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基于VMware的私有云数据中心研究与实现

2017/7/20    来源:四川广播电视大学    作者:佚名      
关键字:VMware  数据中心  
通过将分布在多台物理机器上运行的程序部署到虚拟机上运行,不仅可以节约硬件设备成本,提高资源利用率,简化管理难度,而且通过虚拟机之间相互隔离,还可以有效提高系统可靠性和安全性。文章阐述了方案的规划背景、设计思路和实施方法,并展示了实际的运行效果。最后,也对下一步方案的改进方向做出了说明。
    1 概述
 
    随着高校信息化建设的不断发展,学校数据中心的网络设备和服务器数量变得越来越庞大,网络配置、计算资源和存储资源配置越来越复杂,管理成本和运维成本也越来越高昂。据统计,四川广播电视大学(以下简称“四川电大”)的服务器或虚拟机的增长数以每年几台、十几台的数字递增。在服务器数量增加的同时,机房基础设施配套也必须随之跟进,如服务器机柜的数量、设备的电力需求、空调制冷量随之增加。但因为相关的信息系统和教学软件对硬件和软件的要求不尽相同,我们在实际调查中发现,由于种种原因,绝大部分的服务器资源长期处于空闲状态,甚至有些服务器的利用率不到10%。
 
    传统的IT基础架构比较笨重,操作系统直接安装在物理设备上。为了应对可能出现的软硬件故障,系统和业务的可用性、稳定性、连续性、健壮性都需要付出较高的时间和经济成本来维持。而虚拟化技术除了在提高资源使用率和减低管理成本方面有着不可比拟的优势,其在可靠性、灵活性和安全性方面也有独树一帜的特长。以前硬件维护需要之前的数天/周的变更管理准备和数小时维护窗口,采用虚拟化技术后可以进行零宕机硬件维护和升级;采用虚拟化技术后可以将所有服务器作为统一资源池进行管理,并按需自动进行动态资源调配,无中断的按需扩容,实现应用系统在业务高峰期的稳定、可靠表现;现有的分散在校区的办公电脑型号各异,部署麻烦,管理困难,维护复杂,难于保障安全性和可靠性。如果采用VMware的虚拟桌面解决方案[1],则可以实现高度集中化管理,确保高可靠性及安全性,部署方便,易于维护。
 
    同时,虚拟化技术是实现私有云建设的基础。私有云的架构可为通过标准化和整合的数据中心实现高度可用的应用和服务奠定基础。借助私有云,对IT运维实施智能控制,以及快速调配应用并实现持续监管。凭借私有云的自动业务连续性以及虚拟化感知安全性和合规性,为应用系统提供最高级别的可用性。
 
    2 问题分析
 
    四川广播电视大学的数字化校园建设起步于2000年左右,其间经历了2005年和2010年两个大的发展期,网络规划从单核心链路到双核心链路,服务器由几台发展到上百台,信息系统或网站由数个到上百个。作为学校转型发展中的信息化规划和实施单位,为学校教学科研和办公信息化提供可靠的软硬件环境是重点。因此,大量的计算资源和空间资源管理对信息技术中心提出了更高的要求,无论从网络资源、计算资源、存储资源和管理实施办法都需要系列的可靠性要求。目前我校在硬件资源管理上主要面临的问题有:
 
    (1)服务器数量较多,但计算资源应用分布不均衡。高峰期上线的应用较多且需要占用大量网络资源和计算资源。由于网络调整和系统规划的复杂性导致信息系统的上线过程环节较多,实施过程和配置较麻烦。
 
    (2)各个系统运行互相影响。在硬件设施发生故障时,需要重新配置软硬件运行环境耗时较长,成本过高,对业务系统的用户影响较大。如果是在一套硬件环境下部署安装了多个应用系统,多个应用系统之间因为资源争用可能会引发硬件故障;如果因为某个应用进程挂死或修改配置后需要重启硬件时,也会导致其他正常运行的应用无法提供服务,影响用户感知。传统的消除这类影响的方式是不断地购置新的服务器,将各个应用分别部署到单独的服务器上,这种方式资源利用效率低,浪费大。
 
    (3)应用系统单机运行风险高。因为信息化经费相对不足,业务应用往往部署在单机上运行,即使是重要的业务系统也很难做到双机热备和在线容灾。一旦服务器出现故障,系统就将停止使用,等待硬件故障修复后才能恢复服务。而修复故障的周期无法有效控制,如果出现数据损坏或丢失,耗时则更加漫长,损失则更加巨大。另外,日常的维护工作中如果出现问题,影响也非常大,风险也非常高。
 
