1 概述

    中國科學(xué)院資源規(guī)劃項目(Academia Resource Planning,ARP)，是實現(xiàn)中國科學(xué)院資源規(guī)劃管理的信息系統(tǒng)工程，目前采用分布式部署方式，每個研究院所單獨部署一套ARP 系統(tǒng)，各節(jié)點間通過VPN 設(shè)備建立虛擬專網(wǎng)進(jìn)行連接，與公網(wǎng)進(jìn)行邏輯隔離。這種部署方式一方面造成本地系統(tǒng)高可靠性配置的硬件成本增加，而另一方面各節(jié)點間硬件資源不能有效地共享利用，且分布式運(yùn)運(yùn)營維護(hù)導(dǎo)致效率低下、監(jiān)控管理復(fù)雜、系統(tǒng)升級維護(hù)困難，每新增一個節(jié)點需要重新購置服務(wù)器、安全設(shè)備和存儲等相關(guān)硬件資源。隨著應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)模的增大，為了降低硬件成本、系統(tǒng)管理以及運(yùn)維成本，減少系統(tǒng)維護(hù)與備份宕機(jī)時間，提高系統(tǒng)的安全性和系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，實現(xiàn)對分布系統(tǒng)的集中運(yùn)維管理和快速升級部署等，本文提出了一種基于虛擬化技術(shù)的ARP 私有云服務(wù)解決方案，通過虛擬化技術(shù)對底層硬件平臺進(jìn)行整合利用。

2 虛擬化與云服務(wù)

    2.1 服務(wù)器虛擬化

    服務(wù)器虛擬化是指在一個硬件平臺上模擬多個獨立的、和真實硬件指令集結(jié)構(gòu)相同的虛擬硬件系統(tǒng)，每個虛擬硬件系統(tǒng)上可以運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)。主要通過虛擬監(jiān)視器(Virtual Machine Monitor, VMM)實現(xiàn)。VMM 是計算機(jī)硬件和操作系統(tǒng)之間的軟件層，它運(yùn)行在特權(quán)模式，負(fù)責(zé)管理和隔離上層運(yùn)行的多個虛擬機(jī)(VM)，為這些虛擬機(jī)提供安全獨立的運(yùn)行環(huán)境，同時也為每個虛擬機(jī)虛擬一套與真實硬件無關(guān)的虛擬硬件環(huán)境。虛擬機(jī)運(yùn)行在非特權(quán)模式下，每個虛擬機(jī)上運(yùn)行著獨立的操作系統(tǒng)。常見的虛擬化軟件有Vmware、Microsoft Virtual Server、Xen、KVM、OpenVZ等。

    2.2 云服務(wù)

    NIST 指出云計算是一種能夠方便、按需從網(wǎng)絡(luò)訪問共享的可配置計算資源(如網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲、應(yīng)用程序和服務(wù))池的模型，且只需最少的管理或服務(wù)提供方交互即可快速供應(yīng)和發(fā)布該模型。虛擬化技術(shù)為云計算模型中的資源管理提供了一種有效的解決辦法，而云服務(wù)即是基于云計算模式對外提供按需個性化的服務(wù)方式。

    2.3 APCS 私有云

    借助于虛擬化技術(shù)和云服務(wù)模式，建設(shè)ARP 內(nèi)部業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)的私有云服務(wù)(ARP Private Cloud Services, APCS)平臺。首先通過虛擬化技術(shù)對目前的分布式硬件資源進(jìn)行整合，建設(shè)區(qū)域分中心，每個區(qū)域分中心支持本區(qū)域內(nèi)應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，分中心間通過高速專用網(wǎng)絡(luò)建立連接，形成私有云基礎(chǔ)架構(gòu)平臺。通過集中式私有云管理平臺建設(shè)，實現(xiàn)對區(qū)域分中心內(nèi)部資源的分配管理和運(yùn)維監(jiān)控，并實現(xiàn)跨分中心

