基于VMware vSphere ESXi 50的高校服务器虚拟化研究与应用Word文件下载.docx
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Name:
LaiZhensong
Advisor:
LecturerLiuXiuling
SubmittedTime:
May,2014
摘要
随着数字化校园的蓬勃发展,许多高校在信息化建设和应用方面发展迅速,但在建设过程中,为满足持续增长的服务与应用的需求,常常需要不断的增加新的服务器,导致数据中心服务器数量急剧膨胀,购建硬件成本、服务器设备的功耗及制冷需求、维护人员的管理内容和复杂程度都相应的迅速升高,出现很多问题。
具体表现在：
1.资源利用率不足；
2.资源调配不灵活；
3.可扩张性差；
4.管理难度大；
5.高耗能等。
本文在研究虚拟化及相关技术的基础上，通过对数据中心服务器应用状况的监测和分析，选用VMwarevSphereESXi5.0虚拟化软件，设计出一套高校数据中心服务器虚拟化解决方案并应用到数据中心。
通过对数据中心服务器进行虚拟化整合，大大减少了服务器的数量，降低了能耗，节约了投资成本，减轻了管理难度。
应用VMwareHA、VMwareDRS和VMwarevMotion等技术，实现集群内的所有虚拟化资源统一调度分配，按业务需求提供所需资源，提高资源利用率。
虚拟机的VMwarevMotoin，既保障了服务的延续性，又避免了单点故障的发生。
该服务器虚拟化解决方案不仅解决了传统数据中心存在的问题，而且还具备灵活的扩展能了，适应信息化建设的长期需求，对数据中心资源的整合好具有一定的参考价值和指导意义。
关键词：
数据中心；
虚拟化；
VMwarevSphereESXi5.0；
资源调度
Abstract
Withtherapiddevelopmentofdigitalcampus,manycollegesanduniversitieshaveabigdevelopmentininformatizationconstructionandapplication.Duringtheconstruction,inordertosatisfythemaintaingrowingdemandforservicesandapplicationsthatweneedtoaddnewserver,whichleadsinappearingalotofproblems:
datacenterserversrapidlyexpanding,acquisitionorconstructionofhardwarecostmore,powerconsumptionandcoolingrequirements,serverequipmentmaintenancepersonneltomanagecontentandcomplexityquicklyrises.Evidencedby:
1.inadequateutilizationofresources;
2.provisioningisinflexible;
3.poorexpansion;
4.managementdifficult;
5.highenergy-consuming,andsoon.
Thisessayisbasedontheresearchofvirtualizationandrelatedtechnologies,accordingtothemonitoringandanalysisofapplicationofdatacenterserver,wechoosethevirtualizationsoftwareVMwarevSphereESXi5.0,anddesignasetofUniversitydatacenterservervirtualizationsolutionandapplyittothedatacenter.
Datacenterservervirtualizationconsolidation,whichgreatlyreducesthenumberofservers,reducesenergyconsumption,savesinvestmentcosts,andreducethedifficultyofmanaging.UsingVMwareHA、VMwareDRSandVMwarevMotionandsomeothertechnologiestorealizeallthevirtualizedunifiedschedulingallocationofresourceswithinthecluster,providedthenecessaryresourcesaccordingtobusinessneedsandimproveresourceutilization.TheVMwarevirtualmachinevMotoin,notonlyguaranteethecontinuityoftheservice,butalsoavoidasinglepointoffailure.
Thesevervirtualizationsolutionnotonlysolvesthetraditionalproblemsinthedatacenter,butalsocanflexibleexpanse.Anditcanadapttolong-termneedofinformationconstruction,andgoodfordatacentersourceconsolidationasthecertainreferencevalueandguidingsignificance.
