KVM虛擬化技術(shù)解析及在石油勘探中的應(yīng)用

葉虹余 陳升義

摘要 隨著互聯(lián)網(wǎng)及云計算技術(shù)的不斷發(fā)展，IT基礎(chǔ)架構(gòu)越來越復(fù)雜，如何降低IT資源投入和優(yōu)化資源配置成了一大難題。虛擬化技術(shù)可以實現(xiàn)IT資源的動態(tài)分配、靈活調(diào)度、跨域共享，大大提高了IT資源利用率，簡化了IT基礎(chǔ)架構(gòu)。KVM虛擬化技術(shù)是基于內(nèi)核的虛擬機(jī)，是Linux系統(tǒng)的一個內(nèi)核模塊，具有高性能高擴(kuò)展性使用方便等優(yōu)點。通過在石油勘探研究應(yīng)用環(huán)境部署實施KVM虛擬化技術(shù)，構(gòu)建了高效實用的虛擬化應(yīng)用平臺，取得了很好的效果。

【關(guān)鍵詞】虛擬化 KVM 虛擬機(jī) 石油勘探

1 引言

虛擬化技術(shù)最早在商業(yè)上利用是IBM公司在上世紀(jì)七十年代實現(xiàn)的，通過在一臺主機(jī)上安裝多個操作系統(tǒng)，使得用戶能夠充分利用昂貴的大型計算機(jī)資源。隨后虛擬化技術(shù)一直只在大型機(jī)上使用，直到最近十多年來，才涌現(xiàn)出了一批專業(yè)的虛擬化技術(shù)公司，并推出了各自的虛擬化技術(shù)和產(chǎn)品，虛擬化技術(shù)才被更多的人熟知和利用，特別是在X86平臺得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。

2 KVM虛擬化技術(shù)

KVM全稱是基于內(nèi)核的虛擬機(jī)（Kemel-based Virtual Machine），其前身是QEMU，2008年被Red Hat公司收購并獲得一項hypervisor技術(shù)，目前已被嵌入到RHEL5.4及以后的操作系統(tǒng)中。準(zhǔn)確來說，KVM僅僅是Linux內(nèi)核的一個模塊，管理和創(chuàng)建完整的KVM虛擬機(jī)，需要更多的輔助工具來實現(xiàn)。

2.1 KVM系統(tǒng)架構(gòu)

KVM是基于linux內(nèi)核的虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)，通過KVM模塊將linux系統(tǒng)內(nèi)核轉(zhuǎn)化為VMM（virtual machine monitor）， 并在linux操作系統(tǒng)的用戶模式和內(nèi)核模式外，添加了第三種運(yùn)行模式即客戶模式（guest mode），VMM即運(yùn)行在該運(yùn)行模式下，其被視為一個常規(guī)的linux進(jìn)程，接收linux本身調(diào)度程序的統(tǒng)一調(diào)度，從而KVM擁有l(wèi)inux內(nèi)核所擁有的所有功能。因此，KVM模塊負(fù)責(zé)虛擬機(jī)的創(chuàng)建、虛擬內(nèi)存的分配，vCPU寄存器的讀寫和運(yùn)行等，這只是虛擬化解決方案的第一步。第二步是利用QEMU模擬虛擬機(jī)的用戶空間組件，提供I/O設(shè)備模型以及訪問外設(shè)的途徑。至此，一臺完整可用的虛擬機(jī)才誕生，KVM整個虛擬化技術(shù)的架構(gòu)如圖1所示。

2.2 虛擬化管理工具libvirt

KVM作為linux內(nèi)核的一個模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)C，PU和內(nèi)存的虛擬化，而QEMU則實現(xiàn)了用戶空間組件和I0設(shè)備的虛擬化，因此qemu-kvm也能創(chuàng)建和管理虛擬機(jī)，但由于QEMU工具系統(tǒng)復(fù)雜，使用效率低下，因此，Red Hat使用libvirt來創(chuàng)建和管理虛擬機(jī)。

libvirt是目前使用最為廣泛的對KVM虛擬機(jī)進(jìn)行管理的工具和應(yīng)用程序接口（API）。它是一套開源的支持linux下虛擬化工具的函數(shù)庫，由三個部分組成：應(yīng)用程序接口（API），用于為其他虛擬機(jī)管理工具提供程序庫支持;一個守護(hù)進(jìn)程libvirtd，用于管理所有域，在使用工具對虛擬機(jī)進(jìn)行管理時，該守護(hù)進(jìn)程需要打開;一個默認(rèn)的命令行管理工具virsh，它是libvirt項目中默認(rèn)的命令行管理工具，具有定義、啟動、停止等管理功能。libvirt工作原理如圖2所示。

2.3 KVM在虛擬化技術(shù)中的優(yōu)勢

KVM是一款免費(fèi)開源軟件，提供了完整的虛擬化解決方案，并提供了強(qiáng)大的命令行接口（virsh）以及圖形化的管理工具（virt-manager），使用起來比較方便。此外，KVM對硬件的兼容性較好，能支持多種操作系統(tǒng)，具有良好的穩(wěn)定性和適用性。

