基于虛擬化技術(shù)的吉林市氣象云平臺設計

龐培林 陳治宇

摘要針對吉林市氣象局業(yè)務發(fā)展中遇到的IT運維難題，結(jié)合業(yè)務發(fā)展和實際工作情況，通過與傳統(tǒng)服務器的運維、存儲和管理等方式的對比，分析虛擬化技術(shù)的各項功能和特點的優(yōu)勢，從而提出了吉林市氣象云平臺的整體設計方案，此方案顯著提高了業(yè)務服務器的可用性，加強了IT運維的可管理性，增加了未來業(yè)務發(fā)展的可拓展性，極大降低了氣象信息業(yè)務運行成本。

關鍵詞云計算；虛擬化；氣象云平臺；設計

中圖分類號S431.9文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）22-0195-02

AbstractFor the Jilin Meteorological Bureau business development encountered IT operation and maintenance problems，combined with business development and practical work，through the comparison with the operation and maintenance， storage and management of traditional server， this paper analyzed the advantages and characteristics of virtualization technology， and put forward the overall design scheme of Jilin meteorological cloud platform.This program significantly improved the availability of business servers， enhanced the manageability of IT operations and increased the scalability of future business development， greatly reduced the operational cost of meteorological information services.

Key wordsCloud computing；Virtualization；Meteorological cloud platform；Design

隨著氣象信息化進程的推進，綜合觀測自動化、數(shù)據(jù)信息集約化、服務產(chǎn)品智能化的趨勢不可逆轉(zhuǎn)。業(yè)務服務器運維工作作為信息化進程中的基石，在氣象信息化發(fā)展中有著不可替代的重要作用[1]。近年來，隨著各項基礎性業(yè)務和服務性業(yè)務的快速發(fā)展，對服務器資源的需求日益增加，給服務器資源的日常維護和資源分配帶來了很大壓力。虛擬化技術(shù)是當前主流的服務器資源優(yōu)化的方法，通過虛擬服務器、共享存儲系統(tǒng)和虛擬網(wǎng)絡技術(shù)構(gòu)建的云服務平臺能夠?qū)鹘y(tǒng)的服務器物理資源抽象成邏輯資源，從而進行動態(tài)分配管理，虛擬出若干臺相互隔離的虛擬機。使用多臺物理服務器搭建集群，部署動態(tài)負載平衡，可將多臺物理服務器中的 CPU 和內(nèi)存聚合到統(tǒng)一的資源池中，這些資源池可以智能地按照業(yè)務優(yōu)先級為虛擬機提供資源，從而實現(xiàn)更高的硬件利用率，同時又不會影響到服務級別，方便后期運維管理。因此，運用虛擬化技術(shù)可最大限度地優(yōu)化服務器資源的可用性，提高日常運維的可管理性，減少運維成本，增強業(yè)務系統(tǒng)的容災能力和可擴展性，為氣象業(yè)務信息化未來發(fā)展夯實基礎。筆者僅以吉林市氣象云平臺整體設計為例，著重介紹虛擬化技術(shù)在實際業(yè)務中的具體應用。

1現(xiàn)狀分析

1.1傳統(tǒng)部署下的弊端

吉林市氣象局作為信息業(yè)務密集型單位，近年來，隨著氣象信息化的發(fā)展，尤其是智慧氣象的推廣，開發(fā)的系統(tǒng)、平臺日益增多，目前該局現(xiàn)有資源在傳統(tǒng)的硬件部署狀態(tài)下已無法滿足搭載更多業(yè)務系統(tǒng)的需求，將嚴重制約其氣象信息化的發(fā)展，現(xiàn)有服務器運維中存在的弊端主要體現(xiàn)為以下幾個方面。

