虛擬化在公共圖書館的應(yīng)用研究——以深圳圖書館為例

●成 星（深圳圖書館，廣東 深圳 518026）

1 引言

虛擬化技術(shù)是目前整合管理服務(wù)器群的最優(yōu)技術(shù)，其工作原理是在一臺服務(wù)器上虛擬出多個虛擬機，或者多臺服務(wù)器的資源集中生成一個虛擬機，使一臺物理服務(wù)器完成多個不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用。該技術(shù)能夠提高機器利用率、靈活遷移應(yīng)用系統(tǒng)以及安全備份與恢復(fù)數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)與應(yīng)用的高安全性，因此是深圳圖書館解決隨著服務(wù)器的增長而帶來管理壓力的有效方法。[1]

2 VMware應(yīng)用可行性分析

目前深圳圖書館（以下簡稱“深圖”）的IT設(shè)備配置高端，功能開發(fā)齊全，且業(yè)務(wù)應(yīng)用豐富，業(yè)務(wù)和服務(wù)器數(shù)量都已突破70個。這些業(yè)務(wù)應(yīng)用，由于其對服務(wù)器的要求各不相同，比如操作系統(tǒng)、系統(tǒng)硬件兼容性以及軟件開發(fā)平臺等，所以只能單獨為其配置服務(wù)器。這樣一來，服務(wù)器數(shù)量將直線增加，增加的不僅是購置成本，同時也增加了管理壓力，降低了設(shè)備的利用率。因此，單靠增加服務(wù)器已經(jīng)不能適應(yīng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的快速發(fā)展。

2.1 服務(wù)器應(yīng)用現(xiàn)狀

深圖的硬件系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器與存儲、PC及周邊設(shè)備三大塊組成，軟件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫及多個業(yè)務(wù)子系統(tǒng)組成。其中服務(wù)器數(shù)量隨著業(yè)務(wù)量的不斷增加直線上升，作為業(yè)務(wù)平臺和數(shù)據(jù)庫后臺的強大支撐，服務(wù)器合理的管理和使用尤為重要。下表為目前服務(wù)器配置使用情況（AIX系統(tǒng)暫不做統(tǒng)計）。

表統(tǒng)計顯示：深圖共有73臺服務(wù)器，其中2臺閑置。60臺為Windows/Linux/Unix系統(tǒng)，11臺為AIX系統(tǒng)（對于AIX系統(tǒng)，建議采用IBM PowerVM進行虛擬化，本文只討論非AIX的虛擬化過程）。60臺從功能上又劃分為測試編譯用機（8臺）、核心業(yè)務(wù)用機（其中包括核心熱備用機，19臺），24小時對外業(yè)務(wù)用機（16臺），專業(yè)數(shù)據(jù)庫資源用機（12臺），內(nèi)部辦公業(yè)務(wù)用機（5臺）五大類，業(yè)務(wù)應(yīng)用共52個。如此龐大的服務(wù)器群，在使用和管理過程已出現(xiàn)諸多問題。

表 深圖服務(wù)器使用率統(tǒng)計表

另有11臺AIX系統(tǒng)服務(wù)器，2臺閑置服務(wù)器

2.1.1 硬件成本高且利用率低

新增設(shè)備的費用逐年增加；大部分設(shè)備已超過廠家維保期限，由經(jīng)銷商承保，維保費用居高不下；部件已開始損壞，進入老化期，配件成本高；占用機房空間大，增加了機柜、網(wǎng)線、電量和人工成本；由于一臺服務(wù)器只能運行一個應(yīng)用，因此CPU、內(nèi)存、硬盤空間的資源利用率大都不超過20%，相反有些系統(tǒng)需要大量的資源來提升業(yè)務(wù)速度但本地資源不夠用，資源不能充分調(diào)配而被閑置。

2.1.2 可維護性差

由于服務(wù)器數(shù)量多，機柜空間擁擠，每新上一臺服務(wù)器及部署新應(yīng)用都將耗費大量時間。一旦出現(xiàn)故障，配件更換周期長，且更換的時間要選擇業(yè)務(wù)量最少的時段，通常都在凌晨。

2.1.3 業(yè)務(wù)應(yīng)用無保障

首先，由于每個應(yīng)用都占用一臺服務(wù)器單機，如果機器出現(xiàn)故障，則相應(yīng)的業(yè)務(wù)將被中止，而如果每個應(yīng)用都采用雙機熱備，則配置成本更高；其次，系統(tǒng)周期維護需要停機進行，也將影響為讀者服務(wù)的質(zhì)量；第三，由于大多數(shù)應(yīng)用沒有做熱備，讀者業(yè)務(wù)處于無保障狀態(tài)。

2.2 系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)

