虛擬化和云計(jì)算是近年來(lái)在IT 界廣為流傳的術(shù)語(yǔ)。數(shù)據(jù)中心要實(shí)現(xiàn)云計(jì)算,虛擬化是一個(gè)重要的基礎(chǔ),虛擬化本身并不是云計(jì)算,而是走向云計(jì)算的途徑之一。虛擬化讓數(shù)據(jù)中心的計(jì)算能力更具有伸縮性,供給也更為靈活,從而可以更好地為云計(jì)算服務(wù)。面向云計(jì)算的數(shù)據(jù)中心使用“池”的概念,每個(gè)池均可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的資源調(diào)整,能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬資源池中資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度,以達(dá)到調(diào)度過(guò)程中充分利用資源的能力。
1 虛擬化和云計(jì)算概述
1.1 虛擬化
虛擬化是一個(gè)廣義的術(shù)語(yǔ),是指計(jì)算在虛擬的基礎(chǔ)上而不是真實(shí)的基礎(chǔ)上運(yùn)行,是一個(gè)為了簡(jiǎn)化管理、優(yōu)化資源的解決方案[2]。虛擬化技術(shù)可以擴(kuò)大硬件的容量,簡(jiǎn)化軟件的重新配置過(guò)程,把有限的固定的資源根據(jù)不同需求進(jìn)行重新規(guī)劃以達(dá)到最大利用率。虛擬化是業(yè)務(wù)系統(tǒng)和IT硬件設(shè)備間的一次重要解耦,通過(guò)虛擬化后業(yè)務(wù)系統(tǒng)和虛擬資源映射,虛擬資源再和實(shí)際物理資源映射,實(shí)際的物理資源對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)變成黑盒,在邏輯層形成標(biāo)準(zhǔn)化的虛擬資源池。
由于虛擬化技術(shù)能夠通過(guò)資源共享與合并來(lái)提高效率并降低成本,它已經(jīng)被迅速地應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心與其他設(shè)備上。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心,單個(gè)應(yīng)用至少占用1 臺(tái)物理的計(jì)算機(jī)資源,這使得大量的計(jì)算資源得不到利用。擴(kuò)展應(yīng)用時(shí),必須要考慮要選購(gòu)的物理機(jī)器和 CPU 資源,這使得一些應(yīng)用被擱置。利用虛擬化,可以在1 臺(tái)物理機(jī)上運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī),可在多個(gè)環(huán)境間共享這一臺(tái)計(jì)算機(jī)的資源。不同的虛擬機(jī)可以在同一臺(tái)物理機(jī)上運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)以及多個(gè)應(yīng)用程序。
1.2 云計(jì)算
云計(jì)算已成為 IT 業(yè)一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)。云計(jì)算將計(jì)算任務(wù)分布在大量的資源池上,使各種應(yīng)用系統(tǒng)能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)需要獲取計(jì)算力、存儲(chǔ)空間和各種軟件服務(wù)。所謂云,就是提供資源的網(wǎng)絡(luò)是一些能自我管理和維護(hù)的虛擬計(jì)算資源。將其稱謂云,既是對(duì)那些分布在網(wǎng)絡(luò)中的成千上萬(wàn)臺(tái)電腦和服務(wù)器連接成一片電腦云的比喻,也是指代數(shù)據(jù)的計(jì)算過(guò)程被隱匿起來(lái),由服務(wù)器按需要,從整個(gè)大云中“雕刻”出所需要的那一朵。
云計(jì)算的實(shí)質(zhì)是將計(jì)算、應(yīng)用和服務(wù)作為一種公共設(shè)施提供給公眾,使人們能夠隨時(shí)隨地根據(jù)自己的需要來(lái)使用計(jì)算機(jī)資源。云計(jì)算的一個(gè)核心理念就是通過(guò)不斷提高“云”的處理能力,進(jìn)而減少用戶終端的處理負(fù)擔(dān),最終使用戶終端簡(jiǎn)化成一個(gè)單純的輸入輸出設(shè)備,并能按需享受“云”的強(qiáng)大計(jì)算處理能力。“云”中的資源在使用者看來(lái)是可以無(wú)限擴(kuò)展的,并且可以隨時(shí)獲取,按需使用,隨時(shí)擴(kuò)展,按使用付費(fèi)。
1.3 虛擬化和云計(jì)算的關(guān)系
