核電廠VVER 機(jī)組全范圍模擬機(jī)服務(wù)器虛擬化研究

吉艷紅，徐偉博，李連海，相栓柱

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222042）

0 引言

VVER 機(jī)組全范圍模擬機(jī)主要功能為機(jī)組主控室運(yùn)行人員培訓(xùn)，運(yùn)行應(yīng)急程序的驗(yàn)證、修改及檢查，分析新技術(shù)方案或核電站設(shè)計(jì)修改驗(yàn)證，操縱員支持系統(tǒng)的評(píng)估，真實(shí)事件的再現(xiàn)及事故后分析，調(diào)試程序的演練，調(diào)節(jié)、控制系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定，控制和保護(hù)系統(tǒng)的測(cè)試，優(yōu)化機(jī)組啟動(dòng)、停堆程序，嚴(yán)重事件的演練。模擬機(jī)硬件服務(wù)器數(shù)量較多且均為俄羅斯、德國(guó)西門子提供，在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后，設(shè)備老化及性能下降帶來(lái)的問(wèn)題越來(lái)越凸顯，而采購(gòu)新硬件面臨軟硬件匹配、成本高、運(yùn)行維護(hù)等一系列問(wèn)題，針對(duì)目前虛擬化技術(shù)越來(lái)越流行，企業(yè)使用比例也在慢慢提高，故對(duì)全范圍模擬機(jī)服務(wù)器進(jìn)行虛擬化研究并實(shí)施。

1 模擬機(jī)服務(wù)器虛擬化實(shí)施分析

1.1 虛擬化軟件選擇

目前主流的虛擬化軟件包括微軟、VMware、Citrix 等：微軟虛擬化軟件對(duì)Windows 系統(tǒng)擁有良好的技術(shù)支持，VMware 軟件對(duì)目前主流的操作系統(tǒng)支持性都比較好，且主要適用于企業(yè)內(nèi)部，Citrix 主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)虛擬化。由于模擬機(jī)系統(tǒng)設(shè)備使用了Windows、Redhat Linux、CentOS 等多種操作系統(tǒng)，考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性和兼容性，為了確保x86 架構(gòu)服務(wù)器上的模擬機(jī)系統(tǒng)高可用性，保證模擬機(jī)系統(tǒng)的服務(wù)連續(xù)性和模擬機(jī)數(shù)據(jù)的安全性，選用VMware vSphere 部署全新的虛擬化架構(gòu)。VMware vSphere 對(duì)整體應(yīng)用體系架構(gòu)設(shè)計(jì)的改變很大，單從虛擬架構(gòu)角度可以大致分為基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)層、應(yīng)用程序服務(wù)層和虛擬應(yīng)用程序?qū)?，從管理運(yùn)維的角度又可以分為基礎(chǔ)架構(gòu)管理層、虛擬資源管理層和自動(dòng)化服務(wù)管理層。

1.2 模擬機(jī)服務(wù)器虛擬化構(gòu)成說(shuō)明

（1）虛擬化對(duì)象：由于模擬機(jī)OM690 系統(tǒng)大多數(shù)服務(wù)器系統(tǒng)資源的利用率在10%～15%，虛擬化載體機(jī)設(shè)備性能有限，基于低服務(wù)器的利用率、低CPU 的合并和中等I/O 的要求，首選模擬機(jī)OM690 系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行虛擬化和相關(guān)整合，選取ESDBA、PU、SU 服務(wù)器進(jìn)行相關(guān)單機(jī)虛擬化工作。

（2）軟件需求：VMware vSphere 6，VMware Esxi 6.0，VMware Converter Standalone Client 6.2.0。

（3）硬件需求：①被虛擬的實(shí)體設(shè)備，HP DL360P G8，4 核CPU，8G 內(nèi)存，Redhat Linux 6.5 操作系統(tǒng)；②虛擬化載體機(jī)設(shè)備，2 臺(tái)HP 服務(wù)器（HP DL380G9，配置至少為2 顆16 核CPU，8 個(gè)千兆網(wǎng)口），1 臺(tái)普通PC Server。

1.3 模擬機(jī)服務(wù)器虛擬化結(jié)構(gòu)描述

（1）基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)層。基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)層是整個(gè)虛擬架構(gòu)的重要支撐，主要是將物理的資源，包括計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行虛擬化，提供一些虛擬化的基本單元，為整個(gè)架構(gòu)的虛擬化做好鋪墊，一般稱為vComputer、vStorage 和vNetwork。

（2）虛擬應(yīng)用程序?qū)?。vSphere 包括對(duì)vApp 的支持，vApp 是包含1 個(gè)或多個(gè)虛擬機(jī)的邏輯實(shí)體，它使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開放虛擬化格式來(lái)指定和封裝多層應(yīng)用程序的所有組件，以及與該應(yīng)用程序相關(guān)聯(lián)的操作策略和服務(wù)級(jí)別。