1.1.1服務器的可利用率低。

現(xiàn)在機房內(nèi)運行的大部分服務器的利用率都非常低，由于每個業(yè)務系統(tǒng)之間并不兼容，每套系統(tǒng)均需建立一套開發(fā)環(huán)境、測試環(huán)境及生產(chǎn)環(huán)境，所需開發(fā)、測試服務器數(shù)量多，同時由于開發(fā)、測試與業(yè)務需求有關，沒有業(yè)務應用系統(tǒng)需求時，開發(fā)、測試服務器資源利用率不高。在傳統(tǒng)的服務器資源使用方式下只能單獨占用一臺物理服務器，CPU、內(nèi)存的資源利用率不超過20%，硬盤空間和系統(tǒng)資源被閑置，利用率不超過60%[2]。

1.1.2服務器的可管理性差。首先體現(xiàn)為服務器可用性低，幾乎應用服務器都是單獨運行，沒有雙機熱備等保障手段。若服務器出現(xiàn)故障，其中運行的業(yè)務必將中斷。其次是需要停機才能進行系統(tǒng)的維護、升級和擴容等操作，也將導致業(yè)務運行的中斷，一些重點部位的業(yè)務系統(tǒng)一旦中斷將對業(yè)務產(chǎn)生重大影響。

1.1.3服務器的可兼容性差。如需將業(yè)務系統(tǒng)遷移到其他服務器，必須滿足系統(tǒng)和應用軟件對運行環(huán)境的要求。在老舊版本的硬件平臺上無法運行新的業(yè)務系統(tǒng)和應用軟件，而以前開發(fā)的業(yè)務系統(tǒng)和應用軟件在新的硬件平臺上經(jīng)常出現(xiàn)不兼容的情況。為了保障業(yè)務正常運行和避免后期運維中可能因此出現(xiàn)的問題，只能用增加新服務器的方法來解決，但新服務器的上線部署時間久、周期長。

1.1.4服務器的運維成本高。隨著服務器數(shù)量增加，每年要支出高額購置費用不說，同時運行維護中涉及的耗電、占地、網(wǎng)絡設備和維護人員等成本也跟著不斷增加。還有一半以上服務器已經(jīng)過保，部件逐漸老化，致使設備的維護、維修費用也逐年增加。

1.1.5服務器的數(shù)據(jù)存儲分散。信息系統(tǒng)集約化程度偏低，目前吉林市氣象局共有26臺服務器，型號和用途均不相同，數(shù)據(jù)存儲彼此隔離，數(shù)據(jù)庫種類各有不同，彼此不兼容，形成諸多信息孤島。導致容災風險增大，災備成本升高。

1.2虛擬化云平臺的優(yōu)勢

通過虛擬化氣象云平臺的建設，可以極大地緩解上述問題。虛擬化技術(shù)在實際應用中的優(yōu)勢主要體現(xiàn)為以下幾點。

1.2.1高利用率。實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)資源、計算資源和存儲資源的集約化管理，大幅提高數(shù)據(jù)、計算、存儲資源和場地環(huán)境資源的使用效率，大幅降低能耗，節(jié)省氣象業(yè)務信息系統(tǒng)運行成本，實現(xiàn)效率和效益的成倍提升[3]。

1.2.2

高可用性?？蓪⒁验_啟的虛擬機從一個主機移到另一個主機上，使虛擬機在計劃內(nèi)硬件停機期間能夠繼續(xù)運行；在虛擬機不停機的情況下升級 ESXi主機，通過在群集內(nèi)的其他主機上重新啟動虛擬機，防止因服務器故障影響業(yè)務運行。

1.2.3

可管理性。通過 Storage vMotion可以執(zhí)行存儲維護和重新配置；重新分配存儲負載；清除即將淘汰的物理存儲。

1.2.4可拓展性。VMFS數(shù)據(jù)存儲支持進行動態(tài)的擴展，當未來存儲空間不再能夠滿足需求時，可以隨時進行擴充。如需接入業(yè)務特殊接口（如雷達等），可隨時增加相應設備，方便接入[4]。

2氣象云平臺設計方案

該平臺基礎架構(gòu)包括服務器系統(tǒng)虛擬化、網(wǎng)絡系統(tǒng)虛擬化、存儲系統(tǒng)虛擬化、應用系統(tǒng)虛擬化4個部分。