虛擬化實(shí)現(xiàn)了IT 資源的邏輯抽象和統(tǒng)一表示,在大規(guī)模數(shù)據(jù)中心管理和解決方案交付方面發(fā)揮著巨大的作用,是支撐云計(jì)算偉大構(gòu)想的最重要的技術(shù)基石[6]。云計(jì)算的特征體現(xiàn)在虛擬化、分布式和動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展。虛擬化,是云計(jì)算最主要的特點(diǎn),每一個(gè)應(yīng)用部署的環(huán)境和物理平臺(tái)是沒(méi)有關(guān)系的。通過(guò)虛擬平臺(tái)進(jìn)行管理、擴(kuò)展、遷移、備份,各種操作都通過(guò)虛擬化層次完成;動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展是指通過(guò)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展虛擬化的層次,進(jìn)而達(dá)到對(duì)以上應(yīng)用進(jìn)行擴(kuò)展的目的;分布式是指計(jì)算所使用的物理節(jié)點(diǎn)是分布的。
從云計(jì)算的最重要的虛擬化特點(diǎn)來(lái)看,可以把各種IT資源、軟件、硬件、操作系統(tǒng)和存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)等要素都進(jìn)行虛擬化,放在云計(jì)算平臺(tái)中統(tǒng)一管理。通過(guò)虛擬化形成標(biāo)準(zhǔn)化的虛擬資源池,解決數(shù)據(jù)中心資源的整合問(wèn)題,在整合過(guò)程中對(duì)計(jì)算、存儲(chǔ)等各種資源進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。虛擬化技術(shù)打破了物理結(jié)構(gòu)之間的壁壘,代表著把物理資源轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嬁晒芾碣Y源的必然趨勢(shì)。所有的資源都透明地運(yùn)行在各種物理平臺(tái)上,資源的管理都將按邏輯方式進(jìn)行,完全實(shí)現(xiàn)資源的自動(dòng)化分配,而虛擬化技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)這一理想的唯一工具。
2 云計(jì)算數(shù)據(jù)中心解決方案
2.1 云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的產(chǎn)生
隨著信息化建設(shè)的發(fā)展,以及對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)挖掘、高性能計(jì)算需求的不斷增長(zhǎng),數(shù)據(jù)中心的規(guī)模變得越來(lái)越大,傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心建設(shè)模式已經(jīng)無(wú)法滿足這種變化。必須有一種高度整合統(tǒng)一、能夠靈活擴(kuò)充、按需分配,并且性能優(yōu)越的數(shù)據(jù)中心來(lái)滿足需求。云計(jì)算交付模式以及新一代數(shù)據(jù)中心建設(shè)就是在這種需求中誕生的,其虛擬化技術(shù)應(yīng)用水平不斷提高,幾乎所有新建和改造的大型數(shù)據(jù)中心都開始使用或研究虛擬化技術(shù)。
新一代數(shù)據(jù)中心將所有設(shè)備和系統(tǒng)資源池化,利用統(tǒng)一計(jì)算系統(tǒng)、統(tǒng)一存儲(chǔ)系統(tǒng)、統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),分別構(gòu)建計(jì)算池、存儲(chǔ)池、網(wǎng)絡(luò)池,其整體架構(gòu)拓?fù)鋱D,見圖1。實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)向虛擬化結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,所有的應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流全部與硬件系統(tǒng)無(wú)關(guān),簡(jiǎn)化了整個(gè)數(shù)據(jù)中心的邏輯架構(gòu),使得數(shù)據(jù)中心的管理、運(yùn)維更加簡(jiǎn)單和高效。所有的應(yīng)用系統(tǒng)全部處于虛擬化程序的保護(hù)之下,在任何設(shè)備出現(xiàn)不穩(wěn)定、故障的情況下,都可以保證應(yīng)用系統(tǒng)的高效、可用。統(tǒng)一交換和虛擬化是新一代數(shù)據(jù)中心最關(guān)鍵的兩個(gè)技術(shù),其虛擬化技術(shù)不是將一臺(tái)服務(wù)器變成多臺(tái)這么簡(jiǎn)單,它涉及計(jì)算虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等。
