基于虚拟化技术构建厂站级私有云的方案探讨

任志远，刘洺赫

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300381）

随着大数据时代的到来，新型的应用具有数据存储量大、业务增长速度快的特点。而传统企业的软硬件维护成本越来越高昂，从而使同等规模投资中真正用于提升商业价值的投资相对减少，而这正是基于由功能化服务器构建的传统系统构架的缺陷造成的。根据所做项目中使用的虚拟化技术，结合比较云计算的传统构架，从架构简易、扩展性能优劣、损耗高低等方面进行讨论。

1 虚拟化技术应用的必要性

基于功能化服务器的传统构架（未采用虚拟化技术）问题：

1）服务器的利用率低。由于一台服务器只能有一个操作系统，受系统和软件开发平台的限制，CPU、内存、硬盘空间的资源利用率都相对低，无法达到利用率最大化。

2）可管理性差。首先每个物理应用服务器都是单机，如果某台服务器出现故障，相对应的业务也将中断；其次是当硬件需要维护、升级或出现硬件故障时，上层业务系统均会出现较长时间的中断，影响业务的连续性；同时，数据搬迁时更加麻烦。

3）兼容性差。系统和应用迁移到其他服务器，需要和旧系统兼容。新的软件包括操作系统和应用软件无法运行在老的硬件平台，而老的代码有时候也很难移植到新的硬件平台上。为节省时间、物力和保持系统部署的顺利，只能用增加服务器单独部署的方法来解决，从而造成投资浪费。

4）对业务需求无法做到及时响应，灵活性差。当有新的应用需要部署时，需要重新部署服务器，并需要对网络系统进行调整以适应新的应用需求。

为了解决上述问题，利用互联网实现随时随地、按需、便捷地访问共享资源池（如计算设施、存储设备、应用程序等）的计算模式，“云计算”的构想应运而生。目标是以低成本的方式提供高可靠、高可用、规模可伸缩的个性化服务，用户可以根据其业务负载快速申请或释放资源，在提高服务质量的同时降低运维成本。

为了达到这个目标，服务器虚拟化方案可以很好地解决上面这些问题，虚拟化技术是整套系统中若干关键技术中不可缺少的一环。虚拟化技术具备以下特点：

1）资源分享。通过虚拟机封装用户各自的运行环境，有效实现多用户分享数据中心资源，部署简单快捷。

2）资源定制。用户利用虚拟化技术，配置私有的服务器，可指定所需的CPU 数目、内存容量、磁盘空间，实现资源的按需分配。

3）细粒度资源管理，将物理服务器拆分成若干虚拟机，可以提高服务器的资源利用率，减少浪费，而且有助于服务器的负载均衡和节能。从而减少服务器的整体数量，降低投资。

4）适合工业实际应用场景，工业控制和信息化软件的生命周期长。通过虚拟化技术，可以在一台服务器上运行多个操作系统，每一个虚拟机可以使用不同的独立的操作系统，避免旧版本的工业控制和信息化软件无法与新型电脑系统兼容的问题。

5）具备快速的灾难恢复能力。

由此可见，虚拟化技术成为实现云计算资源池化和按需服务的核心。系统建设阶段示意图如图1所示。

图1 系统建设阶段示意图Fig.1 Schematic diagram of system construction phase

正是基于上述原因，数据中心为上层云计算服务提供海量资源的硬件物理基础，其配置方案和各种构架的差异性比较正是本文的讨论重点。

2 建立虚拟化平台的技术模式

2.1 集中共享存储构架（传统云架构）

传统集中共享存储一般可以分3 层：存储层、存储网络层和计算层。传统存储架构示意图如图2所示。

图2 传统存储架构示意图Fig.2 Schematic diagram of traditional storage architecture diagram

存储层是指用于存放数据设备，根据不同的业务应用场景，可以选择相应的存储技术和存储磁盘类型；存储网络层是指存储区域网络（SAN），它是一种高速的、专门用于存储的网络，通常独立于计算机局域网。SAN 将服务器和存储设备连在一起，能够为其上的任意一台服务器和任意一台存储设备提供专用的通信通道；计算层是指具备计算能力的服务器，在集中共享存储架构中计算层只提供CPU、内存等资源。

2.2 超融合架构

超融合基础架构（hyper-converged infrastructure，HCI），是指在同一套单元设备（x86 服务器）中不仅仅具备计算、网络、存储和服务器虚拟化等资源和技术，而且还包括缓存加速、备份软件、快照技术等元素，而多节点可以通过网络聚合起来，实现模块化的无缝横向扩展，形成统一的资源池[1]。超融合基础架构示意图如图3所示。

图3 超融合基础架构示意图Fig.3 Schematic diagram of hyperconverged infrastructure diagram

相比较于传统架构包括服务器、网络、存储三层的设备众多和配置复杂，超融合架构一般分成两层，存储层和计算层。存储层是指服务器上根据业务类型配置存储硬盘。计算层是指服务器上配置的CPU 和内存等，给业务提供计算能力。超融合存储架构不用把数据从存储端取出来，然后通过网络传输到计算端，而是将计算直接分发到存储上运行，将“计算”作为传输单元进行传输，这样大量的存储数据都在本地访问，访问就变得很快[2]。于是自然而然地“计算”和“存储”融合在了一台服务器上。超融合架构实现了计算虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化的统一整合，并且破除了传统架构中的集中式存储，采用将各个计算节点的本地存储进行存储虚拟化后形成统一调配的分布式存储资源池，为私有云提供稳定、冗余的存储环境。

