許皓皓，徐振宇，趙科科

（寧波市氣象網(wǎng)絡(luò)與裝備保障中心，寧波315012）

超融合虛擬化架構(gòu)在氣象行業(yè)的應(yīng)用研究

許皓皓，徐振宇，趙科科

（寧波市氣象網(wǎng)絡(luò)與裝備保障中心，寧波315012）

為解決傳統(tǒng)服務(wù)器虛擬化技術(shù)在氣象部門應(yīng)用的諸多不足，搭建超融合虛擬化平臺并開展業(yè)務(wù)和技術(shù)測試。研究超融合基礎(chǔ)架構(gòu)，詳細(xì)描述超融合集群的搭建和測試過程，以及超融合管理平臺、跨平臺遷移、安全防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)。該研究為氣象部門應(yīng)用超融合技術(shù)積累經(jīng)驗，也為探索氣象數(shù)據(jù)中心向云計算環(huán)境遷移提供思路。

虛擬化；超融合；服務(wù)器虛擬化；網(wǎng)絡(luò)虛擬化；存儲虛擬化

0 引言

隨著氣象信息化的不斷深入，服務(wù)器虛擬化技術(shù)在各地氣象部門得到廣泛應(yīng)用，很大程度上提高了氣象部門業(yè)務(wù)可用性，提升了IT資源利用率和管理水平[1-3]。服務(wù)器虛擬化技術(shù)在具備簡化IT環(huán)境、增強(qiáng)災(zāi)難恢復(fù)能力、降低運(yùn)行成本等優(yōu)勢的同時，也存在一定的局限性。首先服務(wù)器虛擬化技術(shù)只實現(xiàn)了計算資源的虛擬化，并未解決存儲、網(wǎng)絡(luò)等資源的虛擬化問題，在那些已經(jīng)大量應(yīng)用虛擬化技術(shù)的數(shù)據(jù)中心里，存儲和網(wǎng)絡(luò)資源的管理工作往往比非虛擬化環(huán)境里更復(fù)雜；其次當(dāng)服務(wù)器虛擬化平臺性能出現(xiàn)瓶頸時，需要一次性采購服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來升級，硬件成本和業(yè)務(wù)遷移成本都很高；再次，共享存儲架構(gòu)的傳統(tǒng)虛擬化平臺應(yīng)對容器化、無狀態(tài)服務(wù)、大數(shù)據(jù)這些新技術(shù)時，成本和性能上并沒有任何優(yōu)勢。超融合虛擬化架構(gòu)為解決上述問題提供了可能性。

各行業(yè)技術(shù)人員在超融合虛擬化架構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域開展了廣泛的研究。冷迪[4]分析了傳統(tǒng)企業(yè)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)架構(gòu)面臨的弊端,提出了傳統(tǒng)構(gòu)架向超融合架構(gòu)的演進(jìn)趨勢。并對超融合架構(gòu)的概念、組成和主要特點進(jìn)行了詳細(xì)分析和介紹,從產(chǎn)品和市場角度分析了超融合架構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用趨勢；解培[5]在私有云建設(shè)和實踐過程中對超融合基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行學(xué)習(xí)和改造,形成一套適用于光大銀行的超融合架構(gòu)切實可行的落地方案；方昕[6]分析了傳統(tǒng)高校數(shù)據(jù)中心架構(gòu)情況及存在的問題,對超融合構(gòu)架技術(shù)在高校數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用前景進(jìn)行了探討；郭昌雄等[7]對超融合存儲技術(shù)進(jìn)行研究，保證了數(shù)據(jù)超高安全性的同時也實現(xiàn)了負(fù)載均衡,在存儲方面加速推進(jìn)了蘇州廣播電視總臺媒體融合生產(chǎn)的進(jìn)程。目前超融合虛擬化架構(gòu)在氣象行業(yè)還沒有應(yīng)用先例，相關(guān)研究也尚未起步，如果能對超融合虛擬化架構(gòu)進(jìn)行研究和測試，掌握關(guān)鍵技術(shù)，既可以為超融合虛擬化技術(shù)未來在氣象行業(yè)應(yīng)用積累經(jīng)驗，也非常具有前瞻性和實用價值。

1 超融合虛擬化技術(shù)

1.1 超融合基礎(chǔ)架構(gòu)