通過虛擬技術(shù)的應(yīng)用，我們將達到如下既定目標(biāo)。

（1）提高資源利用率。通過整合服務(wù)器，將所有運算設(shè)備作為大的資源池進行統(tǒng)一管理，并按需分配資源，從而提高單機資源利用率。

（2）提高維護靈活性。部署新應(yīng)用時，可減少服務(wù)器重建和應(yīng)用加載的時間，快速響應(yīng)讀者需求；當(dāng)物理機發(fā)生故障時，可遷移業(yè)務(wù)系統(tǒng)模塊到正常設(shè)備上繼續(xù)運行，方便對故障設(shè)備的維護。

（3）確保業(yè)務(wù)無障礙運行。每個業(yè)務(wù)都可進行熱備，心跳感應(yīng)設(shè)備故障，自動啟用備份系統(tǒng)接管主業(yè)務(wù)；當(dāng)業(yè)務(wù)量增加導(dǎo)致設(shè)備負(fù)載增大時，服務(wù)器可動態(tài)遷移業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)到其他閑置設(shè)備來保證業(yè)務(wù)應(yīng)用有足夠的資源，避免讀者業(yè)務(wù)受到影響。

（4）為集中網(wǎng)絡(luò)存儲打基礎(chǔ)。整合物理設(shè)備后，所有應(yīng)用的數(shù)據(jù)將全部接入到存儲網(wǎng)絡(luò)，將分散數(shù)據(jù)集中存儲備份，為異地災(zāi)備打下基礎(chǔ)。[2]

（5）延長舊業(yè)務(wù)系統(tǒng)的生命周期。由于應(yīng)用平臺的限制使得原有應(yīng)用系統(tǒng)硬件不能升級。虛擬化后可確保原系統(tǒng)平穩(wěn)運行，且大幅提高其應(yīng)用性能。

3 VMware技術(shù)的優(yōu)點

3.1 集中資源管理

通過集中資源管理，管理員可以管理虛擬化平臺內(nèi)所有的計算資源，包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲和應(yīng)用等。利用此功能，管理員可對設(shè)備資源進行靈活配置。

3.2 池化資源管理

通過服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)等虛擬化技術(shù)將設(shè)備資源按照不同的標(biāo)準(zhǔn)組織成不同的資源池，如高性能資源池、高存儲能力資源池、低負(fù)載資源池、數(shù)據(jù)庫資源池和中間件資源池等，定義模式靈活、便利。[3]

3.3 Vmotion動態(tài)遷移虛擬機

當(dāng)設(shè)備虛擬化后，虛擬機以一組文件的狀態(tài)封裝在存儲設(shè)備中。系統(tǒng)通過虛擬網(wǎng)絡(luò)將源虛擬機的實時內(nèi)存和執(zhí)行狀態(tài)文件快速傳送到目的虛擬機，實現(xiàn)動態(tài)熱遷移。該功能確保了業(yè)務(wù)運行不中斷，實現(xiàn)零停機時間。

3.4 DRS分布式資源調(diào)度

在Vmotion的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)可動態(tài)監(jiān)控并調(diào)整虛擬機需要的資源，根據(jù)預(yù)先制定的策略觸發(fā)資源調(diào)整功能，保證應(yīng)用有足夠的資源，實現(xiàn)資源動態(tài)均衡。如設(shè)定OPAC檢索系統(tǒng)并發(fā)連接最大值為100個的請求，當(dāng)超過這個上限值時，系統(tǒng)自動觸發(fā)分配設(shè)備資源，增加CPU或者內(nèi)存給該虛擬機，保證讀者業(yè)務(wù)不受影響。

3.5 VM HA高可用性

利用心跳技術(shù)，當(dāng)一個關(guān)鍵業(yè)務(wù)的物理服務(wù)器或虛擬服務(wù)器發(fā)生災(zāi)難時，系統(tǒng)會在別的服務(wù)器上自動啟動備份服務(wù)，減少業(yè)務(wù)中斷帶來的損失。[4]

