西安電子科技大學(xué)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器虛擬化建設(shè)實(shí)踐

尚 進(jìn)，張玉振

（西安電子科技大學(xué)，陜西 西安710071）

一、虛擬化技術(shù)及服務(wù)器虛擬化

在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，虛擬化（Virtualization）是指計(jì)算元件在虛擬的基礎(chǔ)上而不是真實(shí)的基礎(chǔ)上運(yùn)行，是一個(gè)簡(jiǎn)化管理、優(yōu)化資源的解決方案。虛擬化技術(shù)將物理資源如服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)存及存儲(chǔ)等予以抽象、轉(zhuǎn)換后呈現(xiàn)出來(lái)，使用戶可以用比原本的組態(tài)更好的方式來(lái)應(yīng)用這些資源。這些資源的新虛擬部分不受現(xiàn)有資源的架設(shè)方式、地域或物理組態(tài)限制。虛擬化技術(shù)把有限的固定的資源根據(jù)不同需求進(jìn)行重新規(guī)劃以達(dá)到最大利用率。

然而，虛擬化技術(shù)與多任務(wù)以及超線程技術(shù)又是完全不同的。多任務(wù)技術(shù)是指在一個(gè)操作系統(tǒng)中多個(gè)程序同時(shí)并列運(yùn)行，而在虛擬化技術(shù)中，則可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)，而且每一個(gè)操作系統(tǒng)中都有多個(gè)程序運(yùn)行，每一個(gè)操作系統(tǒng)都運(yùn)行在一個(gè)虛擬的CPU或者是虛擬主機(jī)上；而超線程技術(shù)只是單CPU模擬雙CPU來(lái)平衡程序運(yùn)行性能，這兩個(gè)模擬出來(lái)的CPU是不能分離的，只能協(xié)同工作。

通過虛擬化技術(shù)可以擴(kuò)大硬件的容量，簡(jiǎn)化軟件的重新配置過程。CPU的虛擬化技術(shù)可以單CPU模擬多CPU并行，允許一個(gè)平臺(tái)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)，并且應(yīng)用程序都可以在相互獨(dú)立的空間內(nèi)運(yùn)行而互不影響，從而顯著提高計(jì)算機(jī)的工作效率。服務(wù)器的虛擬化是虛擬化技術(shù)的又一個(gè)典型應(yīng)用。

服務(wù)器虛擬化技術(shù)主要是一種對(duì)服務(wù)器資源進(jìn)行有效整合的專項(xiàng)技術(shù)。通過服務(wù)器的虛擬化，將服務(wù)器物理資源抽象成邏輯資源，讓一臺(tái)服務(wù)器變成幾臺(tái)甚至上百臺(tái)相互隔離的虛擬服務(wù)器，使用戶不再受限于物理上的界限，而是讓CPU、內(nèi)存、磁盤、I/O等硬件變成可以動(dòng)態(tài)管理的“資源池”，從而提高了對(duì)物理服務(wù)器的利用率，減少了用戶對(duì)服務(wù)器的投資，為用戶降低了成本，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)管理，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器整合。

本文以西安電子科技大學(xué)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器虛擬化建設(shè)為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明數(shù)據(jù)中心服務(wù)器虛擬化建設(shè)過程。

二、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器虛擬化建設(shè)的原因

隨著西安電子科技大學(xué)數(shù)字校園建設(shè)的不斷發(fā)展，信息化平臺(tái)已成為全校教學(xué)、科研、管理和服務(wù)的重要支撐平臺(tái)。然而，數(shù)字化進(jìn)程的快速發(fā)展，使現(xiàn)有基礎(chǔ)資源如服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)端口、存儲(chǔ)空間在容量、性能、可用性、業(yè)務(wù)連續(xù)性、備份安全保護(hù)、系統(tǒng)管理等方面逐步凸現(xiàn)出一些不足。

一方面，為滿足持續(xù)增長(zhǎng)的服務(wù)與應(yīng)用的需求,常常需要不斷增加新的服務(wù)器,導(dǎo)致投資大、故障點(diǎn)多、維護(hù)難。不斷增加的服務(wù)器使中心機(jī)房的空間、電力等各種資源日益緊張，造成機(jī)房建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本持續(xù)增高。與此同時(shí)，單獨(dú)服務(wù)器部署模式下，一旦服務(wù)器出現(xiàn)問題就會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用癱瘓，無(wú)法避免宕機(jī)時(shí)間的不斷加長(zhǎng)。嚴(yán)重影響了學(xué)校日常工作的正常開展。

