高校虚拟化数据中心平台建设及迁移研究

2018-11-07史宝虹

电脑知识与技术 2018年21期

史宝虹

摘要：随着高校智慧校园的深入建设，为了能更有效地管理计算、网络、存储资源，高校在数据中心的建设与管理中都逐步引入了虚拟化技术。利用虚拟化技术，能够提高现有资源的利用率，提升硬件和应用程序的可用性，进而提高业务连续性，降低数据中心成本。该文对VMware虚拟化技术进行了探讨，对虚拟机、VMware vSphere基础架构及组件进行了阐述，结合我校的虚拟化数据中心建设，重点研究了VMware vSphere虛拟化数据中心平台建设以及利用Storage vMotion技术进行虚拟机迁移。

关键词：VMware虚拟化技术；VMware vSphere虚拟基础架构；ESXi主机；Storage vMotion

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）21-0015-03

Abstract： With the development of the intelligent campus of the University， in order to manage the computing， network and storage resources more effectively， the virtualization technology has been introduced in the construction and management of the data center. Using virtualization technology can improve the utilization of existing resources， improve the availability of hardware and applications， and then improve business continuity and reduce the cost of data center. In this paper， the VMware virtualization technology is discussed， the basic architecture and components of virtual machine and VMware vSphere are expounded. Combined with the construction of the virtual data center of our school， the construction of VMware vSphere virtual data center platform and the use of Storage vMotion technology to carry out the virtual machine migration are emphatically studied.

Key words： VMware Virtualization technology； VMware vSphere virtual infrastructure； ESXi host； Storage vMotion

近年来，随着高校智慧校园的深入建设，各类信息系统和网络应用快速增长，高校数据中心的建设与管理工作越来越复杂，服务器、网络设备、存储设备越来越多，为了能更有效地管理计算、网络、存储资源，高校在数据中心的建设与管理中都逐步引入了虚拟化技术。虚拟化技术是云计算、大数据、人云智能的基础，利用虚拟化技术，能够提高现有资源的利用率，提高硬件和应用程序的可用性，进而提高业务连续性，降低数据中心成本。

本文将就高校利用虚拟化技术建设及迁移数据中心进行研究。

1 VMware虚拟化技术

虚拟化是一种经过验证的软件技术，它为数据、计算能力、存储资源以及其他资源提供了一个逻辑视图，它是资源的逻辑表示，它不受资源的实现、地理位置或物理包装的限制 [1]。

作为业内虚拟化领先的厂商VMware公司，其虚拟化理念及产品一直以其易用性和可管理性得到了大家的认同。 VMware虚拟化技术可以同时在单台物理计算机上安全运行多个操作系统和应用程序，彼此之间共享硬件资源，每个虚拟机都可以在需要时访问其所需的资源。VMware 虚拟数据中心操作系统（VDC-OS）可以跨数百台互连的物理机和存储设备进行扩展，构成一个完整的虚拟基础架构，在较为普及的X86平台服务器上运用有着较大优势，是当前IT信息虚拟化最大的服务提供商[2]。

1.1 VMware虚拟机

虚拟机（VM）是一种严密隔离的软件容器，虚拟机内包含有基于软件实现的虚拟计算机部件，如CPU、RAM、硬盘和网卡等，虚拟机内可以安装操作系统和各种应用程序，运行在同一台物理服务器上的虚拟机可以安装不同类型不同版本的操作系统，如Windows、Linux 等。虚拟机将整台计算机封装起来，包括 CPU、内存、操作系统和网络设备等，就像一台物理计算机一样，因此虚拟机可与所有标准的 x86 操作系统、应用程序和设备驱动程序完全兼容。封装后的虚拟机易于管理、可移动性强，可以像移动和复制任何软件文件一样，在不同类型的 x86 计算机之间自由地移动虚拟机，将虚拟机从一个位置移动和复制到另一位置。

虚拟机独立于底层硬件运行，虚拟机间相互隔离，就像在物理上是分开的一样；物理服务器上其中一个虚拟机崩溃，并不影响其他虚拟机的使用[3]。

1.2 VMware vSphere虚拟基础架构

VMware vSphere是VMware公司推出的一套服务器虚拟化解决方案，目前的最新版本为6.5 。vSphere虚拟基础架构在计算机硬件上面插入一个精简的软件层，该软件层包含一个以动态和透明方式分配硬件资源的虚拟机管理程序，将操作系统和应用软件与底层硬件分离。它能将多个x86服务器、存储基础架构和网络聚合成一个统一的 IT共享资源池，然后根据需要安全可靠地向应用程序动态提供这些资源。VMware提供灵活的“内部云计算环境”，服务器、存储空间或网络带宽资源会在需要时动态分配到所需的位置，无需浪费资金去置办仅在高峰时间需要的多余资源，有效降低了数据中心的资金成本和运营成本[4]。

