1 概述
隨著高校信息化建設(shè)的不斷發(fā)展，學校數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器數(shù)量變得越來越龐大，網(wǎng)絡(luò)配置、計算資源和存儲資源配置越來越復雜，管理成本和運維成本也越來越高昂。據(jù)統(tǒng)計，四川廣播電視大學（以下簡稱“四川電大”）的服務(wù)器或虛擬機的增長數(shù)以每年幾臺、十幾臺的數(shù)字遞增。在服務(wù)器數(shù)量增加的同時，機房基礎(chǔ)設(shè)施配套也必須隨之跟進，如服務(wù)器機柜的數(shù)量、設(shè)備的電力需求、空調(diào)制冷量隨之增加。但因為相關(guān)的信息系統(tǒng)和教學軟件對硬件和軟件的要求不盡相同，我們在實際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，由于種種原因，絕大部分的服務(wù)器資源長期處于空閑狀態(tài)，甚至有些服務(wù)器的利用率不到10%。
傳統(tǒng)的IT基礎(chǔ)架構(gòu)比較笨重，操作系統(tǒng)直接安裝在物理設(shè)備上。為了應(yīng)對可能出現(xiàn)的軟硬件故障，系統(tǒng)和業(yè)務(wù)的可用性、穩(wěn)定性、連續(xù)性、健壯性都需要付出較高的時間和經(jīng)濟成本來維持。而虛擬化技術(shù)除了在提高資源使用率和減低管理成本方面有著不可比擬的優(yōu)勢，其在可靠性、靈活性和安全性方面也有獨樹一幟的特長。以前硬件維護需要之前的數(shù)天/周的變更管理準備和數(shù)小時維護窗口，采用虛擬化技術(shù)后可以進行零宕機硬件維護和升級；采用虛擬化技術(shù)后可以將所有服務(wù)器作為統(tǒng)一資源池進行管理，并按需自動進行動態(tài)資源調(diào)配，無中斷的按需擴容，實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)在業(yè)務(wù)高峰期的穩(wěn)定、可靠表現(xiàn)；現(xiàn)有的分散在校區(qū)的辦公電腦型號各異，部署麻煩，管理困難，維護復雜，難于保障安全性和可靠性。如果采用VMware的虛擬桌面解決方案[1]，則可以實現(xiàn)高度集中化管理，確保高可靠性及安全性，部署方便，易于維護。
同時，虛擬化技術(shù)是實現(xiàn)私有云建設(shè)的基礎(chǔ)。私有云的架構(gòu)可為通過標準化和整合的數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)高度可用的應(yīng)用和服務(wù)奠定基礎(chǔ)。借助私有云，對IT運維實施智能控制，以及快速調(diào)配應(yīng)用并實現(xiàn)持續(xù)監(jiān)管。憑借私有云的自動業(yè)務(wù)連續(xù)性以及虛擬化感知安全性和合規(guī)性，為應(yīng)用系統(tǒng)提供最高級別的可用性。
2 問題分析
四川廣播電視大學的數(shù)字化校園建設(shè)起步于2000年左右，其間經(jīng)歷了2005年和2010年兩個大的發(fā)展期，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃從單核心鏈路到雙核心鏈路，服務(wù)器由幾臺發(fā)展到上百臺，信息系統(tǒng)或網(wǎng)站由數(shù)個到上百個。作為學校轉(zhuǎn)型發(fā)展中的信息化規(guī)劃和實施單位，為學校教學科研和辦公信息化提供可靠的軟硬件環(huán)境是重點。因此，大量的計算資源和空間資源管理對信息技術(shù)中心提出了更高的要求，無論從網(wǎng)絡(luò)資源、計算資源、存儲資源和管理實施辦法都需要系列的可靠性要求。目前我校在硬件資源管理上主要面臨的問題有：
（1）服務(wù)器數(shù)量較多，但計算資源應(yīng)用分布不均衡。高峰期上線的應(yīng)用較多且需要占用大量網(wǎng)絡(luò)資源和計算資源。由于網(wǎng)絡(luò)調(diào)整和系統(tǒng)規(guī)劃的復雜性導致信息系統(tǒng)的上線過程環(huán)節(jié)較多，實施過程和配置較麻煩。
