控制計算機系統(tǒng)的虛擬化方案

鄭艷

摘要：早在20世紀(jì)70年代，虛擬技術(shù)是一種省錢、安全、有效的培訓(xùn)方法，現(xiàn)今已被推廣到各行各業(yè)的培訓(xùn)中。如今，虛擬現(xiàn)實已被推廣到不同領(lǐng)域中，得到廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬平臺技術(shù)；宿主虛擬服務(wù)器；虛擬現(xiàn)實技術(shù)

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 章編號：1009-3044（2016）25-0233-02

1 背景

在計算機科學(xué)中，虛擬技術(shù)是一種通過組合或分區(qū)現(xiàn)有的計算機資源，使得這些資源表現(xiàn)為一個或多個操作環(huán)境，從而提供優(yōu)于原有資源配置的訪問方式的技術(shù)。虛擬化就是把物理資源轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嬌峡梢怨芾淼馁Y源，以打破物理結(jié)構(gòu)之間的壁壘。未來，所有的資源都是透明的，虛擬世界運行在各種各樣的物理平臺上，資源的管理都將按邏輯方式進行，完全實現(xiàn)資源的自動化分配，而虛擬化技術(shù)就是實現(xiàn)它的理想工具。

2 方案

Microsoft公司的Hyper-V Server 2016虛擬平臺技術(shù)，具有經(jīng)濟、高性能、高可靠性、易于維護等特點，最適合項目中使用。

Hyper-V Server 2016 內(nèi)置于Windows Server 2016 服務(wù)器軟件中，無需單獨購買，對于Windows Server 2016DataCenter版中內(nèi)置的Hyper-V Server虛擬服務(wù)器中承載的虛擬機中的Windows操作系統(tǒng)，無需單獨購買軟件許可證。

Microsoft公司的Hyper-V，當(dāng)前版本是Hyper-V 2016，運行環(huán)境是Windows Server 2016 操作系統(tǒng)和Windows 10，由操作系統(tǒng)自帶?；竟δ艿腍yper-V本身在不同版本的Windows Server中是一樣的。該版本的Windows Server沒有圖形管理界面和大部分的圖形管理工具， 實現(xiàn)了基本的虛擬服務(wù)器、故障恢復(fù)集群（failover cluster）和（Storage Space Direct）功能，可通過Hyper-V管理器和PowerShell的命令行工具進行遠程管理。該虛擬機服務(wù)器簡潔、高效、穩(wěn)定。Hyper-V 基于Windows系統(tǒng)，只要是Windows系統(tǒng)支持的硬件，Hyper-V都可支持，不用擔(dān)心硬件不兼容問題。Hyper-V虛擬機不支持虛擬并口，支持將宿主計算機上的串口和USB端口映射到虛擬機中。對于帶GUI界面的Windows Server系統(tǒng)，Hyper-V管理器可方便配置和管理虛擬機運行環(huán)境和虛擬機本身。對于需要高級管理功能的系統(tǒng)，Microsoft公司提供了System Center Virtual Machine Manager進行管理。

Microsoft Hyper-V系統(tǒng)的虛擬機通過VMBUS直接訪問硬件設(shè)備，基本沒有虛擬設(shè)備層，理論上虛擬機性能可達到直接使用硬件計算機的性能。在授權(quán)方面，Hyper-V虛擬機在多CPU內(nèi)核支持（4核）、虛擬機在線遷移方面無需單獨購買，對于有這方面要求的環(huán)境，采購成本更低。

Hyper-V 2016支持第二代Hyper-V虛擬機，但第二代虛擬機只支持Windows 8.1和Windows Server 2012 R2作為客戶操作系統(tǒng)。對于相對老舊的操作系統(tǒng)，只能使用第一代Hyper-V虛擬機，第二代虛擬機提供的高性能特性和擴展性將無法使用。對于新改造的生產(chǎn)線的過程控制系統(tǒng)，建議服務(wù)器操作系統(tǒng)采用Windows Server 2012 R2版，客戶端操作系統(tǒng)采用Windows 8.1或更高版本的操作系統(tǒng)。

Hyper-V 基于故障恢復(fù)集群實現(xiàn)了高可用系統(tǒng)。為方便管理和進行服務(wù)器間的相互身份認(rèn)證，需要建立支持活動目錄的域，需專門的主域控制器。所有的加入集群的虛擬宿主服務(wù)器都需加入域。

故障恢復(fù)集群，需要有共享存儲系統(tǒng)，該系統(tǒng)是故障可恢復(fù)的存儲系統(tǒng)，是Hyper-V故障恢復(fù)集群的存儲系統(tǒng)基礎(chǔ)。本系統(tǒng)中，使用Storage Spaces Direct技術(shù)，利用微軟公司最新的軟件定義存儲技術(shù)，使用分散在各服務(wù)器中的SATA接口的SSD硬盤和機械硬盤，實現(xiàn)分布式、高可用、可伸縮的存儲系統(tǒng)，利用SMB3存儲共享技術(shù)（Server share volume），實現(xiàn)全局共享的集中存儲方案。該方案順應(yīng)了使用本地存儲的軟件定義存儲的技術(shù)潮流，充分發(fā)揮本地存儲子系統(tǒng)的高性能、廉價、大容量的特點，并簡化了系統(tǒng)硬件配置，避免使用昂貴的集中共享存儲設(shè)備和相應(yīng)的高性能共享網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，消除了單點故障源和系統(tǒng)性能瓶頸，同時還簡化了系統(tǒng)的管理。每臺服務(wù)器本機上配置一個120G SATA接口SSD做系統(tǒng)盤，同時安裝4個SATA接口500G固態(tài)硬盤（SSD），加入到共享存儲系統(tǒng)。

