劉化東，王純

（1 北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點實驗室，北京 100876; 2 東信北郵信息技術(shù)有限公司，北京 100191)

隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，云計算已經(jīng)逐漸成為IT行業(yè)的趨勢了。一般講與計算分為3種服務(wù)：IaaS（基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)）、PaaS（平臺即服務(wù)）和SaaS（軟件即服務(wù)）。其中IaaS是利用虛擬化技術(shù)，將IT資源（IT硬件資源）轉(zhuǎn)化為一個大的資源池，供上層的應(yīng)用申請調(diào)用。然而，隨著虛擬化技術(shù)的迅速發(fā)展，市場上的虛擬化產(chǎn)品越來越多，這就使得IaaS層的管理變得更加復(fù)雜；因此，要解決這些問題，就必須研究探討對多平臺虛擬化環(huán)境的集成管理技術(shù)。

本文提出一種資源抽象層設(shè)計方案將異構(gòu)的虛擬化計算平臺統(tǒng)一管理在同一個平臺之上，以降低對不同虛擬化平臺的管理難度；以VMware、Xenserver、KVM等虛擬化技術(shù)作為例子，通過資源抽象層對Hypervisor（虛擬機管理器）統(tǒng)一管理，使得上層服務(wù)可以使用統(tǒng)一的API編程接口對多個虛擬機管理器進行管理，而不用擔心它們的具體虛擬化技術(shù)的差異；將多個虛擬化計算平臺統(tǒng)一在同一個管理平臺之上，統(tǒng)一了虛擬化資源視圖，使得管理更加便捷方便；通過虛擬化平臺管理抽象層對虛擬化計算平臺進行管理，可以更加有效的幫助用戶梳理業(yè)務(wù)流程，幫助業(yè)務(wù)的發(fā)展。

1 需求分析

異構(gòu)的虛擬化系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部形成了相互隔離的子區(qū)域，增加了管理以及資源申請的復(fù)雜度，設(shè)計資源抽象層就為了解決這個問題。在IaaS資源管理平臺中，資源抽象層是資源管理的基礎(chǔ)，它負責(zé)管理虛擬計算資源，監(jiān)控計算資源節(jié)點狀態(tài)；通過對異構(gòu)虛擬化系統(tǒng)的抽象，向上層服務(wù)提供了一個可擴展、可共享的資源池；IaaS其它功能組件都是以這個抽象資源池作為基礎(chǔ)，使得所有資源管理和數(shù)據(jù)收集相關(guān)的功能都集中在這一層中，實現(xiàn)了資源管理和資源調(diào)度的松耦合。

為了屏蔽計算資源異構(gòu)性所帶來的資源管理困難，計算資源抽象層需要滿足的主要需求如下。

（1） 數(shù)據(jù)收集：周期性收集虛擬機和物理主機的負載信息和健康狀況，并將這些信息存入數(shù)據(jù)庫中，作為資源調(diào)度的信息判斷來源。

（2） 資源整合：屏蔽虛擬化系統(tǒng)的差異，對虛擬化計算資源進行統(tǒng)一的生命周期管理，包括虛擬資源和物理資源；資源抽象層需要統(tǒng)一物理資源和虛擬資源的管理，向用戶提供標準的編程接口，允許用戶根據(jù)自己不同的業(yè)務(wù)需求，執(zhí)行靈活的配置方案；滿足不同用戶對多種虛擬化技術(shù)的需求，支持對虛擬機實例的創(chuàng)建、操作、維護、克隆、遷移、移除等生命周期管理，最大程度利用該虛擬化技術(shù)，減少IaaS管理平臺構(gòu)建的投入。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)

計算資源抽象層的核心作用是屏蔽計算資源的異構(gòu)性，即完成對數(shù)據(jù)中心中物理資源及不同類型的虛擬資源的管理。圖1中我們可以看到資源抽象層有分為兩個層，Driver層和模型層；其中Driver層完成了與Hypervisor的交互，該層不包含數(shù)據(jù)庫操作；模型層采用了適配器模式來完成對Driver層不同接口的匹配，并且在該層我們會和數(shù)據(jù)庫進行交互；其中Adapter層采用設(shè)計模式中的適配器模式，該模式是實現(xiàn)計算資源模型層對多種計算資源類型支持的最優(yōu)方法。

基于Adapter模式構(gòu)建的資源模型層的整體架構(gòu)可以分為兩個部分，即控制器和適配器。

（1） 控制器：負責(zé)資源的集中管理與監(jiān)控，是資源抽象層的中心組件。提供虛擬機管理、計算服務(wù)管理以及監(jiān)控信息管理等基本功能，同時向資源調(diào)度層提供Java API作為資源申請的接口。