2.1服務器系統(tǒng)虛擬化

2.1.1服務器虛擬化概述。

傳統(tǒng)的應用系統(tǒng)架構(gòu)中，應用系統(tǒng)運行在IA服務器平臺上，雖然大多數(shù)服務器系統(tǒng)資源的利用率在10%～15%，但構(gòu)架、安全和兼容性方面的問題導致必須指定不同的物理平臺來運行它們。大部分關鍵應用系統(tǒng)以單節(jié)點方式在物理服務器節(jié)點上運行，對于整個應用系統(tǒng)而言，存在大量的單點故障，使得關鍵業(yè)務系統(tǒng)面臨嚴重的安全風險。同時，針對物理節(jié)點的管理和安全運維，將花去大量的精力。此外，服務器的衍生組件將導致硬件、散熱和耗能等方面的成本上升[5]。

虛擬化使得數(shù)據(jù)中心平臺能夠?qū)崿F(xiàn)在服務器管理方面取得的重大改進，包含添加、移動、變更、預制和重置基礎應用；獲得更便宜的硬件和運作成本，極大地簡化硬件設備管理和維護成本，減輕管理員的管理負擔，實現(xiàn)“綠色”IT；達到甚至超過每個CPU 4個負載的整合比率，最大限度地提高設備利用率，根據(jù)系統(tǒng)發(fā)展需要，靈活進行硬件及系統(tǒng)動態(tài)擴展，能夠充分滿足未來業(yè)務發(fā)展需要。

2.1.2服務器虛擬化設計。

將在每臺物理服務器上分別部署vmware vSphere虛擬化軟件，隸屬于不同區(qū)域的虛擬機可以部署在任意一臺物理服務器中，這樣無論哪臺物理服務器出現(xiàn)故障，這臺服務器上的虛擬機都可以利用HA功能將該服務器上的虛擬機遷移至其他服務器上運行，保證業(yè)務正常運行[6]。

物理服務器創(chuàng)建和部署虛擬機時，可按照不同的業(yè)務運行需求分配資源，為虛擬機分配相應的虛擬資源，每個虛擬機可部署不同的操作系統(tǒng)或（和）業(yè)務應用系統(tǒng)，而避免不兼容現(xiàn)象發(fā)生。

2.2網(wǎng)絡系統(tǒng)虛擬化

基于服務器虛擬化技術(shù)，從而進行網(wǎng)絡虛擬化的規(guī)劃和設計。在所有物理服務器上分別部署vmware vSphere虛擬化軟件后，在每臺物理服務器上創(chuàng)建3個vmware虛擬交換機，利用vmware虛擬交換機連接實現(xiàn)不同業(yè)務應用。在每臺物理服務器上創(chuàng)建的3個虛擬機交換機分別為vSwitch1、vSwitch2、vSwitch3，分別負責連接虛擬機網(wǎng)絡、管理網(wǎng)、FC SAN網(wǎng)。vSwitch1、vSwitch2、vSwitch3這3個網(wǎng)絡區(qū)域內(nèi)的虛擬交換機分別利用每臺服務器的物理網(wǎng)卡作為Uplink口，冗余上連不同區(qū)域內(nèi)的物理交換機。為了便于管理且確保整體系統(tǒng)的安全性，將vmware vSphere管理所需的vmkernel端口連接至vSwitch2（機密區(qū)虛擬交換機），用于虛擬機遷移、管理及維護。

2.3存儲系統(tǒng)虛擬化

根據(jù)吉林市氣象局對業(yè)務系統(tǒng)的建設要求，依據(jù)服務器虛擬化技術(shù)對數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的要求，結(jié)合業(yè)務應用系統(tǒng)對HA雙機高可用系統(tǒng)的共享存儲要求，對存儲系統(tǒng)虛擬化進行了詳細設計和規(guī)劃。按照業(yè)務應用系統(tǒng)對不同密級安全域的要求，將在線存儲系統(tǒng)主磁盤陣列的存儲空間劃分為3個存儲區(qū)域，即虛擬機網(wǎng)存儲區(qū)、秘密區(qū)存儲區(qū)、機密區(qū)存儲區(qū)，分別將3個密級區(qū)域的虛擬機存儲到其對應的存儲區(qū)內(nèi)。

