云計(jì)算虛擬化高可用技術(shù)綜述

馬軍 滑維鑫

隨著多核處理器，虛擬化技術(shù)，分布式存儲(chǔ)技術(shù)，寬帶互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和自動(dòng)化管理技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了一種云計(jì)算的新型計(jì)算模式。它將計(jì)算任務(wù)分布在由大量計(jì)算機(jī)組成的資源池中，使應(yīng)用系統(tǒng)能夠根據(jù)需求獲得計(jì)算能力，存儲(chǔ)空間和軟件服務(wù)。它可以集中所有的計(jì)算資源并通過(guò)軟件自動(dòng)進(jìn)行管理而無(wú)需干預(yù)，作為公共設(shè)施為公眾提供計(jì)算，服務(wù)和應(yīng)用程序資源。本文介紹了云計(jì)算的三種主要服務(wù)形式：SAAS、PAAS、IAAS，并重點(diǎn)綜述了虛擬機(jī)遷移、容錯(cuò)等虛擬化高可用關(guān)鍵技術(shù)。

一、引言

云計(jì)算是一種新型的計(jì)算模式，它將計(jì)算任務(wù)分布在由大量計(jì)算機(jī)組成的資源池中，因此應(yīng)用系統(tǒng)可以根據(jù)自己的需求獲得計(jì)算能力，存儲(chǔ)空間和軟件服務(wù)。這種資源池被稱為“云”。云是一些虛擬計(jì)算資源，可以自行維護(hù)和管理，通常是一些大型的服務(wù)器集群，包括計(jì)算服務(wù)器，存儲(chǔ)服務(wù)器，寬帶資源等。NIST（美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）將其定義為“可以隨時(shí)隨地訪問(wèn)共享的可配置計(jì)算資源池（例如網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器，存儲(chǔ)，應(yīng)用程序和服務(wù)）的模型，以最少的管理工作或服務(wù)提供商交互快速配置和發(fā)布。

二、云計(jì)算體系架構(gòu)概述

云的主要優(yōu)勢(shì)包括可擴(kuò)展性，彈性，靈活性，效率以及外包非核心活動(dòng)，云計(jì)算為組織提供了卓越的創(chuàng)新業(yè)務(wù)模式，大量的IT創(chuàng)新融入到云計(jì)算的概念中，促進(jìn)和發(fā)展了云計(jì)算和云計(jì)算產(chǎn)業(yè)的概念，形成了包括如圖1所示IAAS，SAAS，PAAS架構(gòu)下完整產(chǎn)業(yè)鏈，許多互聯(lián)網(wǎng)公司和基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)商參與其中。

（一）軟件即服務(wù)（SaaS）SaaS提供商將應(yīng)用軟件統(tǒng)一部署在其服務(wù)器上，用戶可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)從制造商那里訂購(gòu)應(yīng)用軟件服務(wù)。提供商通過(guò)瀏覽器提供軟件模式，并根據(jù)軟件數(shù)量收費(fèi)使用時(shí)間。這種服務(wù)模式的優(yōu)點(diǎn)是提供商維護(hù)和管理軟件，提供硬件設(shè)施，用戶可以在擁有可登錄互聯(lián)網(wǎng)的終端時(shí)到處使用軟件。在這種模式下，用戶可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)使用相應(yīng)的硬件，軟件和維護(hù)服務(wù)，支付一些租金而不喜歡傳統(tǒng)模式，這使得用戶花費(fèi)很多資金。

（二）平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）PaaS將開發(fā)環(huán)境作為一種服務(wù)來(lái)提供。它是一種分布式平臺(tái)服務(wù)器，制造商向用戶提供服務(wù)，比如開發(fā)環(huán)境，服務(wù)器平臺(tái)和硬件資源以及用戶定制和開發(fā)自己的應(yīng)用程序，并通過(guò)服PaaS可以為企業(yè)和個(gè)人提供中間件平臺(tái)，應(yīng)用開發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)用服務(wù)器和實(shí)驗(yàn)。 Google App Engine是代表性產(chǎn)品，以及fore.com和800 APP。

（三）基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）IaaS將由許多服務(wù)器構(gòu)成的基礎(chǔ)設(shè)施作為測(cè)量服務(wù)提供給客戶。它將內(nèi)存和I / O設(shè)備，存儲(chǔ)和計(jì)算能力集成到虛擬資源池中，為整個(gè)行業(yè)提供存儲(chǔ)資源和虛擬化服務(wù)。這是托管硬件的一種方式，客戶在使用硬件時(shí)付費(fèi)。例如，亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和IBM藍(lán)云都將基礎(chǔ)架構(gòu)作為服務(wù)來(lái)租用。