4 虛擬化應(yīng)用的設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 設(shè)計原則

在虛擬化的同時，系統(tǒng)會產(chǎn)生兩個潛在的風(fēng)險：一是單臺物理機中并行運行了多個虛擬機，當(dāng)物理機出現(xiàn)故障，必然會同時造成多個業(yè)務(wù)的中斷。因此在加強物理機可靠性的同時，還應(yīng)采用虛擬機熱備策略，保證業(yè)務(wù)能夠持續(xù)不斷地運行。二是由于虛擬機封裝在獨立文件中，并存放在共享的磁盤陣列中，因此我們還必須考慮單臺磁盤陣列故障帶來的業(yè)務(wù)中斷影響。根據(jù)深圖實際業(yè)務(wù)情況，我們對不同業(yè)務(wù)采取不同的資源配置方案：對于單機核心或AIX系統(tǒng)在保持原有架構(gòu)不變的前提下，增加獨立雙機集群進行熱備，保證在出現(xiàn)災(zāi)難的情況下所有業(yè)務(wù)不中斷；對于眾多應(yīng)用服務(wù)器，采用虛擬化技術(shù)，將應(yīng)用服務(wù)整合到多臺物理機上，實現(xiàn)物理服務(wù)器的虛擬化。同時采用虛擬機熱備策略，保證業(yè)務(wù)安全運行；在數(shù)據(jù)存儲方面，由于虛擬機存在的形式是一組實時封裝完畢的文件，因此通過IPSAN網(wǎng)絡(luò)進行存儲。通過IPSAN架構(gòu)進行在線熱遷移虛擬機、進行資源配置的動態(tài)平衡管理和基于快照技術(shù)的數(shù)據(jù)恢復(fù)等，同時為以后搭建異地容災(zāi)系統(tǒng)提供擴展性并打下基礎(chǔ)。

4.2 虛擬化步驟

根據(jù)深圖實際情況，擬將20臺IBM X3650服務(wù)器作為資源池。在物理層之上采用VMware Vsphere5.0進行虛擬化部署生成不同配置的虛擬機，然后通過VCenter虛擬機管理平臺并結(jié)合VMware的VMotion、DRS和HA等功能，進行虛擬機的管理，為全網(wǎng)虛擬機提供技術(shù)支持。

（1）在服務(wù)器裸機上部署VMware Vsphere5.0企業(yè)增強版，包括ESXi Server、VCenter(其中包含VMotion、DRS和HA等)和VMFS文件系統(tǒng)三大組件。它能自動將物理服務(wù)器上的資源池化，按照業(yè)務(wù)需要劃分成多個虛擬機。

（2）建立VirtualCenter統(tǒng)一管理平臺。在單臺IBM X3650服務(wù)器上部署Vcenter實現(xiàn)集中管理和監(jiān)控，為應(yīng)用提供自動資源調(diào)配。

（3）使用第三方遷移工具P2V Assistant，將現(xiàn)有物理系統(tǒng)的映像轉(zhuǎn)換為虛擬機，無需重裝軟件或重配應(yīng)用程序，加快虛擬化進程。

（4）將建立好的虛擬機進行熱備。將封裝好的虛擬機文件熱遷移到不同虛擬機上，實現(xiàn)應(yīng)用的雙機備份，并設(shè)置觸發(fā)策略，保證業(yè)務(wù)不間斷運行。[5]

（5）應(yīng)用IPSAN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)虛擬機封裝文件及數(shù)據(jù)共享。在存儲服務(wù)器上安裝VMFS文件系統(tǒng)，并將虛擬機封裝文件和數(shù)據(jù)存儲在SAN網(wǎng)絡(luò)存儲上，這樣多個ESXI Server將可以訪問到同一文件，從而消除單點故障。

4.3 虛擬化架構(gòu)描述

4.3.1 VMware ESXi Server配置說明

本方案的主體部分是20臺安裝了VMware vSphere 5.0套件的IBM X3650服務(wù)器。ESXi Server是VMware虛擬架構(gòu)套件的基礎(chǔ)組成部分，是實現(xiàn)動態(tài)優(yōu)化IT結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。在物理機上安裝ESXi Server，池化其計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源。在業(yè)務(wù)運行時，通過優(yōu)化共享硬件資源的方法來提高硬件利用率。

虛擬化過程可以根據(jù)不同應(yīng)用對系統(tǒng)資源的不同要求，生成特定資源配置的虛擬機。如OA系統(tǒng)只需要一個3.0 GHz CPU，512MB的內(nèi)存就可以很好地運行，而CNKI數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有高訪問率和高吞吐量，則需采用兩個雙核CPU、8GB內(nèi)存配置。由于每個虛擬機所使用的資源都是由ESXi統(tǒng)一調(diào)配，因此可充分保證每一個應(yīng)用都有充足的計算資源。同時系統(tǒng)可根據(jù)每個應(yīng)用的負(fù)載情況自動調(diào)整對應(yīng)的虛擬機資源配置，最大限度地提高硬件資源利用率。另外，虛擬對稱式多重處理技術(shù)，可使單個虛擬機并行使用多個物理處理器，增強虛擬機集群能力。

4.3.2 IPSAN集中存儲實現(xiàn)虛擬機文件共享

利用現(xiàn)有的IPSAN網(wǎng)絡(luò)存儲結(jié)構(gòu)，將虛擬機系統(tǒng)文件創(chuàng)建在H3C IPSAN存儲陣列上?；谠摼W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所有虛擬機全部安裝VMFS虛擬機文件系統(tǒng)，這樣虛擬機都可以訪問同一虛擬機存儲，實現(xiàn)高性能的群集文件共享，為數(shù)據(jù)集中異地備份打好基礎(chǔ)。

