基于虛擬化技術(shù)的云計算平臺架構(gòu)研究

吳 野

（北京飛機(jī)維修工程有限公司，北京 100621）

1 虛擬化技術(shù)的含義

虛擬化技術(shù)就是指把一個物理單元虛化成多個邏輯單元，供多個應(yīng)用一起使用，這樣就可以達(dá)到資源的高利用效率和管理各種資源的目的。它包括內(nèi)存虛擬化、存儲虛擬化、硬件虛擬化、軟件虛擬化等各項(xiàng)技術(shù)。本文主要對服務(wù)器虛擬化進(jìn)行研究。將服務(wù)器虛擬成若干個服務(wù)器，在使用服務(wù)器虛擬化之前，3種不同的應(yīng)用分別運(yùn)行在3個獨(dú)立的物理服務(wù)器上；在采用了服務(wù)器虛擬化之后，這3中應(yīng)用運(yùn)用在3個獨(dú)立的虛擬服務(wù)器上，而這3個虛擬服務(wù)器可以被一個物理服務(wù)托管。

通過研究分析得知，服務(wù)器虛擬化必備的是對硬件資源的虛擬化，硬件資源包括CPU、內(nèi)存、IO口，這些硬件資源的虛擬化是服務(wù)器的核心和關(guān)鍵技術(shù)。

2 云平臺建設(shè)的原則

（1）標(biāo)準(zhǔn)化。當(dāng)前云服務(wù)在整個信息產(chǎn)業(yè)中還不夠成熟，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)還沒有完善。為保障方案的前瞻性，在設(shè)備選型上力求充分考慮對云服務(wù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展支持能力，保證良好的先進(jìn)性，以適應(yīng)未來的信息產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

（2）高可用性。為保證數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)網(wǎng)的核心業(yè)務(wù)的不中斷運(yùn)行，在網(wǎng)絡(luò)整體設(shè)計和設(shè)備配置上都是按照雙備份要求設(shè)計的。在網(wǎng)絡(luò)連接上消除單點(diǎn)故障，提供關(guān)鍵設(shè)備的故障切換。關(guān)鍵設(shè)備之間的物理鏈路采用雙路冗余連接，按照負(fù)載均衡方式或active-active方式工作。關(guān)鍵主機(jī)可采用雙路網(wǎng)卡來增加可靠性。全冗余的方式使系統(tǒng)達(dá)到電信級可靠性。要求網(wǎng)絡(luò)具有設(shè)備/鏈中故障毫秒的保護(hù)倒換能力。具有良好擴(kuò)展性，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)完畢并網(wǎng)后應(yīng)可以進(jìn)行大規(guī)模改造、服務(wù)器集群、軟件功能模塊應(yīng)可以不斷擴(kuò)展。良好的易用性。簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低維護(hù)量。對突發(fā)數(shù)據(jù)的吸附，緩解端口擁塞壓力，能保證業(yè)務(wù)的流暢性等。

（3）增強(qiáng)二級網(wǎng)絡(luò)。云平臺下，虛擬機(jī)遷移與集群式兩種典型的應(yīng)用模型，這兩種模型均需要二層網(wǎng)絡(luò)支持。隨著云計算資源池的不斷擴(kuò)大，二層網(wǎng)絡(luò)的范圍正在逐步擴(kuò)大，甚至擴(kuò)展到多個數(shù)據(jù)中心內(nèi)，大規(guī)模部署二層網(wǎng)絡(luò)則帶來一個必然的問題就是二層環(huán)路問題。采用傳統(tǒng)的STP+VRRP技術(shù)部署二層網(wǎng)絡(luò)時會帶來部署復(fù)雜、鏈路利用率低、網(wǎng)絡(luò)收斂時間慢等諸多問題，因此網(wǎng)絡(luò)方案的設(shè)計需要重點(diǎn)考慮增強(qiáng)二級網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（如IRF/VSS、TRILL等）的應(yīng)用，以解決傳統(tǒng)技術(shù)帶來的問題。

