虚拟化的云端数据中心设计与负载均衡实现

葛云峰

摘要：随着计算机技术的飞速发展，互联网的应用越来越广泛，传统模式下的信息交换中心数据日益膨胀，已经不能满足安全处理和安全存储的要求。能耗合理、资源利用率高、良好的平衡体系的云计算合理地解决了这些问题。传统的数据中心棘手的问题得以解决，现在的数据中心将以云计算问基础，并将是一个发展新趋势。该文从现在信息化的应用需要为出发点，将考虑到云计算中的虚拟化和海量的处理、虚拟化在云计算中的应用等多方面因素考虑，给出了一个基于虚拟化云的数据中心设计、其中集群化非关系数据库负载均衡器的实现。

关键词：云计算；虚拟化；负载均衡

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）34-0008-02

Abstract： With the rapid development of computer technology， the Internet is more and more widely， the exchange of information under the traditional model of the data center is increasingly expanded， can not meet the safe handling and safe storage requirements. Rational energy consumption， resource utilization is high， well-balanced system of cloud computing and reasonable solution to these problems. Traditional data center thorny problem is resolved， the data center will now ask the cloud base， and is a new development trend. From the application of information technology now needs as a starting point， will take into account the cloud virtualization and mass processing， virtualization applications in the cloud， and many other factors to consider， it gives a virtualization-based cloud data center design， where a cluster of non-relational database load balancer implementation.

Key words： cloud computing， virtualization， load balancing

1 云计算的关键技术

虚拟化：虚拟化技术是将计算机的硬件资源或软件环境进行逻辑化，消除物理限制，从而使得资源的使用更加容易。要实现计算机硬件部分的资源整合，可以在虚拟化技术的支撑下，通过虚拟化的技术来实现旧计算机硬件和新计算机硬件统一，然后再来进行统一的调度和管理。

资源的调度：云计算是根据需要来分配的一种服务的模式，用户缴纳相应的费用后可以提出申请访问资源，确认后就可以使用，但是对于那些云服务商们来说，云服务的效果好坏，直接与计算机的物理资源调度的策略好坏有着很重要的关系。忙时的资源调配怎样来处理，正在执行任务的时候硬件出现了故障，通过合理的资源调度，能保证及时获得资源，并且快速地迁移。

海量数据处理：随着社会的发展，计算机技术不断进步，计算机硬盘的容量的大小已经不是突出的问题了，网速带宽的再次扩大，应用数据大小也在不断，海量存储能有效地提供优质的服务。很多研究者也对海量数据处理方面进行了研究，先后开发了计算模型River等计算方法。

数据的分布式存储：因为信息的交换量越来越大所以其存储的空间需要也就越来越大，考虑到成本等要素，目前数据存储空间不足的问题一般情况下是采用分布式存储的方法来解决的。就是数据有效存储在多台数据存储服务器上，使得信息安全和完整得到有效的保障。分布式数据存储是目前比较好的数据存储选择，云计算解决存储问题的关键技术就是分布式存储。

2 虚拟化在云计算中的应用

CPU虚拟化：把机器上安装的CPU 通过虚拟化的技术分成了多个CPU。CPU多核技术的发展，每一个物理核度可以处理一个虚拟的CPU指令。CPU的虚拟化通过全虚拟化和半虚拟化两方式来种实现。在X86计算体系下，处理器有Ring0-3四个级别，随着级数增加其运行权限而递减，在命令运行的级别上全虚拟化和半虚拟化有一定的区别，具体见图1。

内存虚拟化：在内存不够用的时候，有效地把内存系统全部统一起来，用外存或者虚拟化成内存来补充不够的内存，从而实现调用。通过虚拟机管理器监视来监控内存使用情况，保证了一个虚拟机在访问内存的时候，该段的内存有一个虚拟机在独占。这时候虚拟机看到内存实际上不是真实的内存，而是一个正由管理器监视着的虚拟内存，虚拟内存的具体访问过程如图2。

存储虚拟化：存储技术的地位在虚拟化的技术中越来越重要。虚拟存储技术的发展，不但要能对相应容量的存储空间模仿，还要能尽量保证其基本属性，以达到足够的访问速度在存储管理方面也要做到足够的优化。目前成熟的存储虚拟化技术是在NAS、SAN和RAID等。

网络虚拟化：要很好地保护局域网的安全，可以使用虚拟局域网。很多虚拟交换可以通过虚拟化平台来进行，这就形成了在虚拟机之间的虚拟网络。

3 虚拟化平台及数据库集群的设计

（1）系统总体设计

对于整个数据中心的组成主要分为以下几个部分：接口层、系统应用管理层、资源池层、物理层。如图3。

物理层，为整个系统提供基础设备支持。资源池层，主要是计算资源、外存资源、网络资源。系统应用层负责数据的存储、操作和管理等。接口层，是整个系统的对外窗口。

（2）节点设计

管理节点对于数据库集群是相当重要的，因为数据库集群是由多个节点来共同运行的，根据不同类别的数据库集群的优势，本文中管理节点采用的是同时具有异构数据库集群和管理系统中数据库网关功能的方式。存储节点主要的功能是除了能基本的数据存储能力，还需要对存储节点进行故障监控，出现问题必须立即向管理节点来反馈。集群节点间的应对关系如图4。

4 负载均衡设计

在集群出现部分节点任务过多，而一部分节点则基本没有任务的情况，集群中缺少合适管理的可能性很大。负载均衡器是解决这个问题的最好的解决方案。图5是本文集群负载均衡器的模块组成。

负载均衡器的主要由任务处理、负载信息分析、负载信息获取三个模块组成。任务处理模块主要任务是接收客户端的任务，等待负载分析模块得到的分析结果，再向相应节点发送任务处理信息。负载均衡器的核心模块是负载信息分析模块，主要任务是负责先对负载算法进行选择，然后对获得的各节点负载进行分析，选择出当前负载最低的节点，并通知任务处理模块进行任务分配。负载信息获取模块任务是将收到任务处理模块的有关任务处理的消息后，会向数据库节点发送索取当前节点的负载信息的消息，通过运行各节点上的负载信息读取模块，最终将获取的信息交付给分析模块。

5 总结

分析了云计算的优势，结合虚拟化、分布式存储、资源调度、海量数据处理以及数据中心的和负载均衡器的设计，很大程度上避免了资源利用率低的问题。

参考文献：

[1] 乔鑫.云起云落.科技浪潮.

[2] 刘同.负载均衡技术在数据库集群系统中的应用与实现.国防科技大学.