杜有翔 付渲理 明麗洪

[摘 要]本文根據(jù)大部分數(shù)據(jù)中心IaaS層的建設(shè)現(xiàn)狀，分析其基礎(chǔ)資源管理存在的問題，以此提出云化需求。從計算、存儲、網(wǎng)絡3個層面來分析虛擬化技術(shù)在云化IaaS層中的應用，提出數(shù)據(jù)中心IaaS層云化架構(gòu)的設(shè)想，并在基礎(chǔ)資源虛擬化的基礎(chǔ)上，搭建云管理平臺，實現(xiàn)對異構(gòu)的物理資源和虛擬化資源的統(tǒng)一規(guī)范和可視化管理，分析數(shù)據(jù)中心云化IaaS的應用成效。

[關(guān)鍵詞]IaaS;虛擬化;云管理;智能運維;數(shù)據(jù)備份

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2019.24.027

[中圖分類號]TP393.09[文獻標識碼]A[文章編號]1673-0194（2019）24-00-03

0 ? ? 引 言

云架構(gòu)因高效的資源整合和運維、低功耗資源管理、低成本擴展、推動大數(shù)據(jù)融合分析等優(yōu)勢，已成為IT架構(gòu)的整體發(fā)展趨勢。從實現(xiàn)層面上來說，通常分為3個層次，自下而上分別是基礎(chǔ)設(shè)施即服務（Infrastructure as a Service，IaaS）、平臺即服務（Platform as a Service，PaaS）、軟件即服務（Software as a Service，SaaS）。其中，IaaS層是IT架構(gòu)的基礎(chǔ)層，也是實現(xiàn)云架構(gòu)的核心所在，是PaaS和SaaS層的實際載體。本文基于目前大部分中心機房實際情況，從IaaS層分析數(shù)據(jù)中心云化的方式和應用前景。

1 ? ? 數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)狀

目前，很多單位都有自己的數(shù)據(jù)中心，但大部分只是實現(xiàn)了所有硬件設(shè)備的集中擺放和連接，將林立的“煙囪”堆在了一起。即使采用了虛擬化平臺，但數(shù)據(jù)中心沒有一個統(tǒng)一的資源整合和運維平臺，易造成硬件資源浪費，難以管理。從基礎(chǔ)設(shè)施的使用來看，可以從以下兩方面分析數(shù)據(jù)中心存在的問題。

1.1 ? 非虛擬化平臺

①舊設(shè)備改造的投入成本過高，且難以徹底改造;②部分新設(shè)備性能配置高，運行其上的業(yè)務未能充分利用設(shè)備資源，造成資源浪費;③物理設(shè)備一旦開機，能耗較為穩(wěn)定（不包括制冷能耗），不會因利用率高低而產(chǎn)生較大的能耗變化，造成能源浪費;④部分業(yè)務應用系統(tǒng)為了降低建設(shè)初期投入，沒有過多考慮高可用性和負載均衡。

1.2 ? 虛擬化平臺

①虛擬化平臺相互之間是獨立的，且應用范圍不廣，限制了其在資源節(jié)約上的優(yōu)勢;②未建設(shè)可實現(xiàn)資源自動按需分配的云管理平臺，運維人力成本較高。因此，數(shù)據(jù)中心IaaS層云化的目標是最小化改造成本、提高硬件資源利用率、保證業(yè)務高可用和數(shù)據(jù)安全，實現(xiàn)資源管理自動化和運維智能化。

2 ? ? 虛擬化技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應用

虛擬化技術(shù)是所有IT“云”的基礎(chǔ)，也是目前最有效的資源整合技術(shù)。通過利用虛擬化技術(shù)，在實現(xiàn)應用高可用性的同時，提高了設(shè)備的資源利用率，能以較低的建設(shè)和改造成本，降低數(shù)據(jù)中心的能耗。從功能上分，數(shù)據(jù)中心虛擬化技術(shù)主要包括3類：存儲虛擬化、服務器虛擬化（計算資源虛擬化）和網(wǎng)絡虛擬化。

2.1 ? 存儲虛擬化

存儲虛擬化是為了實現(xiàn)對物理存儲資源的抽象、隱藏和隔離，提高設(shè)備利用率和可擴展性?？梢詫⒁粋€物理存儲設(shè)備（卷）虛擬成多個邏輯存儲卷，也可以將多個物理存儲設(shè)備（卷）虛擬成一個邏輯存儲卷，供上層的應用服務端調(diào)用，如圖1所示。

存儲虛擬化按實現(xiàn)位置可分為基于主機、基于存儲設(shè)備和基于網(wǎng)絡3類，比較結(jié)果如表1所示。

2.2 ? 服務器虛擬化

服務器虛擬化是將一臺或多臺利用率低的服務器通過虛擬化軟件整合在一起，形成一個或多個計算資源池，為多個應用系統(tǒng)提供計算資源，又稱為計算資源虛擬化。由于各虛擬機內(nèi)部運行環(huán)境之間是相互獨立的，且物理服務器如何為虛擬機提供計算資源，對于運行在其上應用系統(tǒng)來說也是完全透明的，因此，從效果上來看，各應用系統(tǒng)仍然各自“獨占”一臺物理服務器，如圖2所示。

