服务器虚拟化技术及其在电视台业务中的应用浅析.docx

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服务器虚拟化技术及其在电视台业务中的应用浅析

摘要本论文介绍了虚拟化基本概念，发展过程及技术特点，并结合我台播出虚拟化系统论述了虚拟化平台的技术架构，分析虚拟化技术在电视台业务中的应用。

关键词虚拟化VMwareNetApp

1引言

虚拟化是一种资源管理技术，是将计算机的各种实体资源，如服务器、网络、内存及存储等，予以抽象、转换后呈现出来，打破实体结构间不可切割的障碍，使用户可以比原本的组态更好的方式来应用这些资源。

这些资源的新虚拟部份是不受现有资源的架设方式、地域或物理组态所限制，服务器虚拟化是虚拟化技术的一个典型应用。

本文将概述虚拟化的基本概念和发展历程，并结合我台虚拟化项目分析服务器虚拟化技术的实现及主要特点。

2服务器虚拟化的发展及特点

1发展背景

集群技术已经比较成熟并在高性能计算领域得到了广泛的应用。

然而，随着应用需求的不断增强，集群规模的不断扩大，集群使用中出现一个较为严重的问题：

集群中大量的资源因得不到充分利用而效率低下，另一方面庞大的集群规模占用了大量的机房空间，机房供电也随规模增大而不断扩展，给项目建设带来了诸多不便。

基于上述原因，一种旨在提高集群资源利用率，提高应用和服务安全性的技术---虚拟化技术应运而生。

2发展过程

虚拟化技术出现于上世纪六、七十年代，最初只是应用在大型主机上。

1965年，IBM公司就发明了一种操作系统虚拟机技术，允许用户在一台主机上运行多个操作系统，让用户尽可能地充分利用昂贵的大型机资源。

随着硬件价格的下降和多用户多任务操作系统的出现，虚拟技术在七八十年代几乎销声匿迹，进入九十年代，随着服务器技术和操作系统的发展以及人们对资源利用率低下的不满，虚拟技术再次进入人们的视野，基于x86平台的服务器系统的虚拟化技术成为新的研究热点。

3技术特点

虚拟化技术是解决服务器数量增多带来管理不便以及硬件使用效率低下等问题的一把利器。

引入虚拟化的优势主要有以下几个方面：

●服务器整合：

将多台利用率较低的机器上的负载整合到少数几台或一台机器上，提高资源的利用率，节省硬件、管理和维护的成本。

●创建多个操作系统或运行环境：

在同一台机器上创建多个不同的系统或运行环境，每个系统的最大资源占用量及调度优先级可以动态调整，通过确保某些系统指定的资源占用量或增大其优先级来提高服务质量。

●应用和服务的无缝、动态迁移：

利用虚拟技术，应用和服务的无缝动态迁移、备份、恢复变得更加快速简便和易于管理，有利于提高的系统的可靠性和可用性。

●构建可信计算平台：

虚拟机之间及虚拟机和虚拟抽象层之间是安全隔离的，某个虚拟机的崩溃不会影响到其他虚拟机的正常运行。

这样可以将不可信的应用程序放到一个单独的虚拟机上运行，以防止故障和错误的蔓延，消除对其他程序可能造成的影响。

3技术实现

1完全虚拟化

通过在物理服务器和操作系统之间建立中间软件层Hypervisor,可允许多个操作系统和应用共享一套基础物理硬件，因此可将Hypervisor看作是虚拟环境中的“元”操作系统，它可以协调访问服务器上的所有物理设备和虚拟机（如图一所示）。

Hypervisor是所有虚拟化技术的核心。

Hypervisor可以捕获CPU指令，为指令访问硬件控制器和外设充当中介。

因而，完全虚拟化技术几乎能让任何一款操作系统不用改动就能安装到虚拟服务器上，而它们不知道自己运行在虚拟化环境下。

主要缺点是，Hypervisor给处理器带来开销。

图一完全虚拟化

2硬件辅助虚拟化

硬件辅助虚拟化是在完全虚拟化基础上进行优化，硬件厂商通过提供结构支持帮助创建虚拟机监视并允许客户机操作系统独立运行。

通过引入硬件技术，将使虚拟化技术更接近物理机的速度。

硬件辅助虚拟化在1972年开始运行，它在IBMSystem/370上运行，使用了第一个虚拟机操作系统VM/370。

在2005年与2006年，Intel和AMD为虚拟化提供了额外的硬件支持。

3半虚拟化

半虚拟化与完全虚拟化有一些类似，它也利用Hypervisor来实现对底层硬件的共享访问，但是由于在Hypervisor上面运行的客户操作系统已经集成与虚拟化有关的代码，使得客户操作系统能够非常好地配合Hypervisor来实现虚拟化。

通过这种方法将需重新编译或捕获特权指令，使其性能非常接近物理机，这种模式和全虚拟化相比，架构更精简，而且在整体速度上有一定的优势，但是需要对客户操作系统进行修改，所以在用户体验方面比较麻烦。

