夠在虛擬機(jī)宕機(jī)、斷網(wǎng)、物理機(jī)斷連時(shí)，重啟虛擬機(jī)，管理員可以通過實(shí)際登錄虛擬機(jī)查看其可用情況，如果用戶判定這臺(tái)虛擬機(jī)在重啟后可用，那么無需還原虛擬機(jī)，如果用戶判定這臺(tái)虛擬機(jī)不可用，那么可以手動(dòng)還原虛擬機(jī)。

2種高可用方式的設(shè)置可以使管理員根據(jù)需要靈活管理虛擬機(jī)，以多種手段靈活保障虛擬機(jī)高可用。

2.2.2 告警管理

云管理平臺(tái)使用告警信息進(jìn)行實(shí)時(shí)短信發(fā)送的方式來進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警。若告警持續(xù)1～3 min，那么平臺(tái)進(jìn)行第一次短信發(fā)送；若告警持續(xù)4～9 min，那么平臺(tái)進(jìn)行第二次短信發(fā)送；若告警持續(xù)10～30 min，那么平臺(tái)進(jìn)行第三次短信發(fā)送；若告警持續(xù)31～60 min，那么系統(tǒng)進(jìn)行第四次短信發(fā)送。經(jīng)過分類分級(jí)的短信設(shè)置，可以進(jìn)一步提高管理平臺(tái)響應(yīng)處理和及時(shí)解決故障的能力。

3 結(jié)語

經(jīng)過實(shí)踐證明，本平臺(tái)通過結(jié)合實(shí)際需求的設(shè)計(jì)應(yīng)用，能使云數(shù)據(jù)中心的運(yùn)維管理人員通過全面可視化的多元操作管理界面，只需簡(jiǎn)單操作，就能快速地對(duì)整個(gè)云數(shù)據(jù)中心的資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)靈活的管理調(diào)度、按需分配及運(yùn)維操作，實(shí)現(xiàn)了易操作、易管理維護(hù)的效果，同時(shí)通過多種技術(shù)手段保證了云數(shù)據(jù)中心具備高可用性、高安全性，這對(duì)其他企業(yè)和單位構(gòu)建云管理平臺(tái)有一定的參考價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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[2]楊紹光，張?jiān)朴?，?基于OpenStack的云計(jì)算IaaS管理平臺(tái)研究[J].互聯(lián)網(wǎng)天地，2013（3）.

[3]鄭楚鋒.虛擬數(shù)據(jù)中心云管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].廣州：華南理工大學(xué)軟件學(xué)院，2012.