Keywords:
centerdata;
virtualization;
VMwarevSphereESXi5.0;
resourcescheduling
1引言
1.1项目背景和意义
我国的高校信息化建设从20个世纪90年代开始，已经经历了单机环境、C/S架构、B/S架构、SOA等多个发展阶段。
经多年的建设，已经有了很大的规模，技术也越来越成熟。
目前，高校信息化建设已经涉及到高校的教学、科研、管理、生活、服务等相关领域。
但长期以来，高校的信息化建设一直缺乏整体考虑，往往按照业务需求添加相应的设备，造成网络设备系统差别较大。
在高校各个部门之间，其数据标准及数据接口没有对应与统一，因此难以实现部门间的数据共享与交换，各部门的数据形成了所谓的“信息孤岛”。
同时，由于升级、业务、厂商等原因，在同一所高校内的不同系统，在它的开发阶段、开发人员、开发平台往往很难保持一致性，导致校内系统之间各自独立，无法协同工作与持续发展提供准确的数据支持，并给高校带来人力、物力、财力的巨大浪费[1]。
在此情况下，数据中心建设开始成为高校信息化中建设的重中之重。
本文提到的高校信息化建设中的“数据中心”，指的是在高校信息化建设中，依托高端机房设备，向校园用户提供专业的，标准的数据存储业务，并对其服务提供一个统一的接口。
我们建设高校数据中心的目的，从根本上讲是为了消除所谓的“信息孤岛”，保持存储数据的唯一性、完整性和准确性，并以此为依托，为学校提供全面的信息服务[2]。
因此，数据中心建设中的关键技术的原理和应用，关键技术的发展趋势，以及此技术对高校信息化建设的重要意义，在推动高校信息化建设方面都具有重大的价值。
1.2数据中心的现状
高校数据中心的建设可以说是高校信息化建设的重中之重，在数字化业务蓬勃发展的今天，伴随着网络规模的日益扩大和应用服务的增多，高校数据中心面临着诸多问题。
在传统的数据中心建设中，各项应用呈现出所谓的“信息孤岛”。
如下图1-1所示。
图1-1传统数据中心架构
面对这样的传统应用孤岛式的数据中心，呈现出来的弊端主要表现在以下几点：
1、运行成本高
数据中心机房随着业务和服务器数量的增多，其空间、机柜、服务器、路由器、交换机、防火墙、耗电量等都随之增多，运行成本迅速提高。
2、系统情况复杂，维护量增大，造成管理上的困难。
快速增长的应用使得数据中心的服务器的数量不断攀升，而各种服务器的型号不同，服务器的操作系统类型或版本不同，使得管理员将面对越来越复杂的环境，很难实现统一的，自动化的管理。
导致维护的工作量和难度逐渐增大，而目前机房的管理又主要以手工管理为主，难以满足数据中心的发展需求。
3、软硬件资源分配不均
在信息化校园建设中，各项管理信息系统得以飞速发展，如办公系统、邮件系统、人事管理系统、财务管理系统等，由于面对的对象不同，应用的功能也不一样，使得各自的服务器使用频率各不相同。
以办公系统为例，在白天工作时间里满负荷运行，而在晚上长时间处于闲置状态，无法充分发挥其效率。
教务系统在平时使用均衡，但一旦涉及选课需要满足大批量用户访问的时候，系统并发能力明显不足，经常造成服务响应中断，甚至系统瘫痪，由于服务器之间相互独立，无法互补，系统性能得不到优化，有限的资源无法得到合理的利用。
4、兼容性差
在现实的环境中，机房不可能只购买一个厂商的设备，随着需求的不断变化和技术的不断更新，在不同业务需要购买不同厂商的设备。
而不同厂商之间或者相同厂商不同型号之间软硬件的兼容性问题日益凸显。
5、安全控制与备份困难
数据中心面对庞杂的软硬件环境，在不同的硬件平台和操作系统之间给系统快速备份和有序的恢复带来了不小的难度。
数据中心管理人员需要在不同的设备之间准备不同的备份和恢复方案，难以做到统一备份，造成维护工作量巨大，也增加了安全性和稳定性上的不确定因素。
6、灾难恢复困难
在传统的数据中心中，如果某个应用服务器突然发生宕机，该服务器所提供的服务也相应停止，无法做到持续运行，给整个学校的正常有序运行造成影响。