4操作系统层虚拟化

操作系统虚拟化是在操作系统层面增添虚拟服务器功能，强调的是在单一操作系统内核实例的基础上实现虚拟化，而前文中提到的三种虚拟化方式都是在虚拟的硬件层上安装多个客户操作系统，然后再运行应用程序。

就操作系统层的虚拟化而言，没有独立的Hypervisor层，主机操作系统本身就负责在多个虚拟服务器之间分配硬件资源，并且让这些服务器彼此独立。

使用操作系统层虚拟化，所有虚拟服务器必须运行同一操作系统，虽然操作系统层虚拟化的灵活性比较差，但本机速度性能比较高。

此外，由于架构在所有虚拟服务器上使用单一、标准的操作系统，管理起来比异构环境要容易。

图二操作系统层的虚拟化技术

4江苏台播出虚拟化系统

随着频道的增多，播出业务的扩展，服务器规模日渐庞大，机房空间和用电量已接近饱和。

为解决这些问题，我们采用虚拟机将数据库、迁移、计审、数据检验等应用服务集中部署于虚拟化平台，节省了资源，提高管理效率。

1系统架构

在系统设计时，为防止机房断电、火灾等意外情况，将设备分开放置于四楼和五楼，虚拟化主机通过光纤交换机访问共享存储，主机内部通讯使用私有网络交换机实现，主机外部通讯使用公用网络交换机实现，系统拓扑图如图三所示。

图三虚拟化系统拓扑图

1.1硬件平台

PC服务器

IBMSystemX3750M4

2颗E5-4607V2（6C2.6G）CPU/128G内存/2块300G硬盘/M5200-RAID（1GBCache）/dvd-rw/8口千兆以太网/2口8GBHBA/双电源/双电源/三年7*24*4小时原厂服务/2U 

8台

存储

NetappE2700存储系统

配置两个控制器，16GB缓存，控制器架构为Active-Active，控制器之间相互冗余。

I/O路径保护提供负载平衡和多路径功能，在发生连接、HBA或服务器故障时能够实现路径故障转移。

处理器集成了高速RAID引擎，可在完全无性能影响的情况下进行RAID计算，从而轻松高效的处理计算密集型任务,4个16GbFC光纤端口，4个12GbSAS端口，配置24块600GB10krpmNL-SAS硬盘，原厂保修3年

2套

光纤交换机

Brocade6505交换机

16Gb,24端口交换机，12端口激活，含12个8Gb短波SFP，Webtools、Zoning、EGM软件授权,全光纤支持级联，可按需要扩展到24端口，双电源（热拔插），机架套件，原厂保修3年

2台

表一虚拟化系统硬件设备

虚拟化系统采用了8台IBMSystemX3750M4作为主机，共享存储使用的是NetappE2700存储系统，主机和存储均与博科光纤交换机相连，所有运行在主机上的虚拟机都能够访问四楼和五楼的共享存储。

存储选用NetappE2700，主要考虑到该产品有如下几个特点：

●简单的管理和配置

E2700上的轻型NetAppSANtricity存储管理软件兼具强健性和易用性，管理软件可简化繁忙的管理员的任务，让他们能够集中精力处理重要业务，而不是使用资源来管理数据存储。

广泛的诊断功能可提供预测性分析，帮助发现问题，防患于未然。

E2700的模块化设计有助于轻松扩展来增加容量，支持业务增长。

SANtricity软件支持即时扩展、重新配置和维护，而不会中断存储系统I/O。

动态磁盘池（DDP）能够在驱动器数量发生变化（无论是增加驱动器还是出现驱动器故障）后实现动态重新平衡，大大简化传统存储管理，因为在增加驱动器或驱动器发生故障后，没有要管理或重新配置的闲置备件。

这样一来，E2700便可自动配置、扩充和扩展存储。

●无缝应用程序集成

E2700提供了多个主机连接接口、多种驱动器技术和磁盘架选项的灵活性，可无缝集成到几乎任何工作负载的任何环境。

该系统支持最新的16Gb/sFC、10Gb/siSCSI和12Gb/sSAS主机连接选项。

借助FC和iSCSI接口选项，E2700可利用已建立的存储网络无缝集成到现有数据中心，12Gb/sSAS接口可为高性能直连存储解决方案提供高速连接。

NetAppE2700已在VMware和MicrosoftExchange等当今主流应用环境中以及Oracle数据库、MicrosoftSQLServer及其他数据库中部署和使用。

●优化的性能确保实现高效率

E2700能够以经济高效的方式最大限度地提高磁盘I/O，性价比较高。

其架构的响应能力和线性扩展能力为数据库驱动型事务处理应用程序（通常需要稳定持续的性能）增添了优势。

该架构能够维持高读写吞吐量，甚至对带宽密集型应用程序也能如此。

使用SSD缓存功能的智能缓存分层技术可利用性能卓越的固态驱动器（solidstatedrive,SSD）介质来存储最常访问的数据块，从而增强性能。

1.2软件平台

虚拟系统使用的是VMwarevSphere虚拟化平台，vSphere可以将服务器、存储等硬件资源转换到一个逻辑运算资源池中，操作系统及其应用程序被隔离到安全、可移动的虚拟机中。

