服务器虚拟化技术在电力企业的应用

标签:技术前沿虚拟化

访客:16882  发表于:2012-04-26 16:21:28


随着21世纪信息技术的高速发展,电力企业信息化建设步伐越来越快。在信息化高速的发展过程当中,企业不得不面对爆炸性增长的服务器基础设施所带来的种种后果。服务器机柜不断增加,机房空间不断扩大,UPS电源、机房空调等相关设施不断增加投入,信息能耗快速增加,对服务器软硬件管理也变得越来越复杂。

然而根据有效的统计,企业大部分服务器仅能达到10%~30%的系统处理能力,绝大部分的服务器负载都低于40%,大部分的服务器处理能力并没有得到很好的利用,造成了服务器资源的大量浪费。虚拟技术在经过了40多年的发展已经被成功的应用在服务器上面。正如40多年前IBM研发虚拟技术的出发点,1台机器尽可能多地让更多用户和应用程序有效使用,一直都是虚拟技术发展的原动力。

近几年随着服务器硬件技术水平大幅度的提高,以及硬件价格的不断降低。特别是在硬件支持虚拟化的CPU(中央处理器)的大量普及以及大容量内存的使用,为虚拟技术在服务器的应用提供了非常有利的先提条件。服务器虚拟化技术的应用与发展在全球的IT行业正如火如荼的展开着。

服务器虚拟化技术背景

虚拟化技术起源20世纪60年代。当时的虚拟分区技术最早是使用在大型机上面。IBM公司首先发明了一种操作系统虚拟机技术,允许在1台主机上运行多个操作系统,让用户尽可能地充分利用昂贵的大型机资源。随着技术的发展和市场竞争的需要,大型机上的技术开始向小型机或UNIX服务器上移植。

经过40多年的发展,虚拟技术在X86架构服务器上取得了飞跃的发展,64位多核X86CPU的出现,让单台X86服务器的性能越来越强大。虚拟化技术开始吸引更多厂商的关注,特别是在Intel和AMD相推出内建虚拟技术的处理器,以实现硬件辅助虚拟化,从而改善原来仅通过软件实现虚拟化所带来的性能和稳定性方面的不足。进入2006年,从处理器层面的AMD和Intel到在操作系统层面上微软的加入,虚拟化开始成为广受关注的热点话题。涌现出来如VMware、微软、Parallels等一大批优秀的服务器虚拟化软件生产商。

虚拟化技术简介

计算机虚拟化通常是指计算元件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行。虚拟化技术可以扩大硬件的容量,简化软件的重新配置过程。虚拟化技术与多任务以及超线程技术是完全不同的。多任务是指在1个操作系统中多个程序同时并行运行,而在虚拟化技术中,则可以同时运行多个操作系统,而且每个操作系统中都有多个程序运行,每个操作系统都运行在1个虚拟的CPU或者是虚拟主机上,而超线程技术只是单CPU模拟双CPU来平衡程序运行性能,这2个模拟出来的CPU是不能分离的,只能协同工作。

实际上虚拟化技术有2个方向来帮助服务器更加合理地分配资源。一种方向就是把1个物理的服务器虚拟成若干个独立的逻辑服务器,用户可以在这些看似独立的虚拟服务器上运行不同的操作系统和应用。虚拟技术的另一个方向,就是把若干个分散的物理服务器虚拟为1个大的逻辑服务器,使用户可以像使用同一台服务器的资源一样支配这些物理上独立的服务器,从而达到最大化利用资源的目的,这个方向的典型应用就是网格。由于目前网格技术并不完善成熟,并没有存实际生活工作中广泛的应用,所讨论的服务器虚拟化技术主要是指第1种方向虚拟化技术。

服务器虚拟化的两大技术

现行的服务器虚拟化实现方法主要有两大技术阵营,分别是以VMware、微软等公司为代表的虚拟硬件技术和以Parallels、Sun等公司为代表的操作系统虚拟化技术。

虚拟硬件技术

虚拟硬件技术是采用软件方式模拟出计算机里面的各种硬件形成-种虚拟裸机的方法,在这些虚拟的裸机上面可以安装使用各种操作系统实现服务器虚拟化的目的。其体系结构如下图所示。

 

上图为虚拟硬件技术体系结构

在虚拟硬件技术的体系结构单面最底层的是计算机硬件包括CPU、内存、总线等硬件资源。在这些硬件上而使用了1个Host OS来虚拟来计算机的各种硬件形成虚拟裸机。这些裸机可以支持各种操作系统,甚至那些和物理服务器不同的操作系统。

