數(shù)據(jù)中心IaaS層云化架構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用研究

杜有翔 付渲理 明麗洪

[摘 要]本文根據(jù)大部分數(shù)據(jù)中心IaaS層的建設(shè)現(xiàn)狀，分析其基礎(chǔ)資源管理存在的問題，以此提出云化需求。從計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)3個層面來分析虛擬化技術(shù)在云化IaaS層中的應(yīng)用，提出數(shù)據(jù)中心IaaS層云化架構(gòu)的設(shè)想，并在基礎(chǔ)資源虛擬化的基礎(chǔ)上，搭建云管理平臺，實現(xiàn)對異構(gòu)的物理資源和虛擬化資源的統(tǒng)一規(guī)范和可視化管理，分析數(shù)據(jù)中心云化IaaS的應(yīng)用成效。

[關(guān)鍵詞]IaaS;虛擬化;云管理;智能運維;數(shù)據(jù)備份

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2019.24.027

[中圖分類號]TP393.09[文獻標(biāo)識碼]A[文章編號]1673-0194（2019）24-00-03

0 ? ? 引 言

云架構(gòu)因高效的資源整合和運維、低功耗資源管理、低成本擴展、推動大數(shù)據(jù)融合分析等優(yōu)勢，已成為IT架構(gòu)的整體發(fā)展趨勢。從實現(xiàn)層面上來說，通常分為3個層次，自下而上分別是基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service，IaaS）、平臺即服務(wù)（Platform as a Service，PaaS）、軟件即服務(wù)（Software as a Service，SaaS）。其中，IaaS層是IT架構(gòu)的基礎(chǔ)層，也是實現(xiàn)云架構(gòu)的核心所在，是PaaS和SaaS層的實際載體。本文基于目前大部分中心機房實際情況，從IaaS層分析數(shù)據(jù)中心云化的方式和應(yīng)用前景。

1 ? ? 數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)狀

目前，很多單位都有自己的數(shù)據(jù)中心，但大部分只是實現(xiàn)了所有硬件設(shè)備的集中擺放和連接，將林立的“煙囪”堆在了一起。即使采用了虛擬化平臺，但數(shù)據(jù)中心沒有一個統(tǒng)一的資源整合和運維平臺，易造成硬件資源浪費，難以管理。從基礎(chǔ)設(shè)施的使用來看，可以從以下兩方面分析數(shù)據(jù)中心存在的問題。

1.1 ? 非虛擬化平臺

①舊設(shè)備改造的投入成本過高，且難以徹底改造;②部分新設(shè)備性能配置高，運行其上的業(yè)務(wù)未能充分利用設(shè)備資源，造成資源浪費;③物理設(shè)備一旦開機，能耗較為穩(wěn)定（不包括制冷能耗），不會因利用率高低而產(chǎn)生較大的能耗變化，造成能源浪費;④部分業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)為了降低建設(shè)初期投入，沒有過多考慮高可用性和負載均衡。

1.2 ? 虛擬化平臺

①虛擬化平臺相互之間是獨立的，且應(yīng)用范圍不廣，限制了其在資源節(jié)約上的優(yōu)勢;②未建設(shè)可實現(xiàn)資源自動按需分配的云管理平臺，運維人力成本較高。因此，數(shù)據(jù)中心IaaS層云化的目標(biāo)是最小化改造成本、提高硬件資源利用率、保證業(yè)務(wù)高可用和數(shù)據(jù)安全，實現(xiàn)資源管理自動化和運維智能化。

2 ? ? 虛擬化技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

虛擬化技術(shù)是所有IT“云”的基礎(chǔ)，也是目前最有效的資源整合技術(shù)。通過利用虛擬化技術(shù)，在實現(xiàn)應(yīng)用高可用性的同時，提高了設(shè)備的資源利用率，能以較低的建設(shè)和改造成本，降低數(shù)據(jù)中心的能耗。從功能上分，數(shù)據(jù)中心虛擬化技術(shù)主要包括3類：存儲虛擬化、服務(wù)器虛擬化（計算資源虛擬化）和網(wǎng)絡(luò)虛擬化。

2.1 ? 存儲虛擬化

存儲虛擬化是為了實現(xiàn)對物理存儲資源的抽象、隱藏和隔離，提高設(shè)備利用率和可擴展性?？梢詫⒁粋€物理存儲設(shè)備（卷）虛擬成多個邏輯存儲卷，也可以將多個物理存儲設(shè)備（卷）虛擬成一個邏輯存儲卷，供上層的應(yīng)用服務(wù)端調(diào)用，如圖1所示。

存儲虛擬化按實現(xiàn)位置可分為基于主機、基于存儲設(shè)備和基于網(wǎng)絡(luò)3類，比較結(jié)果如表1所示。

2.2 ? 服務(wù)器虛擬化

服務(wù)器虛擬化是將一臺或多臺利用率低的服務(wù)器通過虛擬化軟件整合在一起，形成一個或多個計算資源池，為多個應(yīng)用系統(tǒng)提供計算資源，又稱為計算資源虛擬化。由于各虛擬機內(nèi)部運行環(huán)境之間是相互獨立的，且物理服務(wù)器如何為虛擬機提供計算資源，對于運行在其上應(yīng)用系統(tǒng)來說也是完全透明的，因此，從效果上來看，各應(yīng)用系統(tǒng)仍然各自“獨占”一臺物理服務(wù)器，如圖2所示。