VMware vSphere基础架构由虚拟化层、管理层和接口层三部分组成[5]。

虚拟化层：包含基础架构服务和应用程序服务。基础架构服务用于虚拟化、聚合和分配计算、存储和网络等硬件资源，在虚拟化环境中高效地使用众多离散的服务器、管理存储器集、简化并增强网络性能。应用程序服务用于确保应用程序可用性、安全性和可扩展性，提供vSphere High Availability和 Fault Tolerance等功能。

管理層： VMware vCenter Server 是配置和管理虚拟化IT环境的核心程序。

接口层：提供vSphere Client 或 vSphere Web Client图形界面客户端、命令行界面和 SDK等访问 VMware vSphere 数据中心。

1.3 VMware vSphere虚拟化组件及功能

VMware vSphere虚拟化组件主要有 ESXi、vCenter Server、Client 、Web Client以及vMotion、Storage vMotion、Distributed Resource Scheduler（DRS）、High Availability （HA）、Fault Tolerance等功能组件。

ESXi：虚拟化管理平台是vSphere的核心组件，独立安装运行在祼机之上。在ESXi 服务器上能够创建多个虚拟机，支持安装Linux /Windows Server等各种操作系统版本的虚拟服务器。ESXi从内核级支持硬件虚拟化，虚拟服务器易于管理维护，在性能与稳定性上不亚于普通的物理服务器。

vCenter Server ：vCenter Server 安装在一台Windows 虚拟机中，安装后自动运行。vCenter Server用于将多个ESXi 主机加入资源池中并进行资源管理，用于监控和管理物理和虚拟基础架构，还以插件形式提供了一些扩展功能组件。

VMware vSphere Client 、VMware vSphere Web Client：用于通过Windows客户端或WEB端远程连接到 vCenter Server 或 ESXi 的界面。

vSphere vMotion ：可以在不关机的情况下，将虚拟机从一台物理服务器迁移到另一台物理服务器，保障服务的连续性、可用性和事务处理完整性；但不能将虚拟机从一个数据中心移至另一个数据中心。

vSphere Storage vMotion：可以无需中断服务、不关机的情况下，在数据存储之间迁移虚拟机文件。可以将虚拟机及其所有磁盘放置在同一位置，也可为虚拟机配置文件和每个虚拟磁盘选择单独的位置。

Distributed Resource Scheduler（DRS）：分布式资源调度程序，根据对资源池资源负载的动态监控，合理触发均匀分配规则；当虚拟机负载增大时，可通过资源池中的物理服务器之间重新分布虚拟机来自动为其分配更多资源，最终实现资源池中的物理服务器之间平衡分布虚拟机资源的目的。

vSphere High Availability （HA）：为虚拟机提供高可用性。如果某台物理服务器出现故障，受影响的虚拟机会漂移到其他的可用服务器上并重新启动。

vSphere Fault Tolerance：通过使用副本来保护虚拟机，提供容错机制，提高可用性。在虚拟机上启用此功能后，即会创建虚拟机的辅助副本，在主虚拟机上完成的所有操作也会应用于辅助虚拟机。如果主虚拟机故障，辅助虚拟机将立即成为活动虚拟机。

2 VMware vSphere虚拟化数据中心建设及平台迁移

VMware vSphere 数据中心包含下列组件： 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。计算服务器在祼机上运行 ESXi服务器，ESXi 软件为虚拟机提供资源，管理和运行虚拟机。存储通过网络连接到服务器组并在服务器组之间共享，实现存储资源的整合，VMware vSphere 支持光纤通道存储阵列、iSCSI 存储阵列和 NAS 阵列等存储技术。IP 网络为整个数据中心提供高带宽和可靠的网络连接。

我校的数据中心原来有1套虚拟化平台，采用8CPU VMware vSphere5.5版本的虚拟化软件，使用2台4CPU华为e9000刀片服务器，后台存储为EMC VNX5600，容量为10T，服务器与存储之间采用8G光纤通道直连，配备趋势虚拟化安全防护系统软件，运行有近20台虚拟机。

现在因业务扩展需要，为提高管理及安全性能，欲新建一套虚拟化平台，软件采用24CPU 授权的VMware vSphere6.5版本，计算资源使用与旧平台相同配置的6台4CPU华为e9000刀片服务器，存储资源计划将EMC VNX5600扩容至60T，数据中心交换机为H3C S6800-54QF。同时计划将原有旧平台的虚拟机在不影响业务运行的情况下迁移至新的虚拟化平台。