（2） 適配器：適配器通過與IaaS中的異構(gòu)計算資源驅(qū)動層交互，從而完成對IaaS不同的虛擬化平臺進行控制，底層具體的虛擬化操作則由Hypervisor來完成。

2.2 模型層

2.2.1 模型層的功能

模型層的主要功能是計算資源的集中管理與監(jiān)控，包括對虛擬資源，計算服務(wù)的管理以及監(jiān)控信息收集。控制器可以分為4個模塊，分別是計算服務(wù)管理模塊、監(jiān)控信息采集模塊、虛擬機管理和虛擬架構(gòu)管理模塊。

從圖2中可以看到，各個模塊相互獨立又相互配合，模型層的模塊之間通過Java接口相互協(xié)作，完成資源管理和資源監(jiān)控的功能，模型層之間的模塊的關(guān)系如下。

（1） 資源服務(wù)層通過Java接口向計算服務(wù)管理模塊申請計算資源。

圖1 計算資源抽象層總體設(shè)計

圖2 模型層的總體設(shè)計

（2） 計算服務(wù)管理模塊根據(jù)資源請求類型，調(diào)用監(jiān)控信息管理模塊或者對應(yīng)Hypervisor的Adapter來完成請求操作，具體的Adapter調(diào)用虛擬機管理模塊和虛擬架構(gòu)管理模塊，與其它管理模塊（可以根據(jù)具體需求擴展的其它管理模塊）共同完成資源申請。

（3） 虛擬機管理模塊調(diào)用Driver層中不同Hypervisor的驅(qū)動處理資源的操作請求。

（4） 監(jiān)控信息管理模塊周期性地被調(diào)用，通過與Driver層交互收集資源池中所有Hypervisor主機以及虛擬機實例的狀態(tài)和負載信息，并將這些信息存儲到數(shù)據(jù)庫或者分布式儲存系統(tǒng)中。同時，通過查詢數(shù)據(jù)庫或者分布式儲存系統(tǒng)的相應(yīng)表，實時地響應(yīng)資源調(diào)度層的負載信息查詢請求。

（5） 虛擬架構(gòu)管理模塊根據(jù)請求連接具體的Hypervisor，對Hypervisor進行資源管理。

（6） Driver層通過Java調(diào)用對應(yīng)Hypervisor驅(qū)動完成操作或查詢，然后將操作結(jié)果返回給Adapter層中的虛擬機管理模塊或者虛擬架構(gòu)管理模塊。

2.2.2 Adapter層功能

適配器模式也稱包裝者模式，將一個類的接口轉(zhuǎn)接成用戶所期待的；一個適配使得因接口不兼容而不能在一起工作的類工作在一起，做法是將類別自己的接口包裹在一個已存在的類中。

基于Adapter模式，模型層開發(fā)相應(yīng)的適配器程序來與Driver層特定類別的資源交互，調(diào)用Driver層對應(yīng)操作接口將異構(gòu)計算資源的差異化接口轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的接口提供給其它組件使用。

采取這樣的設(shè)計有兩個優(yōu)點。

（1）將底層Hypervisor的差異性完全屏蔽；如果底層Hypervisor的API或通信協(xié)議發(fā)生改變，對代碼邏輯的改動可以局限在相應(yīng)的適配器代碼中，降低了后期的修改成本，提高了系統(tǒng)的靈活性。

（2）當需要增加新的資源類型，如增加一種新的虛擬化平臺時，只需要增加一個針對該平臺API接口編寫適配器即可，增強了資源抽象層的可擴展性。

適配器接口的設(shè)計是適配層的關(guān)鍵，作為控制器與適配器實例交互的中間接口，連接計算服務(wù)管理模塊和具體適配器，處理其它模塊對計算資源的操作或查詢請求。適配器接口需要包括兩個功能部分。

（1） 虛擬架構(gòu)管理，負責(zé)虛擬架構(gòu)的整個生命周期的管理，包括虛擬架構(gòu)注冊、虛擬架構(gòu)導(dǎo)入、虛擬架構(gòu)修改，虛擬架構(gòu)同步。

（2） 虛擬機管理，負責(zé)虛擬機的整個虛擬機周期以及業(yè)務(wù)的管理，包括虛擬機創(chuàng)建、刪除、修改、查看、操作等常用操作。

虛擬機管理模塊的功能：虛擬計算資源服務(wù)是IaaS層管理的核心內(nèi)容，主要包括虛擬機生命周期管理；虛擬機生命周期管理包括虛擬機創(chuàng)建、刪除、修改、查看、操作、模板管理。其中，虛擬機創(chuàng)建、刪除、修改、查看將涉及到虛擬網(wǎng)絡(luò)及虛擬數(shù)據(jù)存儲；虛擬機操作是指對虛擬機的啟動、關(guān)閉、停止、暫停、關(guān)機等操作；模板管理則是指對常用虛擬機進行克隆模板并基于該模板進行虛擬機的創(chuàng)建等操作，包括創(chuàng)建模板，導(dǎo)入模板、刪除模板等。

