校园数据中心虚拟化低成本解决方案探索
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摘 要：实施虚拟化是目前数据中心建设中的一个大的趋势，也是建设企业私有云的一项重要的基础技术。本文在虚拟化建设的低成本方案中进行了一些探索，通过相关的工作力图在实现虚拟化功能与实施虚拟化的建设成本之间找到一个平衡点。以Hyper-V技术为基础，提出了一种低成本的虚拟化实施方案，并通过实验部署的方式验证了方案的可行性与可靠性。
关键词：虚拟化；低成本；Hyper-V；集群技术
中图分类号：TP368.5
校园数据中心是校园网络中数据的汇集与处理地点，提供了对整个校园网中各种信息数据的存储、分析、处理的能力。数据中心的建设除了要考虑其处理能力以外还要考虑如何提高资源的利用率和降低建设与运行维护成本。虚拟化技术在数据中心建设中的应用为提高资源利用效率、降低运行成本、提高系统灵活性等方面提供了新的途径。
但是，在校园数据中心应用虚拟化技术本身也是需要成本的，包括硬件成本、软件成本、管理运维成本等。本文研究与探索的内容就是在实现校园数据中心虚拟化的技术目标之上，寻找一种低成本的解决方案，实现资源的高利用率与建设成本的压缩。
1 校园网数据中心虚拟化的可行性与需求
校园网数据中心经过多年建设已经具备了一定的规模，服务器的数量已经达到数十台，多种应用系统在其中运行，数据存储量也达到了TB级别。数据中心的规模使得部署与应用虚拟化技术成为一种可能。（1）数据中心降低能源消耗的需求，采用虚拟化技术可以通过服务器整合，减少服务器计算机的数量，同时减少网络设备、空调设备等的数量，从而实现能耗的降低。（2）提高设备利用率和降低硬件成本的需求。采用虚拟化技术进行服务器整合[1]，将不同的应用以虚拟机的形式整合到一台物理计算机上，既实现了业务额隔离，又使不同的业务系统分时共享硬件资源，在满足性能要求的前提下达到提高资源使用率和降低能耗的目的。（3）提高业务系统可靠性与可用性的需求，采用虚拟机的动态资源调配方法，依据应用的需求来调度计算资源，则可以供高可靠性与高可用性[2]。（4）提高系统可管理性的需求。通过利用虚拟化技术实现服务器整合，可以减少数据中心物理服务器与网络设备的数目，减少设备管理的工作量。同时，通过虚拟化管理软件平台，可以进行对虚拟机的统一管理。
2 低成本虚拟化方案的设计原则
虽然实施虚拟化以后能够降低数据中心的运营成本，但是实施虚拟化的过程涉及软、硬件及人力管理成本的需求，因此寻求低成本的有效实施方案就成了校园数据中心实施虚拟化的目标。低成本的实施方案主要考虑以下因素：（1）硬件投资低成本。在选择虚拟化技术时，为了降低硬件平台的成本，应该尽可能地考虑对硬件系统要求低和提供广泛的驱动程序支持的虚拟化产品。最好能够对现有的硬件系统提供支持，尽可能减少硬件采购的花费。（2）软件投资低成本。虚拟化过程中，虚拟机监控软件和虚拟化平台管理软件是软件投资成本中的主要部分。通常闭源的虚拟化软件产品具有比较高的价格，因此，选择开源免费的软件产品是降低软件成本的一种途径。（3）管理维护的低成本。一些知名的虚拟化产品供应商提供了一些图形界面的虚拟化系统管理工具，例如VMWare的VCenter[3]、微软的SCVMM[4]，这样的管理工具往往是价格不菲的。为了达到降低成本的目的可以采用手工管理的方式来完成虚拟机管理工作，但是这样做会提高对管理技术人员的技术要求和工作的复杂程度。开源的虚拟机管理软件是一种可以考虑的选择，例如，基于libvirt[5]程序库的虚拟机管理工具。开源虚拟化管理工具的缺陷在于支持文档不足。
3 数据中心虚拟化的低成本设计方案
3.1 虚拟化方案的总体架构。本方案是基于微软的Hyper-V虚拟化技术，以微软公司免费的Hyper-V-Server服务器软件作为Hypervsior，充分利用数据中心现有的Windows服务器和iSCSI存储网络实现虚拟机系统的高可用性和高可靠性。方案的整体将架构包括如下三个层次：（1）物理硬件层，由服务器计算机、存储阵列、管理工作站计算机、千兆交换机等物理设备构成，是整个虚拟化系统的硬件资源池。（2）虚拟机管理软件层，包括创建和运维管理虚拟机所需要的各种软件系统。通过这些软件的协作能够提供对虚拟机的各种操作、虚拟机资源动态调配、虚拟机迁移等操作。（3）虚拟机层，由虚拟机管理软件创建出来的可用虚拟机，这些虚拟机能够承担数据中心的各种软件服务功能。
3.2 实验验证方案的设计与实现。为了验证设计方案的可行性，在实验室环境下利用嵌套虚拟化技术[6]搭建了一个模拟的实验环境，对设计方案中的软件进行了整合实验。实验环境是基于VMWare Workstation 10.0 来实现的，在部署的时候需要建立如下的虚拟机系统：（1）Hyper-V Server虚拟机，安装Hyper-V Server虚拟机管理软件，作为虚拟机管理软件，创建故障管理恢复集群，并且将在其中创建嵌套的VM；（2）Windows Server活动目录域控制器虚拟机，提供活动目录管理功能和故障转移集群的管理功能；（3）安装OpenFiler软件的虚拟机，用于模拟存储网络的功能；（4）管理工作站虚拟机，提供远程服务器管理工具，用于管理Hyper-V 服务器和故障恢复集群。
3.3 实验方案的验证结论。过实验方案的验证，可以得出如下结论：（1）本方案可以实现数据中心的全面虚拟化，通过Hyper-V技术和iSCSI网络存储技术所提供的虚拟化架构能够实现数据中心的完全虚拟化，并提供完善的虚拟机管理功能；包括虚拟机的创建、删除、远程管理以及P2V（Physical to virtual）的迁移功能等；（2）能够实现虚拟化系统的高可用性和高可靠性。在实验中，Hyper-V故障恢复与管理集群能够实现计划内与计划外的停机故障恢复，可以保证在可接受的停机时间范围内的故障恢复；通过live Migration实验能够实现不停机的虚拟机迁移，实现虚拟机系统的高可用性。（3）本方案的低成本特性。在本方案中所需要的硬件环境可以由现有的硬件平台来提供；所使用的软件均可以免费获得或者是由Windows操作系统自带，基本不需要另外添加软件产品。数据中心中现有系统大部分是基于Windows系统的，且Windows系统具有使用、管理方便的特点，因此本方案的管理难度也是比较低的。