2.1 数据中心平台建设

在华为E9000刀片服务器上部署VMware ESXi 6.5，搭建VMware vSphere 6.5群集；配置DRS、HA、vMotion、分布式交换机配置（dvSwitch），进行网络和存储配置。具体步骤如下：

1）在6台E9000刀片服务器部署ESXi 6.5，安装VMware vSphere管理工具，进行网络配置，创建用作vMotion接口的VMkernel网络适配器；

2）在其中一台主机上安装vCenter 6.5虚拟机；

3）登陆vCenter 6.5，新建数据中心，设置数据中心的DRS、HA、vMotion属性，将6台ESXi主机逐台添加至vCenter 6.5；

4）在EMC主机划分存储LUN，创建物理主机，并将LUN映射到物理主机。

2.2旧平台迁移

因为新旧两套平台是独立的，虚拟机的计算及存储资源均不共享，如何迁移虚拟机成为一个实施重点，如果通过先备份再还原虚拟机的方式，则不仅影响业务运行，还费时费力，实施极其困难。经测试，最终确定了通过vSphere的Storage vMotion功能实施虚拟机迁移。

使用 Storage vMotion迁移，可在虚拟机不停机、正常运行时将虚拟机及其磁盘文件从一个数据存储迁移到另一个数据存储。使用 Storage vMotion，无需虚拟机停机可升级ESXi版本；使用 Storage vMotion，无需停机便可对存储设备进行升级维护；使用 Storage vMotion，无需停机可灵活地优化磁盘性能。

迁移原则：

使用 Storage vMotion迁移时，源ESXi主机和目标ESXi主机必须位于同一个vCenter的同一个数据中心下，vMotion不可跨“数据中心”迁移；

迁移开机状态下的虚拟机，Storage vMotion要求源ESXi主机和目标ESXi主机的CPU型号一定要兼容，最好是同一型号的CPU；

Storage vMotion需要专用的VMkernel来迁移虚拟机，所以需要在每个ESXi主机上为vMotion配置专用网络，绑定专用网卡，网络带宽至少为千兆；源ESXi主机和目标ESXi主机的网络配置一致；

满足Storage vMotion的共享存储要求，所迁移的虚拟机必须位于目标ESXi主机和源ESXi主机都能够访问的存储上。

迁移步骤：

新旧两套平台的华为E9000刀片服务器的CPU型号相同，满足兼容性需求；vMotion专用网卡在前期建设时已配置；现在需要设置共享存储并将ESXi主机合并至同一个“数据中心”。

刀片服务器通过光纤通道FCSAN接至同一共享存储EMC VNX5600，配置一个存储LUN作为迁移使用的过渡存储，建立存储组Storage Groups，将过渡存储LUN同时划分至两套平台的ESXI主机，使其均有权限访问过渡存储LUN，使虚拟机的文件与数据都存放在此过渡共享EMC VNX5600存储上。

1）在vCenter5.5平臺，将虚拟机的文件与数据都迁移至过渡存储LUN，虚拟磁盘格式可选择精简置备模式以节省空间；

2）在vSphere 6.5群集，将过渡存储LUN分配给每台ESXi主机；

3）将vCenter 5.5平台的ESXi主机脱离出来（不会中断虚拟机业务）；

4）将ESXI 5.5主机添加至vCenter 6.5中，此时新平台vCenter6.5数据中心即可管理原5.5平台的虚拟机，ESXi6.5主机可访问到原5.5平台虚拟机的文件与数据；

5）执行Storage vMotion迁移，迁移时选择“更改计算资源和存储”，将vCenter 5.5平台ESXI主机上的虚拟机依次迁移至vSphere 6.5的ESXi主机上，存储也从过渡存储迁移至EMC VNX5600扩容的新存储上。如果迁移期间出错，虚拟机将恢复其原始状况和位置。

至此，不同版本、不同计算及存储资源虚拟化数据中心平台的虚拟机的迁移在不中断业务、不关机的情况下顺利完成。

2.3 数据中心安全

为数据中心虚拟化平台提供基于物理主机层的统一安全防护。

1）在每台ESXi6.5主机上安装趋势虚拟化安全防护系统软件并进行授权；

2）在其中一台主机上安装趋势安全管理平台；

3）将所有的ESXi6.5主机加入趋势安全管理平台；

4）配置相应安全策略，保护虚拟化平台，虚拟机无需安装任何客户端/代理便能由主机继承安全策略、防护。