虚拟化技术在数据中心的应用

郑盛吉 武佳贺

[摘    要] 传统数据中心信息系统建设周期较长、运营成本较高，能源消耗较大，且硬件资源存在一定的闲置，彼此之间相互独立，无法共享，因此信息技术人员一直在寻找适合的方式改變运维现状。近年来，服务器虚拟化技术日趋成熟，虚拟化大幅度提高了数据中心的运营能力，提高了利用效率和成本效益，数据中心的基础架构实现了智能化和集中管理，由于虚拟化的技术优势、管理便捷和在节能降耗上的突出贡献，已日渐成为企业数据中心的主要运维管理方式。吉林石化公司也探索性完成了双节点虚拟化平台搭建，根据建设后的运行情况来看，完全实现了建设初衷。文中对传统数据中心存在的问题、虚拟化概念、技术特征、优点进行了详细的叙述，指明了数据中心的基础设施通过虚拟化技术可以更加紧密联系，扩展能力也会更自由，最后结合吉林石化公司虚拟化平台建设项目的实施过程以及最终实施效果给予实际的阐述。

[关键词] VMware;虚拟化技术;服务器虚拟化;VMware Vsphere;数据中心

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 11. 080

[中图分类号] TP311;V242.3    [文献标识码]  A      [文章编号]  1673 - 0194（2019）11- 0184- 04

0      前    言

传统的数据中心信息系统设计理念为IT资源的烟囱式设计，资源孤立和不能共享，工作负载静态管理，不能在整个基础设施架构中实时、动态调度，内部形成很多基于单个系统需要而建立起来的一个个“孤岛”，从服务器、网络和存储所有资源都与单个系统静态的捆绑在一起，成为孤岛架构的系统。在这种应用分配模式下，有些应用存在着资源严重的浪费，有些应用却面临资源的极大不足，无法进行合理的资源整合[1]。除此之外传统数据中心还存在以下问题。

（1）运营成本高。服务器设备和其他IT设备每年按比例增加，使投资成本和运营成本不断上升，运营成本包括能耗、制冷、机房空间占用等，且设备运行到一定年限，故障发生率增加，最终解决办法是对原有设备进行一对一的更换，涉及数据迁移等问题，后续的投资将会持续增加。

（2）项目建设周期长。每个业务上线之前都要进行相应的软硬件设备配置、咨询、采购、调试运行等过程，业务实现处于重复过程，建设周期被不断的延长。

（3）系统恢复耗时长。当设备故障发生时，技术人员在故障定位后，往往要花费大量的时间替换故障硬件，重装操作系统，重装应用软件，重新导入备份的数据等操作。传统的架构，恢复系统功能耗时一般在4～12个小时[2]。

（4）管理效率低下、对运维人员技术水平要求越来越高。应用系统服务器数量和类型很多，相互之间技术架构和平台差别很大，很难进行统一的管理和维护，技术人员只能被动运维管理，工作效率较低。

传统数据中心无论在运营成本和运维方式上都存在巨大的压力，提升IT资源利用率、合理分配资源、简化运维已经成为数据中心急需解决的难题。

1      虚拟化技术的提出

对于服务器资源共享，曾用单台服务器部署多个应用，但是这样部署的结果是应用之间相互影响较大，且重启服务器会导致其他应用不可用。

虚拟化技术可以实现不同虚拟机之间彻底隔离，每个虚拟机各自安装操作系统，并将底层硬件平台视为自己所拥有的资源，将传统的基础架构最小化单元从每台服务器转变成每个虚拟机。通过虚拟化软件的部署，在物理主机上运行一个虚拟化层，虚拟化层直接运行在裸硬件之上，该虚拟化层将CPU、内存、存储等资源进行虚拟化，此时服务器物理资源抽象成逻辑资源，根据需要进行分配，利用这种特性可以将不同操作系统的应用服务同时提供给用户，也就是说同一台服务器可以提供Windows Server 2012，Windows Server 2008以及Linux等操作系统，也能方便地实现对旧系统应用程序的支持，延长软件的生命周期，提高对服务器的利用率，即实现了将硬件服务器进行逻辑层面上的划分和整合[3]。