除了整合計算資源以外，以共享存儲為前提，服務(wù)器虛擬化的一個重要作用還體現(xiàn)在對于運行其上的業(yè)務(wù)系統(tǒng)的一個連續(xù)性保護，主要通過虛擬化遷移、虛擬化平臺的高可用、恢復(fù)自動化等技術(shù)實現(xiàn)。

2.3 ? 網(wǎng)絡(luò)虛擬化

網(wǎng)絡(luò)虛擬化可描述為將網(wǎng)絡(luò)資源進行虛擬化整合和改造，在對用戶透明的前提下，實現(xiàn)物理網(wǎng)絡(luò)虛多、多虛功能，以達到提高物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備利用率、簡化物理網(wǎng)絡(luò)的目的。在服務(wù)器虛擬化中，要運用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)實現(xiàn)多個不同IP的虛擬機通過少量的物理網(wǎng)口對外連接，如圖3所示。

數(shù)據(jù)中心的資源整合主要有3種實現(xiàn)方式：“服務(wù)器虛擬化+共享物理存儲”“服務(wù)器虛擬化+存儲虛擬化”、超融合架構(gòu)。其中，超融合架構(gòu)是將服務(wù)器虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等虛擬化技術(shù)融合在一起的扁平化部署架構(gòu)。但由于其存儲和計算資源都是在同一臺物理設(shè)備上，因此，如果要對任何一種資源進行單獨擴容，為了保證平臺整體性能，需要對每臺物理設(shè)備進行同樣的擴容改造，成本較高。因此，此架構(gòu)適用于對計算、存儲資源需求同步增長的應(yīng)用。通過對常用應(yīng)用系統(tǒng)（如門戶、OA）的分析可知，服務(wù)端的計算資源需求量增長遠不如存儲資源。而特殊應(yīng)用系統(tǒng)，如桌面云，計算資源需求的增長和存儲資源需求的增長就有較強的關(guān)聯(lián)性。比如，新增一個桌面云用戶，不僅要為其分配磁盤空間（存儲資源），還要為其分配CPU和內(nèi)存（計算資源）。因此，通過上述虛擬化技術(shù)對比分析，對于數(shù)據(jù)中心中的通用應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)通過重建、數(shù)據(jù)遷移、P2V等方式將其遷入“服務(wù)器虛擬化+基于網(wǎng)絡(luò)的存儲虛擬化”的虛擬化平臺中，并將替換下的舊設(shè)備納入虛擬化平臺管理，進一步提高資源整合度和利用率，而對于桌面云等特殊應(yīng)用系統(tǒng)可建設(shè)在超融合架構(gòu)的虛擬化平臺中。

3 ? ? 數(shù)據(jù)中心云管理平臺的應(yīng)用構(gòu)想

在各虛擬化平臺之上構(gòu)建一個統(tǒng)一的運維管理云平臺，接管數(shù)據(jù)中心所有硬件資源及其承載的虛擬化資源的監(jiān)控、調(diào)度、分配等日常管理運維工作，屏蔽下層復(fù)雜的運行環(huán)境，簡化運維人員操作，并通過可視化監(jiān)控、統(tǒng)計分析報表、告警機制等功能為運維人員進行決策分析提供依據(jù)，完整的數(shù)據(jù)中心IaaS層云化架構(gòu)，詳見圖4所示。

3.1 ? 基礎(chǔ)資源管理自動化

對基礎(chǔ)資源的管理包括對物理資源的管理和虛擬資源的管理。

3.3.1 ? 對物理資源的管理

要對物理設(shè)備在云化架構(gòu)中的壽命進行全生命周期管理，主要包括以下幾個方面。①設(shè)備自動發(fā)現(xiàn)：平臺通過主動詢問機制主動發(fā)現(xiàn)新入網(wǎng)設(shè)備，并將設(shè)備信息（如設(shè)備型號、IP地址、MAC地址）告知運維人員，由其決定是否將其納入平臺管理。②設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控：定期監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，如開關(guān)機情況、溫度、CPU和內(nèi)存占用等，并根據(jù)既定的監(jiān)控策略定時生成監(jiān)控報表呈現(xiàn)給運維人員，一旦狀態(tài)有異常，立即發(fā)出告警信息，實現(xiàn)日常巡檢自動化。③設(shè)備移除：運維人員通過平臺可將作廢的設(shè)備移出管理范圍，不再進行管理監(jiān)控。

3.3.2 ? 對虛擬資源的管理

除了進行全生命周期管理，還應(yīng)具有資源自動按需分配功能。即用戶可在線發(fā)起虛擬資源申請，由相關(guān)管理人員審批通過后，平臺自動按照用戶需求為其分配虛擬計算、存儲資源供其使用，一旦用戶告知不再使用，或超過申請的使用期限，自動回收資源。