對于對存儲系統(tǒng)要求復雜的虛擬機網(wǎng)，將虛擬機網(wǎng)存儲區(qū)分為2種類型的LUN用于虛擬化存儲，一種為DataStor，另外一種為RDM。DataStor用于存儲虛擬機文件及虛擬機中的業(yè)務應用數(shù)據(jù)，RDM用于支持虛擬機之間的HA所需的共享存儲。

2.4應用系統(tǒng)虛擬化

虛擬化軟件包括對虛擬應用程序的支持，虛擬應用程序是包含一個或多個虛擬機的邏輯實體，它使用行業(yè)標準的開放虛擬化格式來指定和封裝多層應用程序的所有組件，以及與該應用程序相關的操作策略和服務級別。正如 UPC 條形碼包含關于某個產(chǎn)品的所有信息一樣，虛擬應用程序為應用程序所有者提供了一種標準方法，用以描述云操作系統(tǒng)能夠自動解釋和執(zhí)行的應用程序操作策略。虛擬應用程序確保新的和現(xiàn)有的應用程序能夠在基于虛擬化軟件的內(nèi)部云之間移動或移動到外部云，同時仍然保持其服務級別。

數(shù)據(jù)中心平臺通過虛擬化軟件的 VMotion可以實現(xiàn)虛擬機的動態(tài)遷移，而服務不中斷，以此進行有計劃的服務器維護和升級遷移工作負載，提高資源利用率最大化。

同時，利用虛擬化軟件的HA可以方便地提高任何應用的高可用性，VMware HA可在發(fā)生服務器故障時在其他的物理服務器上自動重啟虛擬機，對所有的應用實現(xiàn)了高可用性，并且成本很低，不需要完全一致的重復硬件，比傳統(tǒng)的集群有更高的運維成本優(yōu)勢，同時易于使用和操作。

此外，將一臺虛擬服務器部署vCenter Server軟件，實現(xiàn)集中管理和監(jiān)控所有虛擬機，使其自動化資源調(diào)配，統(tǒng)一對2臺物理服務器資源和其上的虛擬服務器運行進行管理。

3小結(jié)

該研究立足解決吉林市氣象局在服務器運維管理工作中遇到的問題，分析了傳統(tǒng)運維模式下的弊端和虛擬化技術(shù)的優(yōu)勢。結(jié)合虛擬化技術(shù)解決實際工作中遇到的IT難題，討論了基于虛擬化的技術(shù)氣象云平臺構(gòu)架下各部分功能。基于虛擬化技術(shù)的氣象云平臺在提高可用性、增強可管理性、集約化利用資源和降低部署成本等方面均有顯著表現(xiàn)，為未來業(yè)務的進一步發(fā)展提供了拓展空間。隨著虛擬化技術(shù)的發(fā)展，基于虛擬化的云平臺構(gòu)架必將更加完善，提升效果必將更加優(yōu)化。

參考文獻

[1] 李永超，程航，周麗麗，等.大連氣象云平臺設計[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2016，44（16）：196-197，206.

[2] 謝豐，任兆鵬.基于服務器虛擬化技術(shù)的青島市氣象局業(yè)務信息系統(tǒng)建設[J].科技促進發(fā)展，2013，9（1）：105-109.

[3] 李剛健.基于虛擬化技術(shù)的云計算平臺架構(gòu)研究[J].吉林建筑工程學院學報，2011，28（1）：79-81.

[4] 臧勁松.基于云計算的實驗平臺設計[J].計算機時代，2015（11）：28-31.

[5] 李雙權(quán)，王燕偉.云計算中服務器虛擬化技術(shù)探討[J].郵電設計技術(shù)，2011（10）：27-33.

[6] 譚文輝.利用VMware實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心服務器虛擬化[J].艦船電子工程，2008，28（6）：156-159.