虚拟化技术确保整个平台的可用性和安全性，并针对应用和访问量进行灵活部署，集中管理方面通过Vcenter（管理中心）可以对多个服务器上的数百个虚拟机进行统一界面上的管理，从而实现资源集中管理的虚拟化应用平台[4]，为数据中心部署提供更灵活的实施方案，适用于企业信息化建设与发展[5]。

2      虚拟化技术的特征

虚拟化技术可以合理地分配资源池，也能够将大量异构服务器的差别做相应的处理，配置相应规模数量的物理CPU、内存、网卡、存储，能够使每一台物理服务器上都会运转可以动态改变的虚拟机，且多台物理服务器之间采用高可用性（HA）的原则，一旦某一台物理服务器出现故障，可在具有备用容量的其他生产服务器中自动重新启动受影响的虚拟机，从而最大限度地减少因服务器和操作系统故障造成的停机，提高整个基础架构范围内的保护力度。对于硬件维护也可进行无业务停顿的维护，实现方式是将一台物理服务器上运行的虚拟机迁移到另外一台主机服务器上，这样在不影响业务的前提下对虚拟化主机（物理服务器）进行维护。虚拟机的活动内存和执行状态通过高速网络快速从一台服务器传输到另一台服务器，对虚拟机磁盘存储器的访问被即刻切换到新的物理主机， 实现无缝迁移[6]。

虚拟化技术下运行维护信息系统的优点：

（1）虚拟化后物理服务器，数量大幅度减少，整体计算性能利用率提高，数据中心运维管理成本得到有效控制。

（2）传统的应用采用一对一的模式，即大部分为单点业务结构，单点架构会由于硬件故障导致业务系统停顿，虚拟化后的信息系统底层的物理服务器具有HA架构，可以有效地减少单点故障率的发生。

（3）缩短信息系统建设周期，整个虚拟化平台建设完成后，如果需要部署新应用时，直接在计算资源充足平台里直接创建虚拟机，快速实现信息系统上线。

（4）统一管理窗口，虚拟化环境中的所有主机、虚拟机都可在管理中心界面下管理，简化了管理流程，提高数据中心管理效率。

虚拟服务器产品能够以较少的物理服务器服务较多的信息系统，从而达到节约成本，节省资源，扩大公司IDC 的服务能力，既实现收益的增加，也达到绿色环保，可持续发展的要求[7]。

3      吉林石化虚拟化平台项目实施

结合公司信息系统建设的实际需求，制定了服务器虚拟化技术的实施方案。实施方案共解决吉林石化信息系统两方面的问题。一是将新规划建设的信息系统直接部署在虚拟化环境中，实现资源合理分配等需求。二是利用虚拟化技术提供的迁移工具，将财务等重要应用系统迁移至虚拟化环境中，待物理生产系统出现故障后，在虚拟化环境中启动虚拟机接管业务，从而构建重要信息系统的应用级容灾环境。

3.1   虚拟化平台架构设计

吉林石化公司虚拟化平台技术采用VMware公司vSpere解决方案。将VMware ESXi Server分别部署在2台物理服务器裸机上，利用服务器虚拟化技术将物理服务器硬件资源分配给多个虚拟服务器。为保障物理链路冗余，每台物理服务器配置两块冗余HBA卡连接至两台冗余光纤交换机，同时每台服务器采用双网卡数据上联至数据交换机，物理服务器采用千兆内网连接，以增强数据传输速率及故障切换速度。

