李旭初

【摘要】生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)是用于制造過程的實時信息管理系統(tǒng)，能夠采集、存儲并發(fā)布裝置運行、設(shè)備工況、污染源監(jiān)控等各類過程數(shù)據(jù)。本文以中石化生產(chǎn)過程的監(jiān)控系統(tǒng)為背景，對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器應(yīng)用虛擬化技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，通過分析運行數(shù)據(jù)，采用VMware虛擬化技術(shù)可以大幅度加快服務(wù)器的部署速度，縮短監(jiān)控系統(tǒng)的故障恢復(fù)時間，提高設(shè)備的利用率，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的集中化管理、降低成本和節(jié)約資源。

【關(guān)鍵詞】虛擬化;VMware;生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)

引言

隨著石化企業(yè)信息化的建設(shè)，生產(chǎn)實時監(jiān)控、SMES、Orion、LIMS等各種信息系統(tǒng)不斷增多的情況下，必須不斷的增加新的服務(wù)器，以滿足持續(xù)增長的服務(wù)與應(yīng)用的需求。這一現(xiàn)象引起了服務(wù)器的利用率和可管理性等多方面的問題，在這樣的背景下實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器的虛擬化是非常有必要的。

1.虛擬化技術(shù)

1.1 虛擬化的概念

虛擬化是指計算元件在虛擬的基礎(chǔ)上而不是真實的基礎(chǔ)上運行。虛擬化技術(shù)可以擴(kuò)大硬件的容量，簡化軟件的重新配置過程。CPU的虛擬化技術(shù)可以單CPU模擬多CPU并行，允許一個平臺同時運行多個操作系統(tǒng)，并且應(yīng)用程序都可以在相互獨立的空間內(nèi)運行而互不影響，從而顯著提高計算機的工作效率。

1.2 服務(wù)器虛擬化

針對不同的用戶群、不同需求開發(fā)不同的軟件產(chǎn)品，服務(wù)器應(yīng)用主要有ESX Server和GSX Server。根據(jù)ESX Server和GSX Server在結(jié)構(gòu)、性能和方便性上的不同，決定其在服務(wù)器管理中的應(yīng)用。VMware的虛擬化技術(shù)可以使企業(yè)將從前需要在多臺服務(wù)器上運行的應(yīng)用系統(tǒng)整合在一臺服務(wù)器上工作，其硬件實際使用率從15%提高到70%，并在幾乎不中斷服務(wù)的情況下，自動完成服務(wù)器間數(shù)據(jù)和功能的鏡像遷移，甚至在非常短的時間內(nèi)完成數(shù)十臺虛擬服務(wù)器的數(shù)據(jù)備份工作。

2.石化生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 石化生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的概念

石化生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)涵蓋了三十個生產(chǎn)裝置的實時數(shù)據(jù)，通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與各類裝置的DCS、PLC等現(xiàn)場控制系統(tǒng)的連接。為達(dá)到隔離防護(hù)的安全要求，生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)往往采用“一個數(shù)采一臺服務(wù)器”的模式。

2.2 虛擬化石化生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)組成架構(gòu)

本監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架采用VMware ESX構(gòu)建虛擬服務(wù)器：在一臺Dell R610服務(wù)器上創(chuàng)建多個虛擬機，安裝操作系統(tǒng)后進(jìn)行必要的網(wǎng)絡(luò)和安全配置，成功實施后生成虛擬機模板，將該模板導(dǎo)入另外一臺R610服務(wù)器即可完成虛擬機的備份。任何通過ESX創(chuàng)建的虛擬機均可導(dǎo)出模板作為整個系統(tǒng)的備份，大大縮短了建立容災(zāi)系統(tǒng)的時間。

3.虛擬化技術(shù)在石化生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中的實現(xiàn)

