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虚拟化在企业生产设计的应用
时间 : 2019-06-13 14:00

  随着企业生产设计的复杂化、IT基础设施的增加,促使硬件和软件系统的功能不断强大,现有信息系统不得不面对大量出现的新问题。今天,复杂的数据以几何级数增长,给企业留下了大量难以应对的数据处理任务。管理这些数据,不仅成本过高,而且难以达到理想的效果,难以实现更好的投资回报(ROI)。老化的软硬件和不良的运行环境,都会导致服务器性能和效益的降低。通过虚拟化技术,可以在数据中心内部更有效地利用计算机资源,灵活更新软件、数据和硬件操作平台。在虚拟化技术的帮助下,一台服务器可以被分割成数台“虚拟”的机器,每台都能独立运行自己的操作系统,从而避免了“一台服务器、一种应用”的孤岛模式。统计结果表明,在孤岛模式下,计算机资源的使用率只有不到25%。有了虚拟化技术,企业可以构建一个完全不同的基础环境,更有效地管理服务器。在同一服务器上运行不同操作系统和软件的功能,可以让企业协调服务器的工作负担:如果一个虚拟系统有问题,另一台能立即替补,继续完成同一任务。虚拟化在企业的应用势在必行!

  虚拟化技术(Virtualization Technology,简称VT技术)最早起源于20世纪70年代IBM研究中心在实验室中实现的主机镜像,在随后的20多年时间里,该技术主要部署在巨型、大型和中型计算机中,随着互联网络技术、计算机技术特别是基于x86CPU(硬件辅助虚拟化)的微型计算机的普及和应用需求的不断发展,虚拟化技术正在从日趋成熟的主流的服务器虚拟化、存储虚拟化技术蔓延到网络的各个角落,作为一种高速发展的创新技术,虚拟化试图从根本上改变电脑的传统计算方式,在同一台物理机上运行多个虚拟机,以便在多个系统环境之间共享这一台计算机的物理资源,从而扩大硬件的“容量”,简化软件的重新配置过程。虚拟化正在“颠覆”传统的计算机领域,对于企业而言应用虚拟化技术必然会给企业带来前所未有的广阔前景!

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  所谓虚拟化技术,是指将一台物理的计算机系统环境分割为多个独立分区,每个分区均可以按照需求模拟出一台完整计算机的技术。模拟出来的计算机称为虚拟机(VirtualMachine,简称VM)。虚拟化技术的实质是通过中间层次实现计算机资源的管理和再分配,实现资源利用的较大化,虚拟化分区带来的很大好处是使同一物理平台能够同时运行多个同类或不同类型的操作系统,以分别作为不同业务和应用的支撑平台。

  本文通过对虚拟化技术的全面分析从而进一步阐述虚拟化在企业生产设计的应用。

  今天,企业生产环境的问题包括单应用程序服务器的激增,导致某些设备被过度使用,与此同时,另一些设备却没有得到有效利用,应用程序服务器不能实现完整的复制,由此产生的失调和一连串低效率,自然导致成本增加,反馈速度降低,以及更繁杂的硬件维修。网络管理已经成为一项开销浩大而又繁重的工作,虚拟化技术可以轻松恢复原有的平衡。根据实例证实,虚拟化应用能够让基本IT运营费用降低5%到15%,收益增长50%到70%。以往没有虚拟化技术,企业难以完整保存原有的应用系统,因为相关的硬件和操作系统的支持和维护费用太高。有了虚拟化,企业也就有了更多的选择权,可以根据实际需要,决定是否有必要把现有的应用程序,迁移到较新的硬件和操作系统上。虚拟化的另一个优势是简化和加速软件和系统的配置,用户可以在虚拟机上运行各种版本的软件及系统。

  l 硬件辅助虚拟化技术的发展为企业建立虚拟化提供了良好的基础

  硬件辅助虚拟化技术最早起源于2005年8月Intel公布的VandERPool技术,同年11月更名为VT技术,2006年2月进入测试阶段,同年3月发布了一套新的VT技术规范。该技术规范应用于PC和服务器系统,包括处理器VT技术和IO虚拟分配技术(Intel VT-d)。Intel和AMD公司在最近几年发布的CPU产品中都集成了VT技术,为进一步推动和发展虚拟化环境提供了硬件支持。

  1.1所谓硬件辅助虚拟化,就是从硬件层面增加纯软件虚拟化解决方案的可靠性、安全性和灵活性的一种方式,它比纯软件虚拟化方式更高效、更可靠。通过在硅芯片层面采用硬件辅助虚拟化技术,可大大降低纯软件虚拟化方式在系统方面的开销,增强兼容性,有助于提高企业用户的虚拟化方案的性能。硬件辅助虚拟化包括三个层次:

