1 概述
隨著高校信息化建設(shè)的不斷發(fā)展，學(xué)校數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器數(shù)量變得越來越龐大，網(wǎng)絡(luò)配置、計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源配置越來越復(fù)雜，管理成本和運(yùn)維成本也越來越高昂。據(jù)統(tǒng)計(jì)，四川廣播電視大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“四川電大”）的服務(wù)器或虛擬機(jī)的增長(zhǎng)數(shù)以每年幾臺(tái)、十幾臺(tái)的數(shù)字遞增。在服務(wù)器數(shù)量增加的同時(shí)，機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施配套也必須隨之跟進(jìn)，如服務(wù)器機(jī)柜的數(shù)量、設(shè)備的電力需求、空調(diào)制冷量隨之增加。但因?yàn)橄嚓P(guān)的信息系統(tǒng)和教學(xué)軟件對(duì)硬件和軟件的要求不盡相同，我們?cè)趯?shí)際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，由于種種原因，絕大部分的服務(wù)器資源長(zhǎng)期處于空閑狀態(tài)，甚至有些服務(wù)器的利用率不到10%。
傳統(tǒng)的IT基礎(chǔ)架構(gòu)比較笨重，操作系統(tǒng)直接安裝在物理設(shè)備上。為了應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的軟硬件故障，系統(tǒng)和業(yè)務(wù)的可用性、穩(wěn)定性、連續(xù)性、健壯性都需要付出較高的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本來維持。而虛擬化技術(shù)除了在提高資源使用率和減低管理成本方面有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)，其在可靠性、靈活性和安全性方面也有獨(dú)樹一幟的特長(zhǎng)。以前硬件維護(hù)需要之前的數(shù)天/周的變更管理準(zhǔn)備和數(shù)小時(shí)維護(hù)窗口，采用虛擬化技術(shù)后可以進(jìn)行零宕機(jī)硬件維護(hù)和升級(jí)；采用虛擬化技術(shù)后可以將所有服務(wù)器作為統(tǒng)一資源池進(jìn)行管理，并按需自動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)資源調(diào)配，無中斷的按需擴(kuò)容，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)在業(yè)務(wù)高峰期的穩(wěn)定、可靠表現(xiàn)；現(xiàn)有的分散在校區(qū)的辦公電腦型號(hào)各異，部署麻煩，管理困難，維護(hù)復(fù)雜，難于保障安全性和可靠性。如果采用VMware的虛擬桌面解決方案[1]，則可以實(shí)現(xiàn)高度集中化管理，確保高可靠性及安全性，部署方便，易于維護(hù)。
同時(shí)，虛擬化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)私有云建設(shè)的基礎(chǔ)。私有云的架構(gòu)可為通過標(biāo)準(zhǔn)化和整合的數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)高度可用的應(yīng)用和服務(wù)奠定基礎(chǔ)。借助私有云，對(duì)IT運(yùn)維實(shí)施智能控制，以及快速調(diào)配應(yīng)用并實(shí)現(xiàn)持續(xù)監(jiān)管。憑借私有云的自動(dòng)業(yè)務(wù)連續(xù)性以及虛擬化感知安全性和合規(guī)性，為應(yīng)用系統(tǒng)提供最高級(jí)別的可用性。
2 問題分析
四川廣播電視大學(xué)的數(shù)字化校園建設(shè)起步于2000年左右，其間經(jīng)歷了2005年和2010年兩個(gè)大的發(fā)展期，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃從單核心鏈路到雙核心鏈路，服務(wù)器由幾臺(tái)發(fā)展到上百臺(tái)，信息系統(tǒng)或網(wǎng)站由數(shù)個(gè)到上百個(gè)。作為學(xué)校轉(zhuǎn)型發(fā)展中的信息化規(guī)劃和實(shí)施單位，為學(xué)校教學(xué)科研和辦公信息化提供可靠的軟硬件環(huán)境是重點(diǎn)。因此，大量的計(jì)算資源和空間資源管理對(duì)信息技術(shù)中心提出了更高的要求，無論從網(wǎng)絡(luò)資源、計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和管理實(shí)施辦法都需要系列的可靠性要求。目前我校在硬件資源管理上主要面臨的問題有：
（1）服務(wù)器數(shù)量較多，但計(jì)算資源應(yīng)用分布不均衡。高峰期上線的應(yīng)用較多且需要占用大量網(wǎng)絡(luò)資源和計(jì)算資源。由于網(wǎng)絡(luò)調(diào)整和系統(tǒng)規(guī)劃的復(fù)雜性導(dǎo)致信息系統(tǒng)的上線過程環(huán)節(jié)較多，實(shí)施過程和配置較麻煩。