3 KVM虛擬化技術(shù)在石油勘探中的應(yīng)用

石油勘探研究是一項高度依賴計算機(jī)的技術(shù)，不管是前期的地震資料處理，還是地震資料的解釋，以及各種反演建模和油田開發(fā)方案設(shè)計等，都需要各種專業(yè)軟件和高性能的計算機(jī)，因此，石油勘探是對IT資源和技術(shù)最依賴和最敏感的行業(yè)之一。

3.1 應(yīng)用環(huán)境現(xiàn)狀分析

筆者所在單位是石油勘探研究院所，擁有各式服務(wù)器近50臺，用于石油勘探開發(fā)研究和信息系統(tǒng)的部署。如此眾多的服務(wù)器，在日常運(yùn)維管理中出現(xiàn)了一系列的問題：機(jī)器數(shù)量的增加導(dǎo)致硬件投入不斷增加，同時設(shè)備維護(hù)成本也不斷增長，包括設(shè)備電力消耗，機(jī)房空調(diào)制冷，機(jī)柜空間消耗等;服務(wù)器使用效率低下，某些服務(wù)器只提供單一服務(wù)，機(jī)器的CPU和內(nèi)存使用率較低，造成硬件資源的極大浪費(fèi);服務(wù)器運(yùn)維管理不便，每臺服務(wù)器都是一臺物理實體機(jī)，都需要逐一安裝操作系統(tǒng)部署相關(guān)服務(wù)，日常運(yùn)維管理效率較低;服務(wù)器安全冗余性較差，大多數(shù)服務(wù)器都是單一機(jī)器提供服務(wù)，出現(xiàn)故障時無法快速的遷移和恢復(fù)。

針對上述問題，虛擬化技術(shù)使這些問題迎刃而解，利用基于KVM的服務(wù)器虛擬化技術(shù)，通過一臺物理機(jī)虛擬出多臺虛機(jī)，在虛機(jī)上部署相關(guān)服務(wù)，只需要較少的機(jī)器就能滿足應(yīng)用需求。

3.2 KVM虛擬化技術(shù)部署及應(yīng)用

要部署虛擬化技術(shù)，首先要安裝宿主機(jī)，在硬件選取上，利用2臺HPDL580 G9和3臺IBM3850 M2作為KVM虛擬機(jī)的宿主機(jī)，其CPU總核數(shù)分別為80個和64個，內(nèi)存分別為256G和128G，4個千兆以太網(wǎng)口，外加擴(kuò)展FC HBA卡。機(jī)器安裝操作系統(tǒng)為RHEL7.0，并在BIOS中打開虛擬化技術(shù)：VirtualizationTechnology設(shè)為Enable。

由于KVM已經(jīng)作為一個模塊嵌入到了RHEL的操作系統(tǒng)中，因此裝好操作系統(tǒng)后就可以新建虛擬機(jī)了。Virt-manager是一個基于圖形界面的虛擬機(jī)管理工具，利用它可以很方便的創(chuàng)建、配置和管理虛擬機(jī)。結(jié)合我院的應(yīng)用環(huán)境，利用5臺宿主機(jī)共創(chuàng)建了虛擬機(jī)20余臺，分別作為應(yīng)用軟件服務(wù)器、軟件許可服務(wù)器和信息系統(tǒng)服務(wù)器，其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3所示。

3.3 虛擬化技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢

通過部署虛擬化技術(shù)，減少了物理服務(wù)器數(shù)量，有效整合了硬件資源，在使用中具有以下優(yōu)勢：降低了硬件成本和能源消耗，節(jié)省了機(jī)房空間以及電力、網(wǎng)絡(luò)等IT資源;設(shè)備利用率大大提高，宿主機(jī)的優(yōu)越性能得以充分利用，同時虛擬機(jī)的資源可以靈活動態(tài)調(diào)整，真正做到了按需分配系統(tǒng)運(yùn)維更加方便快捷，利用管理工具，大大簡化了服務(wù)器的部署、管理和維護(hù)工作;系統(tǒng)安全性更高，虛擬化技術(shù)支持虛擬機(jī)的快速復(fù)制、備份和遷移，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時能快速恢復(fù)和還原，大大提高了系統(tǒng)的可用性和冗余度。

4 結(jié)束語

KVM虛擬化技術(shù)作為一項性能和穩(wěn)定性都比較高的虛擬化解決方案，其應(yīng)用越來越廣泛，特別是在復(fù)雜的IT應(yīng)用環(huán)境中，利用KVM虛擬化技術(shù)，能簡化系統(tǒng)架構(gòu)，降低硬件和管理成本，提高系統(tǒng)安全性。隨著互聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬化技術(shù)也將是IT技術(shù)發(fā)展的必然選擇，KVM虛擬化將在服務(wù)器虛擬化、桌面虛擬化和應(yīng)用虛擬化等領(lǐng)域得到更多的應(yīng)用。

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