基于Hyper—V的湖南氣象信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)虛擬化實(shí)現(xiàn)

羅林艷 張繼光 劉曉波 文立恒 朱亮

摘要 通過(guò)分析現(xiàn)有氣象信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況和服務(wù)器資源利用率，提出利用微軟虛擬化平臺(tái)Hyper-V實(shí)現(xiàn)氣象信息主要業(yè)務(wù)系統(tǒng)虛擬化的方案；以具體實(shí)例介紹虛擬機(jī)的創(chuàng)建、備份和恢復(fù)過(guò)程；通過(guò)實(shí)施前后的性能對(duì)比分析，說(shuō)明虛擬化技術(shù)在提升系統(tǒng)資源利用率、降低能耗、節(jié)省開支和空間、提高業(yè)務(wù)系統(tǒng)可靠性等方面具有優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞 氣象信息業(yè)務(wù)；資源整合；虛擬化； Hyper-V

中圖分類號(hào) S163 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）06-0198-02

The Virtualization of Hunan Meteorological Information System Based on Hyper-V

LUO Lin-yan， ZHANG Ji-guang， LIU Xiao-bo et al （Hunan Meteorological Information Center， Changsha， Hunan 410118）

Abstract In this paper， via analyzing the operation and server resource utilization of the currently existing meteorological information system， a virtualization solution based on Hyper-V platform is presented which involves creating virtual machine， backup and restore. Compared to the performance before the virtualization solution introduced， its advantages of raising resource utilization， reducing energy consumption， saving money and improving system reliability are illustrated.

Key words Meteorological information service；Resource integration；Virtualization；Hyper-V

隨著氣象現(xiàn)代化研究的不斷深入和氣象業(yè)務(wù)的不斷增加，對(duì)服務(wù)器資源的需求也逐漸增大。傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)部署方式是增加一項(xiàng)業(yè)務(wù)就配備1臺(tái)或多臺(tái)服務(wù)器，以滿足業(yè)務(wù)運(yùn)行的要求，往往造成服務(wù)器資源利用率低、管理開銷大、耗電量大、服務(wù)器運(yùn)維成本高等問(wèn)題[1-3]。隨著云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，服務(wù)器虛擬化以資源整合、應(yīng)用部署靈活、資源利用率高可節(jié)約空間等優(yōu)勢(shì)得到廣泛應(yīng)用[4]。通過(guò)服務(wù)器虛擬化，可將一臺(tái)物理的計(jì)算機(jī)軟件環(huán)境分割為多個(gè)獨(dú)立分區(qū)，各分區(qū)均可按需求模擬出完整的計(jì)算機(jī)（虛擬機(jī)），實(shí)現(xiàn)資源利用的最大化，使得氣象信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)資源整合成為可能。筆者通過(guò)分析現(xiàn)有氣象信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況和服務(wù)器資源利用率，提出利用微軟虛擬化平臺(tái)Hyper-V實(shí)現(xiàn)氣象信息主要業(yè)務(wù)系統(tǒng)虛擬化的方案，并對(duì)該方案的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1 現(xiàn)狀分析

目前，湖南省氣象信息網(wǎng)絡(luò)機(jī)房部署的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備等有170余臺(tái)，72個(gè)機(jī)柜已有72%被占用。其中湖南氣象信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)分別運(yùn)行在32臺(tái)服務(wù)器和12 臺(tái)PC 上，涉及資料收集、分發(fā)、加工處理、數(shù)據(jù)共享等業(yè)務(wù)，實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)一般都要求24 h不間斷運(yùn)行，但系統(tǒng)服務(wù)器資源利用率普遍在5%～20%，只有少數(shù)服務(wù)器資源利用率在70%左右。任務(wù)量小的業(yè)務(wù)程序分別部署在不同的服務(wù)器上，使得硬件的過(guò)度部署和設(shè)備實(shí)際利用率不足的矛盾日益突出，有必要利用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源的集約化管理。

Hyper-V作為主流的服務(wù)器虛擬化方案，可支持多達(dá)64個(gè)CPU 和1 TB 內(nèi)存，具有實(shí)時(shí)遷移（live migration） 功能，即將運(yùn)行中的虛擬機(jī)從一個(gè)Hyper-V 物理主機(jī)遷移到另一個(gè)物理主機(jī)，不干擾服務(wù)，且對(duì)Windows、Linux系統(tǒng)的兼容性好。Hyper-V采用“硬件—Hyper-V—虛擬機(jī)”的三層構(gòu)架體系，虛擬機(jī)執(zhí)行效率非常高，可充分利用硬件資源，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)系統(tǒng)性能優(yōu)化?？紤]到氣象信息系統(tǒng)主要運(yùn)行在Windows 操作系統(tǒng)下，且現(xiàn)有Windows Server 2012正版操作系統(tǒng)中包含Hyper-V角色，可實(shí)現(xiàn)服務(wù)器虛擬化功能，因此采用Hyper-V實(shí)現(xiàn)湖南氣象信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)虛擬化。

