某單位負責多個應用與管理系統的運維。隨著三集五大體系的建設和電力信息化步伐的加快，一方面，越來越多的業務和應用系統將在電科院上線運行，另一方面，許多涉及海量數據運算的系統對服務器性能提出了更高的要求，致使該單位對服務器數量需求將會持續增長，服務器資源越將日益緊張。
據統計，該單位現有用電信息采集、雷電定位、OA辦公、檔案管理等各種系統34套，使用近60臺PC服務器和2臺存儲設備，分布在10個機柜中。通過統計分析發現，系統絕大多數采用單一的物理部署模式，即每套系統占用1臺服務器資源。這種部署模式存在以下問題：
1)服務器資源利用率不均衡。目前有近80％的業務系統存在負載低、資源浪費的情況，這些系統的CPU資源平均利用率低于15％，內存利用率低于40％，磁盤利用率低于50％。同時，根據運維過程中的統計數據分析，少數的高負載的核心應用，例如電能量系統、數據庫系統等存在計算資源長期高位負載，計算資源捉襟見肘，影響應用及服務的性能及可靠性。
2)服務器計算資源存在顯著的數據安全隱患。由于前期建設投入有限，未對信息系統進行高可用性設計，因此即使進行了全面的數據備份及數據管理，也依然存在系統宕機后造成的系統服務不可用，無法保證業務連續性的風險。目前僅能提供數據完整性的系統恢復，其恢復時間取決于數據備份的容量及恢復數據規模大小，因此造成小時級別以上的服務中斷。為了滿足高級別的高可用性RTO(應用故障切換時間)效率，構建消滅單點故障的服務器資源整合平臺顯得尤為重要。
3)人力和運作成本較高。為了保障現有60臺服務器穩定可靠運行，至少需要在網絡、信息系統和機房3個方面各配備6名運維人員。導致電科院負責信息運維的人力資源明顯緊張。現有服務器資源的利用率不高，造成數據中心空間、機柜、網線，耗電量，冷氣空調等成本存在浪費問題。
基于以上情況，為了提升服務器利用率，提高系統安全可靠性，降低運維成本，亟需開展虛擬化技術研究和實踐，借助虛擬化技術對現有的服務器資源進行整合，打造高效可靠的虛擬化應用平臺，為該單位數據中心的建設奠定技術和實踐基礎。
1 系統總體結構設計
服務器虛擬化技術是當前IT行業應用非常廣泛的信息技術，它通過將傳統物理資源抽象成邏輯資源，讓1臺服務器可以同時作為多臺邏輯上隔離的虛擬服務器，將CUP、內存、磁盤、I／O等硬件資源池化，實現物理資源統一動態管理。通過服務器虛擬化不僅可以整合現有硬件資源，提高信息安全水平，同時降低數據中心的運行和維護成本。
VMware虛擬架構技術是目前最為流行的PC服務器虛擬化技術，全球擁有超過2萬個公司用戶，以及400萬個最終用戶，其VMware vSphere軟件提供了服務器資源整合的全套解決方案。該技術可以實現虛擬機在不同物理機之間的無中斷動態遷移，把VMware虛擬架構套件產生的虛擬服務器封裝成虛機文件并統一存放。并通過共享的sAN存儲架構，實現資源的統一調度管理。
VMware服務器虛擬架構的優勢技術主要體現在：
1)高可用集群技術：實現服務器重啟和故障的自動切換。
2)動態資源調度技術：通過動態調度資源池中的硬件資源，實現計算資源的自動分配和平衡。
3)虛擬平臺Vmotion技術:在服務不中斷的條件下，實現服務器的動態遷移。
1.1高可用集群技術
服務器隨時可能會發生網絡故障、硬件故障、軟件故障，造成系統的可用性造成影響。VMware通過高可用集群技術來保障企業級應用的微間斷運行。首先在存儲層面上，VMware通過虛擬化集群文件系統(VMware vStorage Virtual Machine FileSystem，簡稱VMFS)構建共享的虛機文件集合，該集合是虛擬化高可用基礎。通過虛擬化集群文件系統，可以確保進行虛擬環境交叉訪問時，保證數據的完整性和可靠性。其次，在VMware虛擬架構中，利用VMware High Availability(簡稱HA)技術，達到物理機故障的自動切換要求，主要原理為ESX主機之間能夠相互發送心跳信號來確定相互之間的連通性和運行狀態。當某臺ESX主機A沒有收到主機B的信號時，則判斷主機B發生了軟硬件故障或者網絡故障。在這種情況下，系統將會自動解除對主機B上虛擬機的VMDK文件解除鎖定，原本在主機B上運行的虛擬機就會被自動遷移到其他主機上運行。最后，VMware架構使用容錯技術(VMware Fault Tolerance)來輔助HA實現完整的業務連續性。其工作原理為:對于給定的主虛擬機A，在其他ESX主機上運行一個輔助虛擬機A'，輔助虛擬機與主虛擬機共享虛擬磁盤，通過發送的日志記錄信息保持“虛擬同步”，當輔助虛擬機沒有接收到同步信息時，輔助虛擬機將在無中斷的情況下接管并運行應用程序，實現故障的透明切換。容錯技術是迄今為止服務器虛擬化技術中最高級別的業務連續性保障策略，可以花費最小的代價得到最高的可靠性要求。
1. 2計算資源動態調度技術