在虚拟硬件技术的阵营中最为具有代表性的是由VMware公司研发的软件产品VMware ESXServer。VMware ESX Server在当前的服务器虚拟化市场上占有主导地位,全球已经有许多基于VMwareESX Server部署虚拟服务器的成功案例。该产品并不是以一个完整的操作系统为Host OS而是以Linux内核的VMkernel进行管理。该微内核通过消除在虚拟机下面运行一个基本操作系统所需的系统开销,从而节省了资源。该产品将资源从物理机器分离出来供虚拟服务器使用。它甚至还有过量使用内存的功能,这意味着虚拟机的内存总和可以安全地超越服务器的实际物理内存。此功能可以提高服务器内存的整体利用效率,所有这些功能都由VMware ESX Server服务控制台进行管理,此控制台相当于Host OS的管理软件。

操作系统虚拟化

操作系统虚拟化有时叫做操作系统级或共享操作系统虚拟化,它将服务器在操作系统层面进行虚拟化。这种虚拟化方法在单个物理服务器及操作系统实例上创建出多个相互隔离的分区或虚拟环境(VE),以最大化效率利用硬件、软件、数据中心及管理资源。其体系结构如图2所示。

上图为操作系统虚拟化体系结构

在操作系统虚拟化技术的体系结构里,位于最底层的是组成计算机的各个硬件设备,在这些计算机硬件上面是1个Host OS作为主操作系统,通过在主操作系统上建立操作系统虚拟层,该虚拟化层通常拥有自己的文件系统和内核服务,确保不同的虚拟环境(VE)之间资源的隔离和安全〕虚拟化层的存在让每个虚拟环境(VE)看起来好像独立的服务器〕位于最上层的虚拟操作系统本身承载各种应用或其他负载。

在操作系统虚拟化阵营中最为具有代表性的是由Parallels为首的软件公司。该公司推出的Vir-tuozzo是一款成熟的服务器虚拟化软件产品,也是目前使用最为广泛的操作系统虚拟化软件产品。Virtuozz通过共享操作系统内核提供了更为有效的服务器资源利用且大大降低了处理损耗用户提供虚拟环境(VE),VE用于安全隔离单个应用或一组相关应用,避免多个应用服务部署在同一台服务器时出现的相互干扰或冲突,使各应用能够完全隔离,和谐相处。Vittuozz允许在单个物理服务器上创建多个独立的虚拟环境(VE)以实现硬件资源的共享。VE为运行在其中的应用程序提供了完整地虚拟操作系统环境,它拥有自己的注册表、文件系统、进程号、用户名/安全标识符(SID ) , TCP/IP地址、内核等,所有的系统资源和标识均被虚拟化。

技术的比较

虚拟硬件技术与操作系统虚拟化技术同为服务器虚拟化技术,但是由于系统结构与实现方法的不同也就造成了2种技术各有其优缺点。下面将以操作系统虚拟化技术为中心来进行讨论。

通过操作系统虚拟化与虚拟硬件都可以在同一台服务器上面虚拟出多个互相独立的虚拟操作系统。但由于操作系统虚拟化是同一种操作系统的划分和衍生,并不需要使用软件虚拟出各种硬件,操作系统虚拟化的运行效率和运行在虚拟环境中的应用程序性能,都超过虚拟硬件技术。

操作系统虚拟化可以明显低管理成本,管理员无须为每一项应用安装和维护一个单独的操作系统。拥有高效的备份与迁移系统,管理员仅仅需要保存虚拟操作系统自身的代码和数据,而不需要保存整个操作系统、所有的应用程序、交换文件等。管理员可以在极短的时间里创建建立一个新的虚拟服务器而不需要重新安装操作系统还可以通过相应的管理工具随时对虚拟服务器进行各种管理工作,快捷高效。

操作系统虚拟化拥有快速响应更好的性能。运行在虚拟操作系统的实例可以快速启动和停止,启动一项任务无须起动整个操作系统同样,应用仅消耗掉应用程序所需要的资源,因而可以根据业务需求变化更加精确的进行资源分配。因为没有像操作系统那样分为多层,虚拟系统的性能和本地服务器系统的性能几乎完全一样,灾难恢复也同样可以快速完成。操作系统虚拟化拥有很高的资源利用率,可以虚拟出成百上千的虚拟服务器。