除了整合計算資源以外，以共享存儲為前提，服務器虛擬化的一個重要作用還體現(xiàn)在對于運行其上的業(yè)務系統(tǒng)的一個連續(xù)性保護，主要通過虛擬化遷移、虛擬化平臺的高可用、恢復自動化等技術(shù)實現(xiàn)。

2.3 ? 網(wǎng)絡虛擬化

網(wǎng)絡虛擬化可描述為將網(wǎng)絡資源進行虛擬化整合和改造，在對用戶透明的前提下，實現(xiàn)物理網(wǎng)絡虛多、多虛功能，以達到提高物理網(wǎng)絡設(shè)備利用率、簡化物理網(wǎng)絡的目的。在服務器虛擬化中，要運用網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)實現(xiàn)多個不同IP的虛擬機通過少量的物理網(wǎng)口對外連接，如圖3所示。

數(shù)據(jù)中心的資源整合主要有3種實現(xiàn)方式：“服務器虛擬化+共享物理存儲”“服務器虛擬化+存儲虛擬化”、超融合架構(gòu)。其中，超融合架構(gòu)是將服務器虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡虛擬化等虛擬化技術(shù)融合在一起的扁平化部署架構(gòu)。但由于其存儲和計算資源都是在同一臺物理設(shè)備上，因此，如果要對任何一種資源進行單獨擴容，為了保證平臺整體性能，需要對每臺物理設(shè)備進行同樣的擴容改造，成本較高。因此，此架構(gòu)適用于對計算、存儲資源需求同步增長的應用。通過對常用應用系統(tǒng)（如門戶、OA）的分析可知，服務端的計算資源需求量增長遠不如存儲資源。而特殊應用系統(tǒng)，如桌面云，計算資源需求的增長和存儲資源需求的增長就有較強的關(guān)聯(lián)性。比如，新增一個桌面云用戶，不僅要為其分配磁盤空間（存儲資源），還要為其分配CPU和內(nèi)存（計算資源）。因此，通過上述虛擬化技術(shù)對比分析，對于數(shù)據(jù)中心中的通用應用系統(tǒng)，應通過重建、數(shù)據(jù)遷移、P2V等方式將其遷入“服務器虛擬化+基于網(wǎng)絡的存儲虛擬化”的虛擬化平臺中，并將替換下的舊設(shè)備納入虛擬化平臺管理，進一步提高資源整合度和利用率，而對于桌面云等特殊應用系統(tǒng)可建設(shè)在超融合架構(gòu)的虛擬化平臺中。

3 ? ? 數(shù)據(jù)中心云管理平臺的應用構(gòu)想

在各虛擬化平臺之上構(gòu)建一個統(tǒng)一的運維管理云平臺，接管數(shù)據(jù)中心所有硬件資源及其承載的虛擬化資源的監(jiān)控、調(diào)度、分配等日常管理運維工作，屏蔽下層復雜的運行環(huán)境，簡化運維人員操作，并通過可視化監(jiān)控、統(tǒng)計分析報表、告警機制等功能為運維人員進行決策分析提供依據(jù)，完整的數(shù)據(jù)中心IaaS層云化架構(gòu)，詳見圖4所示。

3.1 ? 基礎(chǔ)資源管理自動化

對基礎(chǔ)資源的管理包括對物理資源的管理和虛擬資源的管理。

3.3.1 ? 對物理資源的管理

要對物理設(shè)備在云化架構(gòu)中的壽命進行全生命周期管理，主要包括以下幾個方面。①設(shè)備自動發(fā)現(xiàn)：平臺通過主動詢問機制主動發(fā)現(xiàn)新入網(wǎng)設(shè)備，并將設(shè)備信息（如設(shè)備型號、IP地址、MAC地址）告知運維人員，由其決定是否將其納入平臺管理。②設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控：定期監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，如開關(guān)機情況、溫度、CPU和內(nèi)存占用等，并根據(jù)既定的監(jiān)控策略定時生成監(jiān)控報表呈現(xiàn)給運維人員，一旦狀態(tài)有異常，立即發(fā)出告警信息，實現(xiàn)日常巡檢自動化。③設(shè)備移除：運維人員通過平臺可將作廢的設(shè)備移出管理范圍，不再進行管理監(jiān)控。

3.3.2 ? 對虛擬資源的管理

除了進行全生命周期管理，還應具有資源自動按需分配功能。即用戶可在線發(fā)起虛擬資源申請，由相關(guān)管理人員審批通過后，平臺自動按照用戶需求為其分配虛擬計算、存儲資源供其使用，一旦用戶告知不再使用，或超過申請的使用期限，自動回收資源。