  1.1.1较底层是支持VT技术的硬件层(包括处理器VT技术和IO虚拟分配技术Intel VT-d),而纯软件虚拟化的计算机层次结构中硬件层是不支持VT技术的:

  1.1.2较底层外面去掉HOST OS层改用V删层来代替,删是Virtual Machine Monitor的缩写,称为虚拟机监视器,它的功能是直接管理和控制诸如处理器、存储系统、芯片组、IO设备等计算机硬件资源的同时为应用提供虚拟环境;

  1.1.3VMM层外面是VM(Virtual Machine)层,该层同纯软件虚拟化的VM类似为企业的应用需求提供虚拟化环境,企业在VM上可以完成一台物理计算机的全部功能。

  1.2虚拟化技术起源于软件,但更需要底层硬件的强力支持。由于虚拟化硬件可提供全新的架构,在硬件层和删之间省掉了宿主操作系统(HosT OS),直接支持操作系统在删上面运行,从而无须进行二进制转换,减少了相关的硬件开销,极大地简化了删设计,进而使VMM能够按通用标准进行编码,计算机性能得到了更大的提高。

  1.3 Intel、AMD分别推出了硬件虚拟化方案。Intel推出了CPU(Vt-x或Vt-i)、芯片组(Vt-d)、网络设备(Vt-c)三套相辅相成的硬件辅助虚拟化技术;AMD推出的AMD-V硬件辅助虚拟化技术。其目的都是为了提升服务器性能、降低系统购置成本、降低能源消耗、增加虚拟机数量有效方法。

  1.4硬件辅助虚拟化技术支持硬件级的动态迁移技术,即可在不关机的状态下实现不同物理主机的虚拟机之间迁移,以保证业务的不中断。

  1.5硬件辅助虚拟化为实现软件虚拟化打下了坚实的基础,可充分发挥软件虚拟化的运行效率,提高I/0性能。其优势是:

  1.5.1简化了软件虚拟化的设计;

  1.5.2减少了软件虚拟机相关的性能开销;

  1.5.3支持更广泛的操作系统。

  2 软件虚拟化技术为企业生产环境构建虚拟化平台提供了实现方法

  2.1软件虚拟化按照领域的划分可分为服务器虚拟化、内存虚拟化、网络虚拟化、系统虚拟化、文件虚拟化、桌面虚拟化、存储虚拟化、数据中心虚拟化等。

  2.2软件虚拟化技术目前主要应用于服务器的虚拟化。服务器虚拟化技术已经成为未来计算机技术的一个重要的发展方向。依据虚拟化软件对服务器的硬件支持状况分为全虚拟化和半虚拟化。前者是在当前物理机上直接安装虚拟化软件,代替操作系统管理硬件。其优势是I/O性能好,缺点是容易出现硬件兼容问题。后者是在“宿主”操作系统环境上安装的虚拟化软件。其优缺点与前者相反。目前主流的全虚拟化软件有Microsoft Hyper-v Server 2008、VMWARE ESX SERVER 3.5、XenServer 5.0,半虚拟化软件软件有Windows server 2008Hyper-v2.0、VMWARE SERVERV 1-08、Virtual-box 2.1.4。

  2.3软件虚拟化是云计算的坚实基础。应用程序虚拟化是云计算的一种发展方向.即在服务器中心添加各种应用程序而在客户端利用客户端软件连接服务器使用服务器上的程序,其操作方式类似于无盘工作站。应用程序虚拟化的常见方式是桌面虚拟化。桌面虚拟化不依赖操作系统,通过计算机硬件直接与服务器连接,使用服务器的桌面从而运行相应的应用程序。

  2.4软件虚拟化目的是为解决企业的管理难题,并降低运营成本,实现按需接入,快捷、方便、灵活的虚拟化,其优势是:

  2.4.1有效的降低运营成本:

  可以在一台物理服务器实现多台服务器的整合:可以在单台服务器上实现群集;可以对一些比较“古老”的系统及程序提供支持等。

  2.4.2提高服务器的安全性、管理更便捷:

  除了提高服务器的利用率外,虚拟化技术还有一个更重要的应用就是数据灾难恢复,即当服务器出现故障时,可以在应用不中断的情况下,自动把执行的应用从一台物理服务器转移到另一台物理服务器上。服务器虚拟化不但为服务器管理提供了强人的灵活性还为服务器提高了安全性。服务器内虚拟主机之间互相隔离。

  3 虚拟化技术在企业生产设计中的应用

  3.1采用支持硬件虚拟化技术的服务器作为构建虚拟化的基础。Intel VT硬件辅助虚拟化技术是目前最为完善的虚拟化技术,实现了处理器(VT-X或V-I)、芯片组(VT-D)、网络设备(VT-O的硬件虚拟化。