超融合基礎(chǔ)架構(gòu)（Hyper-Converged Infrastructure）是一種集成了虛擬計算資源和存儲設(shè)備的信息基礎(chǔ)架構(gòu)。在這樣的架構(gòu)環(huán)境中，同一套單元設(shè)備中不但具備了計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲和服務(wù)器虛擬化等資源和技術(shù)，而且多套單元設(shè)備可以通過網(wǎng)絡(luò)聚合起來，實現(xiàn)模塊化的無縫橫向擴(kuò)展（Scale-Out），形成統(tǒng)一的資源池。傳統(tǒng)虛擬化架構(gòu)是分散的，服務(wù)器與存儲設(shè)備各自獨立，超融合基礎(chǔ)架構(gòu)則是將服務(wù)器與存儲設(shè)備集成在一個單元設(shè)備里提供服務(wù)，不需要配置諸如磁盤陣列等專用的存儲子系統(tǒng)。超融合基礎(chǔ)架構(gòu)一般由安裝了硬盤的x86服務(wù)器所組成，所有資源的調(diào)派均不涉及底層實體硬件的配置設(shè)置，而是以虛擬機(jī)為核心，以單一的軟件定義方式來規(guī)劃底層硬件，然后向用戶交付需要的資源。超融合基礎(chǔ)架構(gòu)能既可以滿足數(shù)據(jù)中心在可用性及可靠性上的需求，而且整個系統(tǒng)能被集中管理，所有硬件設(shè)備的管理工作均可通過單一軟件界面完成，因此可以促進(jìn)和簡化系統(tǒng)管理工作，同時提高IT資源利用率。

1.2 超融合架構(gòu)和傳統(tǒng)虛擬化解決方案對比

超融合架構(gòu)由傳統(tǒng)服務(wù)器虛擬化技術(shù)演化而來，隨著近年來云計算的興起和發(fā)展，異構(gòu)硬件系統(tǒng)之間的融合成為必須解決的問題。傳統(tǒng)服務(wù)器虛擬化技術(shù)只能在專用的硬件設(shè)備上實現(xiàn)資源的虛擬化和管理，并沒有徹底實現(xiàn)硬件資源與虛擬化管理軟件之間的完全解耦，隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，基于傳統(tǒng)虛擬化技術(shù)構(gòu)建的數(shù)據(jù)中心在擴(kuò)展性、可靠性、性能、運(yùn)維、成本等方面的弊端也逐步顯現(xiàn)。超融合架構(gòu)采用軟件定義的技術(shù)，將計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)與專用硬件資源解耦，實現(xiàn)了IT基礎(chǔ)架構(gòu)的真正融合，為云計算和云數(shù)據(jù)中心的實施與部署掃清了障礙。超融合架構(gòu)和傳統(tǒng)虛擬化解決方案技術(shù)對比如表1所示。

表1 超融合架構(gòu)和傳統(tǒng)虛擬化解決方案比較

2 超融合虛擬化實測

2.1 超融合測試方案設(shè)計與搭建

本次超融合虛擬化測試平臺主要服務(wù)于氣象探測資料采集、數(shù)據(jù)處理和氣象應(yīng)用系統(tǒng)等業(yè)務(wù)。平臺設(shè)計遵循成熟穩(wěn)定、統(tǒng)一架構(gòu)和安全可靠原則，兼顧開放性和實用性。超融合軟件架構(gòu)主要包含三大組件（服務(wù)器虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、存儲虛擬化）和一個管理平臺（虛擬化管理平臺）。硬件采用通用x86服務(wù)器實現(xiàn)基礎(chǔ)架構(gòu)的承載，配合傳統(tǒng)的交換機(jī)完成整個平臺的搭建，無需使用功能復(fù)雜、價格昂貴的數(shù)據(jù)中心級交換機(jī)。搭建完畢的超融合集群物理拓?fù)湟妶D1。整套超融合集群從邏輯上分為計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)三部分，搭建環(huán)境和技術(shù)特性描述如下：