3.1 VMware虛擬化產(chǎn)品的選擇

通過對比VMware這兩種產(chǎn)品做了大量的實驗。在測試中發(fā)現(xiàn)，如果要在生產(chǎn)系統(tǒng)上實現(xiàn)虛擬化，GSX雖然基于Windows宿主操作系統(tǒng)平臺，但受微軟分時操作系統(tǒng)的影響，其使用效率較低，并且GSX受限于宿主平臺，無法對硬件服務(wù)器進(jìn)行資源的規(guī)劃和管理。

VMware在ESX Server的產(chǎn)品系列中，劃分了收費的ESX和免費的ESXi兩種版本。ESX版本雖然可以通過vSphere軟件進(jìn)行管理，達(dá)到多虛擬服務(wù)器集群間的負(fù)載均衡以及動態(tài)切換等功能，但費用較高，其標(biāo)準(zhǔn)版ESX套件需要4萬人民幣，還必須強制購買一定的技術(shù)服務(wù)費;另外，ESX版本安裝后占系統(tǒng)資源較大，安裝后的裸機啟動需要2.0GB的內(nèi)存空間，因此從成本角度考慮，本次實施采用了VMware新發(fā)布的ESXi Server 5.0版本。

3.2 生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器虛擬化的設(shè)計

3.2.1 資源池的設(shè)計

資源池是單個主機或群集CPU及內(nèi)存資源的分區(qū)。資源池分為分層的和嵌套的兩種。用戶可以將任何資源池劃分為較小的資源池，以進(jìn)一步劃分資源并將其分配給不同的組或用于各種不同的目的。

其具體過程分為兩步：

（1）建立一個“數(shù)據(jù)采集”的資源池;

（2）從“數(shù)據(jù)采集”資源池中，再建立較小的資源池預(yù)留給相應(yīng)的裝置數(shù)采系統(tǒng)。

此種資源池的設(shè)計優(yōu)勢為：可以動態(tài)更改資源分配策略。當(dāng)數(shù)據(jù)采集服務(wù)中斷恢復(fù)后，可對資源池進(jìn)行動態(tài)更改，而不必關(guān)閉與之關(guān)聯(lián)的虛擬機。

3.2.2 虛擬網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

vSwitches虛擬環(huán)境內(nèi)部和外部網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系：虛擬環(huán)境提供了與物理環(huán)境類似的網(wǎng)絡(luò)元素。這些元素包括虛擬網(wǎng)絡(luò)接口卡（vNIC）、vNetwork標(biāo)準(zhǔn)交換機（vSwitch）、vNetwork 分布式交換機（dvSwitch）和端口。

與物理機一樣，每個虛擬機都有一個或多個vNIC?？蛻魴C操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序通過常用的設(shè)備驅(qū)動程序或VMware用于虛擬環(huán)境優(yōu)化的設(shè)備驅(qū)動程序與vNIC進(jìn)行通信。在虛擬機外部，vNIC有自己的MAC地址和一個或多個IP地址，并與物理網(wǎng)卡一樣遵守標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議。

虛擬交換機的工作原理與二層物理交換機一樣。每臺服務(wù)器都有自己的虛擬交換機。虛擬交換機的一端是與虛擬機相連的端口組，另一端是與虛擬機所在服務(wù)器上的物理以太網(wǎng)適配器相連的上行鏈路。虛擬機通過與虛擬交換機上行鏈路相連的物理以太網(wǎng)適配器與外部環(huán)境連接。

虛擬交換機可將其上行鏈路連接到多個物理以太網(wǎng)適配器以啟用網(wǎng)卡綁定。通過網(wǎng)卡綁定，兩個或多個物理適配器可用于分?jǐn)偭髁控?fù)載或在出現(xiàn)物理適配器硬件故障或網(wǎng)絡(luò)故障時提供被動故障切換。

由于現(xiàn)今主流的服務(wù)器均配有4個以上的網(wǎng)絡(luò)接口，在做虛擬化實施時可以考慮在ESXi端對網(wǎng)卡進(jìn)行聚合綁定。我們將2個或多個連接聚合在一個vSwitch上。在提高網(wǎng)絡(luò)流量的同時，保證硬件設(shè)備的故障不會對數(shù)據(jù)通訊造成影響。