虛擬架構(gòu)管理模塊的功能：虛擬架構(gòu)管理模塊負責(zé)Hypervisor在IaaS管理平臺中的生命周期，該模塊負責(zé)虛擬架構(gòu)的導(dǎo)入、刪除、更新以及修改。

2.2.3 計算服務(wù)管理的功能

計算服務(wù)管理是控制器的分發(fā)請求的核心，它根據(jù)不同的請求，調(diào)用不同的Adapter來完成資源請求操作；它負責(zé)資源抽象層中所有適配器實例的管理，是資源抽象層實現(xiàn)異構(gòu)計算資源管理的核心模塊。計算服務(wù)管理模塊與資源抽象層中所有的適配器實例通過Java交互，根據(jù)所需要的資源類型，將資源調(diào)度層的操作請求發(fā)給相應(yīng)的適配器實例，并與適配器實例相互協(xié)作來完成操作。

2.3 資源監(jiān)控模塊

計算資源監(jiān)控模塊主要負責(zé)周期性對各種計算資源的運行狀態(tài)監(jiān)控及資源信息的統(tǒng)計，將監(jiān)控信息儲存到數(shù)據(jù)庫或者分布式系統(tǒng)中，以便于用戶及時掌握著資源運行情況。同時，監(jiān)控信息也是資源調(diào)度的主要依據(jù)之一，監(jiān)控信息包括群集、主機和虛擬機信息，具體類別包括實時的主機/集群/虛擬機CPU負載、網(wǎng)絡(luò)負載、內(nèi)存負載等數(shù)據(jù)。

2.4 Driver層

Driver層主要負責(zé)與各個Hypervisor交互；設(shè)計Driver層主要目的是將屏蔽各個Hypervisor SDK的具體調(diào)用細節(jié)，讓適配層能夠更加專注業(yè)務(wù)的管理；添加Driver層有如下優(yōu)點。

（1） 利用Driver層實現(xiàn)了模型層和Hypervisor SDK或者Libvirt的松耦合，實現(xiàn)了對Hypervisor SDK或者Libvirt等虛擬架構(gòu)編程接口對模型層的透明化。

（2） 通過Driver層的隔離性，由Driver層提供的更加簡潔實用的編程接口，讓模型層能夠更加的專注于業(yè)務(wù)流程；避免了Hypervisor SDK或者Libvirt等編程接口的入侵，使得模型層可以避免Hypervisor SDK、Libvirt等版本更新或者更換開發(fā)SDK時帶來的多余工作量。

2.5 虛擬機的申請流程

如圖3所示，在IaaS平臺中創(chuàng)建虛擬機的流程如下。

圖3 虛擬機創(chuàng)建流程

（1） 服務(wù)層開始創(chuàng)建虛擬機。

（2） 選擇虛擬機模板，模板在開始創(chuàng)建虛擬機前需要導(dǎo)入到管理平臺中。

（3）在抽象層接到創(chuàng)建虛擬機和模板信息后，根據(jù)模板所屬的虛擬化平臺，調(diào)用具體虛擬化平臺適配器接口。

（3）適配器調(diào)用Driver層接口開始克隆虛擬機模板。

（5）部署虛擬機模板為可運行的虛擬機，返回結(jié)果。

3 結(jié)束語

異構(gòu)虛擬化系統(tǒng)的抽象層，將不同虛擬化平臺納管到統(tǒng)一平臺上，提供統(tǒng)一管理接口，屏蔽了不同虛擬化平臺代理的管理難度；通過資源監(jiān)控模塊，實時掌握不同虛擬化系統(tǒng)負載情況，方便不同用戶對業(yè)務(wù)監(jiān)控，同時給資源調(diào)度層提供了具體依據(jù)。

[1]張良，王純，李煒.基于內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的存儲集群的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電信工程技術(shù)與標準化, 2012（10).

[2]胡慧,王輝.云計算技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析[J].軟件導(dǎo)刊, 2009（09) .

[3]馬博峰.VMware、Citrix和Microsoft虛擬化技術(shù)詳解與應(yīng)用實踐[M].北京: 機械工業(yè)出版社，2012.

[4]商慶同.虛擬化管理平臺適配層的研究與評價[D].北京：北京郵電大學(xué)，2011

[5]楊華偉.多平臺虛擬化環(huán)境集成管理技術(shù)研究與實現(xiàn)[D].濟南：濟南大學(xué), 2013.