VMware虚拟化技术在石化生产监控系统中的应用

李旭初

【摘要】生产监控系统是用于制造过程的实时信息管理系统，能够采集、存储并发布装置运行、设备工况、污染源监控等各类过程数据。本文以中石化生产过程的监控系统为背景，对现有的数据采集服务器应用虚拟化技术进行设计，通过分析运行数据，采用VMware虚拟化技术可以大幅度加快服务器的部署速度，缩短监控系统的故障恢复时间，提高设备的利用率，实现生产过程的集中化管理、降低成本和节约资源。

【关键词】虚拟化;VMware;生产监控系统

引言

随着石化企业信息化的建设，生产实时监控、SMES、Orion、LIMS等各种信息系统不断增多的情况下，必须不断的增加新的服务器，以满足持续增长的服务与应用的需求。这一现象引起了服务器的利用率和可管理性等多方面的问题，在这样的背景下实现监控系统服务器的虚拟化是非常有必要的。

1.虚拟化技术

1.1 虚拟化的概念

虚拟化是指计算元件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行。虚拟化技术可以扩大硬件的容量，简化软件的重新配置过程。CPU的虚拟化技术可以单CPU模拟多CPU并行，允许一个平台同时运行多个操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。

1.2 服务器虚拟化

针对不同的用户群、不同需求开发不同的软件产品，服务器应用主要有ESX Server和GSX Server。根据ESX Server和GSX Server在结构、性能和方便性上的不同，决定其在服务器管理中的应用。VMware的虚拟化技术可以使企业将从前需要在多台服务器上运行的应用系统整合在一台服务器上工作，其硬件实际使用率从15%提高到70%，并在几乎不中断服务的情况下，自动完成服务器间数据和功能的镜像迁移，甚至在非常短的时间内完成数十台虚拟服务器的数据备份工作。

2.石化生产监控系统

2.1 石化生产监控系统的概念

石化生产监控系统涵盖了三十个生产装置的实时数据，通过生产数据采集系统与各类装置的DCS、PLC等现场控制系统的连接。为达到隔离防护的安全要求，生产数据采集系统往往采用“一个数采一台服务器”的模式。

2.2 虚拟化石化生产监控系统组成架构

本监控系统构架采用VMware ESX构建虚拟服务器：在一台Dell R610服务器上创建多个虚拟机，安装操作系统后进行必要的网络和安全配置，成功实施后生成虚拟机模板，将该模板导入另外一台R610服务器即可完成虚拟机的备份。任何通过ESX创建的虚拟机均可导出模板作为整个系统的备份，大大缩短了建立容灾系统的时间。

3.虚拟化技术在石化生产监控系统中的实现

3.1 VMware虚拟化产品的选择

通过对比VMware这两种产品做了大量的实验。在测试中发现，如果要在生产系统上实现虚拟化，GSX虽然基于Windows宿主操作系统平台，但受微软分时操作系统的影响，其使用效率较低，并且GSX受限于宿主平台，无法对硬件服务器进行资源的规划和管理。

VMware在ESX Server的产品系列中，划分了收费的ESX和免费的ESXi两种版本。ESX版本虽然可以通过vSphere软件进行管理，达到多虚拟服务器集群间的负载均衡以及动态切换等功能，但费用较高，其标准版ESX套件需要4万人民币，还必须强制购买一定的技术服务费;另外，ESX版本安装后占系统资源较大，安装后的裸机启动需要2.0GB的内存空间，因此从成本角度考虑，本次实施采用了VMware新发布的ESXi Server 5.0版本。

3.2 生产监控系统服务器虚拟化的设计

3.2.1 资源池的设计

资源池是单个主机或群集CPU及内存资源的分区。资源池分为分层的和嵌套的两种。用户可以将任何资源池划分为较小的资源池，以进一步划分资源并将其分配给不同的组或用于各种不同的目的。

其具体过程分为两步：

（1）建立一个“数据采集”的资源池;

（2）从“数据采集”资源池中，再建立较小的资源池预留给相应的装置数采系统。

此种资源池的设计优势为：可以动态更改资源分配策略。当数据采集服务中断恢复后，可对资源池进行动态更改，而不必关闭与之关联的虚拟机。

3.2.2 虚拟网络的设计

vSwitches虚拟环境内部和外部网络之间的关系：虚拟环境提供了与物理环境类似的网络元素。这些元素包括虚拟网络接口卡（vNIC）、vNetwork标准交换机（vSwitch）、vNetwork 分布式交换机（dvSwitch）和端口。

与物理机一样，每个虚拟机都有一个或多个vNIC。客户机操作系统和应用程序通过常用的设备驱动程序或VMware用于虚拟环境优化的设备驱动程序与vNIC进行通信。在虚拟机外部，vNIC有自己的MAC地址和一个或多个IP地址，并与物理网卡一样遵守标准以太网协议。

