控制计算机系统的虚拟化方案

郑艳

摘要：早在20世纪70年代，虚拟技术是一种省钱、安全、有效的培训方法，现今已被推广到各行各业的培训中。如今，虚拟现实已被推广到不同领域中，得到广泛应用。

关键词：虚拟平台技术；宿主虚拟服务器；虚拟现实技术

中图分类号：TP311 文献标识码：A 章编号：1009-3044（2016）25-0233-02

1 背景

在计算机科学中，虚拟技术是一种通过组合或分区现有的计算机资源，使得这些资源表现为一个或多个操作环境，从而提供优于原有资源配置的访问方式的技术。虚拟化就是把物理资源转变为逻辑上可以管理的资源，以打破物理结构之间的壁垒。未来，所有的资源都是透明的，虚拟世界运行在各种各样的物理平台上，资源的管理都将按逻辑方式进行，完全实现资源的自动化分配，而虚拟化技术就是实现它的理想工具。

2 方案

Microsoft公司的Hyper-V Server 2016虚拟平台技术，具有经济、高性能、高可靠性、易于维护等特点，最适合项目中使用。

Hyper-V Server 2016 内置于Windows Server 2016 服务器软件中，无需单独购买，对于Windows Server 2016DataCenter版中内置的Hyper-V Server虚拟服务器中承载的虚拟机中的Windows操作系统，无需单独购买软件许可证。

Microsoft公司的Hyper-V，当前版本是Hyper-V 2016，运行环境是Windows Server 2016 操作系统和Windows 10，由操作系统自带。基本功能的Hyper-V本身在不同版本的Windows Server中是一样的。该版本的Windows Server没有图形管理界面和大部分的图形管理工具， 实现了基本的虚拟服务器、故障恢复集群（failover cluster）和（Storage Space Direct）功能，可通过Hyper-V管理器和PowerShell的命令行工具进行远程管理。该虚拟机服务器简洁、高效、稳定。Hyper-V 基于Windows系统，只要是Windows系统支持的硬件，Hyper-V都可支持，不用担心硬件不兼容问题。Hyper-V虚拟机不支持虚拟并口，支持将宿主计算机上的串口和USB端口映射到虚拟机中。对于带GUI界面的Windows Server系统，Hyper-V管理器可方便配置和管理虚拟机运行环境和虚拟机本身。对于需要高级管理功能的系统，Microsoft公司提供了System Center Virtual Machine Manager进行管理。

Microsoft Hyper-V系统的虚拟机通过VMBUS直接访问硬件设备，基本没有虚拟设备层，理论上虚拟机性能可达到直接使用硬件计算机的性能。在授权方面，Hyper-V虚拟机在多CPU内核支持（4核）、虚拟机在线迁移方面无需单独购买，对于有这方面要求的环境，采购成本更低。

Hyper-V 2016支持第二代Hyper-V虚拟机，但第二代虚拟机只支持Windows 8.1和Windows Server 2012 R2作为客户操作系统。对于相对老旧的操作系统，只能使用第一代Hyper-V虚拟机，第二代虚拟机提供的高性能特性和扩展性将无法使用。对于新改造的生产线的过程控制系统，建议服务器操作系统采用Windows Server 2012 R2版，客户端操作系统采用Windows 8.1或更高版本的操作系统。

Hyper-V 基于故障恢复集群实现了高可用系统。为方便管理和进行服务器间的相互身份认证，需要建立支持活动目录的域，需专门的主域控制器。所有的加入集群的虚拟宿主服务器都需加入域。

故障恢复集群，需要有共享存储系统，该系统是故障可恢复的存储系统，是Hyper-V故障恢复集群的存储系统基础。本系统中，使用Storage Spaces Direct技术，利用微软公司最新的软件定义存储技术，使用分散在各服务器中的SATA接口的SSD硬盘和机械硬盘，实现分布式、高可用、可伸缩的存储系统，利用SMB3存储共享技术（Server share volume），实现全局共享的集中存储方案。该方案顺应了使用本地存储的软件定义存储的技术潮流，充分发挥本地存储子系统的高性能、廉价、大容量的特点，并简化了系统硬件配置，避免使用昂贵的集中共享存储设备和相应的高性能共享网络系统，消除了单点故障源和系统性能瓶颈，同时还简化了系统的管理。每台服务器本机上配置一个120G SATA接口SSD做系统盘，同时安装4个SATA接口500G固态硬盘（SSD），加入到共享存储系统。