三、云計(jì)算虛擬化技術(shù)

虛擬化是部署云計(jì)算資源的一種方法。它分離了硬件，軟件，數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)，存儲(chǔ)等應(yīng)用系統(tǒng)的不同層次，打破了數(shù)據(jù)中心，服務(wù)器，存儲(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)和物理設(shè)備之間的分工，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了集中管理和動(dòng)態(tài)使用物理資源和虛擬資源的目標(biāo)，提高系統(tǒng)的靈活性，降低成本，改進(jìn)服務(wù)和降低管理風(fēng)險(xiǎn)。在云計(jì)算環(huán)境中，所有虛擬化解決方案都是系統(tǒng)集成解決方案，包括服務(wù)器，存儲(chǔ)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，軟件和服務(wù)。它們包括多層虛擬化技術(shù)，如硬件虛擬化，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施虛擬化，應(yīng)用虛擬化和桌面虛擬化，并靈活組合多個(gè)層次，以根據(jù)應(yīng)用環(huán)境實(shí)現(xiàn)不同模型的虛擬化解決方案。在整個(gè)云計(jì)算虛擬化戰(zhàn)略中，我們可以利用虛擬化技術(shù)提供的各種機(jī)制，快速模擬不同的環(huán)境和實(shí)驗(yàn)，而不需要重要的硬件和物理資源，達(dá)到構(gòu)建操作系統(tǒng)和應(yīng)用的目的，提高安全性和可用性。實(shí)現(xiàn)管理環(huán)境，以后以更加簡(jiǎn)化和有效的方式將其投入生產(chǎn)環(huán)境。從而提供更大的靈活性并快速識(shí)別潛在的沖突與此同時(shí)，我們可以利用服務(wù)器虛擬化技術(shù)將大量分散和利用不足的物理服務(wù)器集成到較少獨(dú)立和聚合的物理服務(wù)器上，甚至可以用大型網(wǎng)絡(luò)虛擬機(jī)來(lái)替代數(shù)以千計(jì)的服務(wù)器并使其運(yùn)行在高長(zhǎng)期利用，從而嚴(yán)格管理IT成本，最大限度地提高能源利用效率，提高資源利用率。

四、高可用性關(guān)鍵技術(shù)

（一）虛擬化遷移

虛擬機(jī)遷移是虛擬化高可用性非常重要的一個(gè)保障能力，過(guò)虛機(jī)遷移技術(shù)，能夠?qū)⒄谶\(yùn)行虛機(jī)在線的從一個(gè)宿主機(jī)遷移到另外一個(gè)宿主機(jī)上，遷移過(guò)程中不會(huì)影響前端業(yè)務(wù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行且遷移過(guò)程是完全透明。為實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)在不同宿主機(jī)之間的遷移，需要下面的基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)：

將虛機(jī)完整狀態(tài)由一組保存在共享存儲(chǔ)上的文件進(jìn)行封裝，能夠允許多臺(tái)宿主機(jī)訪問(wèn)相同的虛機(jī)文件。

虛機(jī)的活動(dòng)內(nèi)存及正在執(zhí)行的狀態(tài)能夠通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行快速傳輸，允許虛擬機(jī)可立即從在源宿主機(jī)上切換到在目標(biāo)宿主機(jī)上運(yùn)行。采用位圖的方式對(duì)正在運(yùn)行的事物進(jìn)行跟蹤以便讓應(yīng)用覺察不到內(nèi)存狀態(tài)正在傳輸，一旦內(nèi)存和系統(tǒng)狀態(tài)拷貝到目標(biāo)宿主機(jī)后，在目標(biāo)宿主機(jī)上恢復(fù)虛擬機(jī)。根據(jù)實(shí)際的統(tǒng)計(jì)，對(duì)于絕大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，整個(gè)切換過(guò)程在以太網(wǎng)上花費(fèi)的時(shí)間不到兩秒鐘。

虛機(jī)使用的網(wǎng)絡(luò)也需要被底層的Hypervisor虛擬化，才能保障遷移后虛機(jī)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)和網(wǎng)絡(luò)連接能夠被保留。因此通虛機(jī)遷移可以保障虛機(jī)的準(zhǔn)確狀態(tài)，達(dá)到了零停機(jī)遷移的目的。

在虛機(jī)遷移過(guò)程中，前端業(yè)務(wù)仍然持續(xù)運(yùn)行。虛機(jī)的所有狀態(tài)都會(huì)被轉(zhuǎn)移到新的宿主機(jī)上；對(duì)于虛機(jī)的數(shù)據(jù)（包含狀態(tài)信息等）而言，由于整個(gè)集群內(nèi)的宿主機(jī)能夠完全識(shí)別到相同的存儲(chǔ)，因此在虛機(jī)遷移過(guò)程中數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化。