1.3本文工作
本文主要研究虚拟化技术构建数据中心的原理和技术问题，其目的是为了寻找一个构建数据中心的解决方案，以解决目前数据中心建设中存在的资源利用率低、可用性低和安全性差等问题。
具体工作如下：
1.分析传统数据中心存在的问题以及现有虚拟化技术的特点，研究现在主流虚拟化技术数据中心构建的实现原理和方法；
2.利用虚拟化技术设计一个数据中心的建设方案；
3.针对系统迁移、分布式资源调度、高可用性这三个衡量数据中心系统性能的重要指标，设计验证方案，并进行实验验证。
1.4本文的结构
本课题主要对当前数据中心现状进行分析，对服务器虚拟化及相关技术进行研究，寻找出一种构建新型数据中心的有效解决方案，以解决传统数据中心建设中存在的资源利用率低，可靠性差、可用性差以及安全性差的问题。
全文共分为六个章节，各章节的主要内容如下：
第1章引言。
首先提出课题的背景和意义、当前数据中心建设中出现的弊端，接着提出了课题主要研究的内容和论文的组织结构。
第2章数据中心与虚拟化技术。
首先介绍了数据中心的发展历程及特点、数据中心在高校信息化建设中的重要性和数据中心建设中面临的两个核心问题。
接着研究虚拟化技术的概念、发展历程、常见类型、企业主线产品的比较及VMwarevSphere产品介绍及组件介绍。
第3章虚拟化方案设计。
首先介绍了数据中心的基本情况，对数据中心服务器资源使用情况进行监测与分析，提出服务器虚拟化方案的设计目标。
然后基于VMwarevSphere虚拟化软件给出总体设计方案。
第4章虚拟化方案实施。
首先安装ESXi主机，为配置配置iSCSI存储，然后安装统一管理平台vCenterServer，并将ESXi主机添加到vCenterServer进行统一管理。
第5章虚拟化关键技术研究与测试。
首先研究了服务器虚拟化中的在线迁移、分布式资源调度、高可用性等核心技术，并介绍这些技术在实际项目的部署情况及测试结果。
第6章结束语。
对本课题进行总结。
2数据中心与虚拟化技术
2.1数据中心
2.1.1数据中心的发展历程及特点
信息技术的发展推动了数据中心功能的不断变化，从功能的角度，数据中的发展历程主要经历了四个阶段：
数据机房阶段、数据中心阶段、信息中心阶段和云计算中心阶段。
如表2-1所示。
表2-1数据中心的发展历程及特点
阶段
年代
主要特点
数据机房阶段
上世纪60年代
用于存放大型计算机的机房，功能相对单一，面向数据管理，只实现业务数据集中存储和管理，而数据是单向存储和应用，可用性极低且无专人维护。
数据中心阶段
上世纪70年代
服务器规模逐渐增大，开始承担核心的计算任务，可用性低但有专门的人员进行管理，计算机部署零散，小型规模的数据机房迅速发展。
信息中心阶段
上世纪90年代
基于互联网的客户端/服务器模式的应用开始普及，数据中心具有核心业务的运营支撑能力与核心计算能力，并具有较高的可用性。
云计算中心阶段
本世纪
数据中心规模进一步增大，网络设备、服务器数量迅速增长，虚拟化技术和云计算技术开始广泛应用，应用系统和数据量迅猛增大，数据中心承载着核心运营支撑，信息资源服务、核心计算、数据存储与备份、容灾恢复等功能。
随着数据中心规模的迅速扩大和功能多样性的增强，数据中心的可靠性也随之降低，同时维护管理成本也不断增加。
传统数据中心的建设主要关注运行是否可靠、应用是否稳定和数据是否安全，而疏忽了资源利用率、能耗等方面的考虑。
本世纪以来出现的云计算中心则主要运用了虚拟化技术，在物理服务器上构建多台虚拟机，通过应用和故障隔离，提高数据中心的计算能力和可靠性，其次对数据中心的计算资源、网络资源和存储资源进行整合，形成资源池提供给虚拟化使用，并根据需求实现资源动态分配，从而提高资源的利用率，降低IT基础设施投入成本。
与传统的数据中心相比，借助虚拟化技术构建云计算中心，实现资源共享、动态资源分配、绿色节能环保、高自动化和高可用性等特点，满足现代数据中心的发展需求[3]。
2.1.2数据中心在信息化校园建设中的重大意义
