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基于虚拟化服务器的部署方案

    1 虚拟化简介

  虚拟化是硬件与操作系统之间的一个抽象层,它将物理硬件与操作系统分开,打破以往一个操作系统必须配置一套硬件的传统部署方法,从而提供更高的IT资源利用率和灵活性。

  虚拟化允许具有不同操作系统的多个虚拟服务器(通常称为虚拟机)在同一台物理服务器上同时独立并行运行,每个虚拟机都有自己的一套虚拟硬件(如RAM、CPU、网卡等)。无论物理服务器采用什么硬件组件,操作系统都将它们视为一组标准化的硬件。

  虚拟机系统通常是被封装在文件中的,因此可以快速对其进行保存、复制和部署,可在几秒钟内将整个系统(完全配置的应用程序、操作系统、BIOS和虚拟硬件)从一台服务器移至另一台服务器中运行,以实现零停机维护和连续的工作负载整合。

  虚拟化部署技术是服务器部署方式发展的趋势,可以帮助人们升级和管理异地的IT基础架构并确保其安全。

  2 基于虚拟化服务器的解决方案

  基于虚拟化服务器的解决方案是将所有硬件设备构成一个统一的抽象的虚拟化平台,并使得所有的硬件被统一到一个虚拟化层中进行统一的调度分配。这样,系统将不再以服务器的数量为单位,而是按照需要的计算处理能力为单位进行分配,而分配出来的硬件处理资源就形成一个个独立的虚拟服务器,也被称为虚拟机,它拥有与真实服务器一样的所有硬件设备,如主板芯片、CPU、内存、SCSI和IDE磁盘设备、各种接口、显示和其他输入输出设备等,管理员可以像使用物理服务器一样使用虚拟服务器,在上面安装操作系统,部署应用等,并且所有的虚拟机之间是完全独立的,即使某一个虚拟机崩溃了,也不会影响到其他虚拟机的运行。并且每个虚拟服务器都可以被独立封装到一个文件中,实现虚拟机的灵活迁移,如图1所示。

  采用虚拟化技术后,所有的服务器就构建成一个统一的硬件处理平台,即构成一个虚拟化处理资源池,可以在这个资源池上取合适的处理能力及资源构建独立的虚拟机。

  3 市面主流虚拟化软件

  在市面上虚拟化解决方案供应商中,最为著名的产品有VMware vSphere、Critrix Xen Server、红帽的KVM以及微软的Hyper-V等产品。

  VMware vSphere是业界第一个x86“裸机”虚拟机管理程序,是最可靠和最强健的虚拟机管理程序。VMware ESX/ESXi于2001年首次发布,目前为第五代产品,已在全世界数以万计的客户部署中经过了生产验证。其采用全虚拟化技术,在硬件与操作系统之间建立一个虚拟化抽象层,它将物理硬件与操作系统分开,打破以往一个操作系统必须配置一套硬件的传统部署方法,从而提供更高的IT资源利用率和灵活性。VMware是市面上虚拟化技术的霸主,几乎占了虚拟化市场80%以上的份额。

  Xen采用准虚拟化技术(Para-Virtualizion),其特点是修改操作系统的内核,加入一个Xen Hypervisor层。它允许安装在同一硬件设备上的多个系统可以同时启动,由Xen Hypervisor来进行资源调配。在这种虚拟环境下,依然需要模拟硬件设备,安装Guest操作系统,并且需要修改操作系统的内核。Xen相对于传统的Virtual Machine Monitor,性能稍有提高,但并不十分显著。

  Hyper-V采用微内核的架构,它是一个瘦Hypervisor。因为它里面没有驱动程序,驱动程序是跑在每一个分区里面的。Hyper-V底层的Hypervisor运行在最高的特权级别下,微软将其称为ring -1,而虚拟机的OS内核和驱动运行在ring 0,应用程序运行在ring 3下,这种架构就不需要采用复杂的BT(二进制特权指令翻译)技术,可以进一步提高安全性。

  Hyper-V采用基于VMbus的高速内存总线架构,来自虚机的硬件请求(显卡、鼠标、磁盘、网络),可以直接经过VSC,通过VMbus总线发送到根分区的VSP,VSP调用对应的设备驱动,直接访问硬件,中间不需要Hypervisor的帮助。但是鉴于Hyper-V采用Windows Server 2008内核,决定其稳定性具有一定局限性,Windows Server 2008 Hyper-V需要每30天重启一次。

  KVM是红帽5.4发行版中推出的最新虚拟化技术,严格上说它是完全虚拟化的产品,VMware和VPC、VirtualBox等也都是完全虚拟化的产品,而Xen则是半虚拟化的产品,半虚拟化从性能上说要比完全虚拟化快很多,但Xen有个缺点,它是重量级的虚拟机,修改了大量的内核源代码,它的guest机器必须理解xen化的硬件,也就是说Xen上面只能运行红帽5以后的系统。

  后来红帽修改了发行版4中的一个版本,使其也能支持Xen。而且Xen的完全虚拟化需要借助硬件CPU的VT技术,这个在Inter CPU上叫VMX,在AMD CPU中叫SVM。Xen的完全虚拟化可以说是个失败品,运行效率甚至赶不上VMware,而且操作界面相当不友好,但这不能否认Xen在半虚拟化世界的霸主地位。

  KVM是kernel virtual module的简写,其实KVM借鉴了Xen在半虚拟化上的很多成就,虽然KVM是完全虚拟化的产品,但在关键的硬盘和网卡上支持半虚拟化Virtio,在很大程度上提高了性能。KVM是轻量级虚拟化的代表,也需要硬件VT技术的支持。

