应用服务器虚拟化技术优化气象信息系统建设

2013-04-29陆明典莫满堂

科技创新与应用 2013年7期

陆明典　莫满堂

摘要：通过分析台站信息系统应用的现状，引入基于VMware Hypervisor的服务器虚拟化技术，简化台站基础架构，优化气象信息系统建设。在虚拟化的基础上，结合服务高可用、双机容错等技术，降低应用系统单点故障的风险，进一步提高气象信息系统服务的可靠性和稳定性。

关键词：气象；服务器；虚拟化；高可用

随着气象信息应用系统的增多，为了管理方便，减少不同系统对运行环境的复杂依赖，大多数的台站都会考虑为每个应用系统配置独立的硬件服务器。在这种情况下，绝大多数服务器工作方式单一，系统资源利用率不高[1-2]，各个应用系统之间缺乏有效沟通，致使数据信息难以共享、数据备份困难，而且管理成本、机房供电、占地空间、制冷等也随着服务器的增多在不断攀升[3]。因此，如何提高系统资源的利用率、保证应用系统的数据安全、缩短应用系统的故障恢复时间、降低机房能耗，成了台站信息化建设值得考虑的一大难题。服务器虚拟化的出现，为解决以上问题提供了有力保障，一方面可以将多台物理服务器进行整合、提高现有设备的资源利用率，减少机房服务器数量、简化台站的基础架构，降低管理成本、缩短应用交付时间、实现快速自动化部署；而且通过虚拟化集群提供的负载均衡、服务高可用、双机热备份等方案提高业务连续性、缩短非计划停机时间[4]，进一步优化台站的气象信息系统应用。

1 服务器虚拟化

1.1 技术概述

硬件虚拟化是一种将硬件资源转变为软件的技术。通过该技术，可以在一台计算机上以虚拟机的形式运行多个操作系统，且让这些操作系统觉得自身好像是拥有独立的硬件设备，而不是和别的操作系统分享相同的物理硬件设备。提供这个核心功能的组件Hypervisor，是各种硬件虚拟化技术的基石，它是运行在物理服务器和操作系统之间的中间软件层，可允许多个操作系统和应用共享基础硬件。运行在Hypervisor上的VMM（Virtual Machine Monitor），即虚拟机监视器，是一种将单个硬件平台划分成一个或多个虚拟机的软件抽象层，VMM给每一台虚拟机分配CPU、内存和I/O资源，负责运行传统的操作系统，每一个划分后的虚拟机的硬件都与位于下层的物理机硬件非常相似，从而实现服务器的虚拟化[5-7]。

1.2 虚拟化的种类

由于Hypervisor是硬件虚拟化的底层技术实现，因此，虚拟化的程度、功能和性能极大的取决Hypervisor的架构和实现方式。目前Hypervisor主要分为原生及寄居两种架构。所谓原生架构，就是Hypervisor本身不需要依赖任何操作系统，或者说Hypervisor本身就是一个操作系统，只是这个操作系统专门为虚拟机服务；而寄居架构，是把Hypervisor看成一个应用软件或者服务，运行在已安装好的操作系统上，依赖宿主操作系统进行服务。

1.2.1 原生架构

原生架构也称作裸机虚拟化，在该架构中，Hypervisor直接安装为操作系统，接管所有的硬件资源，负责和上层的VM操作系统沟通和资源调度。其优点是稳定，Hypervisor的代码少则几千行，多的也不超过百兆，因而性能也是比较高的；缺点是对硬件依赖性较强，

Hypervisor往往是针对某一类硬件平台进行开发，兼容性较差。原生架构的典型产品包括：VMware vSphere、Microsoft Hyper-V、Citrix XenServer、RedHat KVM，以及开源架构Xen和Qemm等。

1.2.2 寄居架构

相对原生架构，寄居架构是指将Hypervisor包装为应用软件，有选择的安装在某个操作系统之上。其优点是硬件兼容性好，只要是所依赖的操作系统支持的硬件平台都可以安装并使用，也由于其寄居在其他操作系统之上，稳定性和性能会有所下降，且宿主操作系统出现任何问题都会影响到Hypervisor，导致其上的虚拟机都无法使用。寄居架构的典型产品包括：VMware workstation、Microsoft Virtual PC、Oracle VirtualBox、Parallels Virtuozzo Containers等。两种架构的结构如图1所示：

