服務(wù)器虛擬化技術(shù)在海洋環(huán)境信息管理中的應(yīng)用淺析*

東 韓,楊 揚(yáng),崔曉健

(國(guó)家海洋信息中心 天津 300171)

服務(wù)器虛擬化技術(shù)在海洋環(huán)境信息管理中的應(yīng)用淺析*

東 韓,楊 揚(yáng),崔曉健

(國(guó)家海洋信息中心 天津 300171)

文章系統(tǒng)地闡述了虛擬化相關(guān)基本知識(shí),全面介紹了服務(wù)器虛擬化技術(shù)發(fā)展及其在海洋環(huán)境應(yīng)用方面的現(xiàn)狀,分析了目前海洋環(huán)境信息系統(tǒng)建設(shè)中存在的問題及解決方法,重點(diǎn)研究了將服務(wù)器虛擬化技術(shù)應(yīng)用到海洋環(huán)境信息管理中的方法,并據(jù)此展望了建設(shè)支撐海洋環(huán)境信息業(yè)務(wù)的低成本試驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)環(huán)境的應(yīng)用前景。

虛擬化;服務(wù)器虛擬化;海洋環(huán)境信息系統(tǒng);云計(jì)算

1 概述

經(jīng)過多年的建設(shè),國(guó)內(nèi)建成了許多專業(yè)海洋環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫(kù),搭建了多套應(yīng)用于海洋多種業(yè)務(wù)的信息系統(tǒng),為海洋行政管理、海洋科學(xué)研究等提供了有力的信息保障和技術(shù)支撐[1]。然而這些各自獨(dú)立且內(nèi)部結(jié)構(gòu)相似的系統(tǒng)也存在著如下問題:資源占用多、運(yùn)行成本高、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)資源管理模式難以適應(yīng)新業(yè)務(wù)系統(tǒng)的快速部署要求、系統(tǒng)維護(hù)難度大等[2]。

主要研究應(yīng)用服務(wù)器虛擬化技術(shù)來分析解決上述系統(tǒng)建設(shè)中存在的問題。通過研究,探索將服務(wù)器虛擬化技術(shù)應(yīng)用到海洋環(huán)境信息資源的管理與應(yīng)用中,利用虛擬化技術(shù),探索建設(shè)支撐海洋環(huán)境信息業(yè)務(wù)的低成本試驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)環(huán)境的方法,提高海洋環(huán)境信息資源的可重用性與共享性,以及應(yīng)用系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

2 虛擬化技術(shù)研究現(xiàn)狀

虛擬化在計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷程中扮演著很重要的角色,尤其近年來隨著服務(wù)器虛擬化的飛速發(fā)展,出現(xiàn)了全新的數(shù)據(jù)部署和管理方式,為管理員帶來了高效和便捷的管理體驗(yàn)。這一切使其成為整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)中最受矚目的焦點(diǎn),已成為業(yè)界公認(rèn)的云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)中的核心支撐技術(shù)[3]。下面主要就服務(wù)器虛擬化和海洋環(huán)境信息資源虛擬化方面的研究情況進(jìn)行論述。

2.1 服務(wù)器虛擬化研究現(xiàn)狀

服務(wù)器虛擬化是指將服務(wù)器物理資源抽象成邏輯資源,讓一臺(tái)服務(wù)器變成幾臺(tái)甚至上百臺(tái)相互隔離的虛擬服務(wù)器,或者讓幾臺(tái)服務(wù)器抽象成一臺(tái)服務(wù)器來用,不再受限于物理上的界限,從而提高資源的利用率,簡(jiǎn)化系統(tǒng)管理,實(shí)現(xiàn)服務(wù)器整合。

目前,服務(wù)器的虛擬化從技術(shù)上分為硬件協(xié)助虛擬化[4]和操作系統(tǒng)虛擬化兩種。硬件協(xié)助虛擬化(Hardware-Assisted-Virtualization)主要是Intel VT-x和AMD-V技術(shù),可在BIOS選項(xiàng)中打開該功能。操作系統(tǒng)虛擬化又可分為全虛擬化(Full-virtualization)和半虛擬化(Para-virtualization)兩種解決方案。全虛擬化是使用Hypervisor技術(shù),在虛擬服務(wù)器和底層硬件之間建立一個(gè)抽象層,在特權(quán)指令執(zhí)行前嵌入到Hypervisor中,利用二進(jìn)制代碼動(dòng)態(tài)翻譯將指令轉(zhuǎn)換成完全相同的指令序列后執(zhí)行, Microsoft Virtual PC、VMware ESX Server等都采用了全虛擬化技術(shù);半虛擬化技術(shù)則通過修改操作系統(tǒng)來解決虛擬機(jī)執(zhí)行特權(quán)指令的問題,具體地說就是讓操作系統(tǒng)了解到自己在Hypervisor上運(yùn)行,從而將自己的特權(quán)指令替換為對(duì)Hypervisor的超級(jí)調(diào)用(Hypercall)。