    (4)应用系统的备份和恢复困难。应用系统的运行环境往往比较复杂,比如包括前端应用、中间件、数据库等各个组件,对于这些组件进行完整备份比较困难。特别是进行恢复时则面临更高的技术复杂性,往往简单恢复后系统不能正常运行,还需要大量的调试工作。
 
    (5)网络规划和存储规划计划性不足。为单台服务器配置相关的网络和存储空间造成了网络资源和空间资源的极大浪费,也带来运维的诸多困难,不利于网络资源、计算资源和存储资源的分离。
 
    3 方案设计
 
    通过对四川电大数据中心建设中存在问题的总结与分析,我们计划利用虚拟化技术来解决上述问题,并基于VMWare vSphere虚拟化软件实现硬件资源的集成和整合[2],将原先部署在多台物理服务器上运行的应用程序,移植到在资源池中的虚拟机上运行,不仅可以节约成本和降低能耗,提高基础设施利用率,简化管理复杂度,而且通过在虚拟机之间设置“隔离带”,还可以有效提高系统的安全性,减少互相之间的不良影响。
 
    3.1 服务器虚拟化
 
    服务器虚拟化是将服务器的物理资源进行集成和整合,并进行逻辑抽象。将一台或若干台物理服务器的CPU、内存、磁盘、输入输出、外围设备等硬件设施转变为可以灵活管理、动态拔插的资源池,再组装成一台台互相隔离的虚拟机提供服务,从而提高基础设施利用率,简化管理复杂度,使数据中心更加适应业务的变化。
 
    VMware vSphere是业界领先的虚拟化平台,包括vCenter Server、vStorage、vMotion、DRS、HA、ESXi Server、Application等组件,可为业务敏捷性提供强大、灵活且安全的基础,以促进向云计算进行数字化转型并在数字化经济中取得成功。vSphere通过以下方法为现有应用和新一代应用提供支持:(1)简化的客户体验,用于实现自动化和大规模管理;(2)全面的内置安全性,用于保护数据、基础架构和访问;(3)通用应用平台,用于在任何地方运行任何应用。利用vSphere,客户现在可以在常用的操作环境下,跨云环境和设备运行、管理、连接以及保护其应用。在本设计方案中,我们首先从现有的服务器中选择了15台HP同型号的X86服务器通过vSphere搭建了服务器集群,并配置成可动态管理的虚拟机资源池,然后将数字化校园的各类应用系统都部署至不同的虚拟机上,每台虚拟机的操作系统和应用环境都与原运行环境保持完全一致。
 
    通过VMware vSphere实现服务器虚拟化后[3],多个操作系统可以作为虚拟机在单台物理服务器上运行,并且每个操作系统都可以访问底层服务器的计算资源,从而解决效率低下问题。接下来将服务器集群聚合为一项整合资源,这可以提高整体效率并降低成本。服务器虚拟化还可以加快工作负载部署速度、提高应用性能以及改善可用性。
 
    3.2 存储虚拟化
 
    存储虚拟化(Storage Virtualization)将存储资源进行集成和整合,并进行逻辑抽象。通过对虚拟的存储资源池进行集中化管理,可以动态为各类应用分配存储空间,而用户不用关心底层复杂的技术实现框架和数据的实际读写路径。
 
    存储虚拟化技术创建了高效而灵活的存储池,不仅简化了虚拟机的存储操作过程,还可以直接利用存储基础架构的各项功能,为在虚拟环境中使用和管理存储系统提供了最有效的方式。以VMware存储虚拟化软件vStorage为例[4],VMware存储虚拟化技术整合了存储资源,对数据中心实施分级存储,将原先部署在一百多台服务器上的应用整合到四十多台服务器上,并在后端连接SAN存储,这种后端连接存储、多台服务器整合构成Server Farm的方式,显著地提升了服务器的可用性和可靠性。其逻辑架构如图1所示:
 
    vStorage可以有效降低虚拟环境中存储基础架构的总拥有成本,并提高管理性。vStorage结合了能够通过虚拟机最有效利用存储资源的新技术,和能够实现高度灵活兼具自我管理和自行修复功能数据中心的Virtual Datacenter OS(VDC-OS)。这些界面和程序面向所有存储厂商,使用户能够通过一套广泛的存储平台进一步简化、优化和自动化其计算基础架构。vStorage与存储厂商的产品结合使用,可实现在VMware平台和存储基础架构之间的自动切换,简化了存储操作,并实现用户存储基础架构效用的最大化。
 