（2）各個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行互相影響。在硬件設(shè)施發(fā)生故障時(shí)，需要重新配置軟硬件運(yùn)行環(huán)境耗時(shí)較長(zhǎng)，成本過高，對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的用戶影響較大。如果是在一套硬件環(huán)境下部署安裝了多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)之間因?yàn)橘Y源爭(zhēng)用可能會(huì)引發(fā)硬件故障；如果因?yàn)槟硞�(gè)應(yīng)用進(jìn)程掛死或修改配置后需要重啟硬件時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致其他正常運(yùn)行的應(yīng)用無法提供服務(wù)，影響用戶感知。傳統(tǒng)的消除這類影響的方式是不斷地購(gòu)置新的服務(wù)器，將各個(gè)應(yīng)用分別部署到單獨(dú)的服務(wù)器上，這種方式資源利用效率低，浪費(fèi)大。
（3）應(yīng)用系統(tǒng)單機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)高。因?yàn)樾畔⒒?jīng)費(fèi)相對(duì)不足，業(yè)務(wù)應(yīng)用往往部署在單機(jī)上運(yùn)行，即使是重要的業(yè)務(wù)系統(tǒng)也很難做到雙機(jī)熱備和在線容災(zāi)。一旦服務(wù)器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就將停止使用，等待硬件故障修復(fù)后才能恢復(fù)服務(wù)。而修復(fù)故障的周期無法有效控制，如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)損壞或丟失，耗時(shí)則更加漫長(zhǎng)，損失則更加巨大。另外，日常的維護(hù)工作中如果出現(xiàn)問題，影響也非常大，風(fēng)險(xiǎn)也非常高。
（4）應(yīng)用系統(tǒng)的備份和恢復(fù)困難。應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境往往比較復(fù)雜，比如包括前端應(yīng)用、中間件、數(shù)據(jù)庫(kù)等各個(gè)組件，對(duì)于這些組件進(jìn)行完整備份比較困難。特別是進(jìn)行恢復(fù)時(shí)則面臨更高的技術(shù)復(fù)雜性，往往簡(jiǎn)單恢復(fù)后系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，還需要大量的調(diào)試工作。
（5）網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和存儲(chǔ)規(guī)劃計(jì)劃性不足。為單臺(tái)服務(wù)器配置相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)空間造成了網(wǎng)絡(luò)資源和空間資源的極大浪費(fèi)，也帶來運(yùn)維的諸多困難，不利于網(wǎng)絡(luò)資源、計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源的分離。
3 方案設(shè)計(jì)
通過對(duì)四川電大數(shù)據(jù)中心建設(shè)中存在問題的總結(jié)與分析，我們計(jì)劃利用虛擬化技術(shù)來解決上述問題，并基于VMWare vSphere虛擬化軟件實(shí)現(xiàn)硬件資源的集成和整合[2]，將原先部署在多臺(tái)物理服務(wù)器上運(yùn)行的應(yīng)用程序，移植到在資源池中的虛擬機(jī)上運(yùn)行，不僅可以節(jié)約成本和降低能耗，提高基礎(chǔ)設(shè)施利用率，簡(jiǎn)化管理復(fù)雜度，而且通過在虛擬機(jī)之間設(shè)置“隔離帶”，還可以有效提高系統(tǒng)的安全性，減少互相之間的不良影響。
3.1 服務(wù)器虛擬化
服務(wù)器虛擬化是將服務(wù)器的物理資源進(jìn)行集成和整合，并進(jìn)行邏輯抽象。將一臺(tái)或若干臺(tái)物理服務(wù)器的CPU、內(nèi)存、磁盤、輸入輸出、外圍設(shè)備等硬件設(shè)施轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢造`活管理、動(dòng)態(tài)拔插的資源池，再組裝成一臺(tái)臺(tái)互相隔離的虛擬機(jī)提供服務(wù)，從而提高基礎(chǔ)設(shè)施利用率，簡(jiǎn)化管理復(fù)雜度，使數(shù)據(jù)中心更加適應(yīng)業(yè)務(wù)的變化。
VMware vSphere是業(yè)界領(lǐng)先的虛擬化平臺(tái)，包括vCenter Server、vStorage、vMotion、DRS、HA、ESXi Server、Application等組件，可為業(yè)務(wù)敏捷性提供強(qiáng)大、靈活且安全的基礎(chǔ)，以促進(jìn)向云計(jì)算進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型并在數(shù)字化經(jīng)濟(jì)中取得成功。vSphere通過以下方法為現(xiàn)有應(yīng)用和新一代應(yīng)用提供支持：（1）簡(jiǎn)化的客戶體驗(yàn)，用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和大規(guī)模管理；（2）全面的內(nèi)置安全性，用于保護(hù)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)架構(gòu)和訪問；（3）通用應(yīng)用平臺(tái)，用于在任何地方運(yùn)行任何應(yīng)用。利用vSphere，客戶現(xiàn)在可以在常用的操作環(huán)境下，跨云環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行、管理、連接以及保護(hù)其應(yīng)用。在本設(shè)計(jì)方案中，我們首先從現(xiàn)有的服務(wù)器中選擇了15臺(tái)HP同型號(hào)的X86服務(wù)器通過vSphere搭建了服務(wù)器集群，并配置成可動(dòng)態(tài)管理的虛擬機(jī)資源池，然后將數(shù)字化校園的各類應(yīng)用系統(tǒng)都部署至不同的虛擬機(jī)上，每臺(tái)虛擬機(jī)的操作系統(tǒng)和應(yīng)用環(huán)境都與原運(yùn)行環(huán)境保持完全一致。