在服務(wù)器虛擬化技術(shù)的研究中已出現(xiàn)了許多針對(duì)X86平臺(tái)的虛擬化軟件,主要有Citrix XenServer、微軟Hyper-V和VMware ESX Server,其中以VMware虛擬化技術(shù)最為著名。VMware ESX Server使用全虛擬化技術(shù),其Hypervisor本身就運(yùn)行在系統(tǒng)的底層,因此可以掌握所有的硬件資源,不會(huì)因?yàn)橛布收弦酝獾囊蛩劐礄C(jī),而且不需要修改虛擬機(jī)操作系統(tǒng)。因此ESX的性能、管理能力、穩(wěn)定性等各方面都很成熟,也是目前全球市場(chǎng)占有率最高的虛擬化產(chǎn)品。

2.2 海洋環(huán)境信息資源虛擬化研究現(xiàn)狀

目前,海量的海洋環(huán)境信息資源具有離散分布、多源、異構(gòu)等特性,在數(shù)據(jù)格式和存儲(chǔ)方式上存在著巨大差異[5]。海洋環(huán)境信息資源虛擬化可以把不同來源、格式及特點(diǎn)的數(shù)據(jù)在邏輯上有效地集中,從而提供全面的數(shù)據(jù)共享。通過建立一個(gè)通用、完善、簡(jiǎn)單且可擴(kuò)展的海洋環(huán)境信息資源目錄服務(wù),對(duì)分布于各級(jí)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的海洋環(huán)境信息進(jìn)行有效管理與共享[6]。

3 服務(wù)器虛擬化在海洋環(huán)境信息管理中的應(yīng)用

虛擬化是云計(jì)算系統(tǒng)中的核心技術(shù),是加強(qiáng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)彈性和靈活性、提高資源使用效率、降低計(jì)算成本、簡(jiǎn)化管理的重要手段。在參考國(guó)際主流虛擬化技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合海洋環(huán)境信息多源、異構(gòu)、離散分布的特點(diǎn),對(duì)當(dāng)前主流服務(wù)器虛擬化技術(shù)進(jìn)行分析,通過虛擬化手段可以將系統(tǒng)中的各種異構(gòu)的硬件計(jì)算資源和海洋環(huán)境信息資源轉(zhuǎn)換成為靈活統(tǒng)一的虛擬服務(wù)器資源池和虛擬海洋環(huán)境信息資源池,從而為上層服務(wù)提供相應(yīng)支撐。

3.1 服務(wù)器虛擬化

針對(duì)海洋環(huán)境信息資源的分布方式、異構(gòu)性等特點(diǎn),以及較高的資源管理要求,服務(wù)器虛擬化主要由虛擬化平臺(tái)和虛擬化管理兩部分組成 (圖1)。通過構(gòu)建虛擬化平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的虛擬化,而虛擬化管理主要實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬機(jī)的部署、遷移、管理和優(yōu)化。

圖1 服務(wù)器虛擬化框架

虛擬化平臺(tái)直接運(yùn)行在物理硬件資源層之上,將服務(wù)器上的處理器、內(nèi)存、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源抽象為多個(gè)虛擬機(jī),負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)資源的分配、調(diào)度和管理,提供虛擬機(jī)與宿主操作系統(tǒng)及多個(gè)虛擬機(jī)之間的隔離機(jī)制,為上層服務(wù)提供統(tǒng)一的指令集和設(shè)備接口。虛擬化平臺(tái)可以直接利用VMware ESX server進(jìn)行構(gòu)建。

虛擬化管理主要由資源部署、實(shí)時(shí)遷移、負(fù)載管理及動(dòng)態(tài)優(yōu)化等部分組成,下面分別進(jìn)行具體說明。

3.1.1 資源部署

資源部署是通過自動(dòng)化部署流程將服務(wù)器資源交付給上層應(yīng)用,使基礎(chǔ)服務(wù)變得可用。當(dāng)所有的物理服務(wù)器都已經(jīng)準(zhǔn)備就緒時(shí),就需要將其以虛擬機(jī)的形式合理地部署到目標(biāo)物理機(jī)上,在目標(biāo)物理機(jī)上創(chuàng)建虛擬機(jī)并定制,配置虛擬機(jī)的硬件和軟件信息,保存定制化參數(shù),最后在目標(biāo)物理機(jī)上啟動(dòng)相應(yīng)虛擬機(jī)[7]。針對(duì)海洋環(huán)境信息應(yīng)用的特點(diǎn),資源部署可以采用基于流傳輸?shù)奶摂M機(jī)部署方法,此方法可以有效減少單個(gè)虛擬機(jī)的部署時(shí)間,從而提高資源部署速度。

3.1.2 實(shí)時(shí)遷移

實(shí)時(shí)遷移是服務(wù)器虛擬化技術(shù)的一個(gè)重要特征,提供將正在運(yùn)行的虛擬機(jī)從一臺(tái)物理服務(wù)器實(shí)時(shí)遷移到另一臺(tái)物理服務(wù)器的功能,保證零停機(jī)、服務(wù)連續(xù)可用和事務(wù)的處理完整。通過虛擬機(jī)的實(shí)時(shí)遷移,可以優(yōu)化系統(tǒng)性能,提高系統(tǒng)的可管理性,簡(jiǎn)化資源部署流程。