（1）計算：配置5臺閑置x86服務(wù)器，每臺服務(wù)器配置2顆Intel Xeon E5-2620v3處理器，32GB內(nèi)存。使用服務(wù)器虛擬化技術(shù)將CPU、內(nèi)存、I/O等服務(wù)器物理資源轉(zhuǎn)化為一組可統(tǒng)一管理、調(diào)度和分配的邏輯資源，并基于這些邏輯資源在單個物理服務(wù)器上構(gòu)建多個同時運(yùn)行、相互隔離的虛擬機(jī)執(zhí)行環(huán)境，實現(xiàn)更高的資源利用率；同時提供熱遷移、HA高可用、虛擬機(jī)備份，應(yīng)用故障檢測，安全補(bǔ)丁更新等功能，滿足更高的靈活性和更快速的業(yè)務(wù)響應(yīng)速度。虛擬化完畢后提供180虛擬CPU,160內(nèi)存供使用。

（2）存儲：使用5臺x86服務(wù)器內(nèi)置硬盤作為存儲資源，共10TB空間。應(yīng)用存儲虛擬化技術(shù)，基于集群設(shè)計，將服務(wù)器上的硬盤存儲空間組織起來形成一個統(tǒng)一的虛擬共享存儲資源池，形成分布式存儲系統(tǒng)；支持多副本存儲，高性能讀寫緩存，存儲彈性擴(kuò)展，數(shù)據(jù)故障切換，磁盤故障告警等功能。本次測試環(huán)境采用2副本模式存儲數(shù)據(jù)，實際可用存儲空間為5TB。

（3）網(wǎng)絡(luò)：本次測試環(huán)境配置兩臺交換機(jī)，一臺千兆交換機(jī)采用二層ACCESS的方式接入氣象內(nèi)網(wǎng)核心交換機(jī)，一臺萬兆存儲交換機(jī)用于超融合集群內(nèi)部數(shù)據(jù)交換。采用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，通過和服務(wù)器虛擬化技術(shù)結(jié)合，在虛擬機(jī)和物理網(wǎng)絡(luò)之間，提供了一整套完整的邏輯網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、連接和服務(wù)；此外通過虛擬化管理平臺還可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳渴?、虛擬交換機(jī)、虛擬路由器、網(wǎng)絡(luò)故障探測等網(wǎng)絡(luò)管理功能。

2.2 測試效果

超融合虛擬化集群搭建完畢后，遷移了部分非氣象核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)至超融合集群實時運(yùn)行，對超融合管理平臺、物理服務(wù)器遷移、集群高可用性、數(shù)據(jù)備份、安全防護(hù)等軟件和功能進(jìn)行了為期半年的測試，測試結(jié)論如下：

（1）超融合虛擬化集群搭建完畢后，使用物理服務(wù)器至虛擬服務(wù)器遷移工具創(chuàng)建虛擬機(jī)5臺，全新創(chuàng)建虛擬機(jī)3臺，集群共運(yùn)行業(yè)務(wù)系統(tǒng)8套，消耗48顆虛擬CPU，80GB內(nèi)存，2TB存儲空間。因集群x86服務(wù)器配置較低，因此沒有測試資源消耗密集和大數(shù)據(jù)量使用場景。測試期間集群軟硬件系統(tǒng)運(yùn)行正常，8套應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行正常，性能基本滿足業(yè)務(wù)運(yùn)行要求，未出現(xiàn)影響業(yè)務(wù)正常運(yùn)行的各類故障。

（2）超融合虛擬化管理平臺可對集群內(nèi)所有IT資源進(jìn)行全面管理和調(diào)度；可針對物理主機(jī)、服務(wù)器虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、存儲虛擬化等設(shè)備和組件進(jìn)行資源負(fù)載監(jiān)控、虛擬資源配置和調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳渴?、網(wǎng)絡(luò)策略配置、網(wǎng)絡(luò)故障排查、存儲資源管理、數(shù)據(jù)備份管理等操作。軟件操作簡便，功能易用，比傳統(tǒng)虛擬化軟件管理平臺學(xué)習(xí)成本低。

（3）對超融合集群高可用性進(jìn)行測試。熱遷移操作可以在不中斷服務(wù)的情況下在線動態(tài)遷移虛擬機(jī)或跨存儲實時遷移虛擬機(jī)磁盤文件；手工關(guān)閉x86服務(wù)器或拔除硬盤模擬故障，虛擬機(jī)和應(yīng)用系統(tǒng)可以在短時間內(nèi)完成切換恢復(fù)上線，基本保證了業(yè)務(wù)連續(xù)性。系統(tǒng)備份功能支持各種備份策略設(shè)置，可滿足各類業(yè)務(wù)備份需求。