4.3.3 虛擬機集中管理及優(yōu)化

Virtual Center服務(wù)器對虛擬機進行管理和監(jiān)控，同時還為IT資源提供集中池化管理，為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供自動化操作（Vmotion）、資源優(yōu)化（DRS）和高可用性(HA)功能。其中VMotion可熱遷移虛擬機；DRS將根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先策略來自動調(diào)配可用資源，優(yōu)化資源利用；HA實現(xiàn)應(yīng)用程序的高可用性。

4.4.4 雙機高可用性

為了使業(yè)務(wù)應(yīng)用實現(xiàn)絕對的高可用性，Vcenter服務(wù)器上加裝NEC的虛擬機雙機高可用系統(tǒng)Expresscluster。該系統(tǒng)利用心跳技術(shù)全面監(jiān)視服務(wù)器上的各種軟、硬件資源的狀態(tài)。一旦被監(jiān)視項目發(fā)生故障，則可以根據(jù)故障類型并結(jié)合Virtual Center組件功能，在虛擬服務(wù)器之間或物理服務(wù)器之間將業(yè)務(wù)或虛擬機自動切換，保證業(yè)務(wù)連續(xù)運行。

5 使用效果

（1）減少了設(shè)備購置成本，優(yōu)化了資源分配，提高了資源利用率。系統(tǒng)在20臺機器上總共部署了60個虛擬機，節(jié)約了近40臺設(shè)備，其中20臺用于完全高可用性雙機熱備，20臺用于核心和AIX系統(tǒng)服務(wù)器的完全熱備。由于應(yīng)用和硬件完全分離，從數(shù)據(jù)層面杜絕非法訪問，保證網(wǎng)絡(luò)安全。

（2）靈活配置資源，為業(yè)務(wù)發(fā)展提供保障。虛擬化后系統(tǒng)按業(yè)務(wù)需求進行資源自動調(diào)配。當(dāng)業(yè)務(wù)需要更多資源時，虛擬構(gòu)架動態(tài)遷移業(yè)務(wù)或自動增加資源的分配，確保業(yè)務(wù)長足發(fā)展。

（3）提高IT服務(wù)效率。VCenter的應(yīng)用，提高了IT部門設(shè)備管理能力，縮短了物理機維護周期，使服務(wù)器的管理更加直觀快捷，同時加載新的應(yīng)用更加方便，全面提升了IT服務(wù)能力。

（4）方便數(shù)據(jù)備份，為容災(zāi)系統(tǒng)打基礎(chǔ)?；贗PSAN的數(shù)據(jù)存儲，讓分散的數(shù)據(jù)集中統(tǒng)一存儲管理和備份，為即將開展的異地容災(zāi)備份建設(shè)打下堅實基礎(chǔ)。

6 實施注意事項

（1）建立虛擬機冗余機制。在單臺物理服務(wù)器上運行多個虛擬機，同每臺物理服務(wù)器運行一個應(yīng)用相比，硬件故障會影響更多的應(yīng)用。因此需要建立冗余設(shè)備來降低風(fēng)險。無論是數(shù)據(jù)庫還是虛擬機文件，都需要建立熱備，甚至是異地災(zāi)備。

（2）確保虛擬機之間資源利用不沖突。雖然ESXi Server能在同一套物理環(huán)境中安裝多個操作系統(tǒng)，但在加載應(yīng)用時，建議把對資源需求不同的應(yīng)用分到一組，放在同一套硬件上。只有這樣才能確保運行在這些虛擬機上的應(yīng)用不會互相沖突而降低應(yīng)用性能，最大化地利用硬件資源。

（3）預(yù)測虛擬化帶來的性能損耗。測試結(jié)果表明，跟在物理服務(wù)器上運行相比，同一應(yīng)用在虛擬機上運行會產(chǎn)生性能上的損耗。這種損耗隨著應(yīng)用的不同而變化，在6%～20%之間。因此在分配資源時，磁盤容量的劃分應(yīng)考慮到虛擬機鏡像文件的大小，并預(yù)留足夠多內(nèi)存給虛擬機使用等。

（4）采用VMware或第三方工具簡化遷移成本。為了獲得更好的可移植環(huán)境，使得虛擬機更容易被遷移到其他硬件平臺，以便虛擬機從災(zāi)難性硬件故障中恢復(fù)，建議購買一些特殊的第三方工具，如Altiris的方案。

［1］黃澤偉.基于多系統(tǒng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)教學(xué)架構(gòu)的實現(xiàn)［J］．重慶電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2010（4）：32-34.

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