（4）虛擬化。虛擬資源池化是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要趨勢，將可以大大提高資源利用率，降低運(yùn)營成本。應(yīng)有效開展服務(wù)器、存儲的虛擬資源池技術(shù)建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的虛擬化也應(yīng)進(jìn)行設(shè)計實(shí)現(xiàn)。服務(wù)器、存儲器、網(wǎng)絡(luò)及安全設(shè)備應(yīng)具備虛擬化功能。

（5）高性能。由于云服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的流量模型發(fā)生了變化，隨著整個云平臺相關(guān)業(yè)務(wù)的開展，業(yè)務(wù)都分布在各個服務(wù)器上，流量模型從縱向流量轉(zhuǎn)換成復(fù)雜的多維度混合的方式，整個系統(tǒng)具有較高的吞吐能力和處理能力，滿足PB級別的數(shù)據(jù)處理請求，具備對突發(fā)流量的承受能力。

（6）開放接口。為保證服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)等資源能夠被云平臺良好的調(diào)度與管理，要求系統(tǒng)提供開放的API接口，云計算運(yùn)行管理平臺能夠通過API接口、命令行腳本實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的配置與策略下發(fā)。

（7）綠色節(jié)能。節(jié)能減排是目前網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要系統(tǒng)工程之一，從網(wǎng)絡(luò)機(jī)房的整體能耗來看，IT設(shè)備運(yùn)占到30%，空調(diào)等制冷系統(tǒng)約占45%，UPS、照明等輔助系統(tǒng)約占25%。所以作為IT設(shè)備的節(jié)能，不僅要考慮本身能耗比較低，而且要考慮其熱量對空調(diào)散熱系統(tǒng)的影響。應(yīng)采用低功耗的綠色網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，采用多種方式降低系統(tǒng)功耗。

3 服務(wù)器云的構(gòu)建

服務(wù)器云是計算機(jī)平臺最核心的部分，所有云計算平臺的功能及子系統(tǒng)都依賴服務(wù)器云來實(shí)現(xiàn)，它既包括硬件服務(wù)器和底層操作系統(tǒng)部分，又包括云集計算平臺中的虛擬機(jī)超級監(jiān)督其功能，是運(yùn)行虛擬系統(tǒng)，功能服務(wù)器系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)平臺，計算模式從大型機(jī)的方式逐漸過渡到微型個人計算機(jī)的模式，并且近年來過渡到普適上，但用戶依然很難獲得異構(gòu)類型的操作系統(tǒng)以及應(yīng)用程序，在輕量級的設(shè)備上很難很難獲得完善的服務(wù)，本文研究的基于虛擬化的在云計算的模式中，用戶無需感知計算的具體位置，操作系統(tǒng)以及中間件，應(yīng)用等，技術(shù)細(xì)節(jié)，虛擬化技術(shù)使底層差異封裝為應(yīng)用的統(tǒng)一接口，用戶由同一接口只需要根據(jù)自己的需求，通過云計算平臺選取相應(yīng)的服務(wù)。

4 云計算模式的特性研究

云計算與分步式計算、網(wǎng)絡(luò)計算相比有自身的優(yōu)勢，首先云具有超大規(guī)模，例如目前的Google云計算已經(jīng)有100多萬臺服務(wù)器，Amzon，IBM，微軟，Yahoo等的云計算平臺已經(jīng)有超過幾十萬的服務(wù)器，超規(guī)模的基礎(chǔ)硬件為云計算賦予了前所未有的計算能力；其次，云具有拓展性，云計算可將復(fù)雜的工作負(fù)載分解為小塊的工作，并將工作分配到可逐漸拓展的云計算中心，而需要增加的管理費(fèi)用幾乎為零，云計算的拓展性主要體現(xiàn)在計算資源，存儲能力，負(fù)載均衡。虛擬化技術(shù)自身的優(yōu)點(diǎn)滿足了云計算的拓展，并提供了計算平臺的7h24無故障全日程服務(wù)，同時云計算又具有規(guī)模的動態(tài)伸縮，以滿足用戶不斷增長的需求和應(yīng)用。與網(wǎng)絡(luò)、分步式計算相比更具有商業(yè)性和應(yīng)用性。

