基于虛擬化技術的雙活數(shù)據(jù)中心方案設計

侯紅祥

(中國電信股份有限公司泰州分公司,江蘇 泰州 225300)

0 引言

經(jīng)過多年的信息化建設，政府、銀行、醫(yī)院、學校等單位的信息中心已初具規(guī)模，關鍵信息系統(tǒng)中積累了較多的數(shù)據(jù)，但原有系統(tǒng)建設時均采用傳統(tǒng)的“煙囪式IT”建設模式，一個應用模塊部署到一臺服務器，由于業(yè)務系統(tǒng)數(shù)量眾多，采用傳統(tǒng)建設模式，一個單位的整套運營系統(tǒng)至少需要幾十臺以上服務器，同時為了應對少量的峰值負載，往往會過度配置計算資源，導致資源利用率低下。為了解決以上問題需要構建一個合理的數(shù)據(jù)中心[1]，實現(xiàn)從傳統(tǒng)的“煙囪式IT”建設模式邁向數(shù)據(jù)中心建設模式，從而消除物理邊界，提升資源利用率，統(tǒng)一資源的分配。

在數(shù)據(jù)中心時代，為了避免不必要的數(shù)據(jù)丟失，往往需要建兩套數(shù)據(jù)中心。一套作為主中心，運營生產(chǎn)系統(tǒng)，一套作為備中心，作為容災系統(tǒng)。當主中心的生產(chǎn)系統(tǒng)遇到發(fā)生崩潰或者受到攻擊等情況時，能在規(guī)定的時間內(nèi)切換到備中心的容災系統(tǒng)，從而保證生產(chǎn)的連續(xù)性。由于備中心的配置與主中心相當，硬件投資也相當，但主中心近乎滿負荷運轉(zhuǎn)時，備中心很空閑，造成了資源的浪費，設備的綜合利用率不高。

本文采用虛擬化云技術對服務器資源統(tǒng)一管理，設計出一套能自動負載均衡的雙活數(shù)據(jù)中心。用戶層面只看到系統(tǒng)快速高效地運轉(zhuǎn)，而不用關心應用在主中心還是在備中心運行，系統(tǒng)根據(jù)主、備中心的運行情況，動態(tài)均衡地分配負載，當一個中心發(fā)生崩潰或者受到攻擊時，另一個中心能承接所有的負載，用戶層面應用不受影響，從而保障應用系統(tǒng)安全、可靠、有效地運行，減少了資金的投入，提高了設備的綜合利用率和性能，簡化了設備運維管理的復雜度。

文本介紹了基于虛擬化技術的雙活數(shù)據(jù)中心方案設計，首先敘述了數(shù)據(jù)中心的總體架構，然后從網(wǎng)絡層面、應用層面、數(shù)據(jù)庫層面、存儲層面描述了如何實現(xiàn)雙活設計，最后總結(jié)了實現(xiàn)雙活設計的難點，并展望了雙活數(shù)據(jù)中心發(fā)展的方向。

1 數(shù)據(jù)中心總體架構

針對雙活數(shù)據(jù)中心平臺[2]建設要求，平臺總體架構如圖1所示，兩個中心通過Internet網(wǎng)絡，在核心層和接入層都進行負載均衡，實現(xiàn)網(wǎng)絡雙活。中央存儲和服務器集群分別采用虛擬化技術，實現(xiàn)應用服務雙活、數(shù)據(jù)庫雙活和存儲雙活。

圖1 雙活數(shù)據(jù)中心總體架構圖

2 網(wǎng)絡雙活設計

本方案設計的重點是主中心和備中心的外聯(lián)網(wǎng)絡鏈路的雙活，數(shù)據(jù)中心核心網(wǎng)絡虛擬化，分別在主中心和備中心各配置兩臺核心交換機并通過橫向虛擬化技術將核心設備虛擬化為邏輯上的一臺交換機，簡化了網(wǎng)絡管理同時提高了可靠性，同時將雙中心的核心網(wǎng)絡整合成按需調(diào)度的大型虛擬資源池。在雙活數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中心環(huán)境下，數(shù)據(jù)中心通過前端網(wǎng)絡雙活技術，用戶能快速訪問“距離最近”的可用數(shù)據(jù)中心相對應的業(yè)務，提高服務響應速度，提升用戶訪問體驗。本方案中數(shù)據(jù)中心的業(yè)務對外發(fā)布時，采用純IP地址方式實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡雙活。

