核电厂VVER 机组全范围模拟机服务器虚拟化研究

吉艳红，徐伟博，李连海，相栓柱

（江苏核电有限公司，江苏连云港 222042）

0 引言

VVER 机组全范围模拟机主要功能为机组主控室运行人员培训，运行应急程序的验证、修改及检查，分析新技术方案或核电站设计修改验证，操纵员支持系统的评估，真实事件的再现及事故后分析，调试程序的演练，调节、控制系统参数的标定，控制和保护系统的测试，优化机组启动、停堆程序，严重事件的演练。模拟机硬件服务器数量较多且均为俄罗斯、德国西门子提供，在长时间的运行后，设备老化及性能下降带来的问题越来越凸显，而采购新硬件面临软硬件匹配、成本高、运行维护等一系列问题，针对目前虚拟化技术越来越流行，企业使用比例也在慢慢提高，故对全范围模拟机服务器进行虚拟化研究并实施。

1 模拟机服务器虚拟化实施分析

1.1 虚拟化软件选择

目前主流的虚拟化软件包括微软、VMware、Citrix 等：微软虚拟化软件对Windows 系统拥有良好的技术支持，VMware 软件对目前主流的操作系统支持性都比较好，且主要适用于企业内部，Citrix 主要应用于网络虚拟化。由于模拟机系统设备使用了Windows、Redhat Linux、CentOS 等多种操作系统，考虑系统稳定性和兼容性，为了确保x86 架构服务器上的模拟机系统高可用性，保证模拟机系统的服务连续性和模拟机数据的安全性，选用VMware vSphere 部署全新的虚拟化架构。VMware vSphere 对整体应用体系架构设计的改变很大，单从虚拟架构角度可以大致分为基础架构服务层、应用程序服务层和虚拟应用程序层，从管理运维的角度又可以分为基础架构管理层、虚拟资源管理层和自动化服务管理层。

1.2 模拟机服务器虚拟化构成说明

（1）虚拟化对象：由于模拟机OM690 系统大多数服务器系统资源的利用率在10%～15%，虚拟化载体机设备性能有限，基于低服务器的利用率、低CPU 的合并和中等I/O 的要求，首选模拟机OM690 系统服务器进行虚拟化和相关整合，选取ESDBA、PU、SU 服务器进行相关单机虚拟化工作。

（2）软件需求：VMware vSphere 6，VMware Esxi 6.0，VMware Converter Standalone Client 6.2.0。

（3）硬件需求：①被虚拟的实体设备，HP DL360P G8，4 核CPU，8G 内存，Redhat Linux 6.5 操作系统；②虚拟化载体机设备，2 台HP 服务器（HP DL380G9，配置至少为2 颗16 核CPU，8 个千兆网口），1 台普通PC Server。

1.3 模拟机服务器虚拟化结构描述

（1）基础架构服务层。基础架构服务层是整个虚拟架构的重要支撑，主要是将物理的资源，包括计算资源、存储资源和网络资源进行虚拟化，提供一些虚拟化的基本单元，为整个架构的虚拟化做好铺垫，一般称为vComputer、vStorage 和vNetwork。

（2）虚拟应用程序层。vSphere 包括对vApp 的支持，vApp 是包含1 个或多个虚拟机的逻辑实体，它使用行业标准开放虚拟化格式来指定和封装多层应用程序的所有组件，以及与该应用程序相关联的操作策略和服务级别。

2 模拟机服务器虚拟化单机运行测试

2.1 性能测试

测试模拟机服务器启动速度，虚拟机较真实服务器减少自检时间（约4 min）；测试ESDBA 虚拟机和真实服务器正常运行时的CPU 资源、I/O、内存使用、网络流量情况等。

2.2 功能测试

功能测试主要是为了确定虚拟的OM690 系统的各功能进程是否完全启动，以及启动的进程是否能得到充足的资源。

2.3 稳定性测试

用已经虚拟的ESDBA 服务器替换现有的真实ESDBA 服务器，接入VVER 机组全范围模拟机，投入试运行，让模拟机教员和学员等最终用户通过模拟机教学活动使用一段时间，测试虚拟ESDBA 稳定性是否满足要求。

2.4 测试过程截图及测试结果

模拟机服务器虚拟化实施了单机的虚拟化，了解单台服务器在虚拟化环境中性能的稳定性，以及对模拟机整体网络的影响。测试过程中，单台模拟机服务器在虚拟化环境中运行，机器稳定性相对实体主机服务器没有明显差异，运行速度有所提高，模拟机教员及学员在培训过程中并未感觉到由实体机服务器切换到了虚拟机，模拟机调IC 的过程并没有因为切换了虚拟ESDBA 受到影响。单机虚拟工作实现了实体服务器到虚拟服务器转换，虚拟服务器替换实体服务器在线运行，虚拟服务器不影响模拟机系统的既定目标。