云計算不僅在處理計算能力上具有前所未有的優(yōu)越性，而且在管理上也具有自動性，云計算平臺要求有自動化管理功能，用戶可以通過用戶接口，自己申請計算資源和應(yīng)用，按自己的需要建立自己的應(yīng)用環(huán)境，而整個過程是不需要云計算管理員進(jìn)行干預(yù)的。云計算平臺只需要自動記錄用戶的使用資源的大小和時間。

云計算基于SOA的架構(gòu)，動態(tài)的分配和部署共享的計算資源，同時云計算具有靈活性，高可用性，動態(tài)資源監(jiān)管，以及虛擬性，云計算平臺可以支持各種計算機(jī)類型，在物理上可以包括的硬件有PCScrver，普通的PC機(jī)，小型機(jī)等各類硬件資源，基于虛擬化的云計算平臺為企業(yè)的資源重構(gòu)帶來了便利，使其能在短時間內(nèi)轉(zhuǎn)向云計算平臺，降低了基礎(chǔ)架構(gòu)重建的資本，縮短了為企業(yè)轉(zhuǎn)型所需要的時間。

5 平臺總體架構(gòu)研究

項(xiàng)目研究的服務(wù)器云主要由硬件服務(wù)器，HP，IBM 3650和Red Hat Interprise Linux Server操作系統(tǒng)和KVM組成，通過Red Hat云計算平臺管理軟件，實(shí)現(xiàn)所有服務(wù)器整合為一個統(tǒng)一的云計算服務(wù)器平臺，抽象出統(tǒng)一的硬件資源，包括CPU資源池，memory資源池，network資源池，storage資源池，任意云都可以在統(tǒng)一資源池中獲得硬件資源并行。

6 當(dāng)前面臨的問題與挑戰(zhàn)

針對這一研究的工作人員還是相當(dāng)?shù)亩嗟?，但是目前國?nèi)對這項(xiàng)研究還存在著很大的發(fā)展空間，需要我們不斷的進(jìn)行探索和發(fā)現(xiàn)，接下來我們談?wù)勥@一平臺架構(gòu)或者說云計算系統(tǒng)所面臨的問題和挑戰(zhàn)都有哪些。

目前云計算還存在一定的問題，當(dāng)前云計算系統(tǒng)的能耗過大，因此，減少能耗，提高能源的使用率，建造高效的冷卻系統(tǒng)是當(dāng)前面對的主要問題。例如谷歌的數(shù)據(jù)中心的能耗相當(dāng)于一個小型城市的總能耗，因?yàn)檫^大的能耗使得數(shù)據(jù)中心內(nèi)發(fā)熱量劇增，要保證呢狗云系統(tǒng)的正常運(yùn)行，必須使用高效的冷卻系統(tǒng)來保持?jǐn)?shù)據(jù)中心在可接受的溫度范圍內(nèi)。基于本文的虛擬化技術(shù)，可以是好能節(jié)省原來的80%左右，另外需要對云計算的接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化并制定交互協(xié)議，這樣可以支持不同云計算服務(wù)提供者之間的交互、相互合作。提供更加強(qiáng)大和更好的服務(wù)，此外，需要開發(fā)出更易用的編程環(huán)境和編程工具，這樣可以更方便的創(chuàng)建云計算應(yīng)用，拓展應(yīng)用領(lǐng)域。

7 結(jié)束語

云計算具有廣闊的發(fā)展前景，相關(guān)的各項(xiàng)技術(shù)也在迅速發(fā)展，目前，云計算發(fā)展多沿著Goolge，亞馬遜等主流發(fā)展，本文研究的基于虛擬化云計算平臺是基于Red Hat軟件的虛擬化平臺，為中小企業(yè)快速構(gòu)建云計算提供了解決方案，其平臺具有一定的優(yōu)越性，使虛擬化技術(shù)的特點(diǎn)在云計算平臺中充分的發(fā)揮，云計算是一種新型計算模式，是對面向市場的資源管理方式的支持?？傊m然云計算還有很多問題要解決，但是云計算得到更快，更深入的發(fā)展。

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