在純IP地址方式的網(wǎng)絡雙活設計中，正常情況下只有主中心對外發(fā)布業(yè)務路由，從而將用戶訪問流量牽引到主中心，實現(xiàn)主中心業(yè)務訪問，而備中心的流量管理設備只探測業(yè)務地址，因沒有探測到而不對外發(fā)布業(yè)務路由，實現(xiàn)主中心的備份作用。具體過程如圖2所示。

圖2 主中心業(yè)務訪問圖

當主中心業(yè)務遷移到備中心后，備中心的流量管理設備探測到業(yè)務IP已經(jīng)轉(zhuǎn)移到備中心，從而對外發(fā)布業(yè)務路由，引導用戶訪問備中心的業(yè)務IP，從而實現(xiàn)基于純IP發(fā)布業(yè)務的數(shù)據(jù)中心前端網(wǎng)絡雙活，具體過程如圖3所示。

圖3 備中心業(yè)務訪問圖

純IP地址方式的網(wǎng)絡雙活設計實際上還是主-備模式，不是主-主模式。采用全局負載均衡設備的動態(tài)DNS功能來實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡雙活的主-主模式，通過動態(tài)DNS可以實現(xiàn)訪問流量的智能分發(fā)，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡設計的主-主模式。

由于主備中心采用主-主模式，數(shù)據(jù)中心的出入口相當于做了冗余，一旦某個入口有故障，可從另一個入口走，只要主動做好運維管理，后期的設備維保能及時跟進，出入口部分設備的故障發(fā)現(xiàn)和故障處理能在短時間內(nèi)排除。出入口鏈路不處于系統(tǒng)核心區(qū)域，出入口單側(cè)端的故障不會影響整個網(wǎng)絡的性能。在后期的建設中，可考慮出入口鏈路設備單側(cè)的冗余問題。

3 應用雙活設計

在網(wǎng)絡雙活的基礎上要實現(xiàn)應用的雙活，必須要實施應用服務器的虛擬化及負載均衡，方案中應用程序服務在VMware虛擬機上啟用[3]，應用程序服務級別內(nèi)置控制由vSphere來完成，保證提供安全、可用的平臺。

通過使用VMware VMotion實現(xiàn)服務器帶電維護及虛擬機實時遷移，操作過程中不需要關閉應用程序，保證應用服務不中斷。VMware Hot-Add技術向虛擬機添加CPU和內(nèi)存時不會導致服務中斷。

使用VMware DRS對服務器資源進行負載平衡，將資源虛擬成一個統(tǒng)一的資源池，應用程序根據(jù)業(yè)務優(yōu)先級排成不同的隊列，資源池對優(yōu)先級不同的應用程序隊列分別提供資源，應用程序隊列根據(jù)資源池的運行情況動態(tài)調(diào)整，如圖4所示。

圖4 基于優(yōu)先級的負載平衡圖

通過使用VMware Storage VMotion實現(xiàn)實時遷移虛擬機磁盤。

通過使用VMware vShield Zones和VMware VMsafe在應用服務級別實現(xiàn)企業(yè)安全策略，在共享環(huán)境中保持了對敏感數(shù)據(jù)的保護，對虛擬化層進行協(xié)調(diào)，簡化了安全管理，提高了安全性。

4 數(shù)據(jù)庫雙活設計

應用平臺往往由不同業(yè)務功能的子業(yè)務系統(tǒng)組成，各子業(yè)務系統(tǒng)都由不同廠商不同版本的數(shù)據(jù)庫來承載業(yè)務數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫雙活設計需要將承載各子業(yè)務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫服務器作為一個整體數(shù)據(jù)庫來考慮。本方案通過虛擬化技術將數(shù)據(jù)服務器做成一個專門的數(shù)據(jù)庫服務池，利用存儲虛擬化網(wǎng)關和ORACLE Extend RAC技術在數(shù)據(jù)底層進行同步，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的雙活。

在雙活數(shù)據(jù)中心模式中，參見圖5，Oracle RAC數(shù)據(jù)庫可實現(xiàn)跨站點部署，兩個Oracle RAC節(jié)點分別部署到兩個數(shù)據(jù)中心上，比如Oracle RAC 1部署在主中心，Oracle RAC 2部署在備中心，如果主中心發(fā)生故障，不會影響運行在備中心的Oracle RAC 2應用，再結(jié)合VMware HA技術，可保證備中心自動重啟原來運行在主中心的Oracle RAC 1應用。

