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    再論Citrix PVS雙活系統(tǒng)架構設計與實現(xiàn)

    2020-10-09 10:24:29王春苗劉玥
    電腦知識與技術 2020年22期
    關鍵詞:負載均衡

    王春苗 劉玥

    摘要:本文以Citrix PVS產(chǎn)品應用為實例,結合H3C lRF網(wǎng)絡虛擬化技術、雙活域架構技術、雙活DNS和DHCP服務技術、數(shù)據(jù)庫鏡像技術、分布式存儲技術、萬兆網(wǎng)絡技術等,詳細講述高校數(shù)據(jù)中心在為云桌面虛擬機、各個實訓室PC機提供操作系統(tǒng)流服務的層面上,如何低成本高效率的實現(xiàn)客戶機操作系統(tǒng)在線自動故障遷移功能,以及網(wǎng)絡、存儲和服務的負載平衡功能,從而實現(xiàn)最大化的“雙活架構”設計標準,最終為云桌面、實訓室PC機等提供穩(wěn)定、高速、可靠透明的操作系統(tǒng)和應用軟件流服務,提升教學質(zhì)量和實訓體驗。

    關鍵詞:雙活;Active-Active;數(shù)據(jù)流服務;故障遷移;負載均衡;網(wǎng)絡虛擬化

    中圖分類號:TP311 文獻標識碼:A

    文章編號:1009-3044(2020)22-0028-05

    開放科學(資源服務)標識碼( OSID):

    高校計算機機房的管理,從操作系統(tǒng)及軟件部署的技術角度分析,可分為兩種模式,即“本地存儲模式”和“網(wǎng)絡發(fā)布模式”。前者,操作系統(tǒng)及軟件存儲于客戶機本地硬盤之上,啟動時加載到內(nèi)存中。而后者是客戶機直接通過網(wǎng)絡引導的形式,讀取服務器中的虛擬磁盤文件,實現(xiàn)加載操作系統(tǒng)及軟件到內(nèi)存中。對于操作系統(tǒng)的“網(wǎng)絡發(fā)布模式”,傳統(tǒng)的、通俗的命名一般稱作為“無盤網(wǎng)絡”,而隨著網(wǎng)絡、虛擬化及云計算技術的發(fā)展,傳統(tǒng)的“無盤網(wǎng)絡”概念已經(jīng)無法囊括“網(wǎng)絡發(fā)布模式”的全部技術內(nèi)涵,本文根據(jù)其應用范圍和技術特征,賦予該模式一個全新的命名即“操作系統(tǒng)流服務”。操作系統(tǒng)和軟件的分發(fā),能夠以數(shù)據(jù)流的形式,從服務端存儲到達任何網(wǎng)絡可達的目標,而不論該目標是物理PC機或云桌面虛擬機。

    在Citrix的產(chǎn)品家族中,其云桌面產(chǎn)品“XenDesktop”的核心組件“PVS”(Provisioning Services),不但支持為云桌面虛擬機、物理PC機提供操作系統(tǒng)及軟件的數(shù)據(jù)流服務,還能夠結合鏡像技術同步數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)故障遷移功能。本文以Citrix PVS作為操作系統(tǒng)流服務的應用實例,結合多項自動故障遷移和負載均衡技術,深入分析和研究基于Citrix PVS的雙活系統(tǒng)架構方案以及部署實現(xiàn)。

    1 網(wǎng)絡模型:基于橫向虛擬化的雙活網(wǎng)絡設計與實現(xiàn)

    1)功能需求分析:作為“操作系統(tǒng)流服務”的網(wǎng)絡承載,設計一個滿足“負載均衡”和“故障遷移”功能的交換網(wǎng)絡至關重要。以高校實訓樓為例,其基本的交換網(wǎng)絡規(guī)劃需求分析:每一個實訓室內(nèi)需要接人幾十臺物理PC機構建局域網(wǎng),同時每個實訓室需要連接到數(shù)據(jù)中心交換網(wǎng)絡;實訓室PC機、云桌面虛擬機要求能夠通過網(wǎng)絡引導和加載服務器上的虛擬磁盤文件;當匯聚交換機、核心交換機發(fā)生故障、斷電以及常規(guī)維護時,對于客戶端用戶應該是透明無感知的;由于機房教學和管理的需要,實訓室內(nèi)部應該屬于同一個VLAN和配置一致的網(wǎng)關參數(shù)等。