    間的資源調(diào)度，真正達(dá)到系統(tǒng)資源跨地域的按需分配，而作為業(yè)務(wù)終端用戶不必關(guān)心訪問應(yīng)用的物理位置、資源使用情況等，達(dá)到透明化的按需使用服務(wù)。

3 APCS 方案設(shè)計

    3.1 系統(tǒng)現(xiàn)狀

    目前ARP 系統(tǒng)采用分布式方式部署在全院100 多個科研院所中，遍布20 多個城市，每個部署節(jié)點運(yùn)行的應(yīng)用系統(tǒng)包括2 個數(shù)據(jù)庫服務(wù)和3 個業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)，硬件資源配置為HP380G6 服務(wù)器3 臺~4 臺(雙路四核Intel CPU 2.26 GHz，16 GB 內(nèi)存)，經(jīng)監(jiān)測每臺物理主機(jī)系統(tǒng)日常資源消耗CPU為10%，內(nèi)存為2 GB。監(jiān)測結(jié)果表明，目前硬件配置資源還有很大利用空間，將硬件資源進(jìn)行虛擬化整合可以提高系統(tǒng)硬件資源利用率，同時解決了為提高業(yè)務(wù)系統(tǒng)的高可靠性，而在不增加服務(wù)器數(shù)量的情況下，使用虛擬機(jī)化技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的冗余配置。

    3.2 技術(shù)平臺架構(gòu)

    ARP 私有云服務(wù)APCS 主要由ARP 私有云服務(wù)基礎(chǔ)架構(gòu)平臺(ARP Cloud Services Infrastructure Platform, ACSIP)和ARP 私有云服務(wù)管理平臺(ARP Cloud Services ManagementPlatform, ACSMP)兩部分構(gòu)成，如圖1 所示。

圖1 私有云服務(wù)APCS 管理架構(gòu)

    ACSIP 由若干個區(qū)域節(jié)點(Area Node, AN)組成，主要實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件資源的虛擬化整合，提高系統(tǒng)資源利用率，并對ARP 系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行組件化模板分類，支持應(yīng)用的快速部署功能，為業(yè)務(wù)用戶提供應(yīng)用服務(wù)。ACSMP 即是對ARP云服務(wù)環(huán)境進(jìn)行管理配置，為資源申請者提供虛擬資源的分配和管理，為系統(tǒng)維護(hù)人員提供系統(tǒng)的日常運(yùn)行維護(hù)和監(jiān)控，為決策人員定期生成系統(tǒng)運(yùn)行健康報告和資源需求報告，并進(jìn)行私有云安全管理等。

    3.3 區(qū)域中心節(jié)點

    為更好整合系統(tǒng)硬件資源，提高資源利用率，將目前分布式系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域集中，建立APCS 區(qū)域節(jié)點AN，每個AN搭建基于FC-SAN 的存儲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。對于前端主機(jī)服務(wù)器進(jìn)行硬件資源虛擬化設(shè)置，虛擬多個主機(jī)系統(tǒng)，所有虛擬機(jī)文件存放在共享存儲上，每個分布式業(yè)務(wù)系統(tǒng)分配虛擬服務(wù)器資源(虛擬網(wǎng)絡(luò)、虛擬CPU、虛擬內(nèi)存、虛擬存儲)。各虛擬主機(jī)可以在物理服務(wù)器之間進(jìn)行高可靠性、動態(tài)遷移、容錯等功能設(shè)置實現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)連續(xù)性。各AN 間高速互聯(lián)形成內(nèi)部私有云基礎(chǔ)資源池平臺。

4 APCS 技術(shù)實現(xiàn)

    4.1 ACSIP

    ARP 私有云服務(wù)基礎(chǔ)架構(gòu)平臺ACSIP 主要包括硬件資源基礎(chǔ)架構(gòu)層IaaS(Infrastructure as a Service)、ARP 系統(tǒng)平臺服務(wù)層APaaS(ARP Platform as a Service)和ARP 系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)層ASaaS(ARP Software as a Service)，如圖2 所示。