文件共享方式采用SAN集中存储架构，将每个虚拟机文件系统创建在共享的SAN集中存储阵列上，由于VMware的虚拟架构系统中的虚拟服务器实际上是被封装成了一个个文件，通过将这些文件放在SAN 存储阵列的VMFS 文件系统中，让不同服务器上的虚拟服务器都可以访问到该文件，不同虚拟服务器可实现互相热备，一台虚拟服务器故障，其上的应用可及时转移到另一台虚拟服务器，这样就实现了通过虚拟服务器共享硬件资源、提高硬件利用率、消除单点故障、提高系统高可用性和安全服务级别[8-9]，虚拟化平台的拓扑图如图1所示。

3.2   实际部署情况

针对公司重要信息系统的容灾需求情况和新建信息系统的要求，评估物理服务器的需求和性能，本方案采用两台高性能的PC服务器，每台物理服务器規划建设20个虚拟机。

（1）硬件配置。采购2台高性能PC服务器（配置为2颗12核Intel CPU E5 2600V4处理器、256 G内存），本地硬盘300 G×2及相应的集中存储EMC-VNX5600 10 T存储空间。

（2）软件配置。采购VMware vSpere 5.5虚拟化标准版套件，包括VMware vSpere 5.5软件及vCenter虚拟化集中管理控制平台。VMware vCenter 是一套虚拟架构的管理软件，可以使用单点控制台管理上百台服务器，维护界面统一、简洁。

3.2.1   应用系统的创建

虚拟机的配置需求需要根据系统同时在线人数评估，和物理服务器配置需求方式一致，再进行合理的资源划分，硬盘及内存过大的分配将造成资源的浪费。为保证两台物理服务器能互为冗余，每台服务器的内存使用一半，保证在其中一台物理服务器出现故障时，该台物理服务器运行的虚拟机能全部正常切换到另一台物理服务器上运行。虚拟机磁盘选择有三种，包括：①厚置备延迟置零磁盘。优点是磁盘性能较好，时间短，适合于做池模式的虚拟桌面。②厚置备置零磁盘。适合于运行繁重应用业务的虚拟机。③精简置备。适合于对磁盘I/O不频繁的业务应用虚拟机。根据业务系统的不同需求选择虚拟机磁盘模式。

具体部署过程每台物理服务器上分别安装VMware vSphere标准版软件，将单个物理服务器虚拟成多个虚拟服务器，而每一台虚拟服务器从性能、功能和操作方式上，与传统的单台物理服务器等同，装完软件后用VMware client连接物理服务器，在管理界面内创建虚拟机并安装vCenter后，建好群集并添加两台物理服务器节点，之后就可以自由的创建虚拟机了。操作系统可以制作模板，当新虚拟服务器需要安装同样的操作系统时，只需要使用模板生成虚拟机即可，无需进行操作系统的重复安装。

虚拟化环境可以随时规划要上线的应用系统，对于上线后的生产系统会持续监测，当发现虚拟机上运行的系统CPU和内存使用率过高，对于Windows Server 2008及以上的操作系统，会采用在线添加方式为虚拟服务器添加相应的CPU和内存，并不影响应用系统使用，而磁盘空间也可以随时增加，只要集中存储有可用空间即可。

3.2.2   重要信息系统迁移

容灾虚拟机使用VMware自带迁移工具VMware Vcenter Converter Standalone实现迁移。迁移过程大多数情况较为顺利，需要输入原服务器和目标服务器的用户名、密码、IP等信息，系统可自动完成迁移。需要注意的是迁移的卷最好采用精简模式，Linux服务器需要手动配置虚拟网络等信息。当然有些系统迁移过程会遇到各种报错，需要分情况进行处理。迁移后的容灾虚拟系统需要经过相关业务人员测试后验证与生产系统一致，将容灾虚拟机进行关机处理，当生产服务器出现故障，再行开启容灾虚拟机接管业务，保证关键业务系统快速恢复。