2 模擬機(jī)服務(wù)器虛擬化單機(jī)運(yùn)行測(cè)試

2.1 性能測(cè)試

測(cè)試模擬機(jī)服務(wù)器啟動(dòng)速度，虛擬機(jī)較真實(shí)服務(wù)器減少自檢時(shí)間（約4 min）；測(cè)試ESDBA 虛擬機(jī)和真實(shí)服務(wù)器正常運(yùn)行時(shí)的CPU 資源、I/O、內(nèi)存使用、網(wǎng)絡(luò)流量情況等。

2.2 功能測(cè)試

功能測(cè)試主要是為了確定虛擬的OM690 系統(tǒng)的各功能進(jìn)程是否完全啟動(dòng)，以及啟動(dòng)的進(jìn)程是否能得到充足的資源。

2.3 穩(wěn)定性測(cè)試

用已經(jīng)虛擬的ESDBA 服務(wù)器替換現(xiàn)有的真實(shí)ESDBA 服務(wù)器，接入VVER 機(jī)組全范圍模擬機(jī)，投入試運(yùn)行，讓模擬機(jī)教員和學(xué)員等最終用戶通過(guò)模擬機(jī)教學(xué)活動(dòng)使用一段時(shí)間，測(cè)試虛擬ESDBA 穩(wěn)定性是否滿足要求。

2.4 測(cè)試過(guò)程截圖及測(cè)試結(jié)果

模擬機(jī)服務(wù)器虛擬化實(shí)施了單機(jī)的虛擬化，了解單臺(tái)服務(wù)器在虛擬化環(huán)境中性能的穩(wěn)定性，以及對(duì)模擬機(jī)整體網(wǎng)絡(luò)的影響。測(cè)試過(guò)程中，單臺(tái)模擬機(jī)服務(wù)器在虛擬化環(huán)境中運(yùn)行，機(jī)器穩(wěn)定性相對(duì)實(shí)體主機(jī)服務(wù)器沒(méi)有明顯差異，運(yùn)行速度有所提高，模擬機(jī)教員及學(xué)員在培訓(xùn)過(guò)程中并未感覺(jué)到由實(shí)體機(jī)服務(wù)器切換到了虛擬機(jī)，模擬機(jī)調(diào)IC 的過(guò)程并沒(méi)有因?yàn)榍袚Q了虛擬ESDBA 受到影響。單機(jī)虛擬工作實(shí)現(xiàn)了實(shí)體服務(wù)器到虛擬服務(wù)器轉(zhuǎn)換，虛擬服務(wù)器替換實(shí)體服務(wù)器在線運(yùn)行，虛擬服務(wù)器不影響模擬機(jī)系統(tǒng)的既定目標(biāo)。

3 模擬機(jī)服務(wù)器虛擬化多機(jī)同平臺(tái)測(cè)試

3.1 多機(jī)虛擬化及網(wǎng)絡(luò)虛擬化

單機(jī)虛擬化具備在線接入模擬機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的條件后，開始整合OM690 多臺(tái)主機(jī)在同一個(gè)虛擬化平臺(tái)上運(yùn)行，同時(shí)多機(jī)虛擬化涉及到多機(jī)資源分配和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的虛擬。由于模擬機(jī)系統(tǒng)設(shè)備使用了Windows、Redhat Linux、CentOS 等多種操作系統(tǒng)，現(xiàn)階段僅針對(duì)OM690 系統(tǒng)的Redhat Linux 6.5 進(jìn)行多機(jī)同虛擬平臺(tái)測(cè)試，測(cè)試同一版本操作系統(tǒng)在同一個(gè)虛擬平臺(tái)上運(yùn)行多臺(tái)虛擬機(jī)，在虛擬化層中虛擬交換機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。

3.2 模擬機(jī)現(xiàn)階段虛擬化及拓?fù)鋱D

（1）虛擬化測(cè)試對(duì)象：?jiǎn)螜C(jī)虛擬化在線運(yùn)行測(cè)試正常后，實(shí)施多機(jī)虛擬化及網(wǎng)絡(luò)在線測(cè)試，主要針對(duì)PU、SU、ESDBA、7 個(gè)OT 10 臺(tái)設(shè)備及SimBus、PlantBus、TerminalBus、OTBus 4 臺(tái)交換機(jī)進(jìn)行在線聯(lián)機(jī)測(cè)試。

（2）多機(jī)虛擬化軟件配置：VMware vSphere 6，VMware vCenter server6，VMware esxi 6.0，VMware Converter Standalone Client 6.2.0。