  另外从操作界面上看,Xen和KVM都是用Virt-manager工具,差别不是很大,但不可以在同一台机器上同时安装且运行Xen和KVM。另外,KVM只能运行在红帽企业版5.4,64位系统上,同时需要关闭SELinux。

  4 基于虚拟化的技术优势

  虚拟化解决方案包含服务器系统、存储系统以及虚拟化软件。在进行部署时,通常只需要在物理服务器上部署虚拟化系统的服务器端即可,然后通过虚拟化软件自带的管理端对整个虚拟化集群系统进行管理、操作、生成虚拟机等。而生成的虚拟机文件通常是存放在后台的共享存储中的,而在物理服务器上通常是不存放任何数据的。通过部署虚拟化系统将获得很多好处。

  4.1 快速服务器部署,提高信息化建设效率

  部署虚拟化服务器平台之后,如果教委机关某个科室或某个学校需要使用服务器,只需要向区教委申请,管理人员在10分钟之内就可以从虚拟化服务器平台中按照需求划分出满足要求的虚拟服务器以供使用。

  4.2 资源重复利用,避免浪费

  当某个服务器不再使用时,管理员可以随时将虚拟机撤销,计算资源立即被释放,然后这部分被释放的计算资源可再次划分为另一台虚拟服务器,供另一个机构使用。

  4.3 提高服务器利用率,合理分配服务器资源

  根据过去的统计,每台服务器的资源利用的情况,95%以上的服务器在绝大多数时间内,其CPU的利用率不超过10%。这是由于在选型的时候,服务器必须满足应用的峰值处理需要,因此造成大量处理资源被闲置起来形成极大的浪费。但是采用虚拟化技术之后,就可以突破这个障碍,将多台服务器部署整合到一台服务器上去。

  例如,有5台四路服务器在运行时,其大部分时间处理资源占用率都在10%以下,那么就可以把这5台服务器整合到一台服务器上去,在大部分时间内,这台整合后的服务器处理资源使用率就可以提高到50%。而这5个应用的负载高峰不一定都在同一时间,会有一定的时间差,当某个应用处在负载高峰时,可能剩下的几台服务器还保持在10%处理利用率以下,这样多台服务器就可以轮流使用服务器的处理余量,避免造成资源浪费。

  4.4 获得前所未有的可靠性

  部署虚拟化服务器平台之后,所有的服务器就构建成一个统一的硬件处理平台,任何一台服务器的故障不会对整个系统造成任何影响,运行在其上的虚拟机以及运行在虚拟机上的业务不会因为一台物理服务器或虚拟机的故障而停机,从而获得全面的高可靠性保护。

  通过部署虚拟化服务平台,相当于为所有的服务器都构建了高可用的系统,任何一台服务器的故障不会对运行在其上的虚拟机造成影响。

  4.5 易于管理监控

  采用虚拟化之后,整个虚拟化系统使用一个统一的管理界面对所有虚拟机进行统一直观的管理。一旦部署完成并且运行起来,只需要登录到整个虚拟化的管理平台上,就可以管理所有物理以及虚拟机服务器。

  4.6 大大降低服务器数量

  由采用虚拟化服务器平台部署,重庆市江津区教育城域网原计划采购15台服务器,现整合为6台高性能服务器用于虚拟化部署。

  通过减少服务器数量,可带来许多好处:

  1)减少服务器占用机房空间;

  2)降低发热量,从而降低在制冷设备方面的投入及散热成本;

  3)耗电量的减少及维护工作量的减少,大大降低运营成本;

  4)线缆数量大大减少,不但减少故障点,也减少网管工作量,使得有限的人力资源可以用在更重要的地方。

  4.7 集中数据存储,集中数据备份

  虚拟化技术与集中存储是分不开的,部署虚拟化的一个最重要的前提就是需要采用高性能的集中存储系统。采用集中存储之后,才能实现虚拟机的高可用、在线迁移、资源分配等功能,如图4所示。

  通过采用集中存储,数据皆存储在一个磁盘阵列柜中,一方面便于数据的统一管理及使用;另一方面,由于每个虚拟机实际上就是一个文件,只需要将所有的虚拟机文件拷贝出来即进行了备份。如果发生数据丢失,只需要将备份出来的虚拟机文件直接拷贝回去即可直接使用。而这种所有数据的完整备份方式如果采用传统的服务器部署方法是无法办到的。

  4.8 极易部署和迁移

  采用虚拟化技术部署的虚拟机系统实际上就是一个虚拟机文件,里面包含了操作系统和应用程序等所有内容。只需要一个简单的拷贝,就可以解决所有问题。

  在进行迁移的时候,只需要将这个虚拟机文件通过拷贝的方式复制到另外一台服务器上面,立刻就可以将这台虚拟机运行起来,而不用像通常的部署方式那样需要先在服务器上安装操作系统,搭建运行环境,再安装应用软件,再进行应用软件的配置,等等。如果对虚拟机文件进行复制操作,立刻就可以将一个虚拟机变成两份完全一样的虚拟机,极易部署和迁移。

  4.9 拥有极强的扩展性

  提高虚拟化服务器平台的处理能力,只需要增加更多的物理服务器即可。在扩展的时候,可以在任何时候按照需要增加物理服务器的数量。

  随着时间的推移,应用逐渐增加,这时需要将更多的应用迁移进虚拟化集群中去。但是目前的3台服务器所带来的性能无法支撑这么多虚拟机同时运行,那么要做的就是增加物理服务器的数量来增强整个虚拟化平台的处理能力。

  只需要增加一台真实服务器,安装好虚拟化软件,然后加入这个虚拟化服务器平台中,之后再增加虚拟机的数量,并将一部分应用迁移到其上运行即可。整个过程不会对正在运行的虚拟机产生任何影响。

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