基于虛擬化技術(shù)構(gòu)建廠站級(jí)私有云的方案探討

任志遠(yuǎn)，劉洺赫

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300381）

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，新型的應(yīng)用具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、業(yè)務(wù)增長(zhǎng)速度快的特點(diǎn)。而傳統(tǒng)企業(yè)的軟硬件維護(hù)成本越來(lái)越高昂，從而使同等規(guī)模投資中真正用于提升商業(yè)價(jià)值的投資相對(duì)減少，而這正是基于由功能化服務(wù)器構(gòu)建的傳統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)架的缺陷造成的。根據(jù)所做項(xiàng)目中使用的虛擬化技術(shù)，結(jié)合比較云計(jì)算的傳統(tǒng)構(gòu)架，從架構(gòu)簡(jiǎn)易、擴(kuò)展性能優(yōu)劣、損耗高低等方面進(jìn)行討論。

1 虛擬化技術(shù)應(yīng)用的必要性

基于功能化服務(wù)器的傳統(tǒng)構(gòu)架（未采用虛擬化技術(shù)）問(wèn)題：

1）服務(wù)器的利用率低。由于一臺(tái)服務(wù)器只能有一個(gè)操作系統(tǒng)，受系統(tǒng)和軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的限制，CPU、內(nèi)存、硬盤空間的資源利用率都相對(duì)低，無(wú)法達(dá)到利用率最大化。

2）可管理性差。首先每個(gè)物理應(yīng)用服務(wù)器都是單機(jī)，如果某臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)故障，相對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)也將中斷；其次是當(dāng)硬件需要維護(hù)、升級(jí)或出現(xiàn)硬件故障時(shí)，上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)均會(huì)出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的中斷，影響業(yè)務(wù)的連續(xù)性；同時(shí)，數(shù)據(jù)搬遷時(shí)更加麻煩。

3）兼容性差。系統(tǒng)和應(yīng)用遷移到其他服務(wù)器，需要和舊系統(tǒng)兼容。新的軟件包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件無(wú)法運(yùn)行在老的硬件平臺(tái)，而老的代碼有時(shí)候也很難移植到新的硬件平臺(tái)上。為節(jié)省時(shí)間、物力和保持系統(tǒng)部署的順利，只能用增加服務(wù)器單獨(dú)部署的方法來(lái)解決，從而造成投資浪費(fèi)。

4）對(duì)業(yè)務(wù)需求無(wú)法做到及時(shí)響應(yīng)，靈活性差。當(dāng)有新的應(yīng)用需要部署時(shí)，需要重新部署服務(wù)器，并需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)新的應(yīng)用需求。

為了解決上述問(wèn)題，利用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地、按需、便捷地訪問(wèn)共享資源池（如計(jì)算設(shè)施、存儲(chǔ)設(shè)備、應(yīng)用程序等）的計(jì)算模式，“云計(jì)算”的構(gòu)想應(yīng)運(yùn)而生。目標(biāo)是以低成本的方式提供高可靠、高可用、規(guī)模可伸縮的個(gè)性化服務(wù)，用戶可以根據(jù)其業(yè)務(wù)負(fù)載快速申請(qǐng)或釋放資源，在提高服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)降低運(yùn)維成本。

為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，服務(wù)器虛擬化方案可以很好地解決上面這些問(wèn)題，虛擬化技術(shù)是整套系統(tǒng)中若干關(guān)鍵技術(shù)中不可缺少的一環(huán)。虛擬化技術(shù)具備以下特點(diǎn)：

1）資源分享。通過(guò)虛擬機(jī)封裝用戶各自的運(yùn)行環(huán)境，有效實(shí)現(xiàn)多用戶分享數(shù)據(jù)中心資源，部署簡(jiǎn)單快捷。

2）資源定制。用戶利用虛擬化技術(shù)，配置私有的服務(wù)器，可指定所需的CPU 數(shù)目、內(nèi)存容量、磁盤空間，實(shí)現(xiàn)資源的按需分配。

3）細(xì)粒度資源管理，將物理服務(wù)器拆分成若干虛擬機(jī)，可以提高服務(wù)器的資源利用率，減少浪費(fèi)，而且有助于服務(wù)器的負(fù)載均衡和節(jié)能。從而減少服務(wù)器的整體數(shù)量，降低投資。