1.3 部署适合台站信息化的虚拟化产品

虽然寄居架构的Hypervisor选择面比原生架构产品要多、商业软件的授权费用更为低廉、亦可以选择免费或开源的软件产品、操作使用上也更为灵活，但在部署虚拟化时，我们更多的是关注运行在宿主机上面的虚拟机，而且完成动态资源分配、动态迁移、集群、服务高可用、负载均衡、热备等企业级应用方面部署起来较为复杂。因此，在台站气象信息系统的虚拟化过程中不建议采用寄居架构的产品，而应选择功能更强大、性能更优越、服务更稳定的原生架构虚拟化产品，以期提供更好的硬件资源利用率、完善的虚拟机管理平台和与台站异构环境集成等。

2 VMware虚拟化实现

2.1 主流虚拟化产品介绍

现阶段主流x86原生架构的Hypervisor包括VMware vSphere、Microsoft Hyper-V、Citrix XenServer和RedHat KVM。VMware是最早将虚拟化技术从大型机引入x86架构的厂商，在业界占有较高的市场份额；Hyper-V是微软提出的一种系统管理程序虚拟化技术，也是Windows Server2008 R2中的一个角色；Citrix XenServer其核心Xen是剑桥大学开发的一个开源Hypervisor，Xen对系统资源的占用是所有主流产品中最小的；RedHat KVM即基于内核的虚拟机（Kernel-based Virtual Machine），由Linux内核模块实现[9-13]。

2.2 VMware vSphere虚拟化环境搭建

vSphere的各个组件均可在VMware网站上下载，搭建VMware vSphere虚拟化环境，本地至少需要准备一台x86硬件服务器，vSphere高级功能如FT、TXT、VSA和IO直取等对硬件有更为苛刻的要求，部署时要根据兼容性列表检查服务器硬件的配置。ESXi的入门级功能对用户是免费的，在其网站上可申请到许可证，而高级版本和vCenter Server也提供了60天的试用期，足以评估虚拟化技术在气象信息系统应用上的改善效果。

2.2.1 安装并使用ESXi

安装ESXi的步骤与常规安装操作系统的步骤基本一致，只需将下载的ISO文件刻录成光盘，然后从光驱引导启动服务器，在安装程序指引下，配置存储、网络地址和管理员密码即可完成，一个基本的虚拟化环境也就此创建完毕。在一台Windows终端上安装vSphere Client，通过网络访问ESXi主机，即可将Micaps服务器、公共气象服务信息发布管理系统、SWAN服务器、OA办公自动化系统等进行虚拟化迁移和应用。

2.2.2 安装vCenter

使用vSphere Client访问ESXi主机，只能对虚拟机做简单创建、启动、修改、删除等基本操作。vCenter将多台计算服务器的资源统一为集群，使得这些资源能够在数据中心环境中的虚拟机之间实现共享，还可管理虚拟机在计算服务器上的分配，以及资源到给定计算服务器内虚拟机的分配，并提供更全面的数据中心管理功能。

在安装好Windows Server2008 R2的服务器上，放入vCenter的安装光盘，在安装程序引导下，配置数据库和管理口令，对大部分的县市级应用系统，选择中小规模部署即可，完成安装后，通过vSphere Client访问vCenter，在主页上即可看到主机、网络、集群和分布式应用等丰富的数据中心管理功能。

3 虚拟化的高级应用

上述部署好ESXi主机和vCenter之后，一个虚拟化的气象信息系统业已构建起来，但由于数据和计算资源都集中在一台主机上，一旦主机发生硬件故障，业务仍然会出现较长时间的中断，配置两台以上的计算服务器和独立存储系统，可以大大加强系统的可靠性。

3.1 创建数据中心

在vCenter Server中先创建一个数据中心，然后创建集群，依次添加ESXi主机，创建或迁移来自物理服务器的虚拟机，即可完成一个虚拟化集群的应用。虚拟化气象数据中心的应用如图2所示：

3.2 服务高可用

创建集群的目的，是为了降低单点故障对业务系统的影响，服务高可用的定义是保护要求24小时在线的应用系统，但可以允许有短暂的停机时间。vCenter在激活HA功能后，会在加入集群的主机中安装HA代理，代理通过心跳网络嗅探其他主机的运行状态，当心跳探测失败时，主机根据算法释放其管理的虚拟机，其他主机探测到共享存储中的虚拟机文件已被解锁，会将虚拟机重启并纳入其自身对外提供服务，从而实现服务高可用功能[16]。

根据主机的性能，在配置集群时勾选“打开vSphere HA”、调整集群中允许故障的主机数量、配置启用HA的虚拟机，即可实现气象信息系统的服务高可用。这里我们分别打开了气象数据查询系统、SWAN服务器、OA办公自动化系统和气象资料文件服务器的服务高可用。