計算資源的動態調度又稱為分布式資源調度(Distributed Resource Scheduler, DRS)技術。通過DRS技術，虛擬機能夠在不同的物理服務器之間根據負載，自動調度邏輯資源，達到平衡計算容量目的，同時可以根據業務需求來調整資源，提供物理基礎結構所不能提供擴展性和可用性。
VMware DRS工作原理如圖1所示，首先由用戶定義虛擬機的資源共享方式，可分為自動模式和手動模式。在自動模式下，DRS自行判斷決定物理服務器之間資源的最佳分配方式，并透明地將虛擬機遷移到最合適的服務器上。在手動模式中，VMware DRS為系統管理員提供一套虛擬機最優配置方案，由管理員決定是否根據該方案對虛擬機進行調整。資源共享方式配置完成后，DRS持續不斷地監控資源池的利用率，當某臺虛擬機的工作量增加，需要更多的計算資源時，VMware DRS根據之前定義的資源分配規則對虛擬機的優先權進行評估，如果該虛擬機通過了評估，則將此虛擬機遷移到另外一臺具有更多合適資源的服務器上，從而為它分配更多的邏輯資源。
圖1 VMware DRS動態資源調配示意圖
隨著虛擬化技術的發展，出現了分布式電源動態管理(Distributed Power Manager，即DPM)技術。DPM是DRS的一個組成部分，它可以讓服務器在負載較低的時候動態整合計算資源，將工作負載遷移到最少的服務器資源上，關閉不需要的服務器，從而大幅降低能耗。
1. 3虛擬平臺Vmotion技術
VMware通過Vmotion技術，能夠將正在運行的虛擬機能夠從一臺物理服務器瞬間遷移到另一臺服務器，達到零停機的性能要求，實現業務的連續性，從而能夠大幅度提高服務器的可用性和保證數據的完整性。首先，虛擬機的全部狀態信息在共享存儲中以虛擬機文件進行封裝，多臺ESX服務器同時訪問同一個虛擬機文件。其次，VMware通過一個高速的網絡，將源虛擬機的整個內存和狀態信息復制和傳輸到目標ESX服務器后，自動終止源虛擬機，并在目標ESX服務器中重新啟動虛擬機。最后，源虛擬機的網絡標識和連接也會被目標ESX服務器虛擬化，在實時遷移之后，源虛擬機的網絡身份和連接能夠得到保留。
2 服務器資源整合方案的設計與實現
根據對某單位數據中心服務器硬件、網絡設備、存儲設備、軟件及應用的統計分析，提出了以下設計思路:首先，針對服務器計算資源利用率問題，通過對硬件型號、硬件配置、利用率情況、軟件部署分布、性能負載等情況進行統計分析。根據統計結果，將計算資源調整部署到各個需要的應用和服務上，最終達到使得每臺物理服務器的CPU/內存資源利用效率達到75%以上的目的。其次，針對單點故障產生的數據安全隱患問題，采用分步實施的策略，實現業務連續性基礎上的應用安全。第1步，將現有的數據備份和服務器整合結合起來，構建一個將RTO時間從4h以上縮短為1h以內的數據安全環境;第2步，將給予單點故障榮譽設計和數據容錯可追溯作為特色，構建健壯和安全的數據中心，使之滿足數據一致性、完整性、高可靠性的精細化管理的要求規范。最后，將物理服務器有效地進行計算資源整合，對符合條件的物理機進行虛擬化，騰出若干服務器槽位，節省出至少1臺機柜的槽位空間。完成虛擬化后，對物理服務器按照業務或部門系統的分類，將不同的機柜資源進行有效貼標，提升數據中心的服務器資源利用率以及可靠性管理水平。
2.1資源需求估算
該服務器虛擬化整合項目是將10臺資源利用率較低或者計算資源需求較高的服務器，采用P2V模式，遷移到2臺性能相對較高的宿主服務器上。在遷移之前需要統計該10臺服務器的總CPU需求、總內存需求、總網絡IO需求、總磁盤IO需求等資源需求總量。根據此需求量，再選擇合適的物理服務器作為整合后的宿主服務器。由于本項目采用千兆網卡作為虛擬交換機，并選擇千兆SAN交換機連接存儲，所以可以保證虛擬化架構中的網絡IO需求和磁盤IO需求，即不需要再對磁盤和網絡做詳細論證，而重點介紹CPU和內存的選型計算過程。
在服務器虛擬化后，可以實現在較少的物理服務器上運行多臺虛擬服務器。假設需要運行的虛擬服務器的數量為n，每臺服務器的CPU內核數量為C，速度為V GHz, CPU利用率為f，則CPU資源需求K為:
2. 2虛擬化平臺的搭建
本項目所遷移的10臺服務器的資源如表1所示，根據式(1)和式(2)，計算得出CPU的資源需求不足6 GHz，內存需求不足8 GB，所以本項目采用2臺高性能的DELL 8710和8900機器作為虛擬化服務器，其配置為分別為4核CPU 2. 13GHz、內存2. 13 GHz和2核2. 4 GHz、內存:16GB。虛擬平臺軟件版本為ESXI 4. 1，使用1套IBM DS5100作為共享存儲，并為之分配3T的VMFS磁盤空間，使用1臺SAN交換機和2臺思科網絡交換機實現平臺的互聯互通。
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