    2)傳統(tǒng)網(wǎng)絡規(guī)劃及缺陷:針對上述需求,傳統(tǒng)的規(guī)劃設計可能是實訓機房內(nèi)部部署多個接人交換機和一個匯聚交換機,數(shù)據(jù)中心部署一個核心交換機,各個交換機之間通過單鏈路連接。很顯然,傳統(tǒng)規(guī)劃設計存在多個“單點故障”風險,當發(fā)生線路故障、交換機負載過大、交換機硬件故障或電源故障時,會導致一個實訓室或多個實訓室PC機無法通過網(wǎng)絡加載操作系統(tǒng),以及在線的PC機發(fā)生宕機的現(xiàn)象。

    3)-種簡要的改進設計及缺陷分析:如圖1所示,采用兩臺核心交換機、兩臺獨立的PVS服務器、冗余鏈路以及UPS電源。在該方案中,PC-1通過網(wǎng)絡引導,首先發(fā)送DHCP廣播請求報文,經(jīng)過匯聚交換機-1的廣播轉發(fā),再經(jīng)過核心_1和核心一2的DHCP中繼轉發(fā),PVS服務器1和2都將接收到請求報文并發(fā)出響應報文,PC-1接收并選擇最先到達的響應報文,使用其分配的IP地址、掩碼、網(wǎng)關以及啟動服務器地址等網(wǎng)絡參數(shù),后續(xù)PC-1向啟動服務器發(fā)送PXE和TFTP服務請求……直至完成系統(tǒng)加載過程。該方案具備一定的負載均衡和故障遷移特性。當兩臺PVS服務器、兩臺核心交換機功能及性能相近的前提下,每個實訓室PC機的網(wǎng)絡引導訪問請求和會話連接近似平均分布于兩臺PVS服務器之上;當存在一臺PVS服務器關閉或故障時,或存在一臺核心交換機關閉或故障時,PC機都可以通過另外一臺PVS服務器實現(xiàn)引導和加載操作系統(tǒng)。

    但是,仔細分析上述方案,可以發(fā)現(xiàn)其仍然存在一定的單點故障和缺陷:①當同時出現(xiàn)核心HH1和PVS服務器2故障或關閉的情況,所有實訓室的客戶機無法實現(xiàn)網(wǎng)絡引導;②由于核心_1和核心一2相互獨立,對于每個實訓室來說,存在兩個可選的網(wǎng)關,分別指向核心-1和核心一2,那么當核心- 1或核心一2故障或關閉時,將導致所有網(wǎng)關指向它們的、已經(jīng)在線的客戶機宕機,并導致數(shù)據(jù)丟失;③由于兩臺PVS服務器完全獨立,未配置“雙活”系統(tǒng)流服務,當某一臺PVS服務器故障或關閉時,同樣將導致所有連接到該PVS服務器的客戶機宕機和數(shù)據(jù)丟失;④匯聚交換機關閉或故障時,整個實訓室所有客戶機宕機或無法引導啟動。上述的改進方案中,無論是核心交換機或PVS服務器,都僅僅實現(xiàn)了一個簡單的“后備式”故障遷移及負載均衡特性,當發(fā)生故障時,在線客戶機需要被動等待連接恢復甚至必須重啟,導致數(shù)據(jù)丟失和工作中斷。那么,如何設計和實現(xiàn)一個“在線式雙活”網(wǎng)絡架構呢?接下來重點分析基于“橫向虛擬化技術”的網(wǎng)絡規(guī)劃設計。