随后，系统资源会根据需求和优先级动态地分配给每台虚拟机，这种对服务器资源的利用和控制可与大型机相媲美。

由于虚拟机可以在资源池中的任一物理服务器上运行，并且无需宕机便可在这些服务器之间无缝地转移。

因此，就可以将虚拟机动态、自动地分配给资源池中最合适的主机，从而保障应用程序的服务级别。

通过将硬件资源聚合到资源池，IT环境可得到优化，进而满足不断变化的业务需求，同时确保灵活性以及硬件资源的高效利用。

VMwarevSphere虚拟化平台主要包含vCenterServer、vSphereClient、ESXi等，各组件的功能分别是：

vCenterServer是VMwarevSphere虚拟化管理组件，本身是一种服务，可提供对数据中心便捷的单点控制。

它运行于windows服务器之上，可集中管理VMwareESX/ESXi主机，并提供基本的数据中心服务，如访问控制、性能监控和配置。

vCenterServer还可提供诸如vShpereDRS、vSphereHA和vMotion等vShpere高级功能。

vSphereClient是创建、管理和监控虚拟机机器资源和主机的主界面，另外还提供对虚拟机的控制台访问，可安装于能通过网络访问vCenterServer或ESX/ESXi主机的Windows计算机上。

用户可以直接使用vSphereClient直接管理ESX/ESXi主机，也可以通过vSphereClient登录到vCenterServer，再通过vCenterServer管理ESX/ESXi主机。

一台vCenter或ESX/ESXi主机能够支持同时连接多台vSphereClient。

ESX/ESXi是运行在物理服务器硬件和操作系统之间的中间软件层，可理解为虚拟化元操作系统，是实现多个虚拟机共享硬件资源的基础。

图四VMwaresphere软件平台

2功能分析

2.1群集

群集是一组共享资源和管理接口的主机，本系统使用了8台IBMSystemX3750M4高性能服务器组建了虚拟化主机群集。

通过群集，可实现vSphereDistributedResourceScheduler（DRS）和vSphereAvailability（HA）解决方案。

DRS可持续保持主机间虚拟机工作负载的平衡，HA可使运行的虚拟机从出现故障的主机中自动迁移到其他正常运行的主机上。

2.2数据存储

数据存储是用于保存虚拟机文件以及虚拟机操作所必需的其他文件的逻辑容器。

数据存储能存在不同类型的物理存储，包括本地存储，ISCSI、光纤通道SAN或NFS。

数据存储可以基于VMFS，也可以基于NFS，通过格式化LUN或装在NFS卷到现有主机的方式来创建新的数据存储。

本系统中我们使用的是物理存储是NetappE2700存储系统（光纤通道SAN），通过格式化LUN创建数据存储。

2.3vSphere中的网络

VMwarevSphere可提供vSphereDistributedSwitch和标准交换机两种类型的网络架构。

vSphereDistributedSwitch网络是从数据中心级别驱动的，可用作所有相关主机的虚拟交换机，将网络作为一个聚合资源进行处理，使虚拟机在主机之间进行迁移时能够保持一致的网络配置。

标准交换机网络的工作方式与物理交换机类似，它可检测每个虚拟端口所连接的虚拟机并使用这些信息将流量转发到正确的虚拟机，每个虚拟机网卡均可分配到一个端口组。

本系统中我们配置使用的网络模式是标准交换机网络，如图五所示：

图五标准交换机网络模式

3系统优点

3.1标准化

虚拟化平台的设计及实施方案采用了标准化的设计方式，从基础架构到运维流程，以适应未来扩展的需求。

3.2高扩展

虚拟化平台架构具有弹性，可扩展的特性，随着业务的不断发展，更多的应用将不断迁移至虚拟化平台，因此高扩展性是使之成为台内应用系统统一平台的重要因素。

3.3可控性

一个稳定的虚拟化平台是发展的基础，通过详细的迁移方案设计，稳步的实施和测试，让迁移的应用系统稳定的运行在虚拟化平台上，同时建立应用迁移标准，为将来更多的应用运行提供基础保证。

3.4可靠性

虚拟化平台能够保障软、硬件的冗余性，可以通过虚拟化的镜像备份方式建立备份系统。

我们可以通过对现有应用系统的各种备份需求进行统计，制定不同的备份策略满足应用系统需求，同时建立虚拟机镜像的备份策略，保护虚拟化平台上的操作系统和应用程序及数据的可靠性。

3.5易管理

虚拟化平台的管理方式简单明了，vCenter提供了统一的集中管理平台，根据标准化的运维流程，采用自动化的运维工具，减轻运维人员的压力，避免人为操作过程当中的失误。

5结束语

以上对服务器虚拟化的基本概念进行了介绍，并结合江苏台虚拟化项目分析了虚拟化的特点和优势，在大数据时代，虚拟化的推进有着其必然性，然而电视台的业务较其他行业有其独特之处，如制作网拥有高端板卡以及应用加密硬件设备，播出工作站需要控制录像机、切换台等硬件，这些非标准化的设备很难运行于虚拟化平台，虚拟化的发展道路还很长。

相信随着技术的发展，会有更好的解决方案来应对上述难题。