  3.1.1处理器的虚拟化主要是为了提高虚拟化软件的效率、实现虚拟机的无缝迁移。VT-X版主要对32位处理器平台,如至强;vT-I版主要对64位处理器平台,如安腾。处理器虚拟化其中提供了FlexMigration虚拟化技术,该技术可实现服务器之间的无缝迁移。

  3.1.2芯片组虚拟化主要是为了提高虚拟化环境北桥芯片的I/O性能。通过在北桥芯片中内置提供DMA(直接内存访问)虚拟化和IRQ虚拟化硬件,实现新型的I/O虚拟化方式。

  3.1.3网络虚拟化主要是为了提高虚拟系统的性能与网络处理能力。服务器网卡是服务器中最重要的配件之一,Intel推出的VT-c虚拟化技术是一种主要针对服务器网卡的网络连接及接口的技术。

  3.2部署windows server 2008 r2系统构建Hyper-v2.0硬件虚拟化平台。硬件辅助虚拟化技术的迅速发展,促使企业部署软件虚拟化提供了可靠的保证,同时考虑目前的生产设计环境都是基于WINDOWS平台,为了保障现有生产环境的无缝移植,所以采用半虚拟化技术是企业构建虚拟化平台的优先选择方案。

  3.2.1在服务器上部署WINDOWS Server 2008 r2系统主要是充分考虑硬件的兼容性,同时也是为了保证企业生产设计环境的顺利升级。目前船研所民品设计网内的服务器都是采用的是Windows Server平台,部署Windows Server 2008 R2系统可以实现较大化的软、硬件的兼容性。

  3.2.2在Windows Server 2008 R2系统上部署Hyper-v2.0构建硬件虚拟化平台。利用Operations Manager和Virtual Machine Manager提供的统一中央控制台,允许从单点创建、管理多个虚拟机,检查一个虚拟机的状态,将虚拟机从一台物理服务器转移到另一台物理服务器,从而达到可有效地监控物理及虚拟服务器及其上运行的软件的状态,以方便网络管理员制定相应的维护策略,确保生产环境的可靠运行。在生产环境的服务器上部署相应的业务系统,始终保持其稳定无中断运行,这需要强大软件管理配置工具的支持。Configuration Manager可有效管理虚拟服务器上的软件配置。根据现有生产环境的实际情况,TRIBON服务器、SQL数据库、文件存储服务器、域控制器是当前环境最为重要的关键服务器,维护这些关键服务器的正常运行是确保生产设计顺利进行的前提条件。通过在物理服务器上部署硬件虚拟化平台,同时利用以上虚拟化管理工具,可有效的利用硬件资源,协调业务系统在不同物理服务器上的使用。

  3.3部署虚拟存储系统,作为虚拟化服务器的存储中心。

  要确保虚拟化环境的业务系统的稳定无中断运行还必须提供可靠共享存储系统。通常共享存储系统可通过SAN存储系统、ISCSI存储系统实现,其前者是利用FC(光纤)而后者是利用TCP/IP协议实现的虚拟存储系统。虚拟存储系统为实现存储系统的集中管理提供了可能。

  3.4利用动态迁移(Live Migration)、群集技术实现虚拟化容灾系统。

  动态迁移技术是促使虚拟化在企业得以广泛应用的最主要的原因之一。使用动态迁移技术可以构建虚拟化服务器的容灾系统,使得虚拟化服务器迁移所带来的宕机时间基本上为零,从而实现业务层的不中断应用。群集技术是建立在系统应用层之上的高可用技术,利用群集技术可以实现企业数据库系统的高可用性、冗余性。

  3.5在企业实际生产环境应用虚拟化技术具有以下特点。

  3.5.1减少服务器的数量,提供一种服务器整合的方法,减少初期硬件采购成本;

  3.5.2简化服务器的部署、管理和维护工作,降低管理费用;

  3.5.3提高服务器资源的利用率,提高服务器计算能力;

  3.5.4通过降低空间、散热以及电力消耗等途径压缩数据中心成本;

  3.5.5通过动态迁移、故障自动隔离、动态资源配置,提高业务的灵活适应能力、高可用性;

  3.5.6支持异构操作系统的整合,支持旧应用的持续运行:

  3.5.7快速构建开发和测试环境;

  虽然虚拟化技术有着种种的优点,但并不表示它就是十全十美了。服务器虚拟化同样有一些先天的技术限制,如不适合运算量较大、持续运行或是I/0的程序。从技术上讲负载均衡是解决服务器虚拟化这一问题的有效方法。另外服务器虚拟化还面临着另外一个问题,当虚拟机数量增加后,若一个虚拟机必须要求物理服务器重启,就会导致其他虚拟机的不可用。当然以上问题通过合理规划服务器,建立可靠的容灾系统,可以有效的规避这些不足。服务器虚拟化作为虚拟化技术的基础应用,未来必然会扩展到其他领域,最终实现虚拟化在各个领域的全面应用。


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