    4)基于橫向虛擬化的網(wǎng)絡設計和分析:虛擬化的概念,可以簡單理解為物理設備視圖到虛擬設備視圖的透明轉換。如今的虛擬化概念范疇,已經(jīng)囊括了服務器虛擬化、桌面虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡虛擬化等技術。作為虛擬化技術的重要組成部分,網(wǎng)絡虛擬化技術在主流網(wǎng)絡設備上都已得到實現(xiàn),例如H3C的IRF2和IRF3技術(橫向和縱向虛擬化)、華為的css和SVF技術(橫向和縱向虛擬化)以及銳捷的vsu技術(橫向虛擬化)等。本文以H3C設備為例,分析和研究通過IRF2技術構建“在線式雙活”網(wǎng)絡架構,如圖2和圖3的拓撲結構所示:核心-1和核心一2兩臺物理交換機通過IRF雙鏈路互連并配置IRF功能后,構成一個大的虛擬核心交換機,可以理解為具備“雙主控引擎”“雙業(yè)務板卡”以及統(tǒng)一的運行配置,原核心-1和核心一2的物理接口都屬于該虛擬核心交換機,且相互之間可以進行接口聚合。每個實訓室的匯聚交換機(圖2)、云桌面承載服務器(圖3)以及PVS服務器都通過聚合鏈路連接到該虛擬核心交換機的不同業(yè)務板卡接口上,對于同一個實訓室的物理PC機(或同一個vlan的云桌面虛擬機),它們的網(wǎng)關相同,都指向該虛擬核心交換機(而在圖1方案中,分別指向核心-1和核心_ -)。

    負載均衡和故障遷移分析:①當所有設備狀態(tài)正常、且配置了雙活操作系統(tǒng)流服務的前提下,PC機(或虛擬機)的會話連接將平均分布于兩臺PVS服務器之上(具體見后續(xù)分析);②當核心-1或核心一-關閉或故障時,虛擬核心交換機繼續(xù)工作,僅僅是所有的聚合鏈路組中的一條成員鏈路出現(xiàn)故障,性能下降,但網(wǎng)關不變,PC機(或虛擬機)和虛擬核心交換機以及PVS服務器之間的會話連接繼續(xù)保持,如果所有鏈路采用萬兆,那么性能下降帶來的影響可以忽略不計,故障的發(fā)生對于PC機(或虛擬機)來說可以認為是透明的;③如果是某一臺PVS服務器發(fā)生故障或宕機,在兩臺PVS服務器配置了雙活操作系統(tǒng)流服務的前提下,PC機(或虛擬機)會話超時后,會根據(jù)引導時所下載保存的啟動服務器地址列表,自動連接到其他PVS服務器,并重新建立會話,具體過程見后續(xù)分析;④如果匯聚交換機發(fā)生故障或宕機,將仍然會導致當前實訓室的PC機宕機或等待恢復連接,進一步縮小故障域的方法,是采用雙匯聚交換機,并配置IRF橫向虛擬化功能,再通過聚合鏈路連接至多個接人交換機。網(wǎng)絡配置任務(具體過程略):①IRF橫向虛擬化配置,推薦通過萬兆以太網(wǎng)接口互連核心一1和核心一-,并分別在兩臺物理核心交換機上完成IRF配置;②聚合鏈路配置,分別在匯聚交換機和虛擬核心交換機上配置相應的聚合鏈路。對于云桌面,則需要對虛擬機的承載服務器的多個網(wǎng)卡接口進行綁定;③VLAN配置,在虛擬核心交換機上為每臺PVS服務器和每個實訓室創(chuàng)建不同的VLAN,聚合鏈路組加入相應VLAN,并為VLAN虛擬接口配置ip地址,作為各個實訓室和PVS服務器的網(wǎng)關。對于云桌面,還需要配置相應聚合鏈路組的屬性為trunk,且允許相應的VIAN-ID通過,因為同一個VLAN的云桌面虛擬機,一般會均勻分布于多臺承載服務器之上;④DHCPRelay配置,在各個VLAN虛擬接口視圖下,配置DHCP RelaY,目標為兩臺PVS服務器的地址;⑤PVS雙活操作系統(tǒng)流服務配置,見本文后續(xù)分析。網(wǎng)絡性能設計:以上都是從網(wǎng)絡功能的角度,分析雙活網(wǎng)絡的設計和規(guī)劃。從網(wǎng)絡性能的角度來看,客戶端從初始加載操作系統(tǒng)鏡像的核心部分至穩(wěn)定運行狀態(tài)(如登錄用戶桌面后),以及后續(xù)加載和運行應用軟件,整個過程對帶寬的要求較高。①客戶端(物理PC機和虛擬機)網(wǎng)絡要求為千兆速率;②接人、匯聚和核心交換機至少要求滿足全千兆接口速率;③核心交換機推薦配備一定數(shù)量的萬兆接口;④PVS服務器一般安裝4口千兆網(wǎng)卡,推薦安裝雙口萬兆網(wǎng)卡;⑤接人和匯聚交換機之間、匯聚和虛擬核心交換機之間通過雙接口或多接口聚合鏈路互連;⑥虛擬核心交換機和PVS服務器之間推薦通過雙口萬兆聚合鏈路互連。