4      应用效果

目前石化公司已经完成虚拟化基础平台的建设，从运行情况来看，虚拟化平台运行良好，虚拟化技术的应用改变了传统的应用运行模式，实现了建设的初衷，主要表现在：

（1）减少了机房服务器数量，全面提高服务器的资源利用率。原计划新建8个应用系统，需要采购至少8台服务器，部署虚拟化软件后需要采购的物理服务器减少为2台，实现在少量物理服务器上运行多个虚拟服务器方式。对于传统的服务器应用方式，通常服务器的平均利用率在5%～15%之间，而采用虚拟架构整合后，服务器的利用率尤其是内存利用率已达到50%，充分利用了服务器的资源，减少资源闲置和浪费。

（2）解除软件和硬件的互相依赖。传统的部署方式每台服务器对应一个操作系统和应用程序，软件硬件紧密地结合，在同一主机上运行多个应用程序通常会遭遇冲突，低版本的程序很难在新服务器上部署。虚拟化物理隔离技术打破了操作系统和硬件的这种依赖关系，通过封装到虚拟机的技术，管理操作系统和应用程序为单一的个体，和底层硬件没有任何依赖关系，即使是版本很低的应用程序仍可通过虚拟机形式部署在最新的服务器上[10-11]。

（3）提高业务系统的高可用性。传统应用多为单一服务器部署，只有极少数的重要系统会采用群集部署方式，这种部署难以保障系统连续运行，在设备出现故障后，会导致业务系统的停顿，而虚拟化的HA技术可保证单台设备故障，会在虚拟化冗余服务器阵列里在另外一台服务器里迅速恢复，以此提高业务系统高可用性。

（4）降低运维成本。控制和减少物理服务器的数量，明显提高每台物理服务器及其CPU的资源利用率，从而降低硬件成本。同时，降低运营和维护成本，包括数据中心空间、机柜数量、电力消耗，冷气空调和人工成本等。

（5）简化运维工作。数据中心的管理从原来的多线管理变成了统一管理，简化了服务器管理人员的工作量，提高了数据中心的响应能力。

5      结    论

此次项目实施利用虚拟化技術实现对服务器整合，将两台服务器作为统一的资源进行管理，有效减少了服务器的数量，提高了单台服务器的利用效率，加快了新系统部署进程，合理控制了机房电力、空调等资源的消耗，简化了维护管理，同时对其他重要应用系统实现了应用级的容灾，提高了公司整体信息系统的运行连续性。

未来几年信息系统运维部门将继续开展基于虚拟化技术的基础设施的工作部署，继续深入发掘虚拟化技术的优势，促进企业信息化建设的发展，也为今后新建项目统一规划、全局信息化水平的提高打好坚实的基础。

主要参考文献

[1]陈瑜.浅谈服务器虚拟化技术的应用[C]//电力行业信息化优秀论文集，2013：431-432.

[2]蔡文检.浅谈VMware虚拟化服务器的构建与应用[J].信息与电脑，2011（6）：46.

[3]王小平，张成志，赵昀飞.虚拟化技术在企业的应用[J].电脑知识与技术，2010，6（28）：7960-7961.

[4]薛丽美，米琦.计算机虚拟化技术在IDC的应用[J].信息技术，2014（29）：75-76.

[5]杨波.浅谈虚拟化技术在煤炭企业数据中心中的应用[J].河北煤炭，2012（2）：60-64.

[6]刘华.服务器虚拟化技术在企业中的应用[J].计算机工程应用技术，2012，（8）：1929-1932.

[7]王淑江.虚拟技术应用与实践[M].北京：电子工业出版社，2009.

[8]谭文辉.利用VMware实现数据中心服务器虚拟化[J].舰船电子工程，2008（6）：156-159.

[9]程利先.服务器虚拟化在企业中的应用[J].企业技术开发，2011，30（11）：102-105.

[10]由海涌，姜达，侯昭宇.虚拟化技术在新一代云计算数据中心的应用研究[J].电子技术与软件工程，2014（12）：221.

[11]刘瑶.服务器虚拟化在企业的应用研究[J].计算机光盘软件与应用，2012（1）：63-65.