圖2 APCS 實現(xiàn)技術(shù)架構(gòu)

    IaaS 層主要實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)、存儲和服務(wù)器等物理資源的虛擬化，形成虛擬資源池。用戶資源的獲取可以從虛擬資源池中進(jìn)行分配，并能夠?qū)Ψ峙涞馁Y源在使用過程中根據(jù)需求進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，為上層應(yīng)用服務(wù)提供資源保障。

    APaaS 層即根據(jù)ARP 業(yè)務(wù)系統(tǒng)需求，對所需Linux 操作系統(tǒng)、Oracle 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、JBoss 應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)和消息中間件等平臺層進(jìn)行組件化模板配置，便于業(yè)務(wù)快速擴(kuò)展部署。ASaaS 層即將目前ARP 系統(tǒng)中業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)、公共事務(wù)系統(tǒng)和信息管理與服務(wù)平臺等業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行封裝部署，直接提供給終端業(yè)務(wù)用戶，終端用戶只需申請符合自己權(quán)限的用戶賬號，即可直接登錄系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)系統(tǒng)使用。

    4.2 ACSMP

    ARP 私有云服務(wù)管理平臺ACSMP 實現(xiàn)對ARP 云服務(wù)環(huán)境的管理，主要包括用戶管理、資源管理、運(yùn)維管理、監(jiān)控管理和安全管理等。用戶管理實現(xiàn)用戶的創(chuàng)建、修改和注銷，以及用戶的角色授權(quán)管理等。資源管理實現(xiàn)對系統(tǒng)資源申請、分配、調(diào)整、回收管理。運(yùn)維管理實現(xiàn)模板配置、動態(tài)遷移、負(fù)載均衡、高可靠性管理。監(jiān)控管理實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、虛擬機(jī)監(jiān)控、主機(jī)監(jiān)控管理。安全管理實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全管理、數(shù)據(jù)安全管理、服務(wù)器安全管理。

    云管理平臺是非侵入式高度模塊化、采用公開的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的管理平臺，系統(tǒng)采用組件化設(shè)置，由云控制器、集群控制器、節(jié)點控制器、存儲控制器等核心組件組成。各個控制器分別完成不同的功能，相對獨立，從而保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。平臺實現(xiàn)為資源申請者進(jìn)行物理資源的分配和管理，對于申請者不必關(guān)心具體物理存放位置，為系統(tǒng)維護(hù)人員提供系統(tǒng)的日常運(yùn)行維護(hù)和監(jiān)控，為決策人員定期生成系統(tǒng)運(yùn)行健康報告和資源需求報告。

5 APCS 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

    5.1 資源動態(tài)分配算法

    對于各物理主機(jī)上虛擬資源池中資源分配可以使用改進(jìn)的線性銀行家分配算法、循環(huán)銀行家分配算法或最大可用資源銀行家分配算法。

    銀行家算法[4]是一種最有代表性的避免死鎖的資源分配算法。當(dāng)進(jìn)程首次申請資源時，要測試該進(jìn)程對資源的最大需求量，如果系統(tǒng)現(xiàn)存的資源可以滿足它的最大需求量則按當(dāng)前的申請量分配資源，否則就推遲分配。當(dāng)進(jìn)程在執(zhí)行中繼續(xù)申請資源時，先測試該進(jìn)程已占用的資源數(shù)與本次申請的資源數(shù)之和是否超過了該進(jìn)程對資源的最大需求量。若超過則拒絕分配資源，若沒有超過則再測試系統(tǒng)現(xiàn)存的資源能否滿足該進(jìn)程尚需的最大資源量，若能滿足則按當(dāng)前的申請量分配資源，否則也要推遲分配。線性銀行家分配算法是指當(dāng)有虛擬機(jī)資源申請時，優(yōu)先在一個主機(jī)內(nèi)進(jìn)行資源分配，當(dāng)?shù)谝慌_主機(jī)的資源分配完畢后再進(jìn)行下一臺主機(jī)資源分配。此種分配算法的主要優(yōu)點為最大化利用啟動主機(jī)資源，沒有分配到資源使用的主機(jī)可以在待機(jī)狀態(tài)下，節(jié)省了能源消耗，主要缺點為主機(jī)間沒有實現(xiàn)負(fù)載均衡。

