云计算虚拟化高可用技术综述

马军 滑维鑫

随着多核处理器，虚拟化技术，分布式存储技术，宽带互联网技术和自动化管理技术的发展，产生了一种云计算的新型计算模式。它将计算任务分布在由大量计算机组成的资源池中，使应用系统能够根据需求获得计算能力，存储空间和软件服务。它可以集中所有的计算资源并通过软件自动进行管理而无需干预，作为公共设施为公众提供计算，服务和应用程序资源。本文介绍了云计算的三种主要服务形式：SAAS、PAAS、IAAS，并重点综述了虚拟机迁移、容错等虚拟化高可用关键技术。

一、引言

云计算是一种新型的计算模式，它将计算任务分布在由大量计算机组成的资源池中，因此应用系统可以根据自己的需求获得计算能力，存储空间和软件服务。这种资源池被称为“云”。云是一些虚拟计算资源，可以自行维护和管理，通常是一些大型的服务器集群，包括计算服务器，存储服务器，宽带资源等。NIST（美国国家标准与技术研究院）将其定义为“可以随时随地访问共享的可配置计算资源池（例如网络，服务器，存储，应用程序和服务）的模型，以最少的管理工作或服务提供商交互快速配置和发布。

二、云计算体系架构概述

云的主要优势包括可扩展性，弹性，灵活性，效率以及外包非核心活动，云计算为组织提供了卓越的创新业务模式，大量的IT创新融入到云计算的概念中，促进和发展了云计算和云计算产业的概念，形成了包括如图1所示IAAS，SAAS，PAAS架构下完整产业链，许多互联网公司和基础设施运营商参与其中。

（一）软件即服务（SaaS）SaaS提供商将应用软件统一部署在其服务器上，用户可以通过互联网从制造商那里订购应用软件服务。提供商通过浏览器提供软件模式，并根据软件数量收费使用时间。这种服务模式的优点是提供商维护和管理软件，提供硬件设施，用户可以在拥有可登录互联网的终端时到处使用软件。在这种模式下，用户可以通过互联网使用相应的硬件，软件和维护服务，支付一些租金而不喜欢传统模式，这使得用户花费很多资金。

（二）平台即服务（PaaS）PaaS将开发环境作为一种服务来提供。它是一种分布式平台服务器，制造商向用户提供服务，比如开发环境，服务器平台和硬件资源以及用户定制和开发自己的应用程序，并通过服PaaS可以为企业和个人提供中间件平台，应用开发，数据库，应用服务器和实验。 Google App Engine是代表性产品，以及fore.com和800 APP。

（三）基础设施即服务（IaaS）IaaS将由许多服务器构成的基础设施作为测量服务提供给客户。它将内存和I / O设备，存储和计算能力集成到虚拟资源池中，为整个行业提供存储资源和虚拟化服务。这是托管硬件的一种方式，客户在使用硬件时付费。例如，亚马逊网络服务和IBM蓝云都将基础架构作为服务来租用。

三、云计算虚拟化技术

虚拟化是部署云计算资源的一种方法。它分离了硬件，软件，数据，网络，存储等应用系统的不同层次，打破了数据中心，服务器，存储，网络，数据和物理设备之间的分工，实现了动态架构，实现了集中管理和动态使用物理资源和虚拟资源的目标，提高系统的灵活性，降低成本，改进服务和降低管理风险。在云计算环境中，所有虚拟化解决方案都是系统集成解决方案，包括服务器，存储系统，网络设备，软件和服务。它们包括多层虚拟化技术，如硬件虚拟化，网络基础设施虚拟化，应用虚拟化和桌面虚拟化，并灵活组合多个层次，以根据应用环境实现不同模型的虚拟化解决方案。在整个云计算虚拟化战略中，我们可以利用虚拟化技术提供的各种机制，快速模拟不同的环境和实验，而不需要重要的硬件和物理资源，达到构建操作系统和应用的目的，提高安全性和可用性。实现管理环境，以后以更加简化和有效的方式将其投入生产环境。从而提供更大的灵活性并快速识别潜在的冲突与此同时，我们可以利用服务器虚拟化技术将大量分散和利用不足的物理服务器集成到较少独立和聚合的物理服务器上，甚至可以用大型网络虚拟机来替代数以千计的服务器并使其运行在高长期利用，从而严格管理IT成本，最大限度地提高能源利用效率，提高资源利用率。

