1 虛擬化簡(jiǎn)介
虛擬化是硬件與操作系統(tǒng)之間的一個(gè)抽象層，它將物理硬件與操作系統(tǒng)分開，打破以往一個(gè)操作系統(tǒng)必須配置一套硬件的傳統(tǒng)部署方法，從而提供更高的IT資源利用率和靈活性。
虛擬化允許具有不同操作系統(tǒng)的多個(gè)虛擬服務(wù)器（通常稱為虛擬機(jī)）在同一臺(tái)物理服務(wù)器上同時(shí)獨(dú)立并行運(yùn)行，每個(gè)虛擬機(jī)都有自己的一套虛擬硬件（如RAM、CPU、網(wǎng)卡等）。無論物理服務(wù)器采用什么硬件組件，操作系統(tǒng)都將它們視為一組標(biāo)準(zhǔn)化的硬件。
虛擬機(jī)系統(tǒng)通常是被封裝在文件中的，因此可以快速對(duì)其進(jìn)行保存、復(fù)制和部署，可在幾秒鐘內(nèi)將整個(gè)系統(tǒng)（完全配置的應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)、BIOS和虛擬硬件）從一臺(tái)服務(wù)器移至另一臺(tái)服務(wù)器中運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)零停機(jī)維護(hù)和連續(xù)的工作負(fù)載整合。
虛擬化部署技術(shù)是服務(wù)器部署方式發(fā)展的趨勢(shì)，可以幫助人們升級(jí)和管理異地的IT基礎(chǔ)架構(gòu)并確保其安全。
2 基于虛擬化服務(wù)器的解決方案
基于虛擬化服務(wù)器的解決方案是將所有硬件設(shè)備構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的抽象的虛擬化平臺(tái)，并使得所有的硬件被統(tǒng)一到一個(gè)虛擬化層中進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度分配。這樣，系統(tǒng)將不再以服務(wù)器的數(shù)量為單位，而是按照需要的計(jì)算處理能力為單位進(jìn)行分配，而分配出來的硬件處理資源就形成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的虛擬服務(wù)器，也被稱為虛擬機(jī)，它擁有與真實(shí)服務(wù)器一樣的所有硬件設(shè)備，如主板芯片、CPU、內(nèi)存、SCSI和IDE磁盤設(shè)備、各種接口、顯示和其他輸入輸出設(shè)備等，管理員可以像使用物理服務(wù)器一樣使用虛擬服務(wù)器，在上面安裝操作系統(tǒng)，部署應(yīng)用等，并且所有的虛擬機(jī)之間是完全獨(dú)立的，即使某一個(gè)虛擬機(jī)崩潰了，也不會(huì)影響到其他虛擬機(jī)的運(yùn)行。并且每個(gè)虛擬服務(wù)器都可以被獨(dú)立封裝到一個(gè)文件中，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的靈活遷移，如圖1所示。
采用虛擬化技術(shù)后，所有的服務(wù)器就構(gòu)建成一個(gè)統(tǒng)一的硬件處理平臺(tái)，即構(gòu)成一個(gè)虛擬化處理資源池，可以在這個(gè)資源池上取合適的處理能力及資源構(gòu)建獨(dú)立的虛擬機(jī)。
3 市面主流虛擬化軟件
在市面上虛擬化解決方案供應(yīng)商中，最為著名的產(chǎn)品有VMware vSphere、Critrix Xen Server、紅帽的KVM以及微軟的Hyper-V等產(chǎn)品。
VMware vSphere是業(yè)界第一個(gè)x86“裸機(jī)”虛擬機(jī)管理程序，是最可靠和最強(qiáng)健的虛擬機(jī)管理程序。VMware ESX/ESXi于2001年首次發(fā)布，目前為第五代產(chǎn)品，已在全世界數(shù)以萬計(jì)的客戶部署中經(jīng)過了生產(chǎn)驗(yàn)證。其采用全虛擬化技術(shù)，在硬件與操作系統(tǒng)之間建立一個(gè)虛擬化抽象層，它將物理硬件與操作系統(tǒng)分開，打破以往一個(gè)操作系統(tǒng)必須配置一套硬件的傳統(tǒng)部署方法，從而提供更高的IT資源利用率和靈活性。VMware是市面上虛擬化技術(shù)的霸主，幾乎占了虛擬化市場(chǎng)80%以上的份額。