4）適合工業(yè)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，工業(yè)控制和信息化軟件的生命周期長(zhǎng)。通過(guò)虛擬化技術(shù)，可以在一臺(tái)服務(wù)器上運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)，每一個(gè)虛擬機(jī)可以使用不同的獨(dú)立的操作系統(tǒng)，避免舊版本的工業(yè)控制和信息化軟件無(wú)法與新型電腦系統(tǒng)兼容的問(wèn)題。

5）具備快速的災(zāi)難恢復(fù)能力。

由此可見(jiàn)，虛擬化技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)云計(jì)算資源池化和按需服務(wù)的核心。系統(tǒng)建設(shè)階段示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)建設(shè)階段示意圖Fig.1 Schematic diagram of system construction phase

正是基于上述原因，數(shù)據(jù)中心為上層云計(jì)算服務(wù)提供海量資源的硬件物理基礎(chǔ)，其配置方案和各種構(gòu)架的差異性比較正是本文的討論重點(diǎn)。

2 建立虛擬化平臺(tái)的技術(shù)模式

2.1 集中共享存儲(chǔ)構(gòu)架（傳統(tǒng)云架構(gòu)）

傳統(tǒng)集中共享存儲(chǔ)一般可以分3 層：存儲(chǔ)層、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)層和計(jì)算層。傳統(tǒng)存儲(chǔ)架構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)存儲(chǔ)架構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of traditional storage architecture diagram

存儲(chǔ)層是指用于存放數(shù)據(jù)設(shè)備，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景，可以選擇相應(yīng)的存儲(chǔ)技術(shù)和存儲(chǔ)磁盤類型；存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)層是指存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SAN），它是一種高速的、專門用于存儲(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)，通常獨(dú)立于計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。SAN 將服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備連在一起，能夠?yàn)槠渖系娜我庖慌_(tái)服務(wù)器和任意一臺(tái)存儲(chǔ)設(shè)備提供專用的通信通道；計(jì)算層是指具備計(jì)算能力的服務(wù)器，在集中共享存儲(chǔ)架構(gòu)中計(jì)算層只提供CPU、內(nèi)存等資源。

2.2 超融合架構(gòu)

超融合基礎(chǔ)架構(gòu)（hyper-converged infrastructure，HCI），是指在同一套單元設(shè)備（x86 服務(wù)器）中不僅僅具備計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和服務(wù)器虛擬化等資源和技術(shù)，而且還包括緩存加速、備份軟件、快照技術(shù)等元素，而多節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聚合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)模塊化的無(wú)縫橫向擴(kuò)展，形成統(tǒng)一的資源池[1]。超融合基礎(chǔ)架構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 超融合基礎(chǔ)架構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of hyperconverged infrastructure diagram

相比較于傳統(tǒng)架構(gòu)包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)三層的設(shè)備眾多和配置復(fù)雜，超融合架構(gòu)一般分成兩層，存儲(chǔ)層和計(jì)算層。存儲(chǔ)層是指服務(wù)器上根據(jù)業(yè)務(wù)類型配置存儲(chǔ)硬盤。計(jì)算層是指服務(wù)器上配置的CPU 和內(nèi)存等，給業(yè)務(wù)提供計(jì)算能力。超融合存儲(chǔ)架構(gòu)不用把數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)端取出來(lái)，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接?jì)算端，而是將計(jì)算直接分發(fā)到存儲(chǔ)上運(yùn)行，將“計(jì)算”作為傳輸單元進(jìn)行傳輸，這樣大量的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)都在本地訪問(wèn)，訪問(wèn)就變得很快[2]。于是自然而然地“計(jì)算”和“存儲(chǔ)”融合在了一臺(tái)服務(wù)器上。超融合架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化的統(tǒng)一整合，并且破除了傳統(tǒng)架構(gòu)中的集中式存儲(chǔ)，采用將各個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的本地存儲(chǔ)進(jìn)行存儲(chǔ)虛擬化后形成統(tǒng)一調(diào)配的分布式存儲(chǔ)資源池，為私有云提供穩(wěn)定、冗余的存儲(chǔ)環(huán)境。

