虚拟化技术在数据中心的应用方案Word文件下载.docx
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采用这种方法主要是借鉴了计算机存储系统中的分层思想和存储访问的局部性原理，把经常使用的数据放在虚拟数据中心，全部数据依然来自各分布数据源，可以比较好的解决平台的性能与复杂性之间的矛盾。
1.2研究的背景
在研究虚拟化技术在数据中心的应用时，本文是以某高校来作为背景进行研究的，并以此来展开分析。
随着时代的发展进步，我国在校园网建设方面也开始初具规模，技术也越发成熟。
但长期看来，有一个问题就是学校的信息化建设缺乏整体的考虑，通常是根据当下的业务的需求来增加设备，这往往就会造成网络设备系统的差别比较大。
尽管学校每个部门有自己的信息管理系统，但是部门与部门之间并没有一个与之对应的数据标准和数据接口，所以很难实现不同部门间的数据共享与交换，也就形成了之前谈到的"
。
1.3研究的目的及意义
所以我们建设数据中心的一个重要目的是为了能够消除"
，使之能够保持数据的唯一性、完整性及准确性来为学校的管理提供一个全面的数据信息服务。
因此，数据中心建设中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，在推动数字校园的建设方面都有着重要的价值。
1.4本文的内容安排
本文主要是研究虚拟化技术在数据中心的应用。
其中涉及到利用虚拟化技术来构建数据中心的原理及相关的技术性问题，重要的目的是想要寻找一种构建数据中心的有效的解决方案，用来解决"
的问题。
具体的研究方法如下：
一是分析了解目前的虚拟化技术的特点，研究主流的虚拟化技术在数据中心的应用；
二是把某个高校作为了研究的背景，利用虚拟化技术来研究在数据中心的具体应用方案；
三是设计一个方案来验证衡量数据中心系统性能，通过系统迁移、高可用性、快照这三个重要的指标来验证。
本文的整体结构，其后面的内容安排如下：
第二章说明技术的背景，介绍什么是数据中心，什么是虚拟化技术以及虚拟化的相关技术，并确定此次项目所用的虚拟化技术是VMwarevSphere;
第三章方案的具体设计；
第四章则是根据第三章所谈到的方案来说明虚拟化技术在数据中心的具体实现；
第五章是对本文的一个总结，对未来虚拟化技术的一个展望，如果更好的将虚拟化技术运用到数据中心里面去。
第2章数据中心综述
2.1数据中心
2.1.1数据中心定义
数据中心在维基百科中给出的定义是"
数据中心是一整套复杂的设施。
它不仅仅包括计算机系统和其它与之配套的设备（例如通信和存储系统），还包含冗余的数据通信连接、环境控制设备、监控设备以及各种安全装置"
对于未来的话，绿色的数据中心会成为一个趋势，更加关注投入产出率（ReturnofInvestment），从而会更加严格的去空着其预算和成本，不会像过去一样一味地追求"
生产率"
、"
效率"
了。
2.1.2数据中心在"
数字化"
校园建设中重要意义
数据中心对于如今数字化的校园建设有非常大的好处，第一个就是资源的整合，能够减少重复的投资。
你想想在校园里网络交换机和服务器需要一年365天都不间断的运行工作，这样的话就必须具备一个良好的物理运行环境。
因为建立好了一个统一的数据中心后，能够进行集中的管理，使得整个的应用系统保持很好的运行，提高效率。
其次可以将数据进行整合，然后实现数据的一个共享，保证了数据的安全性。
如果想要实现真正意义上的"
校园，需全面的完成数据中心的建设。
第3章虚拟化技术综述
3.1虚拟化技术
3.1.1虚拟化技术的发展过程
第一次出现虚拟化的概念大概在上世纪五六十年代，是由IBM公司提出并对它进行了开发，但是那时的目的并没有那么的完善，在当时只是想将内存虚拟化技术应用到计算机软件里面，利用它来对一些大型机硬件的分区，这主要的原因是那时的电脑硬件制作成本较高，所以就将开发的重点放在了怎样提高对硬件的使用效率。
可是随着时间的推移，硬件技术的不断发展，微型计算机和PC可以提供更加经济有效的方法来对资源进行一个分配及处理，所以到后来人们逐渐忘记了虚拟化技术，使得虚拟化技术不再被人们广泛的使用了。
