虚拟化技术构建新型数据中心

文/崔然 张弘 林泽东 张杏莉

虚拟化技术构建新型数据中心

文/崔然 张弘 林泽东 张杏莉

随着信息化建设的不断深入，高校信息化建设过程中暴露出越来越多的问题，比如欠缺整体规划，投资不断加大，资源利用率持续降低等。随着信息应用系统的不断增加，数据中心软硬件资源整合逐渐成为关注的重点。与此同时，虚拟化技术作为云计算时代背景下快速发展的一门新技术，已经引起了国内外高校的普遍重视。

数据中心建设中存在的问题

随着高校信息化的快速发展，服务于教学、科研、办公和管理的各类应用系统越来越多。按照传统数据中心建设思路，为避免应用系统之间软件和资源配置的冲突，每增加一个新需求、新应用，就需要申请经费、采购服务器、安装系统、部署应用，因此服务器数量急剧增加。而每增加一台新服务器，就意味着需要更多的空间、电源、散热、网络接口、数据存储以及管理人员。一个学校内部可能具有几十，甚至上百种应用，通常分散地部署在几十台或更多的服务器上，维护工作量极大。另外，许多应用运行在单台物理服务器上，一旦设备出现问题，服务就会中断，导致系统稳定性差，业务连续性不高。

因此，从整个学校信息化工作全局出发，我们需要整合学校数据中心硬件资源，提高硬件资源利用率，提升关键应用的业务连续性，加强IT基础设施的运维管理，以适应学校信息化发展的快速需求。

图1 服务器虚拟化

虚拟化技术整合资源

虚拟化技术是将底层物理设备与上层操作系统、软件分离的一种“去耦合”技术。利用虚拟化技术可以将计算、存储、网络等IT基础资源整合起来，形成共享的虚拟资源池，把逻辑资源按实际需求同时提供给各个应用。当前，虚拟化技术主要包含以下三类：

1.服务器虚拟化

实现云计算的第一步就是对服务器基础架构进行虚拟化。服务器的虚拟化就是将服务器物理资源抽象成逻辑资源，让一台服务器变成几台，甚至上百台相互隔离的虚拟服务器，不再受限于物理上的界限，而是让CPU、内存、磁盘、I/O等硬件变成可以动态管理的“资源池”，从而提高服务器资源的利用率，简化系统管理，实现服务器整合。

在传统方式中，一台服务器装载和使用一个物理服务器操作系统，每台服务器平均CPU利用率仅为10%左右。在高校数据中心、院系及办公区存在数以百计的服务器，这会导致CPU资源的极大浪费。因此，使用VMware，Hyper-V和XenServer等虚拟化技术，整合校园内分散的物理服务器与数据中心的高性能物理服务器，部署多台虚拟机，当有新的校园业务加入，数据中心即可为该业务动态分配一台或多台虚拟机。一般来说，虚拟环境由三个部分组成：硬件、虚拟机监控器(VMM，Virtual Machine Monitor)和虚拟机。VMM取代了操作系统的位置，管理着真实的硬件。如图1所示，在一台物理服务器上虚拟出两台虚拟服务器。而且从应用者的角度看，使用虚拟机和使用物理服务器是完全一样的。

2.存储虚拟化

存储虚拟化将物理存储虚拟化成逻辑存储，使用者只访问逻辑存储，从而实现对分散的、不同品牌、不同级别的存储系统的整合。节约了大量的资金投入，简化了对存储的管理。如图2所示，四个不同品牌和级别的物理存储被虚拟成五个相同(对用户而言)的逻辑存储。

另外，我们还可以采用分级存储，根据数据的访问频率、保留时间、容量、性能要求等因素，将其存放在不同级别的存储设备中，整合高校各部门的一些闲散的、成本较低的存储资源用来存放访问频率较低的数据和信息。而高校数据中心的磁盘或磁盘阵列等成本高、速度快的设备，用来存储经常访问的重要数据和信息。

可见，通过整合高校的存储系统，能够有效提高存储容量的利用率，可以根据性能差别对存储资源进行区分和利用。对用户屏蔽存储设备的物理差异，实现了数据在网络共享的一致性，并简化了管理，降低了存储成本。

3.网络虚拟化

网络虚拟化是使用基于软件的抽象从物理网络元素中分离网络流量的一种方式。随着服务器虚拟化的实现，网络边缘或接入层自动扩展到服务器领域。虚拟服务器之间及虚拟服务器与外部的数据交换要求在服务器内部能虚拟出相应的交换机和网卡。虚拟交换机在主机内部提供了多个网卡的互联及为不同的网卡流量设定不同的VLAN标签功能，使得主机内部如同存在一台交换机，可以方便地将不同的网卡连接到不同的端口。虚拟网卡是在一个物理网卡上虚拟出多个逻辑独立的网卡，使得每个虚拟网卡具有独立的MAC地址，同时还可以在虚拟网卡之间实现一定的流量调度策略。

IEEE 802.1Qbg EVB（Edge Virtual Bridging）和802.1Qbh BPE（Bridge Port Extension）是为扩展虚拟数据中心交换机和虚拟网卡的功能而制定的边缘网络虚拟化技术标准。

基于虚拟化技术构建数据中心

2009年以前，山东科技大学一直采用传统数据中心架构模式建设校园网数据中心。每增加一个或一类网络应用时，往往需要对应增加一台或几台服务器，应用系统数据通常存放在服务器本地磁盘上，仅对少量特别重要的应用，如校园一卡通系统、教务管理系统等采用双机热备加磁盘阵列方式。截止到2008年底，校园网上包括校园一卡通、教务管理、财务管理、科研管理、研究生管理、办公自动化、视频会议、电子邮件等近50项应用系统，服务器数量80余台，大部分应用运行在单台物理服务器上。但常常由于物理服务器故障导致应用中断，系统稳定性差。为了不影响用户应用，服务器维护只能在夜间或节假日进行，管理人员维护工作量大，没有更多精力投入到创新性的工作中。