在超融合架構(gòu)中，又延伸出兩種架構(gòu)，嵌入式和分離式部署。第一種嵌入式，既服務(wù)器虛擬化軟件和存儲(chǔ)虛擬化軟件集成在一起。集成式超融合架構(gòu)，IO 路徑短，主機(jī)CPU 和IO 開(kāi)銷最小，每臺(tái)主機(jī)可支持的虛機(jī)更多，統(tǒng)一管理平面，性價(jià)比更高。嵌入式超融合架構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 嵌入式超融合架構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of embedded hyperconverged architecture

第二種是分離式，既服務(wù)器虛擬化軟件和存儲(chǔ)虛擬化軟件為不同模塊，獨(dú)立工作。存儲(chǔ)虛擬化軟件通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，通常為NFS，為服務(wù)器虛擬化提供存儲(chǔ)資源。在這種模式下，會(huì)有一個(gè)虛機(jī)在每臺(tái)主機(jī)上，充當(dāng)存儲(chǔ)控制器，所有IO 先經(jīng)過(guò)這個(gè)VM，再到服務(wù)器虛擬化層。這種架構(gòu)IO 路徑長(zhǎng)，故障點(diǎn)多，主機(jī)性能消耗大，存儲(chǔ)虛擬機(jī)會(huì)和業(yè)務(wù)虛機(jī)爭(zhēng)用主機(jī)資源，造成物理服務(wù)器整合比相對(duì)低。但對(duì)于較大系統(tǒng)而言，擴(kuò)展更為便利、可靠。分離式超融合架構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 分離式超融合架構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of detached hyperconverged architecture

3 傳統(tǒng)云架構(gòu)和超融合構(gòu)架的比較

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)構(gòu)架比較如表1所示。就系統(tǒng)構(gòu)架而言超融合虛擬化（云）架沒(méi)有集中存儲(chǔ)單元，從硬件上看構(gòu)架相對(duì)更加簡(jiǎn)單[3]。但由于存儲(chǔ)資源采用分布式管理，就需要對(duì)虛擬化存儲(chǔ)軟件和高性能以太網(wǎng)交換機(jī)產(chǎn)生更大的依賴，由此帶來(lái)的劣勢(shì)主要表現(xiàn)在維護(hù)Linux 系統(tǒng)難度較大； 副本經(jīng)常性啟動(dòng)失敗幾率提高；對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬要求極高，無(wú)形中提高了物理服務(wù)器的硬件成本；開(kāi)源的虛擬化系統(tǒng)如果出現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題時(shí)間較長(zhǎng)等幾方面。

表1 系統(tǒng)構(gòu)架比較Tab.1 System architecture comparison

3.2 系統(tǒng)擴(kuò)展

系統(tǒng)擴(kuò)展比較如表2所示。由于超融合虛擬化（云）架構(gòu)系統(tǒng)會(huì)隨著物理服務(wù)器橫向擴(kuò)展性能（計(jì)算資源+存儲(chǔ)資源）同步線性提升，所以在系統(tǒng)擴(kuò)展方面超融合虛擬化（云）架構(gòu)有著較為明顯的優(yōu)勢(shì)，且該優(yōu)勢(shì)會(huì)隨著系統(tǒng)的擴(kuò)大更加明顯。

表2 系統(tǒng)擴(kuò)展比較Tab.2 System extension comparison

3.3 性能損耗

系統(tǒng)性能損耗比較如表3所示，不同廠商超融合虛擬化架構(gòu)的損耗對(duì)比如表4所示。在同樣的資源池（計(jì)算資源+存儲(chǔ)資源）配置下，超融合虛擬化（云） 架構(gòu)需要對(duì)存儲(chǔ)資源虛擬化管理分配相應(yīng)的計(jì)算資源，所以該構(gòu)架對(duì)于計(jì)算資源的有效利用率小于傳統(tǒng)虛擬化（云）基礎(chǔ)架構(gòu)。

表3 系統(tǒng)性能損耗比較Tab.3 System performance losses comparison

表4 不同廠商超融合虛擬化架構(gòu)的損耗對(duì)比Tab.4 Loss comparison of hyper-converged virtualization architectures of different vendors