但是到了20世纪90年代的时候，人们又开始探索一些新的问题，比如说怎样利用虚拟化技术解决一些与廉价硬件激增相关的一些问题、利用率降低、管理成本增加又或者容易遭受攻击等等。
使得人们再次关注到虚拟化技术，经过几十年的发展，虚拟化技术已经越来越成熟，不但出现了很多虚拟系统，还发展出了许多的虚拟软件和虚拟网络等等。
在虚拟化和云计算基础架构领域里面，VMware公司处于全球领先地位。
他有很多的产品例如：
VMwareWorkstation、VMwareServer、ESXServer以及vSphere云操作系统等等。
ESXServer相较于前两个产品是非常不同的，它是作为一个单独的操作系统安装在物理机器上面，从而不需要安装在主机的操作系统上面。
它使得管理不同虚拟机的开销降低了并且可以支持更多的并行虚拟机了。
ESXServer的管理软件是vSphere，能够将多个vCenterServer连接起来，实现对大量虚拟机及数据中心进行监控管理。
3.1.2虚拟化技术的基本原理
虚拟化技术是一种从逻辑的角度上而不是物理的角度来进行资源分配。
硬件和软件的分离就通过虚拟化技术实现了，这样用户在使用时不在需要去考虑硬件怎么具体的实现，只用在虚拟化层提供的环境上将属于自己的系统和软件运行起来就可以了。
比如说在一台PC上安装了虚拟化的软件后，就可在上面安装多个操作系统。
每个操作系统之间是相互独立，互不影响、各自运行的。
这和以前的传统在单个服务器装上几个操作系统后，但是只能运行其中一个操作系统不同，在一定基础上就降低了对硬件设施的投资成本。
但是我们要知道并不是所有的硬件都能够较好的支持虚拟化。
比较老的处理器比如说x86处理器会根据执行的范围来对一些特定的指令来产生不同的结果，这就会出现一个问题是说因为管理程序是应该只能在一个受保护的范围中来执行。
针对这个问题，一些如VMware之类的虚拟化解决方案会提前的扫描需要执行的代码，来将这些指令替换成一些陷阱，然后系统的管理程序就能够正确的处理他们。
Xen是能够支持一种协作的虚拟化的方法，并不需要任何的更改。
3.1.3主流虚拟化产品及其优缺点
我们都知道虚拟机管理程序是服务器虚拟化的核心，将硬件分为很多个虚拟机，对硬件及虚拟机之间的交互进行管理。
就目前而言，主要有三种服务器虚拟化管理程序可以选择，分别是VMware（ESX和vSphere）、微软的Hyper-V和Xen（思杰支持发开源虚拟机管理程序）
（1）VMware（ESX和vSphere）
从现在的市场看来，最受欢迎喜爱的虚拟机管理程序还是由VMware公司开发的，一大优点是由于VMware技术应用十分广泛，提供十分可靠的虚拟机管理程序和可扩展的管理工具的能力。
VMwareESX：
这是大多数虚拟化的专业人士比较熟悉了解的某个版本的虚拟机管理程序。
它的最新版本是能够达到每个主机可以支持高达64个逻辑处理的核心，256个虚拟CPU及多达1TB的内存；
是能够运行一系列十分广泛的访客操作系统，包括了Windows、Linux、Solaris和NetWare。
虚拟机可通过本地或者是共享的SAN存储系统来启动。
我们都知道VMwarevStorage虚拟机文件系统（VMFS）是一种集群文件系统，是能够允许多个ESX主机同时访问某一个虚拟卷，故为通过光纤通道SAN、iSCSISAN或网络附加存储（NAS）实现共享存储资源铺平了道路。
VMwarevSphere4：
它不仅是一种虚拟机的管理程序，更重要的是一种基于VMwareESX的数据中心云计算平台。
（2）微软的Hyper-V
微软免费提供了功能比较有限的Hyper-V版本，和一些WindowsServer2008随带的不同Hyper-V版本。
Hyper-V至少能够支持主机多达8个CPU及1TB的内存。
微软一直研究如何利用虚拟机来更好的提高应用程序和服务器的可用性，所以有一项重要的功能特性是将运行中的虚拟机从一个Hyper-V物理主机迁移到另一个物理主机的功能，又不干扰服务，也就是我们常说的实时迁移（livemigration）技术。
（3）Xen
