虛擬服務器技術在河南氣象信息業(yè)務中的應用

朱茜 王立柱

（河南省氣象信息網(wǎng)絡與技術保障中心，鄭州 450003）

1 河南省氣象局信息化建設的現(xiàn)狀

目前河南省氣象局共有服務器近200臺，包括web服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、郵件服務器等，每個業(yè)務系統(tǒng)所用的服務器均為單機運行，用另外一臺配置相同的服務器作為冷備，通常在一個物理服務器上運行單個應用，備份服務器的硬件資源被獨占。這樣的備份方式僅僅是在物理和應用的層面上對業(yè)務系統(tǒng)進行了非實時的備份，各業(yè)務系統(tǒng)主用的服務器出現(xiàn)故障時，即便切換得很及時，也有很大可能會造成實時接收數(shù)據(jù)的丟失。同時，由于使用了大量獨立的硬件服務器，既增加了出現(xiàn)故障的概率，也是一種資源浪費。由于服務器數(shù)量的增加，機房空間、空調(diào)以及電力負荷過大的問題也日趨嚴重[1]。

另一方面，操作系統(tǒng)和計算機的硬件系統(tǒng)都發(fā)展得很快，而省內(nèi)的業(yè)務系統(tǒng)發(fā)展比較緩慢，導致大量的業(yè)務應用程序必須運行在比較老的操作系統(tǒng)上，這樣就存在操作系統(tǒng)、業(yè)務系統(tǒng)和硬件平臺之間的兼容問題。備份機上的備份程序只有在主機故障時使用，日常維護時定期將主機數(shù)據(jù)備份到冷備機中，若備份不及時或操作系統(tǒng)的兼容性問題，會造成冷備程序不能正常使用。目前硬件服務器的大部分資源都未得到充分應用，有些為了確保業(yè)務的實時連續(xù)性，還需要雙機備份，僅硬件的投入成本就會翻倍，服務器的數(shù)量更是多之又多[2]。

省內(nèi)業(yè)務系統(tǒng)的部分服務器改變單機+冷備的運行方式，利用虛擬服務器技術采用虛擬雙機運行方式，這種改變能解決單點故障和切換不及時的問題。服務器虛擬化資源整合，建成集約化服務器硬件平臺，同時也為以后更多的虛擬技術應用搭建了一個穩(wěn)定可靠的硬件平臺。

2 系統(tǒng)設計

2.1 虛擬化簡述

圖1 安裝了虛擬化軟件的物理服務器通過交換機與磁盤陣列連接，并對物理服務器的硬件資源池化后動態(tài)分配。每個虛擬服務器都是一個獨立的系統(tǒng)，擁有自己的硬件配置與資源，使用者把它當成普通的物理服務器[1]使用即可。虛擬機通過網(wǎng)絡接口來提供應用服務。

圖1 服務器虛擬化Fig. 1 Server virtualization

2.2 解決方案

河南省現(xiàn)有的服務器中，有一些服務器尤其是一些備份的服務器使用率很低，虛擬化高可用性解決方案有效地解決了目前其他高可用性解決方案面臨的問題。結合河南省的實際情況，可以進行存儲的虛擬化，利用存儲管理硬件平臺（虛擬化存儲網(wǎng)關），將不同品牌的存儲集中管理備份和資源規(guī)劃分配，同時引入備份服務系統(tǒng)，作為虛擬平臺的有益補充。具體硬件配置見表1。

表1 虛擬化服務器硬件配置Table 1 Hardware configuration of the virtualized server

2014年河南省采用VMware虛擬化軟件基于5臺物理主機和兩個磁盤陣列構建了虛擬化服務器[3]的應用平臺，共擁有120顆CPU、255.64 GB內(nèi)存和36.66 TB存儲的物理資源。該平臺為科技處、監(jiān)審處、氣象臺、科研所、科技服務中心和信息中心6個單位提供了30臺虛擬服務器，提供web服務、ftp服務和臨時性的數(shù)據(jù)庫服務。隨著虛擬化效益的體現(xiàn)，2015年又新增加了2臺物理主機和原來的5臺主機共同提供虛擬服務。

圖2 是一個虛擬機集群系統(tǒng)，共有7臺機架式服務器作為物理主機使用，通過高性能的光纖交換機與2臺共享存儲磁盤陣列連接，基于固有的光纖通道，使主服務器與存儲設備之間相互連接，這7臺服務器作為宿主機使用。此外還需要一臺管理服務器，安裝虛擬機的管理軟件vCenter Server來管理整個服務器集群[4]。通過對機房內(nèi)146臺服務器的檢查統(tǒng)計，核對每臺服務器的硬件配置包括CPU個數(shù)、型號、硬盤容量、系統(tǒng)資源利用率，以及使用的操作系統(tǒng)等，使用VMware vCenter Converter Standalone Client工具在虛擬機集群系統(tǒng)上部署了60臺虛擬化服務器[5]，它的優(yōu)點在于相同操作系統(tǒng)相同硬件要求的機器可以直接克隆，不需要重復安裝操作系統(tǒng)，也不需要重復建立編譯環(huán)境，對系統(tǒng)的管理也可以滿足用戶的需求。

