田灣核電站全范圍模擬機(jī)TXP系統(tǒng)服務(wù)器虛擬化研究與實(shí)現(xiàn)

摘 要 本文對(duì)田灣核電站全范圍模擬機(jī)TXP系統(tǒng)服務(wù)器的老化問題、運(yùn)維需求等進(jìn)行了分析，并簡要介紹了Oracle VM Server for SPARC服務(wù)器虛擬化技術(shù)，然后從工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用角度，以田灣核電站TXP系統(tǒng)服務(wù)器老化升級(jí)項(xiàng)目為依托，重點(diǎn)闡述了TXP系統(tǒng)服務(wù)器虛擬化架構(gòu)設(shè)計(jì)方案、項(xiàng)目實(shí)施步驟、難點(diǎn)及解決思路，對(duì)于解決業(yè)內(nèi)sun4u SPARC系列服務(wù)器的老化問題具有一定的借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】TXP VM 服務(wù)器 老化 虛擬化

1 前言

1.1 田灣核電站全范圍模擬機(jī)TXP系統(tǒng)服務(wù)器現(xiàn)狀與運(yùn)維需求

核電站全范圍模擬機(jī)主要用于電站主控室運(yùn)行人員的培訓(xùn)與授權(quán)，是主控室操縱員培訓(xùn)的重要工具和手段，需要最大限度的保證全范圍模擬機(jī)的可用率。田灣核電站全范圍模擬機(jī)于2002年用于機(jī)組操縱員培訓(xùn)，正常運(yùn)行控制系統(tǒng)TELEPERM XP系統(tǒng)（TXP系統(tǒng)，由德國Siemens公司開發(fā)提供）服務(wù)器硬件老化問題嚴(yán)重，故障率不斷升高，需要降低硬件故障對(duì)業(yè)務(wù)連續(xù)性的影響。TXP系統(tǒng)服務(wù)器硬件都是SUN公司（已被Oracle公司收購）生產(chǎn)的基于sun4u SPARC平臺(tái)系列服務(wù)器（操作系統(tǒng)： Solaris 8），已停止生產(chǎn)和服務(wù)支持多年，無法采購備品備件。新生產(chǎn)的服務(wù)器是基于sun4v SPARC平臺(tái)系列服務(wù)器（操作系統(tǒng)：Soalris 10及以上版本）。由于SPARC系列服務(wù)器與Solaris操作系統(tǒng)之間的相互依存關(guān)系，如果升級(jí)TXP系統(tǒng)服務(wù)器硬件，就需要德國Siemens公司重新開發(fā)基于sun4v 系統(tǒng)平臺(tái)的模擬機(jī)TXP系統(tǒng)軟件，其代價(jià)在數(shù)千萬元以上。

TXP系統(tǒng)現(xiàn)有的17臺(tái)服務(wù)器見表1，屬于傳統(tǒng)的分布式服務(wù)器存儲(chǔ)和管理模式，管理難度大，技術(shù)人員維護(hù)時(shí)需要進(jìn)行頻繁的機(jī)器切換及其他復(fù)雜的操作，效率低下，需要簡化系統(tǒng)配置和集中維護(hù)管理?，F(xiàn)有TXP系統(tǒng)服務(wù)器的平均使用率僅10%左右，普遍是一臺(tái)服務(wù)器運(yùn)行一個(gè)服務(wù)應(yīng)用程序，造成服務(wù)器資源較大浪費(fèi)，需要提高服務(wù)器使用率。

如何解決現(xiàn)有TXP系統(tǒng)服務(wù)器硬件老化，影響模擬機(jī)業(yè)務(wù)連續(xù)性問題，將多臺(tái)SPARC平臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行整合和調(diào)配，提高服務(wù)器的使用效率和運(yùn)營效率，簡化和集中管理，將模擬機(jī)維護(hù)人員從繁重的物理服務(wù)器的維護(hù)中解脫出來，減少故障恢復(fù)時(shí)間、人工干預(yù)頻率和機(jī)房環(huán)境配套設(shè)施的投入，以降低維護(hù)成本等問題已經(jīng)變得日益突出，而服務(wù)器虛擬化就是解決這些問題的重要方式之一。

1.2 Oracle VM Server for SPARC服務(wù)器虛擬化技術(shù)簡介

服務(wù)器虛擬化是將服務(wù)器的物理資源抽象為邏輯資源，運(yùn)行虛擬化軟件后，一臺(tái)物理服務(wù)器變成幾臺(tái)甚至幾十臺(tái)相互隔離的虛擬服務(wù)器，不再受限于物理上的界限，而是讓CPU、內(nèi)存、磁盤、I/O等硬件資源聚合成可以動(dòng)態(tài)管理的“資源池”，從而提高資源利用率，簡化管理，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器整合。