四、高可用性关键技术

（一）虚拟化迁移

虚拟机迁移是虚拟化高可用性非常重要的一个保障能力，过虚机迁移技术，能够将正在运行虚机在线的从一个宿主机迁移到另外一个宿主机上，迁移过程中不会影响前端业务系统的正常运行且迁移过程是完全透明。为实现虚拟机在不同宿主机之间的迁移，需要下面的基础技术进行实现：

将虚机完整状态由一组保存在共享存储上的文件进行封装，能够允许多台宿主机访问相同的虚机文件。

虚机的活动内存及正在执行的状态能够通过高速网络进行快速传输，允许虚拟机可立即从在源宿主机上切换到在目标宿主机上运行。采用位图的方式对正在运行的事物进行跟踪以便让应用觉察不到内存状态正在传输，一旦内存和系统状态拷贝到目标宿主机后，在目标宿主机上恢复虚拟机。根据实际的统计，对于绝大多数应用来说，整个切换过程在以太网上花费的时间不到两秒钟。

虚机使用的网络也需要被底层的Hypervisor虚拟化，才能保障迁移后虚机网络标识和网络连接能够被保留。因此通虚机迁移可以保障虚机的准确状态，达到了零停机迁移的目的。

在虚机迁移过程中，前端业务仍然持续运行。虚机的所有状态都会被转移到新的宿主机上；对于虚机的数据（包含状态信息等）而言，由于整个集群内的宿主机能够完全识别到相同的存储，因此在虚机迁移过程中数据不会发生变化。

（二）虚拟化容错

虚拟化容错技术通过监控宿主机及运行在之上的虚拟机，为计算资源池的本地高可用奠定了基础。和传统的HA方案相比较，不需要在应用程序或虚机操作系统上安装专门的集群软件，在启用虚拟化的HA后，不需要在虚机上执行任何其他的操作就可对虚机实现保护。当宿主机出现故障，HA在具有备用容量的其他宿主机中重新启动受影响的虚拟机。

虚拟化容错最大的变化是不再采用传统集群解决方案的活动主机（Active Node）和备用主机（Pascive Node）的概念。在虚拟化容错方案中节点间引入了一种主/从关系，集群中的一个节点被选作主节点后，剩余节点都是从属节点。主节点负责协调和监控其他节点的所有相关的可用性操作，并将这种状态告知集中管理的vCenter。通过虚拟化容错方案，在设计高可用体系结构的时候不再需要花费大量时间进行详细的规划，也不用担心哪些主机作为主节点以及这些主机位于何处。同时为保障自身的稳定性，在各个宿主机之间虚拟化高可用同时采用网络心跳和存储心跳的冗余途径进行监测，能够更好地了解宿主机及其上运行的虚拟机的运行状况。

虚机化容错方案中通过创建一个与主虚机完全相同，并且在发生故障时刻实时替换主虚机的备用虚机来保证虚机是持续可用的。通過虚拟锁技术主虚拟机上的所有输入和事件发送到在其他宿主机上运行的备用虚机。在备用虚机上执行和主虚机完全相同的指令，因此在任意时刻主备虚机的状态是完全一致，且正常情况下备用虚机不对外提供服务，过程如图3所示。

五、结语

虚拟化允许多个操作实例在单台计算机上同时运行。它是物理资源的抽象，可以让它们在多个物理用户之间共享。为了使资源能够按照物理用户的数量进行共享，它将为物理资源分配一个逻辑名称，并根据需要启用指向该物理资源的指针。本文重点对虚拟化高可用性技术进行了综述，其技术优势总结如下：

在受保护的虚拟机响应失败时自动触发无缝的有状态故障切换，从而实现零停机、零数据丢失的持续可用性。

在故障切换后自动触发新辅助虚拟机的创建工作，以确保应用受到持续保护。

不停业的、前端用户无感知进行在线实时迁移，持续不断的优化计算资源池的负载，不需要计划专门的停机时间，不中断业务的情况下进行维护。

主动将虚机从故障或降级的服务器迁移，保障虚机的运行效率，能够进行并发迁移，虚机可以支持任何的硬件和存储，快速确定合适的虚机部署位置。