然而,操作系统虚拟化技术并不是完美的,也无法全面替代虚拟硬件技术。在用户需要一个相对完整的虚拟环境进行研发,或整合多种操作系统,或整合多个处于不同操作系统版本和补丁一级别的传统应用于同一服务器时,只有虚拟硬件技术能够充分满足这种需求。总的来说虚拟硬件技术是是以牺牲性能效率为代价换取了更大的灵活性。

湘西电业局服务器虚拟化

湘西电业局目前绝大部分业务系统的服务器使用了Windows2003操作系统。在这种比较单一的操作系统模式下,选择利用效率更高,维护更简单高效,软件更经济的操作系统虚拟软件更加适合。软件虚拟服务器的实验系统架构如图3所示。

实验中使用2台同样配置的DELL PowerEdge2950服务器。一台作为数据库服务器,另外一台作为被虚拟的应用服务器。2台服务器通过千兆网络与交换机相连,并通过管理员终端对虚拟服务器进行集中配置管理。

湘西电业局操作系统虚拟化架构

图3 湘西电业局操作系统虚拟化架构

服务器硬件配置如下:Core Intel Xeon E54202. 50 GHz 4核CPU ;4 GB (4x1 GB)内存;4块146GB硬盘并做了磁盘阵列Raid 5,千兆网卡。数据库服务器采用了Oracle 10 g作为数据库平台;应用服务器采用windows 2003 Enterprise Edition32位中文版操作系统并安装Parallels Virtuozzo 4. 0月及务器虚拟软件。在应用服务器上虚拟出了3台虚拟服务器。通过Virtuozzo 4. 0软件将3个虚拟服务器采用同等的配置为:动态共享CPU资源,内存1 G,网络带宽限制为100 M,硬盘空间为30 G,分别设置了静态IP地址。在实验当中分别对没有应用业务运行单纯虚拟服务器环境进行测试,以及运行应用业务取代现有真实物理服务器进行测试,测试结果如表1所示。

表1不运行业务的测试数据表

不运行业务的测试数据表

从上面的数据可以看出,启动1台虚拟服务器所要增加的内存不到100 m,然而单独启动一台物理的服务器需要700 m的内存。证明虚拟服务器采用了动态共享CPU技术,在没有业务运行的情况下,整个系统的CPU使用率非常的低。使用Virtuozz软件虚拟服务器技术的硬件资源利用率非常的高。

接下来的实验里,在3个虚拟服务器上面安装了调度管理、农村供电所管理、用电可靠性的业务系统。这些业务系统并不负责存储数据,可以使用这些虚拟服务器轻松地代替现有的物理服务器而不会出现影响实际工作的情况发生。经过为期1周的测试实验,3台虚拟服务器在运行过程当中主服务器CPU资源的使用率始终没有超过40 %,内存使用量没有超过2 G,整个运行过程非常稳定。

服务器虚拟化技术的现实意义

虚拟服务器的出现,为终端用户带来了新的选择。虚拟服务器技术允许在1台服务器上创建多个相互隔离的虚拟专用服务器,每个虚拟服务器均可独立进行重启,并拥有自己的root访问权限、用户、IP地址、内存、过程、文件、应用程序、系统函数库以及配置文件。虚拟服务器的应用的好处主要有以下几点:

(1)企业利用服务器虚拟化技术,结合自身情况对服务器资源重新优化配置,可以充分利用服务器资源,并有效控制了随着服务器数量的快速增长带来的其他一系列问题。大量的节约了在服务器上面的资金投入,降低了能耗、减少与了管理成本。

(2)虚拟化技术还提供了备份/恢复和迁移的功能。虚拟化服务器技术能够实现几乎零宕机实时迁移,从而将任何由系统故障等灾难性事件带来的威胁降低到最小化。此外,由于虚拟化服务器可以被激活、重起且可在非常短的时间内创建重要服务器,所以虚拟化服务器在短时间内快速成为经济高效且具有更高管理性能的灾难恢复解决方案之一。

5 结语

服务器虚拟化技术的应用允许企事业单位实现服务器合并,提高管理能力和服务水平,并显著降低企业的总拥有成本。虚拟化代表着这样一个巨大趋势,就是把物理资源转变为逻辑上可以管理的资源,打破了物理结构之间的壁垒。在未来,所有的资源都透明地运行在各种各样的物理平台上,资源的管理都将按逻辑方式进行,完全实现资源的自动化分配,而虚拟化技术是实现这一理想的唯一工具,虚拟化技术不断改变着人们日常活动的方式。

附件:电力企业虚拟化应用报告(2009年)

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