Oracle VM Server for SPARC軟件（之前稱為Sun邏輯域）為Oracle SPARC T系列服務(wù)器提供高效的企業(yè)級(jí)虛擬化功能[2]，利用內(nèi)置的SPARC服務(wù)器固件虛擬機(jī)管理程序hypervisor對(duì)所支持的硬件平臺(tái)資源（CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)等）進(jìn)行分區(qū)，創(chuàng)建邏輯域（或稱虛擬服務(wù)器）。每個(gè)邏輯域可以運(yùn)行一個(gè)獨(dú)立的操作系統(tǒng)，虛擬機(jī)管理程序hypervisor可以對(duì)邏輯域操作系統(tǒng)的活動(dòng)進(jìn)行控制。因此，Oracle VM Server for SPARC提供了在單一平臺(tái)上同時(shí)部署多個(gè)Oracle Solaris操作系統(tǒng)的靈活性，而每個(gè)CPU 線程都可視為一個(gè)獨(dú)立的虛擬處理器。調(diào)度程序內(nèi)置于CPU 中，無需管理程序另行調(diào)度。這樣就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)開銷更低、性能更高的虛擬化解決方案。Oracle VM Server for SPARC 軟硬件體系見圖1。

2 服務(wù)器虛擬化構(gòu)架設(shè)計(jì)方案

2.1 項(xiàng)目總計(jì)設(shè)計(jì)方案

在1臺(tái)高性能服務(wù)器Oracle SPARC T5-4（sun4v SPARC 平臺(tái)，運(yùn)行操作系統(tǒng)Solaris 10及以上版本，支持4個(gè)16核CPU，共512個(gè)CPU線程）上配置虛擬服務(wù)器運(yùn)行環(huán)境，創(chuàng)建多臺(tái)虛擬服務(wù)器，利用Oracle VM Server for SPARC軟件自帶ldmp2v工具轉(zhuǎn)換處理，實(shí)現(xiàn)在這些虛擬服務(wù)器上運(yùn)行現(xiàn)有的基于Solaris 8開發(fā)的模擬機(jī)應(yīng)用程序。集成和整合田灣核電站全范圍模擬機(jī)TXP系統(tǒng)現(xiàn)有的17臺(tái)服務(wù)器到1臺(tái)高性能的服務(wù)器Oracle SPARC T5-4上，從而解決現(xiàn)有TXP系統(tǒng)服務(wù)器硬件老化無法升級(jí)服務(wù)器硬件、服務(wù)器分布式存儲(chǔ)和管理資源利用率低、故障恢復(fù)時(shí)間較長、運(yùn)營維護(hù)成本較高等問題。

2.2 虛擬服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

電站正常運(yùn)行儀控TXP系統(tǒng)在全范圍模擬機(jī)上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示，主要分為兩個(gè)網(wǎng)段，一個(gè)Terminal Bus （終端總線），另一個(gè)為Plant Bus（電廠總線），兩者通過PU（處理單元）連接。Terminal Bus 連接12臺(tái)OT（操作終端）服務(wù)器、XU/SU/ESDBA服務(wù)器，Plant Bus則負(fù)責(zé)連接SimTXP服務(wù)器（儀控仿真模型服務(wù)器）、Process Model服務(wù)器（工藝系統(tǒng)仿真服務(wù)器）、其他系統(tǒng)服務(wù)器。每一個(gè)OT服務(wù)器需要連接三臺(tái)X-SERVER（圖形顯示終端計(jì)算機(jī)）終端，每個(gè)OT服務(wù)器帶有一個(gè)X-SERVER Bus；同時(shí)，這三臺(tái)X-SERVER終端通過KVM（鍵盤、鼠標(biāo)切換器）設(shè)備共用一套鍵盤、鼠標(biāo)，而OT服務(wù)器通過自帶串口硬件與KVM通訊。

在虛擬TXP系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，我們?2臺(tái)OT服務(wù)器的X-SERVER Bus總線合并，簡化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，方便網(wǎng)絡(luò)配置和管理。虛擬服務(wù)器OT通過Oracle SPARC T5-4服務(wù)器的網(wǎng)口傳出命令然后再轉(zhuǎn)化為串口與KVM設(shè)備通訊。同樣，為了簡化網(wǎng)絡(luò)配置和管理，將12臺(tái)KVM合并到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)段KVM Bus。TXP系統(tǒng)服務(wù)器虛擬化構(gòu)架通訊網(wǎng)段設(shè)計(jì)配置見表2，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖3。