另一方面，不同的應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建各自獨(dú)立的物理子網(wǎng)；服務(wù)器資源無(wú)法橫向共享；CPU、內(nèi)存等計(jì)算資源無(wú)法整合，不能合理分配利用。在校園網(wǎng)建設(shè)過程中,服務(wù)器和應(yīng)用系統(tǒng)的部署時(shí)間長(zhǎng),管理維護(hù)工作量大，并且各種系統(tǒng)常常都是由不同的平臺(tái)開發(fā),環(huán)境復(fù)雜,很難實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一自動(dòng)化管理。同時(shí)，存在大量利用率很低的獨(dú)立服務(wù)器無(wú)法投入其他應(yīng)用，造成了資源閑置浪費(fèi)。這種各自獨(dú)立的狀態(tài)，也為安全控制、數(shù)據(jù)備份和災(zāi)難恢復(fù)設(shè)置了巨大的障礙。

學(xué)校數(shù)據(jù)中心需要合理有效地減少運(yùn)營(yíng)成本，降低管理復(fù)雜度和管理維護(hù)人員的工作量，軟硬件資源得到合理分配，提升軟硬件兼容性，使服務(wù)安全性和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性得到有效提升。因此，需要將虛擬化技術(shù)應(yīng)用于服務(wù)器，保障按需交付、易于擴(kuò)展、資源與使用者合理匹配，使資源無(wú)障礙地被獲取。

服務(wù)器虛擬化后，改變了原來(lái)物理服務(wù)器不能兼容某些軟件的問題，可以兼容多種軟件，提高了服務(wù)器的兼容性。同時(shí)，通過區(qū)分資源的優(yōu)先次序可隨時(shí)隨地將服務(wù)器資源分配給最需要它們的工作負(fù)載來(lái)簡(jiǎn)化管理、提高效率，從而減少為單個(gè)工作負(fù)載峰值而儲(chǔ)備的資源，降低閑置率，提升核心業(yè)務(wù)的資源保障。針對(duì)不同部門與用戶差別服務(wù)，使院系不再關(guān)心建設(shè)維護(hù)IT系統(tǒng)，而是關(guān)心業(yè)務(wù)能否得到IT系統(tǒng)的支撐保障。

三、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器虛擬化建設(shè)的實(shí)施

根據(jù)學(xué)校的實(shí)際情況，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器虛擬化的實(shí)現(xiàn)主要是在利用現(xiàn)有硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增設(shè)新的設(shè)備，利用VMware vSphere5.0對(duì)物理資源和系統(tǒng)資源作統(tǒng)籌調(diào)整。數(shù)據(jù)中心虛擬化部署如圖1所示。

圖1 西安電子科技大學(xué)虛擬化平臺(tái)邏輯結(jié)構(gòu)

虛擬化的第一步是統(tǒng)一存儲(chǔ)，因?yàn)橐阉械哪０搴蛻?yīng)用資源放在同一個(gè)地方才能方便遷移和快速部署。對(duì)于存儲(chǔ)其實(shí)也有自己的虛擬化技術(shù)，就是把不同品牌、不同類型的存儲(chǔ)設(shè)備虛擬成一個(gè)面向用戶統(tǒng)一的存儲(chǔ)。存儲(chǔ)虛擬化，為物理存儲(chǔ)設(shè)備提供一個(gè)抽象邏輯視圖，用戶通過這個(gè)統(tǒng)一的邏輯接口來(lái)訪問被整合的存儲(chǔ)資源。能夠支持的存儲(chǔ)一般有NAS、SAN、IPSAN。

目前數(shù)據(jù)中心有兩臺(tái)存儲(chǔ)正在使用。一臺(tái)核心光纖存儲(chǔ)IBM DS5300和一臺(tái)作為數(shù)據(jù)備份介質(zhì)使用的ISCSI存儲(chǔ)H3C。核心存儲(chǔ)DS5300目前容量使用已接近飽和，容量嚴(yán)重不足。另外，早期的虛擬化、應(yīng)用服務(wù)器與存儲(chǔ)鏈接使用單鏈路，單點(diǎn)故障成為故障隱患。因此，新購(gòu)置一臺(tái)EMC VNX-5600存儲(chǔ)與原有存儲(chǔ)整合成為一個(gè)存儲(chǔ)資源池使用。

存儲(chǔ)通過4個(gè)光纖通道端口與光纖交換機(jī)（博科5100、EMC 300b、博科300）鏈接，虛擬服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器能夠使用光纖通道交換機(jī)連接到存儲(chǔ)設(shè)備上。由于可以在高性能的光纖存儲(chǔ)系統(tǒng)之中實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)的條帶化，所以每個(gè)連接的主機(jī)都能以非常高的性能訪問共享的邏輯單元，這樣消除了存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的數(shù)據(jù)擁堵。