存储虚拟化示意图
 
图1 存储虚拟化示意图
 
四川电大数据中心虚拟化方案拓扑结构
 
图2 四川电大数据中心虚拟化方案拓扑结构
 
    4 方案实施
 
    四川广播电视大学数据中心服务器通过虚拟化整合后的拓扑结构如图2所示
 
    服务器经虚拟化整合后数据中心的网络结构并未被改变。本次未被整合的服务器设备仍可以在原有网络中正常运行,并能与虚拟化服务器融合在一起,从网络层面构建VLAN、数据共享、业务隔离等。随着校园各类应用的不断增加,可以不断动态地扩充虚拟化集群主机规模来满足应用的需求。
 
    (1)网络资源规划。在VMware vSphere中,根据提供的服务不同,分为三种类型的通信端口:ServerConsole、VMkernel和Virtual Machine。根据实际应用需要,共规划了7台服务器的网络接口,涉及到11个IP地址和4组虚拟端口。
 
    (2)VMware ESXi安装。由于VMware ESXi是原生型架构,所以可以直接将其部署在准备好的4台HP品牌580G7型号物理服务器上。
 
    (3)VMware vCenter安装。VMware Virtual Center包括Server与Client两部分。其中Virtual Center Server主要用于管理VMware Server、VMware ESXi Server虚拟机;通过vSphere Client和web用与连接vCenter Server,对服务器端进行远程操作。
 
    5 运行效果
 
    基于VMWare的私有云数据中心设计方案已于2016年3月在四川广播电视大学落地实施,运行一年多来成效显著,不仅节约成本和降低能耗,提高基础设施利用率,简化管理复杂度,同时还明显地改善了数据中心的安全性和可靠性,实现了方案预期的设计目标。
 
    (1)资源利用率有效提高。通过整合构建资源池的方式对所有硬件资源进行统一调度,高度共享。比如CPU、内存、存储等。由虚拟主机系统模拟出操作系统运行所需要的硬件资源,操作系统运行在这些虚拟出来的硬件资源上,这样就可以达到在一个物理服务器上运行多个操作系统,同时共享物理服务器的硬件资源,提高资源的整体利用率。利用这些特性,使CPU利用率从原先的平均10%不到提高到了目前平均60%以上。
 
    (2)系统可靠性得到有效保障。利用VMware vMotion技术[5],将多台服务器构建成集群,从同一集群内划分出来的虚拟机可以在线实时迁移。如果其中一台服务器出现故障需要进行维修,则可以将运行在这台服务器上的虚拟机全部在线实时迁移至集群内的其他服务器,保证应用服务不中断,用户不受影响。
 
    (3)系统部署周期得到有效缩短。系统部署到虚拟机上时,可以通过VMware系统模板快速创建完整的应用运行环境,从而规避了传统方式下安装操作系统、升级安全补丁、搭建运行环境等操作环节。
 
    (4)管理效率得到有效提高。系统管理员不需要监控数量庞大的物理服务器,通过虚拟机管理服务器vCenter就可以管理所有宿主服务器和虚拟机,工作流程得以简化,工作效率得到了极大的提高[6]。
 
    (5)降低了数据中心能耗和运维成本。整合过程中大量的服务器被虚拟机替代,整合后数据中心的服务器问题减少为原来的1/ 10,数据中心电力消耗和空调制冷量得到了有效控制。
 
    6 结束语
 
    通过VMware vSphere虚拟化技术[7],将数据中心的服务器和存储都进行了虚拟化管理,整合构建了统一的资源池,将应用集中到虚拟机环境上,提高了资源利用率,同时可以将多余的设备断电下架,减低了数据中心整体运行成本。另外,利用VMware vMotion、HA等技术[8],虚拟机可以在硬件发生故障时自动在线实时迁移,提升了应用系统的可用性。数据中心管理人员的工作方式也发生了明显的变化,工作流程得以简化,工作效率和服务质量得到了极大的提高。
 
    下一步,我们将对方案的不足之处进行改进和完善,并重点对桌面虚拟化、网络虚拟化、应用虚拟化、连接协议标准化等方面进行研究和探索。
 
责任编辑:李欢
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