3.1.3 負(fù)載管理

負(fù)載管理主要負(fù)責(zé)調(diào)整服務(wù)器的負(fù)載,它根據(jù)資源監(jiān)控模塊收集到的監(jiān)控信息,動(dòng)態(tài)地調(diào)整和整合資源[8]。當(dāng)所在物理服務(wù)器上有可用資源時(shí),可以為虛擬機(jī)調(diào)整處理器個(gè)數(shù)、存儲(chǔ)容量、內(nèi)存大小等各種資源;當(dāng)虛擬機(jī)所在物理服務(wù)器上可用資源不足時(shí),通過虛擬機(jī)的實(shí)時(shí)遷移來進(jìn)行資源整合,從而平衡不同服務(wù)器之間的負(fù)載壓力。

3.1.4 動(dòng)態(tài)優(yōu)化

動(dòng)態(tài)優(yōu)化是服務(wù)器虛擬化技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)之一,對(duì)于提高服務(wù)器的使用效率和保證應(yīng)用的順利執(zhí)行具有重要作用。它主要根據(jù)應(yīng)用負(fù)載的變化情況,為其所在的虛擬機(jī)及時(shí)有效地分配資源,保證既不會(huì)因?yàn)橘Y源缺乏影響業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行,也不會(huì)造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi),從而達(dá)到資源的有效管理和高效使用。動(dòng)態(tài)優(yōu)化以實(shí)時(shí)遷移和資源監(jiān)視為其實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ),它根據(jù)資源監(jiān)控模塊得到當(dāng)前虛擬機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息和應(yīng)用負(fù)載情況,并根據(jù)業(yè)務(wù)變化趨勢(shì),做出資源再分配或者虛擬機(jī)遷移決策,對(duì)資源進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,從而使虛擬機(jī)資源達(dá)到供求平衡。

3.2 海洋環(huán)境信息資源虛擬化

海洋環(huán)境信息資源虛擬化主要是通過提供統(tǒng)一的虛擬海洋環(huán)境信息資源目錄服務(wù)來實(shí)現(xiàn),從而達(dá)到屏蔽底層各種海洋環(huán)境數(shù)據(jù)資源的多源、異構(gòu)特性,以及在數(shù)據(jù)格式和存儲(chǔ)方式上的巨大差異,為上層海洋環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化接口,簡(jiǎn)化訪問海洋信息數(shù)據(jù)資源的復(fù)雜性[9]。海洋環(huán)境信息資源虛擬化框架由海洋環(huán)境數(shù)據(jù)資源、海洋環(huán)境信息資源虛擬化、虛擬海洋環(huán)境信息資源目錄、信息資源管理控制及標(biāo)準(zhǔn)接口組成。其框架如圖2所示。

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)接口

主要為上層云計(jì)算平臺(tái)和服務(wù)提供標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的調(diào)用接口和訪問接口。

3.2.2 信息資源映射表和信息資源目錄

海洋環(huán)境信息資源映射表主要用于存放虛擬海洋環(huán)境信息資源和物理海洋環(huán)境信息資源之間的映射關(guān)系,而虛擬海洋環(huán)境信息資源目錄主要存放各類虛擬海洋環(huán)境信息資源。

圖2 海洋環(huán)境信息資源虛擬化框架

3.2.3 管理控制

主要由資源更新、虛擬資源目錄管理和資源映射表管理等構(gòu)成,分別實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境信息資源的更新、虛擬海洋信息資源目錄的維護(hù)及海洋信息資源映射等功能。

3.2.4 海洋信息資源虛擬化

主要實(shí)現(xiàn)各類海洋環(huán)境信息數(shù)據(jù)資源的虛擬化,并提供虛擬信息資源與物理信息資源之間的映射和轉(zhuǎn)換功能;能夠根據(jù)海洋環(huán)境信息資源映射信息表中的信息,將對(duì)虛擬資源的操作映射到相應(yīng)的物理資源上,以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理海洋環(huán)境信息資源的透明訪問。

4 小結(jié)

從理論上簡(jiǎn)要研究了將服務(wù)器虛擬化技術(shù)應(yīng)用到海洋環(huán)境信息管理中的前景。服務(wù)器虛擬化技術(shù)可以很好地解決以往海洋環(huán)境信息系統(tǒng)建設(shè)中存在的資源占用多、不能及時(shí)響應(yīng)快速部署的要求、缺乏統(tǒng)一資源規(guī)劃等問題,做到不受物理平臺(tái)限制,將資源虛擬化,為上層服務(wù)提供統(tǒng)一高效的標(biāo)準(zhǔn)訪問接口,從而提高海洋環(huán)境信息資源的共享性、可重用性和可擴(kuò)展性。

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