圖1 數(shù)據(jù)中心整體架構(gòu)拓?fù)鋱D
2.2 云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的組成
2.2.1 統(tǒng)一計(jì)算系統(tǒng)
將統(tǒng)一計(jì)算系統(tǒng)顛覆了傳統(tǒng)刀片服務(wù)器架構(gòu),展現(xiàn)出了一種新穎的觀念,將計(jì)算能力、聯(lián)網(wǎng)、存儲(chǔ)器和管理都整合到一個(gè)由各種廠商的硬件和軟件綜合而成的平臺(tái)上。統(tǒng)一計(jì)算的作用是,通過(guò)突破計(jì)算、存儲(chǔ)、虛擬化和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)間的孤井集成來(lái)消除人工集成。虛擬化與統(tǒng)一計(jì)算系統(tǒng)共同組成了數(shù)據(jù)中心的計(jì)算節(jié)點(diǎn),利用虛擬化,統(tǒng)一計(jì)算系統(tǒng)可以整合工作負(fù)載,提高利用率。對(duì)于虛擬化部署來(lái)說(shuō),只有在應(yīng)用程序運(yùn)行在一個(gè)或多個(gè)統(tǒng)一的服務(wù)器資源池時(shí),才能最好地發(fā)揮自身的作用。傳統(tǒng)的服務(wù)器和虛擬化部署是分離的,這顯然不利于整體資源的應(yīng)用。而統(tǒng)一計(jì)算平臺(tái)的整體打造則能夠?qū)⑦@種問(wèn)題解決。
思科的統(tǒng)一計(jì)算系統(tǒng)采用了10G FCoE 技術(shù),消除了虛擬化部署所擔(dān)心的I/O 瓶頸問(wèn)題;并且通過(guò)內(nèi)存擴(kuò)展技術(shù)將服務(wù)器的內(nèi)存擴(kuò)展到384G,海量?jī)?nèi)存擴(kuò)展技術(shù)使服務(wù)器為虛擬化架構(gòu)提供更高的性能,搭建數(shù)據(jù)中心時(shí)花費(fèi)更少的費(fèi)用;通過(guò)虛擬化軟件的HA 和Vmotion 功能,能夠?qū)⒇?fù)載在虛擬池中進(jìn)行遷移,徹底消除了正常和非正常的系統(tǒng)停機(jī),確保所有應(yīng)用系統(tǒng)的高可用性;另外通過(guò)SANBoot 技術(shù),將所有虛機(jī)放在存儲(chǔ)系統(tǒng)中,使刀片服務(wù)器真正成為“無(wú)狀態(tài)”計(jì)算節(jié)點(diǎn),無(wú)狀態(tài)運(yùn)算技術(shù)使得物理機(jī)的遷移成為可能,從而使數(shù)據(jù)中心的管理更加靈活,虛擬服務(wù)器的安全性更高。
2.2.2 統(tǒng)一存儲(chǔ)系統(tǒng)
統(tǒng)一存儲(chǔ),實(shí)質(zhì)上是一個(gè)可以支持基于文件的網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)以及基于數(shù)據(jù)塊的網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)化的存儲(chǔ)架構(gòu)。這些多協(xié)議系統(tǒng)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接口或者光纖通道連接到服務(wù)器上。在云計(jì)算數(shù)據(jù)中心部署統(tǒng)一存儲(chǔ)系統(tǒng),可以規(guī)劃整體存儲(chǔ)容量,省去對(duì)文件存儲(chǔ)容量以及數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)容量的單獨(dú)考慮。用戶可以在無(wú)需知道應(yīng)用是否需要數(shù)據(jù)塊或者文件數(shù)據(jù)訪問(wèn)的情況下,自由分配存儲(chǔ)來(lái)滿足應(yīng)用環(huán)境的需要,提高存儲(chǔ)資源池的靈活性。統(tǒng)一存儲(chǔ)系統(tǒng)可以滿足用戶的各種需求,所有的應(yīng)用程序都可以使用同一套存儲(chǔ)系統(tǒng),并且可以支持所有的存儲(chǔ)訪問(wèn)協(xié)議,包括此前所有的和未來(lái)的主流協(xié)議,用戶不必?fù)?dān)心該存儲(chǔ)系統(tǒng)無(wú)法支持或者兼容此前的應(yīng)用系統(tǒng)或者今后的應(yīng)用系統(tǒng)。