通過VMware vSphere實(shí)現(xiàn)服務(wù)器虛擬化后[3]，多個(gè)操作系統(tǒng)可以作為虛擬機(jī)在單臺(tái)物理服務(wù)器上運(yùn)行，并且每個(gè)操作系統(tǒng)都可以訪問底層服務(wù)器的計(jì)算資源，從而解決效率低下問題。接下來將服務(wù)器集群聚合為一項(xiàng)整合資源，這可以提高整體效率并降低成本。服務(wù)器虛擬化還可以加快工作負(fù)載部署速度、提高應(yīng)用性能以及改善可用性。
3.2 存儲(chǔ)虛擬化
存儲(chǔ)虛擬化（Storage Virtualization）將存儲(chǔ)資源進(jìn)行集成和整合，并進(jìn)行邏輯抽象。通過對(duì)虛擬的存儲(chǔ)資源池進(jìn)行集中化管理，可以動(dòng)態(tài)為各類應(yīng)用分配存儲(chǔ)空間，而用戶不用關(guān)心底層復(fù)雜的技術(shù)實(shí)現(xiàn)框架和數(shù)據(jù)的實(shí)際讀寫路徑。
存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)創(chuàng)建了高效而靈活的存儲(chǔ)池，不僅簡(jiǎn)化了虛擬機(jī)的存儲(chǔ)操作過程，還可以直接利用存儲(chǔ)基礎(chǔ)架構(gòu)的各項(xiàng)功能，為在虛擬環(huán)境中使用和管理存儲(chǔ)系統(tǒng)提供了最有效的方式。以VMware存儲(chǔ)虛擬化軟件vStorage為例[4]，VMware存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)整合了存儲(chǔ)資源，對(duì)數(shù)據(jù)中心實(shí)施分級(jí)存儲(chǔ)，將原先部署在一百多臺(tái)服務(wù)器上的應(yīng)用整合到四十多臺(tái)服務(wù)器上，并在后端連接SAN存儲(chǔ)，這種后端連接存儲(chǔ)、多臺(tái)服務(wù)器整合構(gòu)成Server Farm的方式，顯著地提升了服務(wù)器的可用性和可靠性。其邏輯架構(gòu)如圖1所示：
vStorage可以有效降低虛擬環(huán)境中存儲(chǔ)基礎(chǔ)架構(gòu)的總擁有成本，并提高管理性。vStorage結(jié)合了能夠通過虛擬機(jī)最有效利用存儲(chǔ)資源的新技術(shù)，和能夠?qū)崿F(xiàn)高度靈活兼具自我管理和自行修復(fù)功能數(shù)據(jù)中心的Virtual Datacenter OS（VDC-OS）。這些界面和程序面向所有存儲(chǔ)廠商，使用戶能夠通過一套廣泛的存儲(chǔ)平臺(tái)進(jìn)一步簡(jiǎn)化、優(yōu)化和自動(dòng)化其計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)。vStorage與存儲(chǔ)廠商的產(chǎn)品結(jié)合使用，可實(shí)現(xiàn)在VMware平臺(tái)和存儲(chǔ)基礎(chǔ)架構(gòu)之間的自動(dòng)切換，簡(jiǎn)化了存儲(chǔ)操作，并實(shí)現(xiàn)用戶存儲(chǔ)基礎(chǔ)架構(gòu)效用的最大化。
圖1 存儲(chǔ)虛擬化示意圖
圖2 四川電大數(shù)據(jù)中心虛擬化方案拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
4 方案實(shí)施
四川廣播電視大學(xué)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器通過虛擬化整合后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示
服務(wù)器經(jīng)虛擬化整合后數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并未被改變。本次未被整合的服務(wù)器設(shè)備仍可以在原有網(wǎng)絡(luò)中正常運(yùn)行，并能與虛擬化服務(wù)器融合在一起，從網(wǎng)絡(luò)層面構(gòu)建VLAN、數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)隔離等。隨著校園各類應(yīng)用的不斷增加，可以不斷動(dòng)態(tài)地?cái)U(kuò)充虛擬化集群主機(jī)規(guī)模來滿足應(yīng)用的需求。
（1）網(wǎng)絡(luò)資源規(guī)劃。在VMware vSphere中，根據(jù)提供的服務(wù)不同，分為三種類型的通信端口：ServerConsole、VMkernel和Virtual Machine。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，共規(guī)劃了7臺(tái)服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)接口，涉及到11個(gè)IP地址和4組虛擬端口。