3.3 容错应用

现有的气象信息系统中，最重要的应用包括Micaps服务器、公共气象服务信息发布管理平台以及对应的数据库，由于服务高可用在探测到触发执行过程中，会出现短暂的服务中断，为了确保上述应用不间断，需要为其部署双机热备份。Fault Tolerance使用VMware vLockstep技术实现双机热备，虚拟机启用FT后，会在集群的另一台主机上创建一个相同的辅助虚拟机，vLockstep捕获主虚拟机上发生的输入和事件，并将这些输入和事件发送给辅助虚拟机，两台虚拟机一起以虚拟锁步方式运行并持续交换检测信号，其中一台故障时，主机都可以无中断地接管任意IO和事件的执行，从而提供容错保护。

创建虚拟机后，单击右键，选择“Fault Tolerance”，“打开Fault Tolerance”即可打开容错应用。

3.4 虚拟机备份与还原

vSphere将虚拟机封装成虚拟机磁盘格式文件即VMDK，在虚拟机运行期间，VMDK是不断在变化的，此时复制VMDK文件并不能完成虚拟机的备份，一旦VMDK出现错误或损坏，将导致虚拟机无法工作并出现生产数据丢失，因此，做好虚拟机的备份，也是确保应用系统数据安全的必要操作。VMware Data Recovery是实现虚拟机自动化备份的一种实现方式，VDR基于vCenter提供服务，执行备份时，首先创建虚拟机文件快照，然后将快照文件克隆至目标存储设备，实现磁盘数据级别的虚拟机备份和恢复。

在运行vSphere Client的客户机上，放入VDR安装光盘，根据安装向导完成VDR插件的安装，完成后使用vSphere Client重新连接vCenter，在“解决方案和应用程序”一栏可以看到VDR插件已经安装成功，再通过部署OVF模板的方式安装导入VDR，根据向导配置VDR虚拟机，在vSphere Client上通过插件连接VDR，就可以创建虚拟机的备份或还原任务。

至此，一个完整的气象信息系统虚拟化应用已构建完成，还可以尝试将更多的物理系统迁移至虚拟化环境中，或者扩展为台站气象私有云应用。

4 结束语

服务器虚拟化技术能够带来诸多好处，利用该技术优化气象信息系统的建设是可行的。一方面能够在一定程度上减少服务器的数量，提高服务器的资源利用率，降低台站中心机房的维护成本；另一方面也提高了应用系统的服务质量。台站在实施过程中，可以充分利用现有的硬件设备，配合FreeNAS、Openfiler等软件搭建多个iSCSI存储系统，用于构建低成本、高可用的虚拟化环境，因为购置高性能服务器、组建SAN环境的成本较高，且当可虚拟化的服务器达到一定数量后，虚拟化方案才有比较可观的效益回报。

在部署服务器虚拟化时，还需检查应用系统外接的设备可否被虚拟机所支持，综合考虑各个系统的应用规模，避免将频繁读写的应用放到同一台宿主机或同一个存储资源池、避免一台宿主机上承载太多的虚拟机等，以免事倍功半。以佛山局为例，通过部署虚拟化，我们缩减了十多台物理服务器，降低能耗、简化了网络和系统的维护管理，基于虚拟化环境中的高可用和定时备份，将信息系统的单点故障将至最低，使得各类业务应用的稳定性和可靠性得到明显的提升，依托这些稳定的系统，为各类气象服务提供强有力的支持和保障。

参考文献

[1]李来祥.服务器虚拟化在数据中心机房中的应用[J].计算机光盘软件与应用，2010，6：108.

[2]袁志福，关晓军，郭彩莲.虚拟化技术在气象信息系统中的应用[J].青海气象，2009，04：45-47.

[3]耿新民，王少峰，许飞.基于VMware的高可用性集群在电力信息系统中的应用[J].上海电力学院学报，2010，26（2）：193-196.

[4]VMware.虚拟化入门[OL]：http：//www.vmware.com/cn/virtualization/.

[5]VMware.VMware vSphere4.1培训教材[EB].

[6]胡嘉玺.虚拟智慧，VMware vSphere 运维实录[M].北京：清华大学出版社.2011.

[7] 龚爱斐，张文静.服务器主流虚拟化技术研究与比较[OL]： http：//www.paper.edu.cn/index.php/default/releasepaper/content/200902-1191.

[8]wikipedia.Hypervisor介绍[OL]：http：//en.wikipedia.org/wiki/Hypervisor.

[9]xjtumstc.服务器虚拟化[OL]：http：//wiki.xjtumstc.com/服务器虚拟化.

[10]VMware.VMware vSphere基础[OL]：http：//www.vmware.com/cn/support/pubs.

[11] wikipedia.Hyper-V[OL]：http：//en.wikipedia.org/wiki/Hyper-V.