    2 存儲模型:對比簡易分布式存儲與雙活NFS存儲

    讀寫功能需求分析和存儲模型設計:一方面,客戶端通過網(wǎng)絡引導所加載的操作系統(tǒng),是以虛擬磁盤鏡像文件的形式保存于服務端存儲,而服務端存儲位置既可以是PVS服務器的本地存儲,也可以是獨立部署的基于“文件級共享”的NFS存儲或基于“塊級共享”的iSCSI存儲??蛻舳思虞d操作系統(tǒng)的過程,就是從服務端存儲位置讀取鏡像文件的過程;另一方面,客戶端加載完成后,進入一個穩(wěn)定運行的階段,此時需要一個固定的存儲位置保存客戶端緩存數(shù)據(jù),該存儲位置既可以是服務端存儲,也可以是客戶端本地存儲,這是一個數(shù)據(jù)反復讀寫的過程。Citrix PVS產(chǎn)品,推薦采用“讀寫分離”的方案,即操作系統(tǒng)鏡像文件和客戶端緩存數(shù)據(jù)分別存儲在不同的位置。為了確保實現(xiàn)故障遷移功能,PVS雙活系統(tǒng)架構存儲設計,一般可采用兩種模型:即“簡易分布式”存儲模型和“獨立雙活NFS”存儲模型。兩種存儲模型都能滿足在功能上確保實現(xiàn)故障遷移,在性能上確保高速1/0,一般可根據(jù)實際情況(成本、管理復雜性等)選擇合適的一種或兩種方式混合使用。

    1)簡易分布式存儲模型

    該模型中,操作系統(tǒng)鏡像文件存儲于兩臺或更多PVS服務器的本地存儲介質(zhì)中(RAID陣列或PCIE SSD),即存在兩個甚至多個版本一致的鏡像文件副本。為了實現(xiàn)在線透明的故障遷移,所有PVS服務器上的鏡像文件內(nèi)容和絕對存儲路徑確保完全一致。

    客戶端緩存位置的選擇至關重要,緩存位置既有頻繁的“讀操作”,又有頻繁的“寫操作”。當客戶端是物理PC機,且安裝了固態(tài)硬盤和大容量內(nèi)存時,本地讀寫性能高,那么緩存位置一般設置為本地內(nèi)存+固態(tài)硬盤。在PVS控制臺中,通過設置虛擬磁盤的緩存類型為“在設備RAM中緩存并溢出到硬盤”即可實現(xiàn)。如果物理PC機的本地內(nèi)存較小,或本地硬盤為老舊的、可能包含壞道的機械硬盤,甚至物理PC機沒有安裝本地硬盤,那么應該設置緩存位置為PVS服務器的本地存儲,此時對PVS服務器的存儲性能和整個網(wǎng)絡性能要求較高,且必須確?!白x寫分離”的原則;當客戶端是云桌面虛擬機時,同樣要綜合考慮虛擬機的內(nèi)存大小和讀寫性能,一般情況下,云桌面虛擬機的存儲承載都是高性能共享存儲或類似于vmware vSAN的虛擬化存儲,性能較高,所以對于云桌面虛擬機,推薦設置緩存位置為客戶端本地。

