東 韓,楊 揚,崔曉健

(國家海洋信息中心 天津 300171)

服務器虛擬化技術(shù)在海洋環(huán)境信息管理中的應用淺析*

東 韓,楊 揚,崔曉健

(國家海洋信息中心 天津 300171)

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

虛擬化;服務器虛擬化;海洋環(huán)境信息系統(tǒng);云計算

1 概述

經(jīng)過多年的建設,國內(nèi)建成了許多專業(yè)海洋環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫,搭建了多套應用于海洋多種業(yè)務的信息系統(tǒng),為海洋行政管理、海洋科學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、運行成本高、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)資源管理模式難以適應新業(yè)務系統(tǒng)的快速部署要求、系統(tǒng)維護難度大等[2]。

主要研究應用服務器虛擬化技術(shù)來分析解決上述系統(tǒng)建設中存在的問題。通過研究,探索將服務器虛擬化技術(shù)應用到海洋環(huán)境信息資源的管理與應用中,利用虛擬化技術(shù),探索建設支撐海洋環(huán)境信息業(yè)務的低成本試驗和運營環(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,以及應用系統(tǒng)的可擴展性。

2 虛擬化技術(shù)研究現(xiàn)狀

虛擬化在計算機技術(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。這一切使其成為整個信息產(chǎn)業(yè)中最受矚目的焦點,已成為業(yè)界公認的云計算基礎架構(gòu)中的核心支撐技術(shù)[3]。下面主要就服務器虛擬化和海洋環(huán)境信息資源虛擬化方面的研究情況進行論述。

2.1 服務器虛擬化研究現(xiàn)狀

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

目前,服務器的虛擬化從技術(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),在虛擬服務器和底層硬件之間建立一個抽象層,在特權(quán)指令執(zhí)行前嵌入到Hypervisor中,利用二進制代碼動態(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上運行,從而將自己的特權(quán)指令替換為對Hypervisor的超級調(diào)用(Hypercall)。

在服務器虛擬化技術(shù)的研究中已出現(xiàn)了許多針對X86平臺的虛擬化軟件,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本身就運行在系統(tǒng)的底層,因此可以掌握所有的硬件資源,不會因為硬件故障以外的因素宕機,而且不需要修改虛擬機操作系統(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。通過建立一個通用、完善、簡單且可擴展的海洋環(huán)境信息資源目錄服務,對分布于各級數(shù)據(jù)節(jié)點的海洋環(huán)境信息進行有效管理與共享[6]。

3 服務器虛擬化在海洋環(huán)境信息管理中的應用

虛擬化是云計算系統(tǒng)中的核心技術(shù),是加強系統(tǒng)結(jié)構(gòu)彈性和靈活性、提高資源使用效率、降低計算成本、簡化管理的重要手段。在參考國際主流虛擬化技術(shù)的基礎上,結(jié)合海洋環(huán)境信息多源、異構(gòu)、離散分布的特點,對當前主流服務器虛擬化技術(shù)進行分析,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)一的虛擬服務器資源池和虛擬海洋環(huán)境信息資源池,從而為上層服務提供相應支撐。

3.1 服務器虛擬化

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

圖1 服務器虛擬化框架

虛擬化平臺直接運行在物理硬件資源層之上,將服務器上的處理器、內(nèi)存、存儲和網(wǎng)絡資源抽象為多個虛擬機,負責實現(xiàn)資源的分配、調(diào)度和管理,提供虛擬機與宿主操作系統(tǒng)及多個虛擬機之間的隔離機制,為上層服務提供統(tǒng)一的指令集和設備接口。虛擬化平臺可以直接利用VMware ESX server進行構(gòu)建。

虛擬化管理主要由資源部署、實時遷移、負載管理及動態(tài)優(yōu)化等部分組成,下面分別進行具體說明。

3.1.1 資源部署

資源部署是通過自動化部署流程將服務器資源交付給上層應用,使基礎服務變得可用。當所有的物理服務器都已經(jīng)準備就緒時,就需要將其以虛擬機的形式合理地部署到目標物理機上,在目標物理機上創(chuàng)建虛擬機并定制,配置虛擬機的硬件和軟件信息,保存定制化參數(shù),最后在目標物理機上啟動相應虛擬機[7]。針對海洋環(huán)境信息應用的特點,資源部署可以采用基于流傳輸?shù)奶摂M機部署方法,此方法可以有效減少單個虛擬機的部署時間,從而提高資源部署速度。

3.1.2 實時遷移

實時遷移是服務器虛擬化技術(shù)的一個重要特征,提供將正在運行的虛擬機從一臺物理服務器實時遷移到另一臺物理服務器的功能,保證零停機、服務連續(xù)可用和事務的處理完整。通過虛擬機的實時遷移,可以優(yōu)化系統(tǒng)性能,提高系統(tǒng)的可管理性,簡化資源部署流程。

3.1.3 負載管理

負載管理主要負責調(diào)整服務器的負載,它根據(jù)資源監(jiān)控模塊收集到的監(jiān)控信息,動態(tài)地調(diào)整和整合資源[8]。當所在物理服務器上有可用資源時,可以為虛擬機調(diào)整處理器個數(shù)、存儲容量、內(nèi)存大小等各種資源;當虛擬機所在物理服務器上可用資源不足時,通過虛擬機的實時遷移來進行資源整合,從而平衡不同服務器之間的負載壓力。

3.1.4 動態(tài)優(yōu)化

動態(tài)優(yōu)化是服務器虛擬化技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)之一,對于提高服務器的使用效率和保證應用的順利執(zhí)行具有重要作用。它主要根據(jù)應用負載的變化情況,為其所在的虛擬機及時有效地分配資源,保證既不會因為資源缺乏影響業(yè)務系統(tǒng)運行,也不會造成嚴重的資源浪費,從而達到資源的有效管理和高效使用。動態(tài)優(yōu)化以實時遷移和資源監(jiān)視為其實現(xiàn)基礎,它根據(jù)資源監(jiān)控模塊得到當前虛擬機的運行狀態(tài)信息和應用負載情況,并根據(jù)業(yè)務變化趨勢,做出資源再分配或者虛擬機遷移決策,對資源進行相應的調(diào)整,從而使虛擬機資源達到供求平衡。

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來實現(xiàn),從而達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)格式和存儲方式上的巨大差異,為上層海洋環(huán)境數(shù)據(jù)服務提供統(tǒng)一的標準化接口,簡化訪問海洋信息數(shù)據(jù)資源的復雜性[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準接口組成。其框架如圖2所示。

3.2.1 標準接口

主要為上層云計算平臺和服務提供標準統(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,分別實現(xiàn)對海洋環(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,將對虛擬資源的操作映射到相應的物理資源上,以實現(xiàn)對物理海洋環(huán)境信息資源的透明訪問。

4 小結(jié)

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

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國家海洋局青年海洋科學基金:基于虛擬化平臺的海洋環(huán)境信息處理技術(shù)研究(2013622).