    循環(huán)銀行家分配算法是當(dāng)有虛擬機(jī)申請資源時，按照主機(jī)順次進(jìn)行資源分配，即第1 個虛擬機(jī)分配主機(jī)1 資源，第2 個虛擬機(jī)分配主機(jī)2 資源等。此種分配算法優(yōu)點為實現(xiàn)了各主機(jī)間的負(fù)載均衡，缺點為各主機(jī)資源利用率未必飽滿。

    最大可用資源銀行家分配算法為當(dāng)有虛擬機(jī)資源申請時，按照可利用資源最多的主機(jī)優(yōu)先進(jìn)行分配，此種分配方法最大可能性地保障了每次分配的成功，減少了資源在同一主機(jī)上競爭的可能性。

    3 種分配算法如圖3 所示。圖3(a)為線性銀行家分配算法；圖3(b)為循環(huán)銀行家分配算法；圖3(c)為最大可用資源銀行家分配算法。

圖3 APCS 資源分配算法

    5.2 業(yè)務(wù)連續(xù)性保障

    ARP 系統(tǒng)為內(nèi)部業(yè)務(wù)管理信息處理系統(tǒng)，隨著業(yè)務(wù)功能擴(kuò)展和終端業(yè)務(wù)用戶數(shù)量的不斷增多，對系統(tǒng)的業(yè)務(wù)連續(xù)性提出了越來越高的要求。APCS 私有云平臺保障了系統(tǒng)的高可用、高可靠和系統(tǒng)的災(zāi)難恢復(fù)。

    通過虛擬化技術(shù)中的在線遷移功能，可以將在一臺物理主機(jī)上運(yùn)行的虛擬機(jī)實時遷移至另一臺物理主機(jī)上運(yùn)行。實現(xiàn)的技術(shù)原理為將虛擬機(jī)的文件系統(tǒng)放置在2 臺物理機(jī)都能訪問的共享存儲上，遷移時只是將物理機(jī)上的計算資源進(jìn)行保護(hù)，瞬間遷移至另一臺物理機(jī)上，2 臺物理機(jī)的CPU 指令集需要一致。此技術(shù)保障了一臺物理機(jī)出現(xiàn)故障，或主機(jī)負(fù)載過大影響虛擬機(jī)正常運(yùn)行時，將虛擬機(jī)遷移至另一臺負(fù)載較小的主機(jī)上運(yùn)行，從而實現(xiàn)了業(yè)務(wù)系統(tǒng)高可用性。高可靠性是指應(yīng)用系統(tǒng)的物理主機(jī)出現(xiàn)故障時，其應(yīng)用可以遷移至另一臺物理主機(jī)上運(yùn)行，不影響終端用戶的業(yè)務(wù)操作。以上技術(shù)保障了由于系統(tǒng)故障導(dǎo)致計劃外停機(jī)時，業(yè)務(wù)系統(tǒng)的連續(xù)性應(yīng)用。同時在進(jìn)行主機(jī)硬件設(shè)備的日常檢修等計劃內(nèi)停機(jī)時，也可將檢修主機(jī)上應(yīng)用手動先遷移至其他有空閑資源的主機(jī)運(yùn)行，待檢修完畢后再遷回，從而減少對業(yè)務(wù)系統(tǒng)使用的影響。