圖1 超融合集群物理拓?fù)鋱D

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 超融合管理平臺

虛擬化管理平臺是對超融合架構(gòu)IT資源進(jìn)行綜合管理和調(diào)度的系統(tǒng)，可以針對x86服務(wù)器，服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)等虛擬化組件進(jìn)行資源配置和調(diào)度、運(yùn)行監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)配置、存儲管理、數(shù)據(jù)備份、故障排查等一系列管理操作。虛擬化管理平臺主要由服務(wù)器虛擬化管理模塊、存儲虛擬化管理模塊和網(wǎng)絡(luò)虛擬化管理模塊3部分組成。

（1）服務(wù)器虛擬化管理模塊可以實現(xiàn)傳統(tǒng)虛擬化管理平臺的全部功能，對x86服務(wù)器、虛擬機(jī)、存儲進(jìn)行全面的管理。該模塊可以新增或刪除x86服務(wù)器、監(jiān)控物理服務(wù)器性能、創(chuàng)建虛擬機(jī)或進(jìn)行克隆遷移監(jiān)控等操作、管理存儲資源、備份和恢復(fù)數(shù)據(jù)。

（2）存儲虛擬化管理模塊將服務(wù)器上的硬盤存儲空間組織起來形成一個統(tǒng)一的虛擬共享存儲資源池，進(jìn)行高可靠、高性能、彈性的存儲資源管理。通過副本容量策略、故障恢復(fù)策略、數(shù)據(jù)平衡策略等功能來實現(xiàn)存儲資源池的高可用。性能監(jiān)控工具不但可以監(jiān)控整個存儲資源池的I/O訪問次數(shù)、I/O吞吐、存儲使用量、緩存命中率等各項性能指標(biāo)，還可以根據(jù)物理服務(wù)器上硬盤資源的實時狀態(tài)，針對性設(shè)置硬盤使用類型為熱備盤、數(shù)據(jù)盤或緩存盤。

（3）網(wǎng)絡(luò)虛擬化管理模塊對超融合環(huán)境下的虛擬交換機(jī)、虛擬路由器、虛擬網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、虛擬網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)備進(jìn)行全面的管理，并支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳渴鸷途W(wǎng)絡(luò)故障排查功能。網(wǎng)絡(luò)虛擬化管理模塊支持虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境拖拽式部署，只要鼠標(biāo)拖動管理界面里的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備到畫布中，完成網(wǎng)絡(luò)連線就可以快速部署拓?fù)?；設(shè)備配置也只需要點擊對應(yīng)設(shè)備的圖標(biāo)，就可以進(jìn)入對應(yīng)的Web化管理界面進(jìn)行路由協(xié)議、IP地址、ACL、VLAN、安全防護(hù)策略等各種策略的配置和管理。集群內(nèi)網(wǎng)絡(luò)故障排查只需要輸入目的和源地址，就可以快速定位出故障點和具體原因。

3.2 跨平臺遷移

超融合平臺提供類似VMware vCenter Converter的物理機(jī)至虛擬機(jī)遷移工具，支持所有主流操作系統(tǒng)，也可實現(xiàn)快速虛擬機(jī)平臺還原回物理機(jī)的回滾，保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不丟失。Windows操作系統(tǒng)主機(jī)遷移需要安裝P2V軟件，Linux操作系統(tǒng)主機(jī)需要關(guān)機(jī)使用iso引導(dǎo)方式來遷移，經(jīng)測試物理機(jī)虛擬化轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)量平均在70MB/s左右，遷移過程業(yè)務(wù)中斷一般在2分鐘以內(nèi)。此外本次測試的超融合平臺還支持VMware虛擬機(jī)遷移，通過VMware管理軟件導(dǎo)出OVA格式虛擬機(jī)文件后，可以直接在超融合管理界面導(dǎo)入為超融合虛擬機(jī)。

3.3 安全防護(hù)

和傳統(tǒng)虛擬化平臺相比，超融合架構(gòu)的分布式特性大幅提升了硬件層面的安全性，故障遷移、系統(tǒng)備份、數(shù)據(jù)多副本技術(shù)等各種完善的高可用機(jī)制也保證了業(yè)務(wù)系統(tǒng)的安全性，此外在系統(tǒng)安全漏洞和網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)方面，超融合架構(gòu)也有一定優(yōu)勢。首先超融合系統(tǒng)提供高強(qiáng)度加密的文件系統(tǒng)，用戶使用秘鑰加密文件系統(tǒng)后，即使存儲機(jī)密數(shù)據(jù)的物理硬盤或者虛擬機(jī)虛擬硬盤文件丟失或被盜用，也可以防范數(shù)據(jù)被其他用戶或外部攻擊者未經(jīng)授權(quán)訪問。