圖2 虛擬機集群Fig. 2 Virtual machine cluster

2.2.1 新建虛擬機

建立好虛擬機集群后就需要在各個主機上新建虛擬機，新建的虛擬機可以是windows或者linux等操作系統(tǒng)，新創(chuàng)建好的虛擬機還只是個裸機，安裝配置完系統(tǒng)之后才能使用。

2.2.2 虛擬機遷移

虛擬機的遷移[6-7]按電源狀態(tài)分類包括“冷遷移”與“熱遷移”，所謂“冷遷移”是指已關閉電源的虛擬機遷移；“熱遷移”則是在通電狀態(tài)下虛擬機的遷移?！袄溥w移”不要求主機之間有共同的存儲，可以實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)中心之間的遷移；“熱遷移”可以實現(xiàn)在不中斷服務的情況下進行遷移。虛擬機遷移按宿主機分可分為在同一集群不同主機之間的遷移，以及存儲之間的遷移。在建設虛擬化的初期需要將實時運行的一些物理機遷移到虛擬集群中，此環(huán)節(jié)需要每個被轉換的物理機上安裝虛擬機遷移軟件（VMware vCenter Converter Standalone Client。目前已遷移了15臺實時在用的服務器，為了保證業(yè)務的實時連續(xù)性，本次轉換全部采取熱遷移，根據(jù)需要按照VMware vCenter Converter Standalone Client的向?qū)崾具x擇相應的目標主機、目標虛擬機、目標位置等按步驟進行即可。

2.2.3 虛擬機克隆

克隆功能大大簡化了客戶端安裝和配置操作系統(tǒng)的過程，克隆是按照已經(jīng)存在的一個虛擬操作系統(tǒng)再復制一份，它是一個獨立的虛擬機，如果不共享父本的虛擬硬盤文件就是全克隆，共享父本虛擬硬盤文件的是連接克隆。對于操作系統(tǒng)要求相同的，可以使用克隆的方法，克隆一臺機器速度很快，不到一分鐘就可完成一臺機器的復制，使用起來十分方便。河南省氣象探測數(shù)據(jù)中心在實現(xiàn)虛擬化的時候，新建了幾個不同操作系統(tǒng)虛擬機的模板之后，其余均采用了克隆的方法。

3 達到的效益

3.1 減少用電量

通過虛擬服務器技術對服務器的整合[8]，在極大程度上減少了服務器的物理數(shù)量，以及在機房的占地空間，從而達到降低用電量的效果。目前虛擬機上布置的在用服務器以及備份服務器共60臺，采用虛擬化后只需要5臺物理主機，每臺服務器按200 W功率來算，可節(jié)省11 kW功率；每個小時就可節(jié)約11度電，一年下來可節(jié)省96360度電，如果電費按1元/度計算，每年可節(jié)省9.636萬元。每臺服務器按2U計算，大概需要三個機柜。機柜的減少可使機房更加整潔，耗電量也更少。

3.2 提高CPU利用率

5臺物理主機每臺CPU內(nèi)核是24核，共120核，目前在用的服務器CPU內(nèi)核加起來共129個，120核的CPU虛擬出129個CPU，并且這只是虛擬機CPU的一小部分，目前5臺物理主機CPU的使用率分別為3%、9%、7%、23%、5%，平均使用率按23%計算的話，用CPU內(nèi)核數(shù)除以使用率，計算可得每臺物理主機至少還可以虛擬出104個CPU，極大提高了物理CPU的使用率。該計算值只是理論的簡單分析，根據(jù)實際所需要的內(nèi)存、本地存儲等資源來構建實際的虛擬機，具有一定的實際參考價值。

3.3 實現(xiàn)資源共享等方面

將服務器虛擬化，能夠充分實現(xiàn)硬件資源的共享，一方面極大增加了系統(tǒng)硬件資源的利用率，另一方面使得物理服務器數(shù)量減少，從而降低硬件的購置成本和運維成本。省內(nèi)業(yè)務系統(tǒng)的服務器都改變了單機+冷備的運行方式，利用虛擬服務器技術采用虛擬雙機運行方式，這種改變能解決單點故障和切換不及時的問題，同時也可以充分利用硬件設備資源；硬件服務器的減少也使得人員維護起來簡潔不少[9]。

4 結語

利用虛擬化軟件對服務器硬件資源有效的進行整合，建成虛擬化服務器平臺，取代“一臺服務器、一個應用程序”模式，使得資源得到充分應用，提高了硬件資源利用率，節(jié)約了機房投入的總成本和能耗。此外，虛擬機的可靠性、靈活性解決了多系統(tǒng)共存以及系統(tǒng)隔離的問題。隨著氣象現(xiàn)代化的發(fā)展，虛擬機的優(yōu)勢將更加突出，在氣象中的應用也將更加廣泛[10]。