（2）各個系統(tǒng)運行互相影響。在硬件設(shè)施發(fā)生故障時，需要重新配置軟硬件運行環(huán)境耗時較長，成本過高，對業(yè)務(wù)系統(tǒng)的用戶影響較大。如果是在一套硬件環(huán)境下部署安裝了多個應(yīng)用系統(tǒng)，多個應(yīng)用系統(tǒng)之間因為資源爭用可能會引發(fā)硬件故障；如果因為某個應(yīng)用進程掛死或修改配置后需要重啟硬件時，也會導致其他正常運行的應(yīng)用無法提供服務(wù)，影響用戶感知。傳統(tǒng)的消除這類影響的方式是不斷地購置新的服務(wù)器，將各個應(yīng)用分別部署到單獨的服務(wù)器上，這種方式資源利用效率低，浪費大。
（3）應(yīng)用系統(tǒng)單機運行風險高。因為信息化經(jīng)費相對不足，業(yè)務(wù)應(yīng)用往往部署在單機上運行，即使是重要的業(yè)務(wù)系統(tǒng)也很難做到雙機熱備和在線容災(zāi)。一旦服務(wù)器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就將停止使用，等待硬件故障修復后才能恢復服務(wù)。而修復故障的周期無法有效控制，如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)損壞或丟失，耗時則更加漫長，損失則更加巨大。另外，日常的維護工作中如果出現(xiàn)問題，影響也非常大，風險也非常高。
（4）應(yīng)用系統(tǒng)的備份和恢復困難。應(yīng)用系統(tǒng)的運行環(huán)境往往比較復雜，比如包括前端應(yīng)用、中間件、數(shù)據(jù)庫等各個組件，對于這些組件進行完整備份比較困難。特別是進行恢復時則面臨更高的技術(shù)復雜性，往往簡單恢復后系統(tǒng)不能正常運行，還需要大量的調(diào)試工作。
（5）網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和存儲規(guī)劃計劃性不足。為單臺服務(wù)器配置相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)和存儲空間造成了網(wǎng)絡(luò)資源和空間資源的極大浪費，也帶來運維的諸多困難，不利于網(wǎng)絡(luò)資源、計算資源和存儲資源的分離。
3 方案設(shè)計
通過對四川電大數(shù)據(jù)中心建設(shè)中存在問題的總結(jié)與分析，我們計劃利用虛擬化技術(shù)來解決上述問題，并基于VMWare vSphere虛擬化軟件實現(xiàn)硬件資源的集成和整合[2]，將原先部署在多臺物理服務(wù)器上運行的應(yīng)用程序，移植到在資源池中的虛擬機上運行，不僅可以節(jié)約成本和降低能耗，提高基礎(chǔ)設(shè)施利用率，簡化管理復雜度，而且通過在虛擬機之間設(shè)置“隔離帶”，還可以有效提高系統(tǒng)的安全性，減少互相之間的不良影響。
3.1 服務(wù)器虛擬化
服務(wù)器虛擬化是將服務(wù)器的物理資源進行集成和整合，并進行邏輯抽象。將一臺或若干臺物理服務(wù)器的CPU、內(nèi)存、磁盤、輸入輸出、外圍設(shè)備等硬件設(shè)施轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢造`活管理、動態(tài)拔插的資源池，再組裝成一臺臺互相隔離的虛擬機提供服務(wù)，從而提高基礎(chǔ)設(shè)施利用率，簡化管理復雜度，使數(shù)據(jù)中心更加適應(yīng)業(yè)務(wù)的變化。
VMware vSphere是業(yè)界領(lǐng)先的虛擬化平臺，包括vCenter Server、vStorage、vMotion、DRS、HA、ESXi Server、Application等組件，可為業(yè)務(wù)敏捷性提供強大、靈活且安全的基礎(chǔ)，以促進向云計算進行數(shù)字化轉(zhuǎn)型并在數(shù)字化經(jīng)濟中取得成功。vSphere通過以下方法為現(xiàn)有應(yīng)用和新一代應(yīng)用提供支持：（1）簡化的客戶體驗，用于實現(xiàn)自動化和大規(guī)模管理；（2）全面的內(nèi)置安全性，用于保護數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)架構(gòu)和訪問；（3）通用應(yīng)用平臺，用于在任何地方運行任何應(yīng)用。利用vSphere，客戶現(xiàn)在可以在常用的操作環(huán)境下，跨云環(huán)境和設(shè)備運行、管理、連接以及保護其應(yīng)用。在本設(shè)計方案中，我們首先從現(xiàn)有的服務(wù)器中選擇了15臺HP同型號的X86服務(wù)器通過vSphere搭建了服務(wù)器集群，并配置成可動態(tài)管理的虛擬機資源池，然后將數(shù)字化校園的各類應(yīng)用系統(tǒng)都部署至不同的虛擬機上，每臺虛擬機的操作系統(tǒng)和應(yīng)用環(huán)境都與原運行環(huán)境保持完全一致。