其次得益于網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，超融合平臺可以虛擬出入侵防御、漏洞檢測、風(fēng)險掃描、Web安全防護(hù)等一系列虛擬化安全設(shè)備，通過在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和邊界合理配置虛擬安全設(shè)備，入侵檢測和防御設(shè)備能夠主動防御并阻止蠕蟲、病毒、木馬、拒絕服務(wù)攻擊、間諜軟件的攻擊；在網(wǎng)站前端架設(shè)WAF防護(hù)系統(tǒng)，有效防范各種SQL注入、XSS跨站、網(wǎng)站掛馬、敏感信息泄密、網(wǎng)頁篡改等攻擊；在網(wǎng)絡(luò)邊界部署虛擬防火墻，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)邊界訪問控制，降低安全風(fēng)險,減少入侵者成功入侵的可能；此外部署虛擬風(fēng)險掃描設(shè)備對系統(tǒng)安全隱患進(jìn)行分析，以便采取針對性修補(bǔ)和加固措施，提高操作系統(tǒng)的安全級別，保障系統(tǒng)安全。

4 結(jié)語

通過對超融合技術(shù)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，搭建超融合集群，遷移部分氣象應(yīng)用系統(tǒng)至集群實時業(yè)務(wù)運(yùn)行，開展了為期半年的運(yùn)行和技術(shù)測試。測試結(jié)果表明超融合虛擬化集群運(yùn)行穩(wěn)定，高可用性和備份策略完善，功能和性能基本可以滿足氣象業(yè)務(wù)需求；超融合管理平臺集成了服務(wù)器虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化和存儲虛擬化三部分的管理和調(diào)度功能，相較傳統(tǒng)虛擬化平臺，操作和使用更加簡便，學(xué)習(xí)成本更低。超融合架構(gòu)和傳統(tǒng)虛擬化架構(gòu)相比在擴(kuò)展性、可靠性、運(yùn)維成本等方面確實存在一定優(yōu)勢，但是現(xiàn)階段超融合集群在氣象探測數(shù)據(jù)庫、數(shù)值預(yù)報運(yùn)算等對性能要求比較苛刻的應(yīng)用場景使用效果還沒有得到證明，成熟度較高的傳統(tǒng)虛擬化平臺仍有存在必要，未來氣象數(shù)據(jù)中心可采用超融合架構(gòu)和傳統(tǒng)虛擬化架構(gòu)并存的模式，并陸續(xù)完成向以超融合架構(gòu)為主的云計算環(huán)境轉(zhuǎn)型。

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[4]冷迪.企業(yè)數(shù)據(jù)中心超融合架構(gòu)的特點和發(fā)展趨勢研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2015(35)：37-38.

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許皓皓（1984-），男，江蘇泗洪人，本科，工程師，從事領(lǐng)域為氣象信息化規(guī)劃設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理工作

徐振宇（1991-），男，浙江常山人，本科，助理工程師，從事領(lǐng)域為氣象網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維工作

趙科科（1979-），女，浙江寧波人，本科，工程師，從事領(lǐng)域為UI設(shè)計和軟件開發(fā)工作

Research on Hyper-Converged Infrastructure Utilizing in Meteorological Department

XU Hao-hao，XU Zhen-yu，ZHAO Ke-ke
(Ningbo MeteorologicalNetwork and Equipment SupportCenter,Ningbo 315012)

In order to solve the deficiencies ofmeteorologicaldepartmentutilizing server virtualization technology,builds a hyper-converged cluster to conductbusiness and technicaltesting.Studies hyper-converged infrastructure,describes the building and testing procedure of hyper-converged cluster in detail,and introduces the key technologies like hyper-converged manager platform,cross-platform migration and security protection.This study accumulates some experiences for the use of hyperconverged technology in meteorologicaldepartment,also provides new ideas formeteorologicaldata centermigrating to cloud computing environment.

Virtualization;Hyper-Converged;Server Virtualization;Network Virtualization;Storage Virtualization

寧波市氣象科技計劃項目（No.NBQX2017001B）

1007-1423（2017）30-0019-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.30.004

2017-08-31

2017-10-20