2 氣象信息業(yè)務(wù)的虛擬化實(shí)現(xiàn)

選擇4臺(tái)物理服務(wù)器作為虛擬化的硬件基礎(chǔ)（其配置如表1所示），在保證不影響正常業(yè)務(wù)服務(wù)的原則下分步實(shí)施業(yè)務(wù)系統(tǒng)的虛擬化。Hyper-V作為Windows Server 2012的一個(gè)組件[5-6]，可作為Windows Server 2012的角色被安裝。利用Hyper-V進(jìn)行服務(wù)器虛擬化，首先為物理服務(wù)器安裝Windows Server 2012操作系統(tǒng)，其次安裝Hyper-V組件，最后利用Hyper-V新建虛擬機(jī)，并在虛擬機(jī)上按需安裝操作系統(tǒng)。將現(xiàn)有18臺(tái)物理服務(wù)器上的氣象信息業(yè)務(wù)按新增計(jì)劃任務(wù)、本省內(nèi)部資料處理、資料共享、資料上傳、行業(yè)用戶等進(jìn)行分類，部署至虛擬機(jī)上，實(shí)現(xiàn)氣象信息業(yè)務(wù)的整合。

2.1 虛擬機(jī)的創(chuàng)建和配置

以服務(wù)器1為例，成功安裝Windows Server 2012操作系統(tǒng)后，在服務(wù)器管理器選擇安裝Hyper-V，然后在Hyper-V管理器中新建虛擬機(jī)。通過(guò)“新建虛擬機(jī)向?qū)А边M(jìn)行虛擬機(jī)名稱設(shè)置，并設(shè)置存儲(chǔ)位置、分配內(nèi)存及配置網(wǎng)絡(luò)等操作。因部分服務(wù)器運(yùn)行在整點(diǎn)的時(shí)候可能出現(xiàn)內(nèi)存占用的峰值，而部分服務(wù)器程序運(yùn)行所需的內(nèi)存并不大，在氣象信息系統(tǒng)的虛擬化過(guò)程中，充分利用Hyper-V動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配[6]技術(shù)，根據(jù)虛擬機(jī)中的應(yīng)用優(yōu)先級(jí)自動(dòng)調(diào)整虛擬機(jī)對(duì)物理內(nèi)存的占用大小，實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化。

2.2 虛擬機(jī)的備份和恢復(fù)

因虛擬化是在性能較高的服務(wù)器上創(chuàng)建多臺(tái)虛擬機(jī)，沒有建立服務(wù)器集群，當(dāng)某臺(tái)物理服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，為保證氣象信息業(yè)務(wù)正常運(yùn)行，需快速在其他物理服務(wù)器上恢復(fù)虛擬機(jī)的運(yùn)行，故設(shè)計(jì)中采用了虛擬機(jī)的導(dǎo)出、導(dǎo)入的冷備份方法。通過(guò)VHD文件導(dǎo)出、導(dǎo)入來(lái)進(jìn)行虛擬機(jī)備份，其流程如圖1所示。

3 性能改進(jìn)

利用Hyper-V技術(shù)，在4臺(tái)物理服務(wù)器上共部署了18臺(tái)虛擬服務(wù)器，分別為資料處理服務(wù)器、圖片生成服務(wù)器、衛(wèi)星快顯接收服務(wù)器、中小尺度網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、質(zhì)量控制服務(wù)器、風(fēng)能服務(wù)器、土壤水分中心站、新一代長(zhǎng)江流域共享服務(wù)器、報(bào)文復(fù)制服務(wù)器等。虛擬服務(wù)器分別安裝了Windows Server 2003、Windows Server 2008、Windows Server 2012、SUSE Linux等操作系統(tǒng)。相較于傳統(tǒng)業(yè)務(wù)部署方式，基于虛擬化技術(shù)的氣象信息業(yè)務(wù)在以下4個(gè)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