    當緩存位置設置在PVS服務端時,會極大地增加網(wǎng)絡帶寬負載和PVS服務器本地存儲的讀寫壓力,所以設置緩存到客戶端本地,是最佳的部署方案,這也是“簡易分布式”存儲模型的最大優(yōu)點。

    該存儲模型部署和維護簡單,潛在的缺陷是存儲介質(zhì)的穩(wěn)定性,當某一臺PVS服務器的存儲設備出現(xiàn)物理壞道、離線等故障時,由于此時PVS服務器的流服務保持正常,所以客戶端并不會主動進行故障遷移,可能會導致連接至該PVS服務器上的所有客戶端出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài),如“嚴重卡頓”現(xiàn)象。解決此問題,推薦在PVS服務器上通過RAIDIO級別的陣列形式組織多個硬盤(機械或SSD固態(tài)硬盤),這樣就同時確保了數(shù)據(jù)安全和1/0性能;另外一個推薦的存儲介質(zhì),是采用兩塊PCIE SSD,分別用作讀取設備和寫入設備。PCIE SSD具備高可靠性、高耐用等級、高性能等特性,關鍵是徹底解決了SATA接口的SSD,其trim指令不受大部分陣列卡支持的弊端,從而大幅度提升了SSD的寫人性能和使用壽命。另外一個可能的缺點,是系統(tǒng)鏡像文件多個副本之間的同步,需要通過手動拷貝新增的虛擬磁盤版本文件來完成,效率較低。

    6 電源系統(tǒng)模型:UPS電源群集設計與實現(xiàn)

    中高端的UPS電源系統(tǒng),普遍都支持“并機模式”,即兩臺UPS電源系統(tǒng)通過并機模塊,共同為服務器、交換機、存儲等設備提供電力。對于服務器、交換機、存儲等重要設備,也可以通過配備雙電源模塊,實現(xiàn)電源的故障轉移功能。如果存在多臺普通的小型UPS電源系統(tǒng)的情況,它們的品牌、型號、功率都可能不一致,那么并機是難以實現(xiàn)的,如何才能充分高效地利用它們呢?最佳的解決方案是通過多臺“雙電源轉換開關”構建UPS電源群集,此類設備具備雙路電源輸入接口和多路負載輸出接口,可以同時連接兩臺UPS電源,但是其中有一路電源輸入處于“阻斷”狀態(tài),一旦正在供電的UPS電源故障或電池耗盡時,轉換開關立即切換到另一路電源輸入,從而確保持續(xù)和穩(wěn)定的功率輸出。另外,兩臺轉換開關的輸出,可以作為第三臺轉換開關的輸入,以此類推,這樣就可以將多臺不同品牌型號的UPS電源組成一個群集電源系統(tǒng),共同為外部負載提供電力服務。

    7 綜合設計部署和分析

    綜上所述,整個PVS系統(tǒng)架構達到“雙活”設計標準的前提是群集中各個組件模塊都達到“雙活”工作狀態(tài),且任意雙活組件模塊內(nèi)部的“單點故障”對于依賴于它的其他雙活組件模塊應該是透明的,對于整個PVS雙活系統(tǒng)架構的外部服務功能也應該是透明的。所以,生產(chǎn)環(huán)境的實際部署過程,應當嚴格遵循相應的標準,具體分析如下:

    1)從時間維度分析,部署流程首先是從各個組件模塊開始,有些組件與組件之間會存在一定的依賴關系(如鏡像數(shù)據(jù)庫架構依賴于域架構),所以在部署過程中,需要遵循相應的順序,總體部署原則是“由內(nèi)而外、自底向上、層層遞進”,主要的部署流程是“雙活網(wǎng)絡架構一雙活域架構一雙活DHCP模型一鏡像數(shù)據(jù)庫服務器架構一分布式陣列存儲或雙活NFS存儲架構一雙活PVS流服務架構 配置鏡像數(shù)據(jù)庫一模板系統(tǒng)制作和生成虛擬磁盤映像文件一驗證測試”。