所有的虚拟宿主服务器通过支持远程直接内存访问（RDMA）的万兆网络端口直接连接到管理用中心交换机上。相对所有宿主虚拟服务器，配置一台Hyper-V Replica服务器， 该服务器接受所有宿主虚拟服务器上的服务器虚拟机的备份请求，实现所有服务器虚拟机的数据备份。对于虚拟操作站，每个操作站上的数据日常运行中没有变化，无需在线备份，可将安装好的虚拟操作站数据文件离线备份到移动硬盘或其他备份设备上。辅助服务器上将配置企业级4TBSATA硬盘4块，组成RAID-10，该服务器无需高速存储，只需要容量大，数据存储可靠。必要时，可使用辅助服务器作为临时备用服务器，当主宿主虚拟服务器出现故障，需要维护时，将该服务器上承载的虚拟机迁移到辅助服务器上，该过程可保证虚拟机的运行不中断，网络连接也可保持，该过程对客户端透明。

客户机，只安装Linux操作系统或最基本最新的Windows操作系统，该系统上，可运行远程桌面客户端软件， 用以显示后台虚拟机的操作界面。最新操作系统软件，能够充分发挥硬件性能和后台虚拟机软件的功能特性。

当前设计有如下优点：

宿主虚拟服务器硬件本身采用了高可靠性的设备，并采取多重设备冗余，保证了硬件设备本身的高可用性。服务器本身出现重大损坏的可能性非常小。虚拟机映像和配置文件存放在全局共享的采用Storage spaces in Failover cluster的高可用存储系统中，实现数据可靠存储，无需任何外部的价格昂贵的专用存储设备，实现了基于本地硬盘的软件定义低成本存储。在后续系统扩充时，可根据容量和性能的要求，灵活采购和添加服务器和硬盘设备，同步添加存储设备，实现灵活的系统扩充，实现高性价比，方便灵活的设备采购。

虚拟机的所有文件都存放在基于服务器本地硬盘的高可用性存储系统中，该硬盘采用高速SATA接口的SSD硬盘，进一步提高了性能。本地硬盘的数据通信带宽远超万兆网络，消除了虚拟机系统同时启动在存储网络上造成的启动风暴，降低了网络通讯阻塞造成集群中节点通讯失败而造成掉线，被错误隔离的几率，Windows Server 2016的Failover cluster with Hyper-V service还具有当虚拟机进行大量数据读写操作时，通讯流量仅限服务器内部的特点，该特性很好地避免了企业虚拟化网络中经常出现的“启动风暴”问题，同时还可避免因存储网络通讯延迟，造成虚拟机读写数据失败的问题。

Hyper-V 复制功能是Hyper-V 3.0的新功能之一，它是可支持同步或异步虚拟机复制的技术，主要用于商业连续性与灾难的恢复，可用于任何服务器、网络或者存储，它并不需要任何共享存储，可以是单个或者多个虚拟机进行复制，并可基于数据块进行复制和同步。它使用Hyper-V卷影复制服务编辑器将主机上的虚拟机的快照数据转移到辅助主机。就是将主的Hyper-V主机中的虚拟机复制到另外的Hyper-v主机上，并可进行增量的复制。当主的Hyper-v主机上的虚拟机出现问题，集群系统没有正确重新恢复虚拟机运行时，则复制过来的虚拟机会接替工作，使数据损失降低到最小。复制服务器可接受来自1台或者多台主机服务器的传入复制通信。因本系统中使用了集群化和Storage Space Direct技术实现了存储和Hyper-V服务的高可用性，Hyper-V复制技术主要用于虚拟机映像的在线备份。

3 不足之处

本方案的欠缺之处：参与集群的服务器是相同体系结构的服务器，服务器最少4台，初期投资较大，后期升级服务器时，新服务器和原有服务器必须是相同体系结构。

参考文献：

[1] 姜学智， 李忠华. 国内外虚拟现实技术的研究现状[J]. 辽宁工程大学技术学报， 2004， 23（2）： 238-240.

[2] 曲文尧， 杜玉霞. 共同发展计算机技术和虚拟现实技术的应用[J]. 电子技术与软件工程， 2013（12）.

[3] 郭芳铭， 韩晓玲. 虚拟现实技术发展趋向浅析[J]. 电脑知识与技术：学术交流， 2007（2）.