通過VMware vSphere實現(xiàn)服務(wù)器虛擬化后[3]，多個操作系統(tǒng)可以作為虛擬機在單臺物理服務(wù)器上運行，并且每個操作系統(tǒng)都可以訪問底層服務(wù)器的計算資源，從而解決效率低下問題。接下來將服務(wù)器集群聚合為一項整合資源，這可以提高整體效率并降低成本。服務(wù)器虛擬化還可以加快工作負載部署速度、提高應(yīng)用性能以及改善可用性。
3.2 存儲虛擬化
存儲虛擬化（Storage Virtualization）將存儲資源進行集成和整合，并進行邏輯抽象。通過對虛擬的存儲資源池進行集中化管理，可以動態(tài)為各類應(yīng)用分配存儲空間，而用戶不用關(guān)心底層復雜的技術(shù)實現(xiàn)框架和數(shù)據(jù)的實際讀寫路徑。
存儲虛擬化技術(shù)創(chuàng)建了高效而靈活的存儲池，不僅簡化了虛擬機的存儲操作過程，還可以直接利用存儲基礎(chǔ)架構(gòu)的各項功能，為在虛擬環(huán)境中使用和管理存儲系統(tǒng)提供了最有效的方式。以VMware存儲虛擬化軟件vStorage為例[4]，VMware存儲虛擬化技術(shù)整合了存儲資源，對數(shù)據(jù)中心實施分級存儲，將原先部署在一百多臺服務(wù)器上的應(yīng)用整合到四十多臺服務(wù)器上，并在后端連接SAN存儲，這種后端連接存儲、多臺服務(wù)器整合構(gòu)成Server Farm的方式，顯著地提升了服務(wù)器的可用性和可靠性。其邏輯架構(gòu)如圖1所示：
vStorage可以有效降低虛擬環(huán)境中存儲基礎(chǔ)架構(gòu)的總擁有成本，并提高管理性。vStorage結(jié)合了能夠通過虛擬機最有效利用存儲資源的新技術(shù)，和能夠?qū)崿F(xiàn)高度靈活兼具自我管理和自行修復功能數(shù)據(jù)中心的Virtual Datacenter OS（VDC-OS）。這些界面和程序面向所有存儲廠商，使用戶能夠通過一套廣泛的存儲平臺進一步簡化、優(yōu)化和自動化其計算基礎(chǔ)架構(gòu)。vStorage與存儲廠商的產(chǎn)品結(jié)合使用，可實現(xiàn)在VMware平臺和存儲基礎(chǔ)架構(gòu)之間的自動切換，簡化了存儲操作，并實現(xiàn)用戶存儲基礎(chǔ)架構(gòu)效用的最大化。
圖1 存儲虛擬化示意圖
圖2 四川電大數(shù)據(jù)中心虛擬化方案拓撲結(jié)構(gòu)
4 方案實施
四川廣播電視大學數(shù)據(jù)中心服務(wù)器通過虛擬化整合后的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示
服務(wù)器經(jīng)虛擬化整合后數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并未被改變。本次未被整合的服務(wù)器設(shè)備仍可以在原有網(wǎng)絡(luò)中正常運行，并能與虛擬化服務(wù)器融合在一起，從網(wǎng)絡(luò)層面構(gòu)建VLAN、數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)隔離等。隨著校園各類應(yīng)用的不斷增加，可以不斷動態(tài)地擴充虛擬化集群主機規(guī)模來滿足應(yīng)用的需求。
（1）網(wǎng)絡(luò)資源規(guī)劃。在VMware vSphere中，根據(jù)提供的服務(wù)不同，分為三種類型的通信端口：ServerConsole、VMkernel和Virtual Machine。根據(jù)實際應(yīng)用需要，共規(guī)劃了7臺服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)接口，涉及到11個IP地址和4組虛擬端口。