Xen采用準(zhǔn)虛擬化技術(shù)（Para-Virtualizion），其特點(diǎn)是修改操作系統(tǒng)的內(nèi)核，加入一個(gè)Xen Hypervisor層。它允許安裝在同一硬件設(shè)備上的多個(gè)系統(tǒng)可以同時(shí)啟動(dòng)，由Xen Hypervisor來進(jìn)行資源調(diào)配。在這種虛擬環(huán)境下，依然需要模擬硬件設(shè)備，安裝Guest操作系統(tǒng)，并且需要修改操作系統(tǒng)的內(nèi)核。Xen相對(duì)于傳統(tǒng)的Virtual Machine Monitor，性能稍有提高，但并不十分顯著。
Hyper-V采用微內(nèi)核的架構(gòu)，它是一個(gè)瘦Hypervisor。因?yàn)樗锩鏇]有驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)程序是跑在每一個(gè)分區(qū)里面的。Hyper-V底層的Hypervisor運(yùn)行在最高的特權(quán)級(jí)別下，微軟將其稱為ring -1，而虛擬機(jī)的OS內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)運(yùn)行在ring 0，應(yīng)用程序運(yùn)行在ring 3下，這種架構(gòu)就不需要采用復(fù)雜的BT（二進(jìn)制特權(quán)指令翻譯）技術(shù)，可以進(jìn)一步提高安全性。Hyper-V采用基于VMbus的高速內(nèi)存總線架構(gòu)，來自虛機(jī)的硬件請(qǐng)求（顯卡、鼠標(biāo)、磁盤、網(wǎng)絡(luò)），可以直接經(jīng)過VSC，通過VMbus總線發(fā)送到根分區(qū)的VSP，VSP調(diào)用對(duì)應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，直接訪問硬件，中間不需要Hypervisor的幫助。但是鑒于Hyper-V采用Windows Server 2008內(nèi)核，決定其穩(wěn)定性具有一定局限性，Windows Server 2008 Hyper-V需要每30天重啟一次。
KVM是紅帽5.4發(fā)行版中推出的最新虛擬化技術(shù)，嚴(yán)格上說它是完全虛擬化的產(chǎn)品，VMware和VPC、VirtualBox等也都是完全虛擬化的產(chǎn)品，而Xen則是半虛擬化的產(chǎn)品，半虛擬化從性能上說要比完全虛擬化快很多，但Xen有個(gè)缺點(diǎn)，它是重量級(jí)的虛擬機(jī)，修改了大量的內(nèi)核源代碼，它的guest機(jī)器必須理解xen化的硬件，也就是說Xen上面只能運(yùn)行紅帽5以后的系統(tǒng)。后來紅帽修改了發(fā)行版4中的一個(gè)版本，使其也能支持Xen。而且Xen的完全虛擬化需要借助硬件CPU的VT技術(shù)，這個(gè)在Inter CPU上叫VMX，在AMD CPU中叫SVM。Xen的完全虛擬化可以說是個(gè)失敗品，運(yùn)行效率甚至趕不上VMware，而且操作界面相當(dāng)不友好，但這不能否認(rèn)Xen在半虛擬化世界的霸主地位。KVM是kernel virtual module的簡(jiǎn)寫，其實(shí)KVM借鑒了Xen在半虛擬化上的很多成就，雖然KVM是完全虛擬化的產(chǎn)品，但在關(guān)鍵的硬盤和網(wǎng)卡上支持半虛擬化Virtio，在很大程度上提高了性能。KVM是輕量級(jí)虛擬化的代表，也需要硬件VT技術(shù)的支持。另外從操作界面上看，Xen和KVM都是用Virt-manager工具，差別不是很大，但不可以在同一臺(tái)機(jī)器上同時(shí)安裝且運(yùn)行Xen和KVM。另外，KVM只能運(yùn)行在紅帽企業(yè)版5.4，64位系統(tǒng)上，同時(shí)需要關(guān)閉SELinux。
4 基于虛擬化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)
虛擬化解決方案包含服務(wù)器系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)以及虛擬化軟件。在進(jìn)行部署時(shí)，通常只需要在物理服務(wù)器上部署虛擬化系統(tǒng)的服務(wù)器端即可，然后通過虛擬化軟件自帶的管理端對(duì)整個(gè)虛擬化集群系統(tǒng)進(jìn)行管理、操作、生成虛擬機(jī)等。而生成的虛擬機(jī)文件通常是存放在后臺(tái)的共享存儲(chǔ)中的，而在物理服務(wù)器上通常是不存放任何數(shù)據(jù)的。通過部署虛擬化系統(tǒng)將獲得很多好處。
4.1 快速服務(wù)器部署，提高信息化建設(shè)效率
部署虛擬化服務(wù)器平臺(tái)之后，如果教委機(jī)關(guān)某個(gè)科室或某個(gè)學(xué)校需要使用服務(wù)器，只需要向區(qū)教委申請(qǐng)，管理人員在10分鐘之內(nèi)就可以從虛擬化服務(wù)器平臺(tái)中按照需求劃分出滿足要求的虛擬服務(wù)器以供使用。