數(shù)據(jù)中心新舊存儲(chǔ)系統(tǒng)的拓?fù)鋱D如圖2、圖3所示。

圖2 原有存儲(chǔ)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖3 新存儲(chǔ)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

存儲(chǔ)系統(tǒng)采用了基于SAN的存儲(chǔ)解決方案。在SAN存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上，存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的核心采用的是3臺(tái)光纖通道交換機(jī)為磁盤陣列、應(yīng)用服務(wù)器提供全交換的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。應(yīng)用服務(wù)器配置了兩塊HBA卡接入到交換機(jī)中，安裝多路徑軟件提供存儲(chǔ)端口的路徑冗余保護(hù)功能。

對(duì)于主機(jī)及磁盤設(shè)備的連接，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)路徑冗余，避免出現(xiàn)單點(diǎn)故障，按下述原則設(shè)計(jì)了交換機(jī)的連接：①配置雙卡的主機(jī)上的單塊HBA卡，必須分別接入到不同的交換機(jī)中，保證主機(jī)連接的冗余性。②配置單卡的主機(jī)，添加一個(gè)HBA卡，接入到不同的交換機(jī)中，保證主機(jī)連接的冗余性。③存儲(chǔ)的主機(jī)接口，需要每個(gè)控制器至少兩個(gè)主機(jī)接口同時(shí)接入交換機(jī)中。④為了充分利用交換機(jī)芯片內(nèi)部高速緩存交換性能，相關(guān)設(shè)備應(yīng)接入同一端口組區(qū)域。

虛擬化的第二步，就是在服務(wù)器裸機(jī)上部署ESXi軟件。部署過ESXi的服務(wù)器就可以建立虛擬機(jī)了。在ESXi安裝好以后，我們可以通過在辦公室臺(tái)式機(jī)上安裝VMware vSphere Client來(lái)對(duì)服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程連接訪問和綜合調(diào)配控制，并在ESXi服務(wù)器上創(chuàng)建多個(gè)VM（虛擬機(jī)），再為這些虛擬機(jī)安裝好Linux/Windows Server系統(tǒng)使之成為能提供各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)的虛擬服務(wù)器。ESXi也是從內(nèi)核級(jí)支持硬件虛擬化，運(yùn)行于其中的虛擬服務(wù)器在性能與穩(wěn)定性上不亞于普通的硬件服務(wù)器，而且更易于管理維護(hù)。

目前，數(shù)據(jù)中心用了8臺(tái)曙光I840R-GP物理服務(wù)器提供虛擬機(jī)創(chuàng)建。該物理服務(wù)器的配置為：4個(gè)Intel 8核Xeon E7-4820處理器（2.0GHz,L3緩存18MB,8核心105W）；256G DDR 1600內(nèi)存（支持內(nèi)存糾錯(cuò)、鏡像、內(nèi)存冗余校驗(yàn)）；3塊300GB 10K 6G 2.5 SASDP HDD內(nèi)置硬盤；512M高性能SASRaid卡（支持Raid0/1/5/6/10/50）；1*10G光纖網(wǎng)卡(含SFP+模塊。四端口1GbE多功能網(wǎng)卡，支持WOL/網(wǎng)卡綁定，遠(yuǎn)程管理)；DVD-RAW光驅(qū)；2*8Gb PCI-E接口FC光纖接口HBA卡；4塊冗余熱插拔電源模塊；遠(yuǎn)程管理卡（支持Windows/Linux系統(tǒng)跨平臺(tái)管理，符合IPMI2.0標(biāo)準(zhǔn)）。

虛擬化的第三步，就是部署vCenter。為了實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理、快速遷移等功能，還需要一個(gè)管理平臺(tái)。因此，選用一臺(tái)服務(wù)器安裝vCenter Server，用于管理加入虛擬化組里面的設(shè)備，包括多臺(tái)ESXi的服務(wù)器、統(tǒng)一的存儲(chǔ)等。

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器虛擬平臺(tái)一方面支持著全校多個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行,這些業(yè)務(wù)系統(tǒng)包括數(shù)字化校園系統(tǒng)、人事系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、學(xué)籍管理系統(tǒng)、教務(wù)管理系統(tǒng)、財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)、移動(dòng)校園系統(tǒng)等。另一方面，該平臺(tái)還為校屬單位、學(xué)校院系、職能部門等提供虛擬服務(wù)器用于網(wǎng)站或應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)。

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