在很多時(shí)候,用戶在部署服務(wù)器虛擬化環(huán)境時(shí)都會(huì)因?yàn)樾阅芊矫娴囊蠖鴮?duì)基于數(shù)據(jù)塊的裸設(shè)備映射提出要求。統(tǒng)一存儲(chǔ)為用戶如何購(gòu)買存儲(chǔ)虛擬機(jī)提供了選擇,而無(wú)需像之前那樣分別購(gòu)買存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)附件存儲(chǔ)設(shè)備。高存儲(chǔ)控制器配置提升了整套存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能。并且通過(guò)對(duì)固態(tài)盤的優(yōu)化,采用固態(tài)磁盤虛擬緩存方式,大幅度提升整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的緩存命中率,尤其是在虛擬化架構(gòu)下,效果更加明顯。以較低的成本,消除了整個(gè)數(shù)據(jù)中心的性能瓶頸。采用自動(dòng)分層技術(shù),存儲(chǔ)系統(tǒng)后臺(tái)自動(dòng)調(diào)整數(shù)據(jù)存放位置,優(yōu)化存儲(chǔ)訪問(wèn)方式。
2.2.3 統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
目前,絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)仍然主要依賴以太網(wǎng),而光纖通道(FC)網(wǎng)絡(luò)主要用于存儲(chǔ)系統(tǒng)。隨著10Gb 以太網(wǎng)的成熟,基于以太網(wǎng)的光纖通信技術(shù)(FCoE)和新的無(wú)損10Gb 以太網(wǎng)技術(shù)開始在數(shù)據(jù)中心流行,使用統(tǒng)一的以太網(wǎng)整合FC-SAN 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)流和普通數(shù)據(jù)流,該網(wǎng)絡(luò)融合讓數(shù)據(jù)中心能夠保持FC 存儲(chǔ)的現(xiàn)有投資,能夠把LAN、SAN 和Infiniband 等整合為一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),從而大幅度降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的復(fù)雜度和成本,并且在技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)更高的帶寬、更低的延遲、更好的安全性和可管理性。系統(tǒng)將虛擬機(jī)到虛擬機(jī)通信所需的交換機(jī)精簡(jiǎn)為一個(gè)互聯(lián)陣列,支持虛擬機(jī)間的所有網(wǎng)絡(luò)流量傳輸,而無(wú)論虛擬機(jī)位于何處,都為網(wǎng)絡(luò)流量提供了單一控制和管理點(diǎn)。因此,無(wú)需在刀片服務(wù)陣列中部署交換機(jī),而是使用陣列擴(kuò)展模塊,其邏輯上是互聯(lián)陣列的一部分。將所有流量從刀片服務(wù)器傳輸?shù)缴嫌位ヂ?lián)陣列,無(wú)需使用軟件交換機(jī),虛擬機(jī)直接連接到物理網(wǎng)卡,采用直通交換或采用Hypervisor-bypass 技術(shù)對(duì)其進(jìn)一步加速。
根據(jù)現(xiàn)有服務(wù)器的接入需求,并預(yù)留合理的端口接入數(shù)量(數(shù)據(jù)中心部署思科新一代Nexus 核心交換機(jī)),不但能滿足在大規(guī)模采用服務(wù)器虛擬化后對(duì)核心交換機(jī)高端口數(shù)量、性能、功能的要求,也能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)虛擬化最大程度發(fā)揮服務(wù)器虛擬化的優(yōu)勢(shì),從而進(jìn)一步保障數(shù)據(jù)中心安全可靠地運(yùn)行。思科新一代Nexus 核心交換機(jī)能通過(guò)虛擬化技術(shù)將核心、匯聚、接入的功能融為一體并直接連接服務(wù)器,這種架構(gòu)不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、管理方便、安全可靠,而且充分節(jié)省了空間和布線,為各種應(yīng)用服務(wù)的擴(kuò)展提供了有力的支撐。
2.3 云計(jì)算數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)步驟