3 服務(wù)器虛擬化實(shí)施、難點(diǎn)及解決方案

3.1 服務(wù)器虛擬化實(shí)施

3.1.1 配置系統(tǒng)服務(wù)

服務(wù)器Oracle SPARC T5-4只擁有有限數(shù)量的I/O總線和物理I/O插槽，無法向系統(tǒng)上的所有邏輯域提供對(duì)物理磁盤和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的獨(dú)占訪問。因此需要配置服務(wù)域（Service Domain），向其他邏輯域提供虛擬設(shè)備服務(wù)，如虛擬控制臺(tái)（vcc）、虛擬交換機(jī)（vsw）及虛擬磁盤（vds）服務(wù)。將控制域同時(shí)配置成I/O域和服務(wù)域角色，以簡化系統(tǒng)配置方便維護(hù)。

3.1.2 配置系統(tǒng)資源

最初，所有系統(tǒng)資源（CPU、內(nèi)存、I/O等）都分配給控制域。要允許創(chuàng)建其他邏輯域，必須釋放其中一些資源。為控制域配置CPU、內(nèi)存等，并將配置信息保存到服務(wù)處理器（Service processor，SP）內(nèi)，關(guān)閉并重新引導(dǎo)控制域，以啟用最新配置。

3.1.3 配置虛擬服務(wù)器

創(chuàng)建虛擬服務(wù)器（邏輯域），并為虛擬服務(wù)器添加虛擬CPU、內(nèi)存、虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和虛擬磁盤。之后便可以在這些創(chuàng)建的虛擬服務(wù)器上安裝Solaris操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序。

通過以上步驟可以在sun4v SPARC 平臺(tái)Oracle SPARC T5-4服務(wù)器上創(chuàng)建虛擬服務(wù)器，這些虛擬服務(wù)器提供了各種基于Solaris 8 操作系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用程序所需的sun4u SPARC核心系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境。

3.2 服務(wù)器虛擬化難點(diǎn)及解決方案

3.2.1 在Solaris 11.1操作系統(tǒng)環(huán)境下創(chuàng)建支持Solaris 8應(yīng)用程序的虛擬服務(wù)器

田灣核電站全范圍模擬機(jī)TXP系統(tǒng)服務(wù)器都是運(yùn)行基于Sun4u SPARC硬件平臺(tái)和Solaris 8 操作系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用服務(wù)程序。為解決現(xiàn)有TXP系統(tǒng)服務(wù)器老化升級(jí)難題，需要在最新sun4v SPARC 平臺(tái)Oracle SPARC T5-4服務(wù)器硬件的Solaris 11.1操作系統(tǒng)環(huán)境下創(chuàng)建支持基于Solaris 8操作系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用程序的虛擬服務(wù)器。

利用Oracle VM Server for SPARC 物理機(jī)到虛擬機(jī)（Physical-to-Virtual， P2V） 轉(zhuǎn)換工具，將現(xiàn)有Solaris 8物理系統(tǒng)（含TXP系統(tǒng)應(yīng)用程序）轉(zhuǎn)換為在Solaris 11.1系統(tǒng)上的虛擬服務(wù)器中運(yùn)行的虛擬系統(tǒng)，該虛擬系統(tǒng)支持運(yùn)行基于sun4u SPARC平臺(tái)開發(fā)的Solaris 8應(yīng)用程序。

執(zhí)行從物理系統(tǒng)到虛擬系統(tǒng)主要包括以下三個(gè)階段：

收集階段。在物理源系統(tǒng)上運(yùn)行，基于收集到的有關(guān)源系統(tǒng)的配置信息創(chuàng)建源系統(tǒng)的文件系統(tǒng)映像。

準(zhǔn)備階段。在目標(biāo)系統(tǒng)的控制域上運(yùn)行，基于收集到的配置信息在目標(biāo)系統(tǒng)上創(chuàng)建邏輯域。文件系統(tǒng)映像將恢復(fù)到一個(gè)或多個(gè)虛擬磁盤。

轉(zhuǎn)換階段。在目標(biāo)系統(tǒng)的控制域上運(yùn)行，使用標(biāo)準(zhǔn)的Oracle Solaris 升級(jí)過程將創(chuàng)建的邏輯域轉(zhuǎn)換為可運(yùn)行基于Solaris 8開發(fā)的應(yīng)用程序的邏輯域。

執(zhí)行物理系統(tǒng)到虛擬系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換之后，為保證應(yīng)用程序執(zhí)行環(huán)境盡量與原物理系統(tǒng)一致，還需要進(jìn)行一些系統(tǒng)配置，如根據(jù)源物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置，將由vnet開頭的系統(tǒng)網(wǎng)卡名配置成bge開頭的網(wǎng)卡名，否則部分應(yīng)用程序無法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊；更新/etc/hosts文件的域名，解決域名報(bào)錯(cuò)；更新OT服務(wù)器和X-Server終端的字體服務(wù)配置，解決X-Server終端字體顯示異常等。