（2）VMware ESXi安裝。由于VMware ESXi是原生型架構(gòu)，所以可以直接將其部署在準備好的4臺HP品牌580G7型號物理服務(wù)器上。
（3）VMware vCenter安裝。VMware Virtual Center包括Server與Client兩部分。其中Virtual Center Server主要用于管理VMware Server、VMware ESXi Server虛擬機；通過vSphere Client和web用與連接vCenter Server，對服務(wù)器端進行遠程操作。
5 運行效果
基于VMWare的私有云數(shù)據(jù)中心設(shè)計方案已于2016年3月在四川廣播電視大學落地實施，運行一年多來成效顯著，不僅節(jié)約成本和降低能耗，提高基礎(chǔ)設(shè)施利用率，簡化管理復雜度，同時還明顯地改善了數(shù)據(jù)中心的安全性和可靠性，實現(xiàn)了方案預(yù)期的設(shè)計目標。
（1）資源利用率有效提高。通過整合構(gòu)建資源池的方式對所有硬件資源進行統(tǒng)一調(diào)度，高度共享。比如CPU、內(nèi)存、存儲等。由虛擬主機系統(tǒng)模擬出操作系統(tǒng)運行所需要的硬件資源，操作系統(tǒng)運行在這些虛擬出來的硬件資源上，這樣就可以達到在一個物理服務(wù)器上運行多個操作系統(tǒng)，同時共享物理服務(wù)器的硬件資源，提高資源的整體利用率。利用這些特性，使CPU利用率從原先的平均10%不到提高到了目前平均60%以上。
（2）系統(tǒng)可靠性得到有效保障。利用VMware vMotion技術(shù)[5]，將多臺服務(wù)器構(gòu)建成集群，從同一集群內(nèi)劃分出來的虛擬機可以在線實時遷移。如果其中一臺服務(wù)器出現(xiàn)故障需要進行維修，則可以將運行在這臺服務(wù)器上的虛擬機全部在線實時遷移至集群內(nèi)的其他服務(wù)器，保證應(yīng)用服務(wù)不中斷，用戶不受影響。
（3）系統(tǒng)部署周期得到有效縮短。系統(tǒng)部署到虛擬機上時，可以通過VMware系統(tǒng)模板快速創(chuàng)建完整的應(yīng)用運行環(huán)境，從而規(guī)避了傳統(tǒng)方式下安裝操作系統(tǒng)、升級安全補丁、搭建運行環(huán)境等操作環(huán)節(jié)。
（4）管理效率得到有效提高。系統(tǒng)管理員不需要監(jiān)控數(shù)量龐大的物理服務(wù)器，通過虛擬機管理服務(wù)器vCenter就可以管理所有宿主服務(wù)器和虛擬機，工作流程得以簡化，工作效率得到了極大的提高[6]。
（5）降低了數(shù)據(jù)中心能耗和運維成本。整合過程中大量的服務(wù)器被虛擬機替代，整合后數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器問題減少為原來的1/ 10，數(shù)據(jù)中心電力消耗和空調(diào)制冷量得到了有效控制。
6 結(jié)束語
通過VMware vSphere虛擬化技術(shù)[7]，將數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器和存儲都進行了虛擬化管理，整合構(gòu)建了統(tǒng)一的資源池，將應(yīng)用集中到虛擬機環(huán)境上，提高了資源利用率，同時可以將多余的設(shè)備斷電下架，減低了數(shù)據(jù)中心整體運行成本。另外，利用VMware vMotion、HA等技術(shù)[8]，虛擬機可以在硬件發(fā)生故障時自動在線實時遷移，提升了應(yīng)用系統(tǒng)的可用性。數(shù)據(jù)中心管理人員的工作方式也發(fā)生了明顯的變化，工作流程得以簡化，工作效率和服務(wù)質(zhì)量得到了極大的提高。
下一步，我們將對方案的不足之處進行改進和完善，并重點對桌面虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、應(yīng)用虛擬化、連接協(xié)議標準化等方面進行研究和探索。
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本文標題：基于VMware的私有云數(shù)據(jù)中心研究與實現(xiàn)
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