3.2 ? 基礎(chǔ)資源運維智能化

基礎(chǔ)資源運維智能化主要包括虛擬資源的智能化調(diào)度和故障的智能化處理。

3.2.1 ? 虛擬資源的智能化調(diào)度

要實現(xiàn)智能化調(diào)度，需要確定不同的優(yōu)化目標(biāo)以判斷調(diào)度優(yōu)劣，比如性能（響應(yīng)速度）、服務(wù)質(zhì)量、總成本控制（能耗低）等，并據(jù)此制定出合理的調(diào)度策略。此處應(yīng)遵循以下3條資源調(diào)度原則。①確定好虛擬資源利用優(yōu)先級的劃分。在進行資源優(yōu)化調(diào)度時，平臺會優(yōu)先考慮優(yōu)先級靠前的虛擬機資源占用。一旦資源池中的資源匱乏時，平臺會優(yōu)先保證重要應(yīng)用的資源占用，確保重要業(yè)務(wù)的連續(xù)性。②保持資源利用率的平衡。在虛擬化實踐中，常常會因為資源利用率失衡導(dǎo)致資源不充分。如計算資源利用率很低，而存儲資源利用率很高，導(dǎo)致新的應(yīng)用無法遷入（存儲資源不夠），造成計算資源浪費，反之亦然。因此，在分配虛擬資源時，要充分考慮運行其上的應(yīng)用對資源的要求。一旦出現(xiàn)失衡，要及時調(diào)整現(xiàn)有資源分配，改進原調(diào)度策略。如果無法通過調(diào)整實現(xiàn)，則需要對利用率較高的一方進行擴展（增加物理資源）。③處理好能耗與計算性能的關(guān)系。如果優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定為成本控制（能耗低），則虛擬化平臺會根據(jù)調(diào)度策略，在確保計算資源足夠的情況下，將低利用率主機上的虛擬機遷至別的主機，然后休眠此主機，以降低能耗。但如果優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定為性能，在各主機計算資源性能相同的前提下，盡量平均各臺主機的資源利用率，以保證各個應(yīng)用的資源占用和負載均衡。因此，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求、物理主機性能、機房環(huán)境，制定合理的調(diào)度策略，控制虛擬機的遷移和資源的動態(tài)分配。

3.2.2 ? 故障的智能化處理

快速解決故障、提高用戶體驗，一直是運維人員面臨的難題。①建立完善的預(yù)警機制。平臺自動進行告警過濾、壓縮，避免海量告警，只將關(guān)鍵告警通過消息發(fā)送給責(zé)任人。②建立業(yè)務(wù)級的運維視圖，快速呈現(xiàn)業(yè)務(wù)與硬件設(shè)備、各業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的邏輯關(guān)系，實現(xiàn)故障快速定位，提高故障處理效率。③建立運維知識庫。對運維流程進行梳理，制定故障判斷和預(yù)處理策略。故障發(fā)生時，平臺據(jù)此自動執(zhí)行抓取故障日志，排查解決故障等操作，實現(xiàn)一般故障的自動化處理。對于需要技術(shù)人員處理的故障，平臺自動通過消息告知運維技術(shù)人員。同時，平臺自動關(guān)聯(lián)知識庫，協(xié)助技術(shù)人員處理。技術(shù)人員處理結(jié)束后處理方案自動轉(zhuǎn)入，實現(xiàn)知識累積。

3.3 ? 數(shù)據(jù)云備份

在平臺中融入災(zāi)備云管理，集中統(tǒng)一管理所有的容災(zāi)設(shè)備、數(shù)據(jù)備份恢復(fù)策略，實現(xiàn)對平臺數(shù)據(jù)的持續(xù)性保護。

3.3.1 ? 保護應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)

應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)可分為操作系統(tǒng)、虛擬機、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（文件）、數(shù)據(jù)庫四大類。應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)重要性的不同，制定不同的數(shù)據(jù)備份策略，確保故障發(fā)生后，數(shù)據(jù)不丟失或少丟失、業(yè)務(wù)可恢復(fù)。

3.3.2 ? 保護用戶數(shù)據(jù)

用戶可像申請?zhí)摂M計算、存儲資源一樣，在線申請災(zāi)備資源，并自定義災(zāi)備策略，實現(xiàn)“自己災(zāi)備數(shù)據(jù)，自己管理”。

4 ? ? 結(jié) 語

在數(shù)據(jù)中心建立一套IaaS層云化架構(gòu)，將所有的基礎(chǔ)資源納入統(tǒng)一的管理平臺下，可實現(xiàn)基礎(chǔ)資源的統(tǒng)一規(guī)范管理，有效提升數(shù)據(jù)中心的資源利用率和運維效率，降低數(shù)據(jù)中心的整體能耗和運維成本，可為數(shù)據(jù)中心的相關(guān)管理人員和部門提供足夠的決策支撐。充分體現(xiàn)該架構(gòu)的應(yīng)用價值。

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