    災(zāi)難恢復(fù)是指生產(chǎn)環(huán)境遭到災(zāi)難破壞時，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)的能力，衡量指標(biāo)主要有恢復(fù)點目標(biāo)和恢復(fù)時間目標(biāo)。APCS 私有云平臺下由于每個虛擬機(jī)系統(tǒng)全部以文件形式存在于共享存儲上，因此可以對虛擬機(jī)文件進(jìn)行本地存儲的快照備份，然后利用存儲間數(shù)據(jù)同步機(jī)制將備份傳至異地災(zāi)備中心，在保證數(shù)據(jù)備份安全的同時，降低系統(tǒng)恢復(fù)的RPO和RTO，從而減少系統(tǒng)恢復(fù)時間和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)丟失量，保障業(yè)務(wù)系統(tǒng)連續(xù)使用。

    5.3 安全管理

    APCS 平臺將原來分布式業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域集中后，面臨的核心安全問題為遷移后系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全、虛擬機(jī)安全、數(shù)據(jù)安全和訪問控制安全等。

    網(wǎng)絡(luò)層安全通過虛擬交換機(jī)的VLAN 設(shè)置和虛擬機(jī)系統(tǒng)不同的IP 網(wǎng)段分配方式進(jìn)行邏輯隔離，虛擬機(jī)間的訪問控制通過軟件防火墻進(jìn)行設(shè)置。各區(qū)域中心節(jié)點AN 間通過SSLVPN 方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，保護(hù)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸層的安全性。虛擬化技術(shù)平臺對虛擬機(jī)的內(nèi)存管理、運(yùn)行保護(hù)和I/O管理提供統(tǒng)一封裝性的運(yùn)行安全管理，保障各虛擬資源間的申請、分配和使用安全以及對虛擬機(jī)內(nèi)處理數(shù)據(jù)的讀取、運(yùn)算和存儲安全。

    數(shù)據(jù)安全主要包括虛擬機(jī)系統(tǒng)文件安全和虛擬機(jī)內(nèi)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全。由于虛擬機(jī)將所有CPU、內(nèi)存、存儲等虛擬資源以及虛擬機(jī)上運(yùn)行的業(yè)務(wù)系統(tǒng)都統(tǒng)一封裝成固定文件格式以文件的形式存儲在共享存儲上，對這些文件的訪問需要做到嚴(yán)格的訪問控制管理和安全備份管理。對于虛擬機(jī)內(nèi)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全管理方式和在系統(tǒng)在物理機(jī)上運(yùn)行時相同，采用應(yīng)用系統(tǒng)訪問控制管理和數(shù)據(jù)庫級安全備份管理。

    APCS 訪問控制管理主要分為ACSMP 平臺管理員、虛擬機(jī)內(nèi)應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)維管理員和應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)務(wù)用戶的訪問控制管理，其控制管理辦法主要包括用戶登錄安全認(rèn)證、訪問權(quán)限控制管理、最小特權(quán)管理以及相應(yīng)的安全審計機(jī)制等。

6 結(jié)束語

    本文提出了一種對于分布式管理信息系統(tǒng)進(jìn)行資源整合和為最終用戶提供應(yīng)用訪問按需分配的APCS 私有云服務(wù)解決方案。通過ACSIP 建設(shè)，整合了目前分布式系統(tǒng)的硬件資源平臺，提高了硬件資源的使用效率，保護(hù)了硬件投資，降低了系統(tǒng)能耗。通過ACSMP 建設(shè)，實現(xiàn)了系統(tǒng)資源的統(tǒng)一調(diào)配管理，同時實現(xiàn)了系統(tǒng)的集中監(jiān)控和運(yùn)維管理，提高了系統(tǒng)運(yùn)維效率，減少了各節(jié)點系統(tǒng)運(yùn)維壓力，提升系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)管理水平。同時對私有云平臺的資源池動態(tài)分配和分配算法、系統(tǒng)業(yè)務(wù)連續(xù)性保障、私有云安全管理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和闡述。 

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本文標(biāo)題：基于虛擬化技術(shù)的私有云APCS平臺設(shè)計

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