4.2 資源重復(fù)利用，避免浪費(fèi)
當(dāng)某個(gè)服務(wù)器不再使用時(shí)，管理員可以隨時(shí)將虛擬機(jī)撤銷，計(jì)算資源立即被釋放，然后這部分被釋放的計(jì)算資源可再次劃分為另一臺(tái)虛擬服務(wù)器，供另一個(gè)機(jī)構(gòu)使用。
4.3 提高服務(wù)器利用率，合理分配服務(wù)器資源
根據(jù)過去的統(tǒng)計(jì)，每臺(tái)服務(wù)器的資源利用的情況，95%以上的服務(wù)器在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，其CPU的利用率不超過10%。這是由于在選型的時(shí)候，服務(wù)器必須滿足應(yīng)用的峰值處理需要，因此造成大量處理資源被閑置起來形成極大的浪費(fèi)。但是采用虛擬化技術(shù)之后，就可以突破這個(gè)障礙，將多臺(tái)服務(wù)器部署整合到一臺(tái)服務(wù)器上去。
例如，有5臺(tái)四路服務(wù)器在運(yùn)行時(shí)，其大部分時(shí)間處理資源占用率都在10%以下，那么就可以把這5臺(tái)服務(wù)器整合到一臺(tái)服務(wù)器上去，在大部分時(shí)間內(nèi)，這臺(tái)整合后的服務(wù)器處理資源使用率就可以提高到50%。而這5個(gè)應(yīng)用的負(fù)載高峰不一定都在同一時(shí)間，會(huì)有一定的時(shí)間差，當(dāng)某個(gè)應(yīng)用處在負(fù)載高峰時(shí)，可能剩下的幾臺(tái)服務(wù)器還保持在10%處理利用率以下，這樣多臺(tái)服務(wù)器就可以輪流使用服務(wù)器的處理余量，避免造成資源浪費(fèi)（圖2）。
4.4 獲得前所未有的可靠性
部署虛擬化服務(wù)器平臺(tái)之后，所有的服務(wù)器就構(gòu)建成一個(gè)統(tǒng)一的硬件處理平臺(tái)，任何一臺(tái)服務(wù)器的故障不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成任何影響，運(yùn)行在其上的虛擬機(jī)以及運(yùn)行在虛擬機(jī)上的業(yè)務(wù)不會(huì)因?yàn)橐慌_(tái)物理服務(wù)器或虛擬機(jī)的故障而停機(jī)，從而獲得全面的高可靠性保護(hù)。
如圖3所示，通過部署虛擬化服務(wù)平臺(tái)，相當(dāng)于為所有的服務(wù)器都構(gòu)建了高可用的系統(tǒng)，任何一臺(tái)服務(wù)器的故障不會(huì)對(duì)運(yùn)行在其上的虛擬機(jī)造成影響。
4.5 易于管理監(jiān)控
采用虛擬化之后，整個(gè)虛擬化系統(tǒng)使用一個(gè)統(tǒng)一的管理界面對(duì)所有虛擬機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一直觀的管理。一旦部署完成并且運(yùn)行起來，只需要登錄到整個(gè)虛擬化的管理平臺(tái)上，就可以管理所有物理以及虛擬機(jī)服務(wù)器。
4.6 大大降低服務(wù)器數(shù)量
由采用虛擬化服務(wù)器平臺(tái)部署，重慶市江津區(qū)教育城域網(wǎng)原計(jì)劃采購15臺(tái)服務(wù)器，現(xiàn)整合為6臺(tái)高性能服務(wù)器用于虛擬化部署。通過減少服務(wù)器數(shù)量，可帶來許多好處：1）減少服務(wù)器占用機(jī)房空間；2）降低發(fā)熱量，從而降低在制冷設(shè)備方面的投入及散熱成本；3）耗電量的減少及維護(hù)工作量的減少，大大降低運(yùn)營成本；4）線纜數(shù)量大大減少，不但減少故障點(diǎn)，也減少網(wǎng)管工作量，使得有限的人力資源可以用在更重要的地方。
4.7 集中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，集中數(shù)據(jù)備份
虛擬化技術(shù)與集中存儲(chǔ)是分不開的，部署虛擬化的一個(gè)最重要的前提就是需要采用高性能的集中存儲(chǔ)系統(tǒng)。采用集中存儲(chǔ)之后，才能實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的高可用、在線遷移、資源分配等功能，如圖4所示。