Xen虚拟机管理程序是采用的开源版本，它提供了对x86、x86_64、IA64、ARM及其他CPU架构可以进行高效安全的虚拟化处理这种功能。
因为Xen是由50多家数据中心解决方案厂商的众多工程师携手开发而成的，包括AMD、思杰、戴尔、富士通、惠普、IBM、英特尔、Mellanox、NetworkAppliance、Novell、红帽、三星、SGI、Sun、优利系统（Unisys）、维尔（Veritas）、Voltaire和思杰等公司。
所以可以支持一系列很大范围的访客操作系统，其中包括了Windows、Linux、Solaris及多种版本的BSD操作系统。
Xen的一大优点是它的占用资源少，性能高和兼容性好。
就兼容性来看，VMware和微软彼此的兼容性不太好，而Xen与两者的兼容性是比较好的。
3.2其它相关技术
因着互联网的告诉发展，在数据中心的建设中，还有两个技术不得不提到，一个是云计算，另一个则是SDN（SoftwareDefinedNetworking，软件定义网络）。
3.2.1云计算技术
对于什么是云计算，它的定义有很多，其中能够被人们所接受的是美国国家标准与技术研究院（NIST）定义：
云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络，服务器，存储，应用软件，服务），这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。
云计算是通过使计算分布在大量的分布式计算机上，而不是本地计算机或者远程服务器中，企业数据中心的运行将会与互联网更加相似。
这会让企业能够将资源切换到需要的应用上，然后再其根据需求来访问计算机和存储系统。
云计算的服务形式可以分为三个层次，分别是基础设施即服务（IaaS），平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）。
那么这里需要了解的是云计算的一些特点：
（1）超大的规模，我们所知道的Google云计算目前已经拥有100多万台服务器，同样的Amazon、IBM、微软、Yahoo等的"
云"
均拥有几十万台服务器。
"
能赋予用户前所未有的计算能力。
（2）虚拟化，云计算支持用户在任意位置、使用各种终端获取应用服务。
所请求的资源来自"
，而不是固定的有形的实体。
应用在"
中某处运行，但实际上用户无需了解、也不用担心应用运行的具体位置。
只需要一台笔记本或者一个手机，就可以通过网络服务来实现我们需要的一切。
（3）比较高的可靠性，云计算使用了数据多副本容错、计算节点同构可互换等一些措施来保障服务的高可靠性。
（4）通用性，云计算不针对特定的应用，可以构造出千变万化的应用，也能够同时支撑不同的应用运行。
（5）比较高的可扩展性，能够动态伸缩，来满足应用和用户规模增长的需要。
（6）按需服务，你只需要根据自己的需求来进行购买服务，然后进行计费。
3.2.2SDN（SoftwareDefinedNetworking，软件定义网络）
SDN（SoftwareDefinedNetworking，软件定义网络）技术能很好地契合数据中心网络在集中网络管理、灵活组网多路径转发、虚拟机部署和智能迁移、虚拟多租户、IaaS等方面的需求，是非常适合在数据中心网络中应用。
因此，基于SDN的云计算数据中心网络是未来数据中心网络的发展趋势。
那么什么是SDN（SoftwareDefinedNetworking，软件定义网络），SDN是一种新型的网络架构，它的设计理念是将网络的控制平面与数据转发平面进行分离，从而通过集中的控制器中的软件平台去实现可编程化控制底层硬件，实现对网络资源灵活的按需调配。
在SDN网络中，网络设备只负责单纯的数据转发，可以采用通用的硬件;
而原来负责控制的操作系统将提炼为独立的网络操作系统，负责对不同业务特性进行适配，而且网络操作系统和业务特性以及硬件设备之间的通信都可以通过编程实现。
和传统的网络想比较来看，SDN的基本特征有这么三点：
一是控制与转发分离，转发平面由受控转发的设备组成，转发方式以及业务逻辑由运行在分离出去的控制面上的控制应用所控制。
二是设备资源虚拟化，控制平面与转发平面之间的开放接口。