（3）虛擬前實(shí)體設(shè)備及虛擬化載體硬件配置：①被虛擬的實(shí)體設(shè)備，10 臺(tái)HP DL360P G8，4 核CPU，8G 內(nèi)存，Redhat Linux 6.5操作系統(tǒng)；②虛擬化載體機(jī)設(shè)備，2 臺(tái)HP 服務(wù)器（HP DL380G9 配置為2 顆16 核CPU）、1 臺(tái)普通PC Server，2 臺(tái)HP 服務(wù)器安裝VMware exsi 6.0，通過(guò)VMware center 進(jìn)行集群管理，實(shí)現(xiàn)esxi 主機(jī)的高可用，防止出現(xiàn)機(jī)器宕機(jī)導(dǎo)致模擬機(jī)不可用。

（4）多機(jī)虛擬化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌赫螾U、SU、ESDBA、OT 及模擬機(jī)交換機(jī)到虛擬化主機(jī)服務(wù)器中，簡(jiǎn)化了模擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（圖1，圖2）。

圖1 模擬機(jī)虛擬化實(shí)施前網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖2 模擬機(jī)虛擬化實(shí)施后網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

4 模擬機(jī)服務(wù)器虛擬化多機(jī)運(yùn)行測(cè)試

4.1 性能測(cè)試

測(cè)試模擬機(jī)服務(wù)器啟動(dòng)速度，虛擬機(jī)較真實(shí)服務(wù)器減少自檢時(shí)間（約4 min）；測(cè)試PU、SU、ESDBA、OT 虛擬機(jī)和真實(shí)服務(wù)器正常運(yùn)行時(shí)的CPU 資源、I/O、內(nèi)存使用、網(wǎng)絡(luò)流量情況等。

4.2 功能測(cè)試

功能測(cè)試主要是為了確定虛擬的OM690 系統(tǒng)的各功能進(jìn)程是否完全啟動(dòng)，以及啟動(dòng)的進(jìn)程是否能得到充足的資源。

4.3 穩(wěn)定性測(cè)試

用已經(jīng)虛擬的PU、SU、ESDBA、OT 服務(wù)器替換現(xiàn)有的真實(shí)PU、SU、ESDBA、OT 服務(wù)器，接入田灣核電站3#、4#機(jī)組全范圍模擬機(jī)，投入試運(yùn)行，讓模擬機(jī)教員和學(xué)員等最終用戶通過(guò)模擬機(jī)教學(xué)活動(dòng)使用一段時(shí)間，測(cè)試虛擬PU、SU、ESDBA、OT 穩(wěn)定性是否滿足要求。

4.4 測(cè)試過(guò)程截圖及測(cè)試結(jié)果

模擬機(jī)服務(wù)器虛擬化在單機(jī)的虛擬化的基礎(chǔ)上實(shí)施了OM690 多主機(jī)虛擬化，進(jìn)一步了解多臺(tái)OM690 服務(wù)器在虛擬化環(huán)境中性能的穩(wěn)定性，以及對(duì)模擬機(jī)整體網(wǎng)絡(luò)的影響。

5 總結(jié)

測(cè)試過(guò)程中，OM690 的10 臺(tái)模擬機(jī)服務(wù)器在虛擬化環(huán)境中運(yùn)行，機(jī)器穩(wěn)定性相對(duì)實(shí)體主機(jī)服務(wù)器沒(méi)有明顯差異，運(yùn)行速度有所提高，模擬機(jī)教員及學(xué)員在培訓(xùn)過(guò)程中并未感覺(jué)到由實(shí)體機(jī)服務(wù)器切換到了虛擬機(jī)，模擬機(jī)調(diào)IC 的過(guò)程并沒(méi)有因?yàn)榍袚Q了虛擬OM690 服務(wù)器受到影響。多機(jī)虛擬工作實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)實(shí)體服務(wù)器到虛擬服務(wù)器轉(zhuǎn)換，多臺(tái)虛擬服務(wù)器替換實(shí)體服務(wù)器在線運(yùn)行，OM690 系統(tǒng)虛擬化網(wǎng)絡(luò)配置，虛擬化交換機(jī)冗余高可用配置，虛擬服務(wù)器不影響模擬機(jī)系統(tǒng)的既定目標(biāo)。多機(jī)虛擬化的實(shí)施，有效控制了各臺(tái)虛擬服務(wù)器主機(jī)的資源配置，提高了虛擬載體硬件的使用效率。

通過(guò)使用先進(jìn)服務(wù)器的虛擬集成技術(shù)，將多套同型號(hào)、不同型號(hào)的硬件集成到盡可能少的硬件設(shè)備中，精簡(jiǎn)了在線服務(wù)器數(shù)量并消除模擬機(jī)軟件對(duì)硬件的依賴，規(guī)避模擬機(jī)硬件設(shè)備對(duì)俄方、德方的依賴，并降低了設(shè)備采購(gòu)成本。