硬件虚拟化在IP播控系统中的应用

雷 宇

（作者单位：南京广播电视集团）

1 研究背景

随着IP播控技术的兴起，传统电视技术行业开始越来越多地触及在互联网领域运用多年的虚拟化技术。所谓虚拟化技术原先是用于计算机科学中在逻辑上划分大型计算资源的一种方式，最为人们所熟知的就是基于操作系统下的虚拟机软件，例如，在Windows10系统下运行一个WindowsXP虚拟机来解决一些老旧软件的兼容性问题。目前，业内对于虚拟化技术主流的分类有如下五种：硬件虚拟化、操作系统层虚拟化、桌面虚拟化、应用程序虚拟化、网络虚拟化。每一种虚拟化方式在目前的IP播控中都有极为巨大的应用空间，本文结合南京广电集团电视播出部的IP播控测试系统，谈谈硬件虚拟化技术在其中的应用。

2 硬件虚拟化的概念

硬件虚拟化又称为hypervisor（虚拟机器监视器），是通过一种称之为“虚拟机管理程序”的底层系统，在一套硬件设备上虚拟化出多个虚拟机实例的虚拟化技术。在目前虚拟化的技术中出现最早也应用最为普遍，从结构上来看硬件虚拟化可分为如下的两种结构。

2.1 Type-1基于裸金属架构的虚拟机

虚拟机管理程序直接在主机/服务器上运行，通过管理程序分配计算机资源、安装需要的操作系统。例如，微软的Hyper-V，VMware的ESXi，Linux下的KVM等都属于此类。优点是由于不需要宿主操作系统，所以几乎没有额外的资源开销，可靠性和效率都很高。这也是各种企业级云服务商提供IaaS的服务器架构，例如，AWS和阿里云都是使用深度二次开发的KVM虚拟机作为云服务器的底层虚拟化技术。

2.2 Type-2基于宿主操作系统架构的虚拟机

此类型需要在主机上已有的宿主操作系统上安装虚拟机管理程序，然后再分配资源进行虚拟机实例安装。例如，VMware的 Workstation，Oracle的VirtualBox等就属于此类。对比Type-1其缺点是由于存在宿主操作系统，稳定性和资源开销都比不上Type-1，所以，此类型虚拟机常用于实验和调试。

3 相关技术及优势

3.1 硬件资源利用率提高

随着单颗CPU集成的核心数量越来越多，性能越来越强，使得配置多核心处理器的服务器成本优势十分明显。例如，一台拥有两颗16核32线程CPU的服务器，共有64个逻辑处理核心，满载状态下可以创建64台同时运行的虚拟机，其供电方案、设备占用面积、散热等部署成本远小于64台单核处理器主机。在内存的利用上则更为灵活，单台主机的内存占用率往往是动态的，容易造成资源闲置。而硬件虚拟化通过虚拟内存、共享内存等技术让服务器上的物理内存通过“资源池”的方式进行动态调控，使虚拟机分配的内存总和可以大于服务器物理内存，提高了内存利用率。

3.2 简化系统架构

采用了硬件虚拟化后单台服务器的外围设备需求量减少，整个系统的可靠性增加，也减少了运维工作量。例如，传统电视播出的播出控制系统，主备播控机、字幕机、板卡配置机在硬件上都是相互独立的，通过KVM控制器集中操作，接线复杂且故障率高，而且无法跨KVM操作。一旦出现硬盘故障或者散热故障，单台主机的上下线维修非常耗时。如果采用虚拟机部署，只需要将瘦客户端接入核心交换机，即可通过远程桌面访问任何一台虚拟机服务器。简化了拓扑结构，增加了系统可靠性，通过虚拟机管理系统可以查看每一台虚拟机的运行状态，在单台瘦客户端上即可完成整个系统内虚拟机的维护。由于虚拟机采用集中存储，通过磁盘阵列来创建存储冗余，这样可以方便监控存储池中每一块硬盘的状态，在故障时实现不中断业务维护。

3.3 弹性资源分配

通过虚拟机管理程序可以对每台虚拟机的配置（CPU核心数、内存、硬盘、网卡）进行动态的调整，以满足不同时期的硬件资源需求。在这个过程中只需要重启虚拟机而不需要对操作系统进行重装和配置，这是以往单机系统无法做到的。通过弹性资源管理，可以动态地重新分配资源，以便高效地使用可用硬件资源。