SDN为控制平面提供开放可编程接口。
通过这种方式，控制应用只需要关注自身逻辑，而不需要关注底层更多的实现细节。
三是通用硬件及软件可编程，逻辑上的集中控制。
逻辑上集中的控制平面可以控制多个转发面设备，也就是控制整个物理网络，因而可以获得全局的网络状态视图，并根据该全局网络状态视图实现对网络的优化控制。
总的来看，SDN技术有五大好处，一是SDN为网络的使用、控制以及如何创收提供了更多的灵活性。
二是SDN加快了新业务引入的速度。
网络运营商能够通过可控的软件来部署相关功能，而不用像以前那样等待某个设备提供商在其专有设备中加入相应方案。
三是SDN降低了网络的运营费用，也降低了出错率，是因为实现了网络的自动化部署和运维故障诊断，从而减少了网络的人工干预。
四是SDN有助于实现网络的虚拟化，从而实现了网络的计算和存储资源的整合，最终使得只要通过一些简单的软件工具组合，就能实现对整个网络的控制和管理。
五是SDN让网络乃至所有IT系统更好地以业务目标为导向。
数据中心的建设和维护一般统一由数据中心运营商或ICP/ISP维护，具有相对的封闭性，可统一规划、部署和升级改造，SDN在其中部署的可行性高。
数据中心网络是SDN目前最为明确的应用场景之一，也是最有前景的应用场景之一。
目前Google已经在其数据中心之间应用了SDN技术，将数据中心之间的链路利用率提升至接近100%，成效显著。
第4章基于虚拟化技术在数据中心的应用方案
4.1数据中心建设目标
本文是以某个高校数据中心作为研究案例，来说明虚拟化技术在数据中心的应用，该数据中心为小型的规模，其数据中心主要支持这些服务：
一是Internet公共信息服务：
DNS域名服务系统、邮件管理系统、web服务；
二是应用服务：
认证系统、计费系统、流量统计系统；
三是数据库服务：
办公自动化、视频点播系统等；
四是主机托管服务；
五是大容量的存储服务。
为了解决之前提出的数据中心的"
等问题，并根据其建设目标，来确定了一个方案为：
重新去置办一批服务器和储存设备，其中包括一台DELLM710刀片服务器、一台DELLEMC、一台HPBL260c服务器、一台光纤存储NetAPP2050和一套VMware虚拟化软件，来替换之前的服务器，然后基于以上的硬件和软件平台构建一个统一的虚拟化的平台，并一步步地将原来的服务器虚拟整合成一个平台。
此方案设计的目标宗旨是建立一个能够整合各种的资源，提高服务器硬件的使用利用率，并降低总体的成本；
同时提供一个有高灵活性、高可用性及高安全性的虚拟化数据中心，从而为用户提供一个具有高性能、高带宽、高服务质量的数据服务。
4.2数据中心的需求分析
校园数据中心建设中涉及到了很多的内容，其中包括了机房的环境、网络、服务器架构、存储系统、安全体系、数据备份等多方面的需求。
我们需要限制使用有害的物质，降低其功耗并节约空间，尽量的靠近绿色数据中心的标准，对于未来的话，绿色的数据中心的建设会是重要的发展方向。
4.2.1网络环境
网络结构在虚拟化环境中是有着非常重要的角色。
虚拟化的数据中心不但延续了传统的数据中心性能、安全及永续的基本需求外，而且进一步的简化了网络的架构，然后更加有力地其支撑应用层面的虚拟化，使运维的负责度降低并提高灵活性。
在此方案中对外的网络线路由三条来组成：
一条是教育网的线路；
另外的租用了两条2.5G的光纤链路连接到Internet，分别是联通和移动。
与此同时，每条出口之间互相作为备份，这样使得在其中某一条链路出现故障的时候，所有的流量可以通过其他的链路来出入，就不会造成单链路故障的问题，提高了可靠性。
从数据中心然后到各个楼宇需要铺设千兆光缆，楼宇的接入设备使用1000M可管理的三层交换机，并提供100M速率到用户桌面，保证接入带宽。
数据中心里的每台物理服务器都需要配置两块网卡，一块是用于连接提供对外服务的网络，另一块则是用于连接光纤存储的网络。
高速Internet接入、冗余的网络和带宽管理系统保证接入带宽能够根据数据中心的流量需求来进行随时的扩充，使之能够充分满足数据中心的网络应用。
4.2.2服务器系统及存储系统