3.2 ? 基礎(chǔ)資源運維智能化

基礎(chǔ)資源運維智能化主要包括虛擬資源的智能化調(diào)度和故障的智能化處理。

3.2.1 ? 虛擬資源的智能化調(diào)度

要實現(xiàn)智能化調(diào)度，需要確定不同的優(yōu)化目標以判斷調(diào)度優(yōu)劣，比如性能（響應速度）、服務質(zhì)量、總成本控制（能耗低）等，并據(jù)此制定出合理的調(diào)度策略。此處應遵循以下3條資源調(diào)度原則。①確定好虛擬資源利用優(yōu)先級的劃分。在進行資源優(yōu)化調(diào)度時，平臺會優(yōu)先考慮優(yōu)先級靠前的虛擬機資源占用。一旦資源池中的資源匱乏時，平臺會優(yōu)先保證重要應用的資源占用，確保重要業(yè)務的連續(xù)性。②保持資源利用率的平衡。在虛擬化實踐中，常常會因為資源利用率失衡導致資源不充分。如計算資源利用率很低，而存儲資源利用率很高，導致新的應用無法遷入（存儲資源不夠），造成計算資源浪費，反之亦然。因此，在分配虛擬資源時，要充分考慮運行其上的應用對資源的要求。一旦出現(xiàn)失衡，要及時調(diào)整現(xiàn)有資源分配，改進原調(diào)度策略。如果無法通過調(diào)整實現(xiàn)，則需要對利用率較高的一方進行擴展（增加物理資源）。③處理好能耗與計算性能的關(guān)系。如果優(yōu)化目標設(shè)定為成本控制（能耗低），則虛擬化平臺會根據(jù)調(diào)度策略，在確保計算資源足夠的情況下，將低利用率主機上的虛擬機遷至別的主機，然后休眠此主機，以降低能耗。但如果優(yōu)化目標設(shè)定為性能，在各主機計算資源性能相同的前提下，盡量平均各臺主機的資源利用率，以保證各個應用的資源占用和負載均衡。因此，需要根據(jù)具體的應用需求、物理主機性能、機房環(huán)境，制定合理的調(diào)度策略，控制虛擬機的遷移和資源的動態(tài)分配。

3.2.2 ? 故障的智能化處理

快速解決故障、提高用戶體驗，一直是運維人員面臨的難題。①建立完善的預警機制。平臺自動進行告警過濾、壓縮，避免海量告警，只將關(guān)鍵告警通過消息發(fā)送給責任人。②建立業(yè)務級的運維視圖，快速呈現(xiàn)業(yè)務與硬件設(shè)備、各業(yè)務系統(tǒng)之間的邏輯關(guān)系，實現(xiàn)故障快速定位，提高故障處理效率。③建立運維知識庫。對運維流程進行梳理，制定故障判斷和預處理策略。故障發(fā)生時，平臺據(jù)此自動執(zhí)行抓取故障日志，排查解決故障等操作，實現(xiàn)一般故障的自動化處理。對于需要技術(shù)人員處理的故障，平臺自動通過消息告知運維技術(shù)人員。同時，平臺自動關(guān)聯(lián)知識庫，協(xié)助技術(shù)人員處理。技術(shù)人員處理結(jié)束后處理方案自動轉(zhuǎn)入，實現(xiàn)知識累積。

3.3 ? 數(shù)據(jù)云備份

在平臺中融入災備云管理，集中統(tǒng)一管理所有的容災設(shè)備、數(shù)據(jù)備份恢復策略，實現(xiàn)對平臺數(shù)據(jù)的持續(xù)性保護。

3.3.1 ? 保護應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)

應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)可分為操作系統(tǒng)、虛擬機、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（文件）、數(shù)據(jù)庫四大類。應根據(jù)數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)重要性的不同，制定不同的數(shù)據(jù)備份策略，確保故障發(fā)生后，數(shù)據(jù)不丟失或少丟失、業(yè)務可恢復。

3.3.2 ? 保護用戶數(shù)據(jù)

用戶可像申請?zhí)摂M計算、存儲資源一樣，在線申請災備資源，并自定義災備策略，實現(xiàn)“自己災備數(shù)據(jù)，自己管理”。

4 ? ? 結(jié) 語

在數(shù)據(jù)中心建立一套IaaS層云化架構(gòu)，將所有的基礎(chǔ)資源納入統(tǒng)一的管理平臺下，可實現(xiàn)基礎(chǔ)資源的統(tǒng)一規(guī)范管理，有效提升數(shù)據(jù)中心的資源利用率和運維效率，降低數(shù)據(jù)中心的整體能耗和運維成本，可為數(shù)據(jù)中心的相關(guān)管理人員和部門提供足夠的決策支撐。充分體現(xiàn)該架構(gòu)的應用價值。

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