所有的虛擬宿主服務(wù)器通過支持遠程直接內(nèi)存訪問（RDMA）的萬兆網(wǎng)絡(luò)端口直接連接到管理用中心交換機上。相對所有宿主虛擬服務(wù)器，配置一臺Hyper-V Replica服務(wù)器， 該服務(wù)器接受所有宿主虛擬服務(wù)器上的服務(wù)器虛擬機的備份請求，實現(xiàn)所有服務(wù)器虛擬機的數(shù)據(jù)備份。對于虛擬操作站，每個操作站上的數(shù)據(jù)日常運行中沒有變化，無需在線備份，可將安裝好的虛擬操作站數(shù)據(jù)文件離線備份到移動硬盤或其他備份設(shè)備上。輔助服務(wù)器上將配置企業(yè)級4TBSATA硬盤4塊，組成RAID-10，該服務(wù)器無需高速存儲，只需要容量大，數(shù)據(jù)存儲可靠。必要時，可使用輔助服務(wù)器作為臨時備用服務(wù)器，當(dāng)主宿主虛擬服務(wù)器出現(xiàn)故障，需要維護時，將該服務(wù)器上承載的虛擬機遷移到輔助服務(wù)器上，該過程可保證虛擬機的運行不中斷，網(wǎng)絡(luò)連接也可保持，該過程對客戶端透明。

客戶機，只安裝Linux操作系統(tǒng)或最基本最新的Windows操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)上，可運行遠程桌面客戶端軟件， 用以顯示后臺虛擬機的操作界面。最新操作系統(tǒng)軟件，能夠充分發(fā)揮硬件性能和后臺虛擬機軟件的功能特性。

當(dāng)前設(shè)計有如下優(yōu)點：

宿主虛擬服務(wù)器硬件本身采用了高可靠性的設(shè)備，并采取多重設(shè)備冗余，保證了硬件設(shè)備本身的高可用性。服務(wù)器本身出現(xiàn)重大損壞的可能性非常小。虛擬機映像和配置文件存放在全局共享的采用Storage spaces in Failover cluster的高可用存儲系統(tǒng)中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠存儲，無需任何外部的價格昂貴的專用存儲設(shè)備，實現(xiàn)了基于本地硬盤的軟件定義低成本存儲。在后續(xù)系統(tǒng)擴充時，可根據(jù)容量和性能的要求，靈活采購和添加服務(wù)器和硬盤設(shè)備，同步添加存儲設(shè)備，實現(xiàn)靈活的系統(tǒng)擴充，實現(xiàn)高性價比，方便靈活的設(shè)備采購。

虛擬機的所有文件都存放在基于服務(wù)器本地硬盤的高可用性存儲系統(tǒng)中，該硬盤采用高速SATA接口的SSD硬盤，進一步提高了性能。本地硬盤的數(shù)據(jù)通信帶寬遠超萬兆網(wǎng)絡(luò)，消除了虛擬機系統(tǒng)同時啟動在存儲網(wǎng)絡(luò)上造成的啟動風(fēng)暴，降低了網(wǎng)絡(luò)通訊阻塞造成集群中節(jié)點通訊失敗而造成掉線，被錯誤隔離的幾率，Windows Server 2016的Failover cluster with Hyper-V service還具有當(dāng)虛擬機進行大量數(shù)據(jù)讀寫操作時，通訊流量僅限服務(wù)器內(nèi)部的特點，該特性很好地避免了企業(yè)虛擬化網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常出現(xiàn)的“啟動風(fēng)暴”問題，同時還可避免因存儲網(wǎng)絡(luò)通訊延遲，造成虛擬機讀寫數(shù)據(jù)失敗的問題。

Hyper-V 復(fù)制功能是Hyper-V 3.0的新功能之一，它是可支持同步或異步虛擬機復(fù)制的技術(shù)，主要用于商業(yè)連續(xù)性與災(zāi)難的恢復(fù)，可用于任何服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)或者存儲，它并不需要任何共享存儲，可以是單個或者多個虛擬機進行復(fù)制，并可基于數(shù)據(jù)塊進行復(fù)制和同步。它使用Hyper-V卷影復(fù)制服務(wù)編輯器將主機上的虛擬機的快照數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到輔助主機。就是將主的Hyper-V主機中的虛擬機復(fù)制到另外的Hyper-v主機上，并可進行增量的復(fù)制。當(dāng)主的Hyper-v主機上的虛擬機出現(xiàn)問題，集群系統(tǒng)沒有正確重新恢復(fù)虛擬機運行時，則復(fù)制過來的虛擬機會接替工作，使數(shù)據(jù)損失降低到最小。復(fù)制服務(wù)器可接受來自1臺或者多臺主機服務(wù)器的傳入復(fù)制通信。因本系統(tǒng)中使用了集群化和Storage Space Direct技術(shù)實現(xiàn)了存儲和Hyper-V服務(wù)的高可用性，Hyper-V復(fù)制技術(shù)主要用于虛擬機映像的在線備份。

3 不足之處

本方案的欠缺之處：參與集群的服務(wù)器是相同體系結(jié)構(gòu)的服務(wù)器，服務(wù)器最少4臺，初期投資較大，后期升級服務(wù)器時，新服務(wù)器和原有服務(wù)器必須是相同體系結(jié)構(gòu)。

參考文獻：

[1] 姜學(xué)智， 李忠華. 國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J]. 遼寧工程大學(xué)技術(shù)學(xué)報， 2004， 23（2）： 238-240.

[2] 曲文堯， 杜玉霞. 共同發(fā)展計算機技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用[J]. 電子技術(shù)與軟件工程， 2013（12）.

[3] 郭芳銘， 韓曉玲. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展趨向淺析[J]. 電腦知識與技術(shù)：學(xué)術(shù)交流， 2007（2）.