3.2.2 OT服務(wù)器與KVM設(shè)備通訊

TXP系統(tǒng)OT服務(wù)器可以通過服務(wù)器自帶串口硬件控制KVM設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)顯示終端共用1套鍵盤鼠標(biāo)的功能。本項(xiàng)目將12臺(tái)OT服務(wù)器都虛擬運(yùn)行于Oracle SPARC T5-4服務(wù)器上，需要解決虛擬OT服務(wù)器沒有真實(shí)串口與KVM設(shè)備通訊問題。

解決方案一：分配PCIe 端點(diǎn)設(shè)備“PCIe串口卡”給每個(gè)虛擬OT服務(wù)器

Oracle VM Server for SPARC可以通過直接I/O （Direct I/O，DIO） 功能將Oracle SPARC T5-4服務(wù)器某個(gè)PCIe 端點(diǎn)設(shè)備分配到虛擬域。每臺(tái)Oracle SPARC T5-4服務(wù)器帶有16個(gè)PCIe插槽，配合Perle公司生產(chǎn)的PCIe UltraPort串口卡使用。

解決方案二：將OT服務(wù)器的串口通訊轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)通訊輸出

為虛擬OT服務(wù)器增加串口通訊服務(wù)的專用網(wǎng)卡（偽設(shè)備），運(yùn)行配置串口通訊轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的通訊程序。每臺(tái)虛擬OT服務(wù)器就可以利用專用網(wǎng)卡將Siemens應(yīng)用程序的串口通訊命令轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包輸出，再利用網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)串口的硬件，實(shí)現(xiàn)真實(shí)串口輸出。

解決方案三：利用圖形終端（X-Server）所帶串口硬件通訊

每一臺(tái)OT服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)連接3臺(tái)X-Server圖形終端，先將OT服務(wù)器內(nèi)的串口通訊轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)通訊，傳送至與這臺(tái)OT服務(wù)器相連的某一臺(tái)X-Server圖形終端，利用這臺(tái)X-Server圖形終端的真實(shí)串口輸出。

以上三種方案測試均可行，第一種方案較為穩(wěn)定，但是Oracle SPARC T5-4服務(wù)器配置較為復(fù)雜，需要為每臺(tái)虛擬OT服務(wù)器配置PCIe UltraPort串口卡，費(fèi)用較為昂貴。第二種方案也需要額外的RJ45轉(zhuǎn)DB9串口的轉(zhuǎn)換器硬件，增加系統(tǒng)硬件布置的復(fù)雜性和項(xiàng)目成本。第三種方案僅利用現(xiàn)有的X-Server圖形終端的串口輸出，不需要增加額外的硬件，通訊的穩(wěn)定性和整個(gè)系統(tǒng)的可靠性最高。

4 結(jié)語

服務(wù)器虛擬化技術(shù)是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點(diǎn)，能夠?yàn)橛脩艄?jié)約硬件開銷，最大限度地利用硬件資源，方便快捷的部署應(yīng)用。[3]經(jīng)過實(shí)踐證明，基于Oracle VM Server for SPARC的服務(wù)器虛擬化技術(shù)的使用，成功解決了田灣核電站全范圍模擬機(jī)TXP系統(tǒng)服務(wù)器硬件老化問題，避免耗費(fèi)巨資重新開發(fā)TXP系統(tǒng)軟件，保證模擬機(jī)業(yè)務(wù)的高可用性和連續(xù)性。其次，顯著提高了服務(wù)器的利用率，降低了硬件配置和維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)硬件服務(wù)器的集成整合，管理員可以統(tǒng)一配置和管理數(shù)據(jù)中心的軟、硬件資源，并提供模擬機(jī)整個(gè)TXP系統(tǒng)所有服務(wù)器的全面的性能監(jiān)控。

參考文獻(xiàn)

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[3]郭春梅，孟慶森，畢學(xué)堯.服務(wù)器虛擬化技術(shù)及安全研究[J].信息網(wǎng)絡(luò)安全，2011（09）：37.

作者簡介

羅洪春（1987-），男，江蘇省連云港市人。學(xué)士學(xué)位?，F(xiàn)為江蘇核電有限公司培訓(xùn)中心模擬機(jī)維護(hù)工程師。主要研究方向?yàn)楹穗娬救秶M機(jī)維護(hù)。

作者單位

江蘇核電有限公司 江蘇省連云港市 222042