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      虛擬化在公共圖書館的應(yīng)用研究——以深圳圖書館為例

      2013-08-31 11:46:10深圳圖書館廣東深圳518026
      圖書館理論與實踐 2013年7期
      關(guān)鍵詞:熱備虛擬化服務(wù)器

      ●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.

      [2]李馥娟.虛擬機技術(shù)在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2009,26(12):134-135.

      [3]周俐軍,等.基于VMware的高校數(shù)據(jù)中心虛擬化管理探究[J].中國管理信息化,2009,12(16):65-66.

      [4]董兆殷.基于ESXI Server的校園數(shù)據(jù)中心虛擬化技術(shù)的研究[J].電腦知識與技術(shù),2010,6(12):3140-3141.

      [5]孫昱,等.虛擬機實時遷移技術(shù)研究[J].微型電腦應(yīng)用,2008,24(7):1-2.

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