    2)從空間維度分析,每一個雙活組件模塊既可以部署于獨立的物理服務器之上,也可以和其他雙活組件模塊共存于相同的物理服務器之上,分別稱作分布式部署和集中式部署。兩種部署方式各有特點,取決于實際的應用場景和部署成本。以分布式部署為例,典型的部署方案是雙活域架構、雙活DHCP共同占用兩臺物理或虛擬服務器;雙活PVS流服務架構和分布式存儲共同占用兩臺物理或虛擬服務器;而數(shù)據(jù)庫鏡像架構則占用三臺物理或虛擬服務器,其中見證數(shù)據(jù)庫服務和許可證服務部署于同一臺服務器上。分布式部署方式雖然細化了管理,但是增加了管理的復雜性和部署成本。本文推薦采用集中式部署方式,即所有的雙活組件模塊共同部署于兩臺物理服務器之上,而見證數(shù)據(jù)庫服務和許可證服務共同部署于一臺虛擬服務器之上。由于見證數(shù)據(jù)庫服務或許可證服務,即使發(fā)生了單點故障,短期內(nèi)不會影響當前的PVS整體雙活系統(tǒng)架構,所以可以通過其他方式如虛擬服務器+離線備份+虛擬機快照等技術,確保應用的快速恢復。

    8 綜合拓撲和故障轉移分析

    1)匯聚交換機故障或接人交換機故障。很顯然,這種情況僅僅影響某一個實訓室或?qū)嵱柺业牟糠謾C器設備,導致PC機無法引導操作系統(tǒng)或宕機。

    2)一臺核心交換機故障。此時,所有的聚合鏈路組都有一根鏈路斷開,基于橫向網(wǎng)絡虛擬化技術的核心網(wǎng)絡仍然有一臺核心交換機在線,整個PVS系統(tǒng)架構依然可以繼續(xù)工作,但是整體性能下降。

    3)一臺物理服務器故障。連接這臺服務器的客戶端設備在超時后,會根據(jù)引導列表,自動查找和嘗試訪問另外一臺PVS服務器的流服務;如果原先故障服務器上的數(shù)據(jù)庫為主體數(shù)據(jù)庫,見證服務器自動輔助進行數(shù)據(jù)庫故障轉移,另外一臺物理服務器上的鏡像數(shù)據(jù)庫轉換為主體數(shù)據(jù)庫;雙活域架構中的另外一臺DNS服務器,域控制器,依然可以提供域名查詢服務/活動目錄查詢服務;雙活DHCP架構中,另外一臺DHCP服務器,由于實時同步的原因,它存儲了一致的IP地址租用信息,且繼續(xù)提供DHCP服務。但是,在線的客戶端切換PVS流服務的時候,可能會有短暫的卡頓現(xiàn)象,另外,由于只有一臺PVS服務器提供流服務,所以整體性能會下降。

    4)第三方虛擬服務器故障。此時,見證服務和許可證服務都將失效。見證服務的作用是輔助數(shù)據(jù)庫鏡像架構的數(shù)據(jù)同步和故障轉移,失效后,主體數(shù)據(jù)庫和鏡像數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)同步暫停,數(shù)據(jù)庫故障轉移失效,但主體數(shù)據(jù)庫仍然可以繼續(xù)提供服務。許可證服務失效后,在線客戶端和剛剛啟動的客戶端,都會收到關于缺少許可證服務器的通知,但不影響客戶端運行。如果能夠在短時間內(nèi)(如24小時內(nèi))解決故障,那么整個PVS系統(tǒng)架構將恢復到雙活模式。

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    【通聯(lián)編輯:王力】

    基金項目:安徽省教育廳2019年度高等學校人文社會科學研究項目——大數(shù)據(jù)背景下云計算技術在安徽省審計中的應用研究,項目編號:SK20198006

    作者簡介:王春苗(1980-),男,安徽省合肥市人,助理實驗師,本科,主要研究方向為“虛擬化和基于虛擬化的云計算”“超融合架構”“軟件定義存儲”“軟件定義數(shù)據(jù)中心”、信息安全等;劉玥(1987-),女,安徽黃山人,高級審計師,碩士,主要研究方向?qū)徲?、會計信息化?/p>

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