3.1 減少系統(tǒng)部署的時(shí)間成本

若按傳統(tǒng)氣象信息業(yè)務(wù)部署方式，需經(jīng)歷服務(wù)器上架、連線、安裝系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)安裝等步驟，至?xí)r耗時(shí)3～4 h。利用Hyper-V的虛擬機(jī)模板克隆方式來(lái)部署虛擬服務(wù)器，僅需10～30 min，極大地提高了服務(wù)器部署效率。此外，傳統(tǒng)物理服務(wù)器重啟過(guò)程耗時(shí)3～10 min，而虛擬服務(wù)器的重啟只需幾十秒鐘?？梢姡捎肏yper-V虛擬化方式部署氣象信息業(yè)務(wù)可大幅度縮減時(shí)間成本。

3.2 提高服務(wù)器資源利用率

利用Hyper-V實(shí)現(xiàn)服務(wù)器虛擬化后，1臺(tái)物理服務(wù)器在保證業(yè)務(wù)正常運(yùn)行的前提下，承擔(dān)了幾倍于傳統(tǒng)物理服務(wù)器的業(yè)務(wù)量，提高了服務(wù)器的資源利用率。從服務(wù)器CPU、內(nèi)存的使用率來(lái)看，虛擬化后，服務(wù)器CPU利用率和內(nèi)存利用率均大幅度提高。對(duì)比虛擬化前后服務(wù)器的資源利用情況可知，服務(wù)器2的CPU平均利用率由1.17%提升至89.41%，服務(wù)器3的CPU平均利用率由4.95%提升至23.42%（圖2）；服務(wù)器2和服務(wù)器3的內(nèi)存利用率分別由34.57%和22.63%提升至50.8%和84.34%（圖3）。

3.3 節(jié)約成本和空間、降低能耗

此次用于實(shí)現(xiàn)湖南省氣象信息業(yè)務(wù)虛擬化的物理服務(wù)器共4臺(tái)，對(duì)比傳統(tǒng)業(yè)務(wù)部署方式所需的18臺(tái)，空閑出14臺(tái)性能相對(duì)較弱的服務(wù)器用于其他業(yè)務(wù)，極大地節(jié)約了服務(wù)器購(gòu)買成本。從機(jī)房空間利用率來(lái)看，原有18臺(tái)物理服務(wù)器占用機(jī)柜空間36 U，用于虛擬化的4臺(tái)物理服務(wù)器僅占8 U機(jī)柜空間，節(jié)約了近8成的機(jī)柜空間。從能耗的角度來(lái)看，按照每臺(tái)服務(wù)器200 W 的功耗計(jì)算，18臺(tái)物理服務(wù)器每天耗電86.4 kW，采用虛擬化后4臺(tái)服務(wù)器每天耗電19.2 kW，一年能節(jié)約用電7 000.0 kW。

3.4 提高業(yè)務(wù)系統(tǒng)的可靠性

為保證氣象信息業(yè)務(wù)運(yùn)行穩(wěn)定性，對(duì)虛擬機(jī)實(shí)施備份，以應(yīng)對(duì)物理服務(wù)器可能出現(xiàn)故障的情況十分必要。Hyper-V提供的虛擬機(jī)導(dǎo)入導(dǎo)出和備份功能，能夠確保業(yè)務(wù)系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。虛擬機(jī)的導(dǎo)入導(dǎo)出功能可以將虛擬機(jī)通過(guò)文件方式進(jìn)行轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的備份，極大地提升了氣象信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析湖南省現(xiàn)有氣象信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況和服務(wù)器資源利用率，在服務(wù)器數(shù)量多、占用機(jī)柜空間大、維護(hù)成本高、資源利用率低等現(xiàn)狀下，提出利用虛擬化平臺(tái)Hyper-V實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)虛擬化的運(yùn)行方案。此方案在保證了原有業(yè)務(wù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行前提下，空閑出14臺(tái)性能較弱的服務(wù)器用于后繼業(yè)務(wù)開展，極大地節(jié)約了服務(wù)器購(gòu)置成本。對(duì)實(shí)施前后性能進(jìn)行對(duì)比分析可見，虛擬化技術(shù)在提升系統(tǒng)資源利用率、降低能耗、節(jié)省開支和空間、提高業(yè)務(wù)系統(tǒng)可靠性等方面有較大的優(yōu)勢(shì)?；贖yper-V的氣象信息業(yè)務(wù)虛擬化實(shí)現(xiàn)，將在后續(xù)集約化數(shù)據(jù)環(huán)境的建設(shè)中起到重要作用。

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