（二）虛擬化容錯(cuò)

虛擬化容錯(cuò)技術(shù)通過(guò)監(jiān)控宿主機(jī)及運(yùn)行在之上的虛擬機(jī)，為計(jì)算資源池的本地高可用奠定了基礎(chǔ)。和傳統(tǒng)的HA方案相比較，不需要在應(yīng)用程序或虛機(jī)操作系統(tǒng)上安裝專門的集群軟件，在啟用虛擬化的HA后，不需要在虛機(jī)上執(zhí)行任何其他的操作就可對(duì)虛機(jī)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。當(dāng)宿主機(jī)出現(xiàn)故障，HA在具有備用容量的其他宿主機(jī)中重新啟動(dòng)受影響的虛擬機(jī)。

虛擬化容錯(cuò)最大的變化是不再采用傳統(tǒng)集群解決方案的活動(dòng)主機(jī)（Active Node）和備用主機(jī)（Pascive Node）的概念。在虛擬化容錯(cuò)方案中節(jié)點(diǎn)間引入了一種主/從關(guān)系，集群中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)被選作主節(jié)點(diǎn)后，剩余節(jié)點(diǎn)都是從屬節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和監(jiān)控其他節(jié)點(diǎn)的所有相關(guān)的可用性操作，并將這種狀態(tài)告知集中管理的vCenter。通過(guò)虛擬化容錯(cuò)方案，在設(shè)計(jì)高可用體系結(jié)構(gòu)的時(shí)候不再需要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)劃，也不用擔(dān)心哪些主機(jī)作為主節(jié)點(diǎn)以及這些主機(jī)位于何處。同時(shí)為保障自身的穩(wěn)定性，在各個(gè)宿主機(jī)之間虛擬化高可用同時(shí)采用網(wǎng)絡(luò)心跳和存儲(chǔ)心跳的冗余途徑進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠更好地了解宿主機(jī)及其上運(yùn)行的虛擬機(jī)的運(yùn)行狀況。

虛機(jī)化容錯(cuò)方案中通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)與主虛機(jī)完全相同，并且在發(fā)生故障時(shí)刻實(shí)時(shí)替換主虛機(jī)的備用虛機(jī)來(lái)保證虛機(jī)是持續(xù)可用的。通過(guò)虛擬鎖技術(shù)主虛擬機(jī)上的所有輸入和事件發(fā)送到在其他宿主機(jī)上運(yùn)行的備用虛機(jī)。在備用虛機(jī)上執(zhí)行和主虛機(jī)完全相同的指令，因此在任意時(shí)刻主備虛機(jī)的狀態(tài)是完全一致，且正常情況下備用虛機(jī)不對(duì)外提供服務(wù)，過(guò)程如圖3所示。

五、結(jié)語(yǔ)

虛擬化允許多個(gè)操作實(shí)例在單臺(tái)計(jì)算機(jī)上同時(shí)運(yùn)行。它是物理資源的抽象，可以讓它們?cè)诙鄠€(gè)物理用戶之間共享。為了使資源能夠按照物理用戶的數(shù)量進(jìn)行共享，它將為物理資源分配一個(gè)邏輯名稱，并根據(jù)需要啟用指向該物理資源的指針。本文重點(diǎn)對(duì)虛擬化高可用性技術(shù)進(jìn)行了綜述，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)總結(jié)如下：

在受保護(hù)的虛擬機(jī)響應(yīng)失敗時(shí)自動(dòng)觸發(fā)無(wú)縫的有狀態(tài)故障切換，從而實(shí)現(xiàn)零停機(jī)、零數(shù)據(jù)丟失的持續(xù)可用性。

在故障切換后自動(dòng)觸發(fā)新輔助虛擬機(jī)的創(chuàng)建工作，以確保應(yīng)用受到持續(xù)保護(hù)。

不停業(yè)的、前端用戶無(wú)感知進(jìn)行在線實(shí)時(shí)遷移，持續(xù)不斷的優(yōu)化計(jì)算資源池的負(fù)載，不需要計(jì)劃專門的停機(jī)時(shí)間，不中斷業(yè)務(wù)的情況下進(jìn)行維護(hù)。

主動(dòng)將虛機(jī)從故障或降級(jí)的服務(wù)器遷移，保障虛機(jī)的運(yùn)行效率，能夠進(jìn)行并發(fā)遷移，虛機(jī)可以支持任何的硬件和存儲(chǔ)，快速確定合適的虛機(jī)部署位置。