3.2.3 虛擬存儲的設(shè)計

對于每個虛擬機內(nèi)的應(yīng)用程序和客戶機操作系統(tǒng)，存儲子系統(tǒng)顯示為與一個或多個虛擬SCSI磁盤相連的虛擬SCSI控制器。虛擬機只能發(fā)現(xiàn)并訪問這些類型的SCSI控制器，包括 BusLogic并行、LSI邏輯并行、LSI邏輯SAS和 VMware 準(zhǔn)虛擬。

虛擬 SCSI 磁盤通過數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)存儲元素置備。數(shù)據(jù)存儲就像一個存儲設(shè)備，為多個物理主機上的虛擬機提供存儲空間。

數(shù)據(jù)存儲抽象概念是一種模型，可將存儲空間分配到虛擬機，使客戶機不必使用復(fù)雜的基礎(chǔ)物理存儲技術(shù)?？蛻魴C虛擬機不對光纖通道SAN、iSCSI SAN、直接連接存儲器和 NAS 公開。

4.VMware虛擬服務(wù)器的運行效果

通過將原有的三十臺服務(wù)器虛擬化整合，部署在四臺硬件服務(wù)器Dell R610（雙核E5520*2，24GB，千兆網(wǎng)卡*4）上，并經(jīng)過一年的運行測試，虛擬化的服務(wù)器運行cpu和內(nèi)存的使用率都得到很大的提高。

使用SSH或telnet連至ESX主機后臺，通過性能測試esxtop命令可查看當(dāng)前硬件服務(wù)器CPU、內(nèi)存、存儲適配器、虛擬機存儲器、網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵負(fù)載的實時數(shù)據(jù)。CPU的負(fù)載通過ESX的性能測評工具，運行命令esxtop，監(jiān)控系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，1分鐘、5分鐘、15分鐘的平均負(fù)載均小于0.05（VMware官方文檔在虛擬化設(shè)計文檔中對CPU負(fù)載要求小于1.0）。

5.服務(wù)器虛擬化的優(yōu)勢

通過虛擬化整合，三十臺2U的機架式服務(wù)器原先需要占用四個機柜，而現(xiàn)在通過四臺2U（其中一臺為冷備）服務(wù)器，即可在機房中騰出大量的空間。原先消耗在三十臺服務(wù)器上的電源、空調(diào)成本，也隨著設(shè)備整合而大大降低。

（1）提供設(shè)備利用率

原有的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，由于其功能上僅僅需要實現(xiàn)對現(xiàn)場控制系統(tǒng)的實時采集、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)功能，其CPU、磁盤、網(wǎng)絡(luò)等負(fù)載指標(biāo)均保持在3%-5%左右，設(shè)備處于超低負(fù)載運行。而通過虛擬化整合后，物理服務(wù)器的綜合負(fù)載指標(biāo)達(dá)到了50%-70%，不僅提高了設(shè)備的使用效率，而且依然能完全滿足每個生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)的實時要求。

（2）增強系統(tǒng)的安全和可靠性

ESX是基于微linux內(nèi)核設(shè)計，在安全性上較Windows平臺無論從自身的可靠程度，以及應(yīng)對木馬黑客攻擊的角度來說，更為安全和可靠。ESX將應(yīng)用服務(wù)器虛擬化，脫離了應(yīng)用系統(tǒng)與底層硬件設(shè)備的連接，使其在災(zāi)難備份和系統(tǒng)冗余切換等角度上，為IT運維人員提供了一個方便、快捷的應(yīng)對方式。

（3）減少IT業(yè)務(wù)的綜合運維成本

采用并實施虛擬化服務(wù)器對現(xiàn)有數(shù)采系統(tǒng)進(jìn)行整合后，無論從企業(yè)的人力資源還是企業(yè)每年花費在服務(wù)器維保、備品備件管理方面，機房及其配套的空調(diào)、電源方面，其成本均有大幅度的降低。

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