数据中心包括各类的服务器，其中有SUN、IBM、Dell、HP大型服务器，使用的操作系统有Linux、Solaris、Windows等等，在这里涉及到的应用软件主要有，SQLServer、Apache、Oracle、IIS等等。
高校信息化数据中心的存储系统7x24小时不间断运行，想要提高我们存储设备的应用效率，降低成本，就需要去建设集中的存储系统，搭建一个性能十分优异、经济且高效、能够方便管理及扩展性强的存储平台。
这里采用的是DellEMC和NATAPP2050存储设备。
集中存储的网络是能够为用户提供带有数据保护的数据存储及备份的功能。
4.3使用的关键技术
4.3.1网络架构
数据中心的虚拟环境提供了一些网络元素，这样网络元素和物理环境有点类似。
可以使的虚拟机之间能够像物理环境中的PC一样之间相互联网。
这些网络元素包括：
第一个是虚拟网络接口卡（vNIC），每个虚拟机都会像物理机一样，有一个或者是多个Vnic。
在内部，操作系统中的通信会像物理设备通信一样；
在外部，虚拟网卡有属于自己的物理地址和一个（或N个）IP地址，会和物理网卡一样遵守标准的以太网协议。
第二个是虚拟分布式交换机（dvSwitch），它是在所有互联的主机服务器之间作为虚拟交换机来使用的。
能够让虚拟机在不同的主机服务器之间进行动态迁移时，相关网络配置不会改变。
第三个则是端口组，这个是虚拟环境中特有的概念，这是一种策略设置的机制，是用来管理与端口组相连的网络的。
图4.1分布式交换网络
如图4-1所示，虚拟交换机的工作原理与第二层物理交换机相同。
是每台主机服务器都有自己的虚拟交换机。
虚拟交换机的一端是与虚拟机相连的端口组，另一端是与虚拟机所在服务器上的物理以太网适配器相连的上行链路。
然后虚拟机通过与虚拟交换机上行链路相连的物理以太网适配器与外部网络环境连接。
4.3.2分布式服务
VMwareVMotion、VMwareDRS、VMwareHA都是分布式服务，能够有效自动的管理资源，并实现虚拟机的高可用性。
通过利用VMwareVMotion将服务器、存储和网络设备完全虚拟化，使得正在运行的整个虚拟机能够在瞬间从一台服务器移到另一台服务器上。
VMwareVMotion可使IT环境保持正常运行，为您提供空前的灵活性和可用性，以满足您的业务和最终用户不断增长的需要。
不需要中断其来迁移虚拟机。
VMware的分布式资源调度（DistributedResourceScheduler，DRS）可以持续不断地监控资源池的利用率，并能够根据商业需要在虚拟机中智能地分配合适的资源。
通过这样的动态分配和平衡计算资源，IT架构和商业目标就可以达成同步。
VMwareDRS能够整合服务器，降低IT成本，增强灵活性;
通过灾难修复，减少停机时间，保持业务的持续性和稳定性;
减少需要运行服务器的数量以及动态地切断当前未需使用的服务器的电源，提高了能源的利用率。
vSphereHA利用配置为群集的多台ESXi主机，为虚拟机中运行的应用程序提供快速中断恢复和具有成本效益的高可用性。
vSphereHA群集允许ESXi主机集合作为一个组协同工作，这些主机为虚拟机提供的可用性级别比ESXi主机单独提供的级别要高。
群集中的主机均会受到监控，如果发生故障，故障主机上的虚拟机将在备用主机上重新启动。
创建vSphereHA群集时，你可以选择使用单个主机作为首选主机（master）以与vCenterServer通信并监控其他主机、从属主机（slave）及其虚拟机的状况。
如果为群集启用了vSphereHA，则所有活动主机（未处于待机或维护模式的主机或未断开连接的主机）都将参与选举以选择群集的首选主机。
挂载最多数量的数据存储的主机在选举中具有优势。
每个群集只存在一台首选主机，其他所有主机都是从属主机。
如果首选主机出现故障、关机或从群集中移除，则会进行新的选举。
4.3.3VMwarevSphere的虚拟数据中心基础架构
基于VMwarevSphere的虚拟数据中心由基本物理构建块（例如x86虚拟化服务器、存储器网络和阵列、IP网络、管理服务器和桌面客户端）组成。
计算服务器：
在祼机上运行ESXi的业界标准x86服务器。
ESXi软件为虚拟机提供资源
升级会员 