3 模拟机服务器虚拟化多机同平台测试

3.1 多机虚拟化及网络虚拟化

单机虚拟化具备在线接入模拟机系统运行的条件后，开始整合OM690 多台主机在同一个虚拟化平台上运行，同时多机虚拟化涉及到多机资源分配和网络交换机的虚拟。由于模拟机系统设备使用了Windows、Redhat Linux、CentOS 等多种操作系统，现阶段仅针对OM690 系统的Redhat Linux 6.5 进行多机同虚拟平台测试，测试同一版本操作系统在同一个虚拟平台上运行多台虚拟机，在虚拟化层中虚拟交换机的数据传输稳定性。

3.2 模拟机现阶段虚拟化及拓扑图

（1）虚拟化测试对象：单机虚拟化在线运行测试正常后，实施多机虚拟化及网络在线测试，主要针对PU、SU、ESDBA、7 个OT 10 台设备及SimBus、PlantBus、TerminalBus、OTBus 4 台交换机进行在线联机测试。

（2）多机虚拟化软件配置：VMware vSphere 6，VMware vCenter server6，VMware esxi 6.0，VMware Converter Standalone Client 6.2.0。

（3）虚拟前实体设备及虚拟化载体硬件配置：①被虚拟的实体设备，10 台HP DL360P G8，4 核CPU，8G 内存，Redhat Linux 6.5操作系统；②虚拟化载体机设备，2 台HP 服务器（HP DL380G9 配置为2 颗16 核CPU）、1 台普通PC Server，2 台HP 服务器安装VMware exsi 6.0，通过VMware center 进行集群管理，实现esxi 主机的高可用，防止出现机器宕机导致模拟机不可用。

（4）多机虚拟化网络拓扑：整合PU、SU、ESDBA、OT 及模拟机交换机到虚拟化主机服务器中，简化了模拟机的网络拓扑结构（图1，图2）。

图1 模拟机虚拟化实施前网络拓扑

图2 模拟机虚拟化实施后网络拓扑

4 模拟机服务器虚拟化多机运行测试

4.1 性能测试

测试模拟机服务器启动速度，虚拟机较真实服务器减少自检时间（约4 min）；测试PU、SU、ESDBA、OT 虚拟机和真实服务器正常运行时的CPU 资源、I/O、内存使用、网络流量情况等。

4.2 功能测试

功能测试主要是为了确定虚拟的OM690 系统的各功能进程是否完全启动，以及启动的进程是否能得到充足的资源。

4.3 稳定性测试

用已经虚拟的PU、SU、ESDBA、OT 服务器替换现有的真实PU、SU、ESDBA、OT 服务器，接入田湾核电站3#、4#机组全范围模拟机，投入试运行，让模拟机教员和学员等最终用户通过模拟机教学活动使用一段时间，测试虚拟PU、SU、ESDBA、OT 稳定性是否满足要求。

4.4 测试过程截图及测试结果

模拟机服务器虚拟化在单机的虚拟化的基础上实施了OM690 多主机虚拟化，进一步了解多台OM690 服务器在虚拟化环境中性能的稳定性，以及对模拟机整体网络的影响。

5 总结

测试过程中，OM690 的10 台模拟机服务器在虚拟化环境中运行，机器稳定性相对实体主机服务器没有明显差异，运行速度有所提高，模拟机教员及学员在培训过程中并未感觉到由实体机服务器切换到了虚拟机，模拟机调IC 的过程并没有因为切换了虚拟OM690 服务器受到影响。多机虚拟工作实现了多台实体服务器到虚拟服务器转换，多台虚拟服务器替换实体服务器在线运行，OM690 系统虚拟化网络配置，虚拟化交换机冗余高可用配置，虚拟服务器不影响模拟机系统的既定目标。多机虚拟化的实施，有效控制了各台虚拟服务器主机的资源配置，提高了虚拟载体硬件的使用效率。

通过使用先进服务器的虚拟集成技术，将多套同型号、不同型号的硬件集成到尽可能少的硬件设备中，精简了在线服务器数量并消除模拟机软件对硬件的依赖，规避模拟机硬件设备对俄方、德方的依赖，并降低了设备采购成本。