在超融合架构中，又延伸出两种架构，嵌入式和分离式部署。第一种嵌入式，既服务器虚拟化软件和存储虚拟化软件集成在一起。集成式超融合架构，IO 路径短，主机CPU 和IO 开销最小，每台主机可支持的虚机更多，统一管理平面，性价比更高。嵌入式超融合架构示意图如图4所示。

图4 嵌入式超融合架构示意图Fig.4 Schematic diagram of embedded hyperconverged architecture

第二种是分离式，既服务器虚拟化软件和存储虚拟化软件为不同模块，独立工作。存储虚拟化软件通过标准协议，通常为NFS，为服务器虚拟化提供存储资源。在这种模式下，会有一个虚机在每台主机上，充当存储控制器，所有IO 先经过这个VM，再到服务器虚拟化层。这种架构IO 路径长，故障点多，主机性能消耗大，存储虚拟机会和业务虚机争用主机资源，造成物理服务器整合比相对低。但对于较大系统而言，扩展更为便利、可靠。分离式超融合架构示意图如图5所示。

图5 分离式超融合架构示意图Fig.5 Schematic diagram of detached hyperconverged architecture

3 传统云架构和超融合构架的比较

3.1 系统架构

系统构架比较如表1所示。就系统构架而言超融合虚拟化（云）架没有集中存储单元，从硬件上看构架相对更加简单[3]。但由于存储资源采用分布式管理，就需要对虚拟化存储软件和高性能以太网交换机产生更大的依赖，由此带来的劣势主要表现在维护Linux 系统难度较大； 副本经常性启动失败几率提高；对网络带宽要求极高，无形中提高了物理服务器的硬件成本；开源的虚拟化系统如果出现问题，解决问题时间较长等几方面。

表1 系统构架比较Tab.1 System architecture comparison

3.2 系统扩展

系统扩展比较如表2所示。由于超融合虚拟化（云）架构系统会随着物理服务器横向扩展性能（计算资源+存储资源）同步线性提升，所以在系统扩展方面超融合虚拟化（云）架构有着较为明显的优势，且该优势会随着系统的扩大更加明显。

表2 系统扩展比较Tab.2 System extension comparison

3.3 性能损耗

系统性能损耗比较如表3所示，不同厂商超融合虚拟化架构的损耗对比如表4所示。在同样的资源池（计算资源+存储资源）配置下，超融合虚拟化（云） 架构需要对存储资源虚拟化管理分配相应的计算资源，所以该构架对于计算资源的有效利用率小于传统虚拟化（云）基础架构。

表3 系统性能损耗比较Tab.3 System performance losses comparison

表4 不同厂商超融合虚拟化架构的损耗对比Tab.4 Loss comparison of hyper-converged virtualization architectures of different vendors

3.4 容灾及可靠性

容灾及可靠性对比如表5所示。在相同的灾备率前提下，考虑计算机硬件产品全生命周期等因素（暂已10年作为中期寿命基准），对于中、短寿命而言传统虚拟化（云）基础架构需要提升系统容灾可靠性所需投资相对较少；随着时间加长，硬件产品代际更新，老一代产品的备品备件逐步减少，这时传统架构所需硬件的采购成本加大，其优势将不复存在。

表5 容灾及可靠性对比Tab.5 Disaster recovery and reliability comparison

3.5 其他比较

对于其他性能的对比如表6所示[4]。

表6 其他性能对比Tab.6 Other performance comparison

4 应用

从（IT 信息化系统）服务器虚拟化上划分，可有两种实现方法：传统云架构、超融合架构。传统云架构中存储阵列及SAN 交换机，具有紧耦合特性，未来无论在性能扩展、容量扩展都具有局限性，但其稳定性特点突出；超融合架构使用通用网络及服务器进行搭建，具有松偶合特性，扩展性能力突出，稳定性中性，适于小型应用，开发应用等多种创新领域应用。

建设中，传统云架构方案规划中需要直观对未来应用能力、存储容量、使用规模做出至少5年的规划。超融合架构由于其扩展便捷，初始建设可以随IT 信息化发展逐渐进行资金投入，完善整体应用架构，但其稳定性、扩展能力主要依靠强大的软件支撑。

从配置方面，传统构架的最简配置可以从2 台服务器起始，而超融合构架的最简配置从3 台服务器起始。如果同样以3 台服务器为基准，配置到同样的资源（运算池+存储池），附加各系统必须的交换设备及软件，传统构架在经济上还是更具有竞争力的。当然，性价比较是存在平衡点的，因为受到磁盘阵列产品硬件寿命周期和代际更新的影响，传统构架的优势在系统规模扩大到一定程度后将不复存在。在近期实施的太原市“城市热网输配再生水关键技术研究及工程示范” 科技项目计划（KCX2020-3-07）中，采用集中共享存储模式部署“企业私有云”系统平台。

5 结语

计算资源和存储资源的池化管理是虚拟化技术的应用核心，也是技术发展的必然趋势。对于本文探讨的两种构架，认为对于厂站级用户而言，3 台左右服务器的算力完全可以服务一个中型给、排水厂站的全部应用，而且业务应用场景也相对固定，采用传统构架的集中共享存储模式更适用。而后者超融合架构更适用于集团平台系统，且随着业务类

型的扩展和系统规模的增大，这种优势会更加突出。