（2）VMware ESXi安裝。由于VMware ESXi是原生型架構(gòu)，所以可以直接將其部署在準(zhǔn)備好的4臺(tái)HP品牌580G7型號(hào)物理服務(wù)器上。
（3）VMware vCenter安裝。VMware Virtual Center包括Server與Client兩部分。其中Virtual Center Server主要用于管理VMware Server、VMware ESXi Server虛擬機(jī)；通過vSphere Client和web用與連接vCenter Server，對(duì)服務(wù)器端進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。
5 運(yùn)行效果
基于VMWare的私有云數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)方案已于2016年3月在四川廣播電視大學(xué)落地實(shí)施，運(yùn)行一年多來成效顯著，不僅節(jié)約成本和降低能耗，提高基礎(chǔ)設(shè)施利用率，簡(jiǎn)化管理復(fù)雜度，同時(shí)還明顯地改善了數(shù)據(jù)中心的安全性和可靠性，實(shí)現(xiàn)了方案預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
（1）資源利用率有效提高。通過整合構(gòu)建資源池的方式對(duì)所有硬件資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，高度共享。比如CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)等。由虛擬主機(jī)系統(tǒng)模擬出操作系統(tǒng)運(yùn)行所需要的硬件資源，操作系統(tǒng)運(yùn)行在這些虛擬出來的硬件資源上，這樣就可以達(dá)到在一個(gè)物理服務(wù)器上運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)，同時(shí)共享物理服務(wù)器的硬件資源，提高資源的整體利用率。利用這些特性，使CPU利用率從原先的平均10%不到提高到了目前平均60%以上。
（2）系統(tǒng)可靠性得到有效保障。利用VMware vMotion技術(shù)[5]，將多臺(tái)服務(wù)器構(gòu)建成集群，從同一集群內(nèi)劃分出來的虛擬機(jī)可以在線實(shí)時(shí)遷移。如果其中一臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)故障需要進(jìn)行維修，則可以將運(yùn)行在這臺(tái)服務(wù)器上的虛擬機(jī)全部在線實(shí)時(shí)遷移至集群內(nèi)的其他服務(wù)器，保證應(yīng)用服務(wù)不中斷，用戶不受影響。
（3）系統(tǒng)部署周期得到有效縮短。系統(tǒng)部署到虛擬機(jī)上時(shí)，可以通過VMware系統(tǒng)模板快速創(chuàng)建完整的應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境，從而規(guī)避了傳統(tǒng)方式下安裝操作系統(tǒng)、升級(jí)安全補(bǔ)丁、搭建運(yùn)行環(huán)境等操作環(huán)節(jié)。
（4）管理效率得到有效提高。系統(tǒng)管理員不需要監(jiān)控?cái)?shù)量龐大的物理服務(wù)器，通過虛擬機(jī)管理服務(wù)器vCenter就可以管理所有宿主服務(wù)器和虛擬機(jī)，工作流程得以簡(jiǎn)化，工作效率得到了極大的提高[6]。
（5）降低了數(shù)據(jù)中心能耗和運(yùn)維成本。整合過程中大量的服務(wù)器被虛擬機(jī)替代，整合后數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器問題減少為原來的1/ 10，數(shù)據(jù)中心電力消耗和空調(diào)制冷量得到了有效控制。
6 結(jié)束語(yǔ)
通過VMware vSphere虛擬化技術(shù)[7]，將數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器和存儲(chǔ)都進(jìn)行了虛擬化管理，整合構(gòu)建了統(tǒng)一的資源池，將應(yīng)用集中到虛擬機(jī)環(huán)境上，提高了資源利用率，同時(shí)可以將多余的設(shè)備斷電下架，減低了數(shù)據(jù)中心整體運(yùn)行成本。另外，利用VMware vMotion、HA等技術(shù)[8]，虛擬機(jī)可以在硬件發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)在線實(shí)時(shí)遷移，提升了應(yīng)用系統(tǒng)的可用性。數(shù)據(jù)中心管理人員的工作方式也發(fā)生了明顯的變化，工作流程得以簡(jiǎn)化，工作效率和服務(wù)質(zhì)量得到了極大的提高。
下一步，我們將對(duì)方案的不足之處進(jìn)行改進(jìn)和完善，并重點(diǎn)對(duì)桌面虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、應(yīng)用虛擬化、連接協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化等方面進(jìn)行研究和探索。
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標(biāo)題：基于VMware的私有云數(shù)據(jù)中心研究與實(shí)現(xiàn)
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