通過采用集中存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)皆存儲(chǔ)在一個(gè)磁盤陣列柜中，一方面便于數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理及使用；另一方面，由于每個(gè)虛擬機(jī)實(shí)際上就是一個(gè)文件，只需要將所有的虛擬機(jī)文件拷貝出來即進(jìn)行了備份。如果發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，只需要將備份出來的虛擬機(jī)文件直接拷貝回去即可直接使用。而這種所有數(shù)據(jù)的完整備份方式如果采用傳統(tǒng)的服務(wù)器部署方法是無法辦到的。
4.8 極易部署和遷移
采用虛擬化技術(shù)部署的虛擬機(jī)系統(tǒng)實(shí)際上就是一個(gè)虛擬機(jī)文件，里面包含了操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序等所有內(nèi)容。只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的拷貝，就可以解決所有問題。在進(jìn)行遷移的時(shí)候，只需要將這個(gè)虛擬機(jī)文件通過拷貝的方式復(fù)制到另外一臺(tái)服務(wù)器上面，立刻就可以將這臺(tái)虛擬機(jī)運(yùn)行起來，而不用像通常的部署方式那樣需要先在服務(wù)器上安裝操作系統(tǒng)，搭建運(yùn)行環(huán)境，再安裝應(yīng)用軟件，再進(jìn)行應(yīng)用軟件的配置，等等。如果對(duì)虛擬機(jī)文件進(jìn)行復(fù)制操作，立刻就可以將一個(gè)虛擬機(jī)變成兩份完全一樣的虛擬機(jī)，極易部署和遷移。
4.9 擁有極強(qiáng)的擴(kuò)展性
提高虛擬化服務(wù)器平臺(tái)的處理能力，只需要增加更多的物理服務(wù)器即可。在擴(kuò)展的時(shí)候，可以在任何時(shí)候按照需要增加物理服務(wù)器的數(shù)量。例如，重慶市江津區(qū)教育城域網(wǎng)已經(jīng)部署由3臺(tái)服務(wù)器構(gòu)建的虛擬化服務(wù)器平臺(tái)，并遷移一部分應(yīng)用到這個(gè)虛擬化服務(wù)器平臺(tái)中，如圖5所示。
隨著時(shí)間的推移，應(yīng)用逐漸增加，這時(shí)需要將更多的應(yīng)用遷移進(jìn)虛擬化集群中去。但是目前的3臺(tái)服務(wù)器所帶來的性能無法支撐這么多虛擬機(jī)同時(shí)運(yùn)行，那么要做的就是增加物理服務(wù)器的數(shù)量來增強(qiáng)整個(gè)虛擬化平臺(tái)的處理能力。如圖6所示，只需要增加一臺(tái)真實(shí)服務(wù)器，安裝好虛擬化軟件，然后加入這個(gè)虛擬化服務(wù)器平臺(tái)中，之后再增加虛擬機(jī)的數(shù)量，并將一部分應(yīng)用遷移到其上運(yùn)行即可。整個(gè)過程不會(huì)對(duì)正在運(yùn)行的虛擬機(jī)產(chǎn)生任何影響。
5 結(jié)束語
江津區(qū)教育城域網(wǎng)已投入使用兩年，運(yùn)行良好，主要應(yīng)用有中小學(xué)1～12年級(jí)共計(jì)15個(gè)學(xué)科的所有教學(xué)資源、金華科仿真驗(yàn)室教學(xué)系統(tǒng)、教育網(wǎng)站系統(tǒng)、教委辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、督導(dǎo)室網(wǎng)站系統(tǒng)、技裝中心網(wǎng)站系統(tǒng)、部分中小學(xué)校園網(wǎng)站系統(tǒng)、重慶市中小學(xué)學(xué)籍管理系統(tǒng)、重慶市教育財(cái)務(wù)報(bào)表管理信息系統(tǒng)工作平臺(tái)、重慶市中小學(xué)教學(xué)設(shè)備管理系統(tǒng)等。并和重慶市江津區(qū)云計(jì)算辦公室簽訂協(xié)議，將國產(chǎn)龍芯刀片機(jī)服務(wù)器與區(qū)教委的虛擬化服務(wù)器平臺(tái)結(jié)合進(jìn)行部署，共同打造江津教育云計(jì)算虛擬化服務(wù)器平臺(tái)。總之，江津區(qū)教育城域網(wǎng)采用基于虛擬化服務(wù)器平臺(tái)部署，為教育信息化建設(shè)打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)，起到一定的示范作用。
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本文標(biāo)題：基于虛擬化服務(wù)器的部署方案
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