圖5 雙活數(shù)據(jù)中心模式

運行在虛擬化平臺之上的Oracle RAC結(jié)合VMware vMotion技術,可實現(xiàn)在線維護、擴容和遷移，避免應用服務中斷，通過VMware Hot-Add技術在線增加RAC節(jié)點的CPU和內(nèi)存[4]。通過高速雙鏈路與存儲池相連，實現(xiàn)熱備份和負載均衡[5]。

5 存儲雙活設計

一個完整的雙活數(shù)據(jù)中心要求業(yè)務、數(shù)據(jù)庫、主機、網(wǎng)絡、存儲所有層面實現(xiàn)雙活，其最核心部分是存儲雙活。存儲雙活通過存儲虛擬化技術實現(xiàn)，存儲虛擬化技術通過輸入輸出重定向和存儲地址重編排來實現(xiàn)。存儲虛擬化可作為應用服務與存儲設備之間的邏輯層，其主要任務是捕獲應用程序輸入輸出指令并重定向，對所有存儲空間統(tǒng)一編址，并在這一基本機制衍生其他高級功能。

存儲雙活技術中的硬件解決方案在高可用、高性能、高擴展性方面比軟件方案都更具優(yōu)勢，當前業(yè)界具備相當多的成熟案例。本文采用的硬件解決方案參見圖6，通過分布式聯(lián)合技術擴展同步了主備中心的訪問能力，通過共享訪問數(shù)據(jù)拷貝實現(xiàn)主備業(yè)務系統(tǒng)同時訪問同一卷的愿望。通過主機集群技術實現(xiàn)兩套業(yè)務系統(tǒng)同時訪問同一套共享卷，并協(xié)調(diào)輸入輸出之間的鎖機制，控制來自業(yè)務系統(tǒng)的輸入輸出訪問的負載平衡和一致性。用VPLEX來保證兩個存儲緩存的數(shù)據(jù)一致性。兩套業(yè)務系統(tǒng)共用的虛擬卷是由鏡像卷創(chuàng)建的，在主備中心的數(shù)據(jù)是鏡像關系，當一個中心在寫的時候，另一個中心只可接受讀請求，保證讀出來的數(shù)據(jù)是實時更新的數(shù)據(jù)。

圖6 硬件存儲虛擬化

將VMware技術與Cisco網(wǎng)絡擴展技術相結(jié)合，打破了兩個中心之間的壁壘，為業(yè)務系統(tǒng)提供同一數(shù)據(jù)副本的共享訪問，業(yè)務數(shù)據(jù)在兩中心可透明地在線移動，動態(tài)平衡業(yè)務數(shù)據(jù)負載。存儲雙活技術中的硬件解決方案的獨特特征[6]主要包括以下四點：

(1)硬件集群橫向擴展，保證存儲在線擴展，不影響服務應用；

(2)數(shù)據(jù)緩存規(guī)模大，利用大規(guī)模緩存減少輸入輸出；

(3)分布式緩存相互吻合，可動態(tài)平衡集群間輸入輸出；

(4)存儲陣列統(tǒng)一視圖化，顯示跨中心的存儲，實現(xiàn)跨集群的工作負載平衡。

憑借獨特的橫向和縱向擴展結(jié)構，通過分布式數(shù)據(jù)緩存動態(tài)平衡存儲域和工作負載，實現(xiàn)了應用服務級的本地和遠程數(shù)據(jù)訪問。熱插熱拔功能支持在線添加、刪除網(wǎng)絡設備和虛擬存儲，虛擬磁盤熱擴展技術支持在線添加虛擬存儲。

6 結(jié)束語

真正的雙活數(shù)據(jù)中心，要從上到下各個層面都要實現(xiàn)雙活，包括網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫、應用服務、存儲等各層面。企業(yè)中的IT基礎架構設施經(jīng)過多年的積累，從硬件設備、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫、應用軟件到存儲都來自不同廠家的不同版本，不同層面的整合又都有各種各樣的技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心雙活的難點就是技術選型要實現(xiàn)承上啟下。本文介紹了一套完整的數(shù)據(jù)雙活中心在各個層面的雙活設計，最終實現(xiàn)了主備兩個中心并行運行，一個中心斷了，另一個中心正常運行，用戶應用不受影響，避免了傳統(tǒng)備中心長期處于閑置狀態(tài)的情況，提高了資源利用率，并提供了雙倍的服務能力。

雙活數(shù)據(jù)中心隨著技術的進步肯定會實現(xiàn)得更加完美，將來隨著云計算技術的成熟，有可能實現(xiàn)多活數(shù)據(jù)中心或者云數(shù)據(jù)中心，為各單位提供更高的資源利用率、更加完美的容災方案以及更加動態(tài)靈活的硬件擴展。