實(shí)現(xiàn)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心分為整合、虛擬化、自動(dòng)化等3個(gè)階段性步驟。第一步:整合,整合就是將智能網(wǎng)絡(luò)所需的各種資源實(shí)現(xiàn)整合。資源整合的目標(biāo)是便于被調(diào)用,網(wǎng)絡(luò)成為各種資源整合和調(diào)度的公共接口。第二步:虛擬化,虛擬化是將已整合在一體的資源以一種與物理位置和狀態(tài)無(wú)關(guān)的方式進(jìn)行組織,實(shí)現(xiàn)自由的跨平臺(tái)資源調(diào)用。通過(guò)虛擬化,方便對(duì)整合后的資源進(jìn)行高效調(diào)度。第三步:自動(dòng)化,高度整合和虛擬化基礎(chǔ)上的自動(dòng)化,把虛擬化的資源以一種動(dòng)態(tài)的最優(yōu)化方式由系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)業(yè)務(wù)需求來(lái)調(diào)用;根據(jù)用戶指定的內(nèi)容快速分配資源,加速實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的可用性,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)部署的自動(dòng)化。
3 云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的發(fā)展
在數(shù)據(jù)中心部署虛擬化可對(duì)資源整合管理,提高服務(wù)保障水平,降低管理費(fèi)用;改善資源分配,提高資源利用率;提高設(shè)備可用性,增強(qiáng)系統(tǒng)可移植性,降低單點(diǎn)故障;減少電力消耗,節(jié)約能源,減少運(yùn)行成本;減少硬件資金投入和機(jī)房空間占用。服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等資源形成的虛擬架構(gòu)猶如一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī),使最終用戶從關(guān)心單個(gè)服務(wù)器或存儲(chǔ)產(chǎn)品的性能轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)心虛擬化解決方案的整體性能。
基于虛擬化的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心將會(huì)呈現(xiàn)以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì):首先是網(wǎng)絡(luò)的融合與統(tǒng)一交換。隨著FCoE 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的逐步普及和實(shí)施,在新一代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中,存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器集群網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)業(yè)務(wù)最終都將承載在以太網(wǎng)上,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的融合架構(gòu)和統(tǒng)一交換,使得數(shù)據(jù)中心具備更好的性能、更低的成本和更高的安全可靠性。其次,隨著IEEE802.3ba 40G/100G 標(biāo)準(zhǔn)的正式發(fā)布,100G 將成為大型數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)規(guī)模部署的新標(biāo)準(zhǔn)。第三,虛擬化特性將表現(xiàn)得更為明顯。通過(guò)虛擬化技術(shù),各種資源能夠被合理地利用,提高了物理設(shè)備的利用效率,同時(shí)也增加了各種業(yè)務(wù)部署的靈活性,最終通過(guò)云調(diào)度系統(tǒng)來(lái)協(xié)調(diào)各種業(yè)務(wù)的使用和遷移。最后,低碳節(jié)能對(duì)新一代數(shù)據(jù)中心越來(lái)越重要,在這方面有突出表現(xiàn)的產(chǎn)品將會(huì)格外得到用戶的青睞。
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本文標(biāo)題:基于虛擬化的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心整體解決方案
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