虚拟交换机的工作原理与二层物理交换机一样。每台服务器都有自己的虚拟交换机。虚拟交换机的一端是与虚拟机相连的端口组，另一端是与虚拟机所在服务器上的物理以太网适配器相连的上行链路。虚拟机通过与虚拟交换机上行链路相连的物理以太网适配器与外部环境连接。

虚拟交换机可将其上行链路连接到多个物理以太网适配器以启用网卡绑定。通过网卡绑定，两个或多个物理适配器可用于分摊流量负载或在出现物理适配器硬件故障或网络故障时提供被动故障切换。

由于现今主流的服务器均配有4个以上的网络接口，在做虚拟化实施时可以考虑在ESXi端对网卡进行聚合绑定。我们将2个或多个连接聚合在一个vSwitch上。在提高网络流量的同时，保证硬件设备的故障不会对数据通讯造成影响。

3.2.3 虚拟存储的设计

对于每个虚拟机内的应用程序和客户机操作系统，存储子系统显示为与一个或多个虚拟SCSI磁盘相连的虚拟SCSI控制器。虚拟机只能发现并访问这些类型的SCSI控制器，包括 BusLogic并行、LSI逻辑并行、LSI逻辑SAS和 VMware 准虚拟。

虚拟 SCSI 磁盘通过数据中心的数据存储元素置备。数据存储就像一个存储设备，为多个物理主机上的虚拟机提供存储空间。

数据存储抽象概念是一种模型，可将存储空间分配到虚拟机，使客户机不必使用复杂的基础物理存储技术。客户机虚拟机不对光纤通道SAN、iSCSI SAN、直接连接存储器和 NAS 公开。

4.VMware虚拟服务器的运行效果

通过将原有的三十台服务器虚拟化整合，部署在四台硬件服务器Dell R610（双核E5520*2，24GB，千兆网卡*4）上，并经过一年的运行测试，虚拟化的服务器运行cpu和内存的使用率都得到很大的提高。

使用SSH或telnet连至ESX主机后台，通过性能测试esxtop命令可查看当前硬件服务器CPU、内存、存储适配器、虚拟机存储器、网络等关键负载的实时数据。CPU的负载通过ESX的性能测评工具，运行命令esxtop，监控系统的实时数据，1分钟、5分钟、15分钟的平均负载均小于0.05（VMware官方文档在虚拟化设计文档中对CPU负载要求小于1.0）。

5.服务器虚拟化的优势

通过虚拟化整合，三十台2U的机架式服务器原先需要占用四个机柜，而现在通过四台2U（其中一台为冷备）服务器，即可在机房中腾出大量的空间。原先消耗在三十台服务器上的电源、空调成本，也随着设备整合而大大降低。

（1）提供设备利用率

原有的生产数据采集服务器，由于其功能上仅仅需要实现对现场控制系统的实时采集、存储和转发功能，其CPU、磁盘、网络等负载指标均保持在3%-5%左右，设备处于超低负载运行。而通过虚拟化整合后，物理服务器的综合负载指标达到了50%-70%，不仅提高了设备的使用效率，而且依然能完全满足每个生产数据采集业务的实时要求。

（2）增强系统的安全和可靠性

ESX是基于微linux内核设计，在安全性上较Windows平台无论从自身的可靠程度，以及应对木马黑客攻击的角度来说，更为安全和可靠。ESX将应用服务器虚拟化，脱离了应用系统与底层硬件设备的连接，使其在灾难备份和系统冗余切换等角度上，为IT运维人员提供了一个方便、快捷的应对方式。

（3）减少IT业务的综合运维成本

采用并实施虚拟化服务器对现有数采系统进行整合后，无论从企业的人力资源还是企业每年花费在服务器维保、备品备件管理方面，机房及其配套的空调、电源方面，其成本均有大幅度的降低。

参考文献

[1]杨先杰.利用虚拟机技术进行服务器整合的应用和研究[J].电力信息化，2007，5（11）：76.

[2]vSphere Resource Management Guide.VMware.

[3]vSphere Monitoring and Performance Guide.Vmware.

[4]都广斌.基于服务器虚拟化的云计算平台研究[D].西安：西安电子科技大学，2010：13-23.

[5]蔡志平，陈彬，肖侬，等.虚拟计算环境中的虚拟网络[J].计算机工程与科学，2008，30（11）：1-8.

[6]李志清，沐士光，邹国忠.基于虚拟机技术的虚拟网络实验平台构建[J].玉溪师范学院学报，2009，25（8）：53-55.

[7]刘羽.VMware 环境下的集群搭建与应用[J].计算机时代，2006（4）：46-47.

[8]王立莹，王俊芳，曹琨，等.VLAN 及在千兆以太网MAC中的实现[J].无线电工程，2010，43（1）：1-3.

[9]李佳.基于VMware 软件的虚拟化架构及企业解决方案简析[J].计算机与网络，2011，37（1）：67-69.