4 在IP播控系统的应用

VMware vSphere作为目前部署虚拟化私有云的成熟解决方案，本文以此为例，结合南京广电电视播出部现有IP播控测试系统架构，利用Type-2架构在一台工作机上部署单个频道的电视播出系统虚拟化实验方案，阐述在真实生产环境中部署硬件虚拟化系统的思路。

4.1 实验环境

本实验的工作机能提供32个逻辑处理器（AMD TR1950X），安装Workstation 14作为虚拟化环境来模拟IP播出测试系统的虚拟化服务器架构。所有的虚拟机服务器作为一个Datacenter来进行管理，3台ESXi服务器组成一个群集，作为虚拟机资源池，虚拟Storage服务器作为集中存储，虚拟Backup服务器作为虚拟机快照备份。要实现对群集的复杂应用，还需要安装vCenter Server对群集进行集中化管理，本实验选择VCSA方式在3台ESXi上部署vCenter三节点群集。

4.2 存储方案

目前，硬件虚拟化使用的共享存储管理方式一般有SAN和NAS两种，前者提供磁盘级的存储而后者提供文件级的存储。在对存储性能要求较高的系统中一般会采用基于FC的SAN存储方式，由于条件限制本实验系统采用IP SAN作为共享存储方式，将两块4TB的HDD组成RAID1全部划分给Storage虚拟服务器作为集中存储，通过在CentOS 7上部署iSCSI Target软件来将TCP/IP模拟为iSCSI提供共享存储服务。采用共享存储的好处是可以集中管理存储空间，通过RAID来保障数据安全，在线即可更换损坏的硬盘。虚拟机的存储被封装为VMFS格式进行管理，数据热迁移、快照备份、分布式资源调度等虚拟化系统独有的技术均是建立在共享存储的基础上。

4.3 容灾

虚拟机架构对于容灾的部署非常的灵活和高效，vSphere中有vMotion、HA和DRS等组件用于系统的容灾。vMotion为虚拟机容灾的核心技术，可以将一台在运行状态的虚拟机迁移到群集中的任意一台服务器上，而这个过程不会中断虚拟机上的业务，所以也被称为热迁移。其原理是将源服务器上虚拟机的内存状态封装为vmdk文件和目标服务器上新建的虚拟机进行同步，当同步率达到100%时即完成了虚拟机的热迁移。DRS对群集中的硬件资源进行弹性化的调度，通过预先对虚拟机资源需求的权重设置，利用vMotion将虚拟机运行在合适的服务器中。这样无需关心群集中的服务器上分别运行了哪些虚拟机，弱化了传统播控系统的主-备概念。HA分为vSphere HA和vCenter HA，前者通过对群集内虚拟机状态的实时监测来触发DRS策略，对状态不好和停止运行的虚拟机进行vMotion迁移或重启。后者是在三台不同的服务器上部署主动、被动、见证三个vCenter节点，来保证任意节点出故障的情况下vCenter服务仍能够稳定运行且数据不会错误。通过VDP可以方便地对群集中的虚拟机建立快照，将设置时刻点的运行状态封装为文件保存在共享存储上，这样可以在虚拟机出现故障时回滚到任意一个备份点。

5 结语

IP播控对于传统电视播控系统是一次巨大的技术升级，在其中运用虚拟化技术加快了系统搭建速度，降低了设备投入成本，改善了安全保障方式。但反过来也对广电技术人员提出了更高要求，需要对很多新的知识架构体系进行学习，不然无法胜任新系统的设计和维护工作。从短期来看是阵痛，但长期来看是有利的。目前，多数系统还是采用VMware配合Windows服务器系统这样的商业产品框架，虽然运行稳定部署相对容易，但是需要高昂的软件授权成本。如果能够有足够的技术能力采用开源的KVM+Linux架构，一方面降低了成本，另一方面提高了广电技术团队的研发能力，对于在往后的互联网化时代竞争从高资产低人力转型到轻资产高人力的产业升级，可以起到积极作用。