3.4 容災(zāi)及可靠性

容災(zāi)及可靠性對(duì)比如表5所示。在相同的災(zāi)備率前提下，考慮計(jì)算機(jī)硬件產(chǎn)品全生命周期等因素（暫已10年作為中期壽命基準(zhǔn)），對(duì)于中、短壽命而言傳統(tǒng)虛擬化（云）基礎(chǔ)架構(gòu)需要提升系統(tǒng)容災(zāi)可靠性所需投資相對(duì)較少；隨著時(shí)間加長(zhǎng)，硬件產(chǎn)品代際更新，老一代產(chǎn)品的備品備件逐步減少，這時(shí)傳統(tǒng)架構(gòu)所需硬件的采購(gòu)成本加大，其優(yōu)勢(shì)將不復(fù)存在。

表5 容災(zāi)及可靠性對(duì)比Tab.5 Disaster recovery and reliability comparison

3.5 其他比較

對(duì)于其他性能的對(duì)比如表6所示[4]。

表6 其他性能對(duì)比Tab.6 Other performance comparison

4 應(yīng)用

從（IT 信息化系統(tǒng)）服務(wù)器虛擬化上劃分，可有兩種實(shí)現(xiàn)方法：傳統(tǒng)云架構(gòu)、超融合架構(gòu)。傳統(tǒng)云架構(gòu)中存儲(chǔ)陣列及SAN 交換機(jī)，具有緊耦合特性，未來(lái)無(wú)論在性能擴(kuò)展、容量擴(kuò)展都具有局限性，但其穩(wěn)定性特點(diǎn)突出；超融合架構(gòu)使用通用網(wǎng)絡(luò)及服務(wù)器進(jìn)行搭建，具有松偶合特性，擴(kuò)展性能力突出，穩(wěn)定性中性，適于小型應(yīng)用，開(kāi)發(fā)應(yīng)用等多種創(chuàng)新領(lǐng)域應(yīng)用。

建設(shè)中，傳統(tǒng)云架構(gòu)方案規(guī)劃中需要直觀對(duì)未來(lái)應(yīng)用能力、存儲(chǔ)容量、使用規(guī)模做出至少5年的規(guī)劃。超融合架構(gòu)由于其擴(kuò)展便捷，初始建設(shè)可以隨IT 信息化發(fā)展逐漸進(jìn)行資金投入，完善整體應(yīng)用架構(gòu)，但其穩(wěn)定性、擴(kuò)展能力主要依靠強(qiáng)大的軟件支撐。

從配置方面，傳統(tǒng)構(gòu)架的最簡(jiǎn)配置可以從2 臺(tái)服務(wù)器起始，而超融合構(gòu)架的最簡(jiǎn)配置從3 臺(tái)服務(wù)器起始。如果同樣以3 臺(tái)服務(wù)器為基準(zhǔn)，配置到同樣的資源（運(yùn)算池+存儲(chǔ)池），附加各系統(tǒng)必須的交換設(shè)備及軟件，傳統(tǒng)構(gòu)架在經(jīng)濟(jì)上還是更具有競(jìng)爭(zhēng)力的。當(dāng)然，性價(jià)比較是存在平衡點(diǎn)的，因?yàn)槭艿酱疟P陣列產(chǎn)品硬件壽命周期和代際更新的影響，傳統(tǒng)構(gòu)架的優(yōu)勢(shì)在系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大到一定程度后將不復(fù)存在。在近期實(shí)施的太原市“城市熱網(wǎng)輸配再生水關(guān)鍵技術(shù)研究及工程示范” 科技項(xiàng)目計(jì)劃（KCX2020-3-07）中，采用集中共享存儲(chǔ)模式部署“企業(yè)私有云”系統(tǒng)平臺(tái)。

5 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源的池化管理是虛擬化技術(shù)的應(yīng)用核心，也是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。對(duì)于本文探討的兩種構(gòu)架，認(rèn)為對(duì)于廠站級(jí)用戶而言，3 臺(tái)左右服務(wù)器的算力完全可以服務(wù)一個(gè)中型給、排水廠站的全部應(yīng)用，而且業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景也相對(duì)固定，采用傳統(tǒng)構(gòu)架的集中共享存儲(chǔ)模式更適用。而后者超融合架構(gòu)更適用于集團(tuán)平臺(tái)系統(tǒng)，且隨著業(yè)務(wù)類

型的擴(kuò)展和系統(tǒng)規(guī)模的增大，這種優(yōu)勢(shì)會(huì)更加突出。