山东科技大学自2009年起开始应用虚拟化技术构建新型数据中心。其设计思路是采用将数据中心硬件设施资源“池”化的方法，形成虚拟的计算池、存储池、网络池，每个池均可实现动态的资源配置，使资源的使用方式从专有独占式转变为完全共享式。即根据实际情况自动部署并动态调整资源分配，建立一个基于业务的资源共享、灵活配置、面向服务和自动化管理的新型数据中心。数据中心能够集中承载全校所有业务应用系统，实现统一管理、统一运维。

我们通过采用VMware、Cisco、EMC三大IT巨头的产品及Eblock的整体解决方案，整合了现有的硬件资源和网络应用。经过三年的探索和实践，建成了一个具有高可靠性、高扩展性、易于管理的高品质数据中心，为学校教学、科研、管理工作提供了更加全面和高效的服务，使学校信息化建设上了一个新的台阶。新型数据中心获得了国内外多家知名IT企业高管及国内众多高校信息化方面专家的高度评价。

山东科技大学数据中心的架构方案如下：

1.利用服务器虚拟化技术搭建数据中心计算资源池

在数据中心近50台高性能（4路8核CPU和128G内存）的刀片服务器和机架服务器中安装了VMware vSphere虚拟化软件，通过VMware vCenter Server对所有的物理服务器进行统一管理，按照应用级别不同，建立多个服务器群集。所有的虚拟机形成一个可统一分配的计算资源池。对应图3的Compute Pool部分。

2.利用存储虚拟化技术搭建存储资源池

在数据中心部署了4台存储容量近100TB、高I/O性能的专业存储阵列。通过EMC VPLEX Local引擎部署在存储阵列前方，将后端不同型号的存储阵列进行整合，形成一个统一的存储资源池，对应图3的Storage Pool部分。

3.利用网络虚拟化技术搭建网络资源池

在每台刀片服务器上安装Cisco Nexus 1000V虚拟交换机，用以代替VMware虚拟交换机。充分利用了思科和VMware共同开发的分布式虚拟交换机(DVS)的应用程序接口，为虚拟机提供高级网络功能。对应图3的Network Pool部分。

4.利用VMware的P2V技术，实现传统数据中心向新型数据中心的迁移

利用VMware的P2V技术，将传统数据中心运行的几十项应用系统，包括校园一卡通、教务管理、财务管理、人事管理、办公自动化等关键业务全部迁移到虚拟化平台上，并使用Vizioncore vRanger Pro备份软件对重要应用虚拟机和数据进行备份。

应用效果

1.提高了硬件设备的资源利用率

使用虚拟化技术，可以使数据中心每台物理服务器实现30:1，甚至更高的整合比率(可根据虚拟机负载情况预先设定策略动态进行调整)。这意味着，以前需要三十台物理服务器完成的工作，在部署虚拟化后，仅一台服务器就能满足需求。对于负载较大的虚拟机可适当降低整合比率，甚至可设定策略让其独享一台物理服务器，以确保重要应用。利用VMware电源管理及虚拟机的动态迁移技术，在虚拟机负载较低时，将其自动迁移到一台或几台物理服务器上，并将空闲物理服务器电源自动关闭。反之，当虚拟机负载加大时，则根据预先设定的策略自动打开物理服务器电源，保证虚拟机的性能。一般设定物理服务器的利用率在60%～80%之间，既能保证应用系统性能，又能节约电能。

存储虚拟化的实现，整合了分散的存储阵列和异构存储环境，大大减少了存储碎片的产生，从而提高了存储空间的利用率和信息交流的灵活性。

2.增强了应用系统的业务稳定性

利用VMware的HA动态迁移技术，保证了虚拟机的高可用性，提升了整个数据中心基础架构的稳定性。当某一台服务器发生故障，虚拟机会自动根据预置策略，将对应的虚拟机迁移到其他正常运行的主机上。整个过程无须人工干预，用户也没有明显的服务中断感觉，从而大大增强了应用系统的业务稳定性。

3.实现了业务系统的快速部署

虚拟服务器可以在线复制为模板，通过预先建立的模板和克隆技术，管理人员可以在数分钟，甚至数十秒时间内将新应用快速部署到相应的服务器计算节点上，实现对服务和应用的统一化管理。

4.降低了数据中心机房能耗

新型数据中心正式投入使用后，由于物理服务器设备数量极大降低，同时结合分布式电源管理(DPM)技术，自动关闭负载较低的空闲虚拟主机，使得数据中心电力消耗由原来的60余千瓦降低到30千瓦左右。

随着数字化校园建设的快速发展，通过引入虚拟化技术构建新型高校数据中心，不仅解决了当前高校数据中心建设中存在的众多问题，如提高服务器资源利用率、实现硬件资源高度共享、降低管理维护成本等，而且可以灵活、敏捷地管理不同的应用和需求。

基于虚拟化技术的新型高校数据中心，展现出了一种新颖的观念和灵活的管理模式，有效地推动数据中心朝高效、稳定、节能、环保的方向发展，使之能更好地服务于教学、科研和管理工作。我们完全有理由相信，虚拟化技术在未来高校数据中心建设的应用前景将会十分广阔。

（作者单位为山东科技大学现代教育中心）