高校信息化建设已经步入了高速发展阶段，在基本完成数字化校园基础建设之后，信息和业务的集成成为了高校信息化建设的首要任务。
越来越多的高校意识到将来IT基础建设、运行服务和数据进行集中整合的迫切性和重要性。
高校数据中心的建设成为了当前高校信息化领域的热点问题。
数据中心在高校信息化建设中的重要意义，主要有以下几点：
1、资源整合，减少重复投资
网络设备和服务器要实现7*24小时不间断的运行，必须具备一个良好的运行环境。
首先需要有稳定的电源供给以及恒温恒湿的环境。
其次需要建立统一的数据中心，避免在数据中心基础建设中的重复投资。
建立统一的数据中心后，进行集中管理，保证应用系统及网络设备的安全、健康、可靠、稳定运行。
在节省了投资的同时提高了管理的效率。
2、整合应用平台，消除信息孤岛
建立数据中心之后，对各个应用系统的数据进行整合，通过共享数据库和数据交换平台实现各个应用系统间的数据共享，有效减少数据冗余，保证数据的完整性和一致性。
数据中心内部的各种安全设备，能够保障系统及数据的安全性。
3、提供安全、稳定、可靠、高速的数据平台
数据中心的建设是整个高校信息化建设不可或缺的一部分，只有建立数据中心，才能实现真正意义上的信息化校园。
一个完备的数据中心可为全校师生提供安全、稳定、可靠、高速的数据平台，有利于快速推动高校信息化建设。
2.1.3数据中心建设中面临的两个核心问题
1、硬件平台的合理构建
合理地构建硬件平台，一方面可以提高硬件平台的安全性、稳定性、可靠性、高效性及高速性；
另一方面可以消减建设成本，减少不必要的投资，充分集成现有资源（服务器、网络设备等）。
所以构建合理的硬件平台是构建数据中心工作中的首要任务。
2、数据的安全性和设备的稳定性
在高校系统中存在着非常重要的数据信息，这些信息可能是不能公开的，有可能是机密的。
如何解决数据的安全性，保障重要数据不丢失，不被窃取，成为数据中心建设中的一大核心问题。
在数据中心中设备众多，要保证各个应用服务的正常稳定运行，对设备的稳定性要求也越来越高[2]。
2.2虚拟化技术
2.2.1虚拟化定义
虚拟化是一个广泛的术语，各行各业对虚拟化的理解均不同，不同人对虚拟化的理解也不同，所以它没有一个标准的定义。
虚拟化是表示计算机资源的抽象方法，通过虚拟化可以用于访问抽象前资源一致的方法访问抽象后的资源。
这种资源的抽象方法并不受限制，地理位置或底层资源的物理配置的限制。
虚拟化的本质是将在真实的环境上的计算机系统运行在虚拟出来的环境中[4]。
如图2-1所示。
图2-1真实计算模式与虚拟计算模式
虚拟化不受物理限制的约束，虚拟化的定义中体现了虚拟化的三层含义：
1）虚拟化的对象是各种各样的计算机资源；
2）经过虚拟化后的资源对用户隐藏了不必要的细节；
3）用户可以在虚拟环境中实现真实环境中的功能。
虚拟化技术是当今云计算的核心技术之一，越来越受到业内人士的关注。
目前主要应用于资源优化的整合，入侵检测、可信计算等方面。
2.2.2虚拟化的分类
自从虚拟化提出以来，有很多虚拟化技术的分类，分类方法也很多。
但从虚拟化的使用目的来看，虚拟化技术主要分为以下4大类。
1.平台虚拟化
平台虚拟化是指针对服务器和操作系统的虚拟化，主要包括服务器虚拟化和桌面虚拟化。
服务器虚拟化是将一个操作系统的物理实例分割到虚拟实例或者虚拟机中，这些虚拟操作系统可以是X86或者X64的Windows、Linux或者UNIX操作系统。
服务器虚拟化又分成软件虚拟化和硬件虚拟化。
软件虚拟化是指在一个虚拟化平台上的运行的虚拟化操作系统，而这个虚拟化平台运行在现有的操作系统上。
属于寄居结构。
硬件虚拟化是指虚拟化平台直接运行在物理硬件上，这种虚拟化又通常称为Hypervisor。
Hyperviosor运行在虚拟化操作系统之下，硬件系统之上，可以实现对硬件资源的分割分配，属于原生架构[5]。
2.资源虚拟化
资源虚拟化主要是虚拟化计算机中的使用，包括存储虚拟化和网络虚拟化。
存储虚拟化是对存储硬件资源进行抽象化表现，用于合并多个设备中的物理存储，使其变现为一个单一的存储池。
网络虚拟化是将一条网络带宽分割成若干个相互独立的通道，以此来控制可用带宽，将可用带宽分配给特定的资源。
3.应用虚拟化
基于软件的服务虚拟化是将应用程序从操作系统中分离开来，使应用程序运行在操作系统中，但是又不依赖于操作系统。
应用程序虚拟化为应用程序提供了一个虚拟的运行环境，在这个环境中，不仅包括应用程序的可执行文件，还包括它所需的运行时环境。
4.表示层虚拟化
用户在使用应用程序时，其应用程序并不是运行在本地操作系统之上的，而是运行在服务器上面的，客户机只显示程序的界面和用户的操作，服务器仅向用户提供表示层，这种虚拟化就叫做表示层虚拟化。
2.2.3主流企业虚拟化产品比较
从国际市场占有率来看，VMware、Microsoft和Citrix是目前在x86平台上主流的虚拟化厂商，占据96%的市场份额。
但VMware在服务虚拟化上占有主导的地位，在微软进入虚拟化领域之前，市场基本上都被VMware公司所占据。
其中2012年各厂商份额占有率分布情况如图2-2所示。
图2-2虚拟化产品市场占有率
Ø
VMwarevSphereESXi
VMwarevSphereESXi5.0是一套虚拟化应用产品，它包括VMwarevSphereESXI5.0、VMwareVirtualCenter5.0、最高支持拥有多达32个虚拟CPU的超强虚拟机和VMotion，以及VMwareHA、VMwareDRS、VMware统一备份服务。
vSphere是一个云端操作系统，可以非常便捷的构建公有云，私有云或者混合云，并按需与来自VMware云计算服务的公有云建立连接，以实现“按服务付费”的基础架构。
采用策略驱动的自动化实现IT的同时，获得对资源池信息的可见性以及需求弹性[6]。
利用原生架构的ESXiServer为基础的VMwarevSphere，可以让多台ESXiServer并发负担多台虚拟机，不仅如此，VMware还可以配置VMwareVirtualCenter，与主流数据库软件兼容来管理多台ESXi主机及虚拟机。
借助VMwarevSphereESXi5.0可以有效降低投资成本和运营成本，在增强对IT基础架构的控制能力的同时，使得应用程序和硬件更加独立和灵活，在充分利用现有的IT基础上，大幅降低数据中心的开支，减小对电力、散热和占地空间的需求，节约能源成本[7]。
MicrosoftHyper-VR2
Hyper-V是MicrosoftWindowsServer2008R2中的一个重要组成部分，采用微内核的架构，兼顾了安全性和高性能性的要求。
Hyper-VR2虚拟化的功能与可用性更完备，支持LiveMigration动态转移，可对虚拟磁盘动态调整容量，并能支持更多Linux操作系统安装在VM上，提升VM运算性能。
Hyper-V设计的目的是为了广泛的用户提供更为熟悉以及成本效益更高的虚拟化基础设施软件，这样可以降低运营成本，提高硬件的资源利用率，优化基础设施并提高服务器的可用性[8]。
CirtixXenServer/XenDesktop
CirtixXen可以说是最专业的桌面应用，其核心是是开源Xen系统管理程序，是一款完全支持服务器虚拟化的引擎。
Xen项目是由XenSource创始人IanPratt领导的团队与剑桥大学共同发明的一项开源技术，由全球20多家最有创新力的数据中心解决方案提供商联合开发。
XerServer虚拟化的解决方案是直接在硬件或裸机上安装一个“瘦软件层”，插入到服务器硬件和操作系统之间，提供一个抽象层，让每台物理服务器可运行一台或者多台虚拟化服务器，将操作系统及其应用从底层物理服务器有效分离处理[9]。
如表2-2所示。
表2-2虚拟化产品比较
产品供应商
VMware
Mircosoft
Citrix
名称
VMwarevSphere5.0
Hyper-VR2
XenServer
虚拟化技术
全虚拟化
半虚拟化
升级会员 