贵州省气象信息业务系统的虚拟化实现

汪 华, 黄 笞, 方 斌

(贵州省气象信息中心,贵州贵阳50002)

0 引言

贵州省气象局业务综合网目前有国家局和省局的40多个业务系统,分别运行在61台服务器和27台PC上。实时业务系统一般都要求7*24小时不间断运行,面对不可避免的设备故障,必须考虑核心业务的冗余备份,以保障业务系统的稳定和服务的连续性。传统的“一种工作负载配一台机器”的服务器部署方法,致使90%的服务器只利用总体负载容量的5%～15%,操作系统和应用兼容性的问题致使服务器整合难度较大,因此硬件的过度部署和设备实际利用率不足的矛盾日益突出,随之而来的电力、散热、网络基础架构、存储基础架构、管理开销致使服务器的运维成本也不断增加。随着云计算和虚拟化技术的发展,在充分发挥计算机硬件性能的前提下,把多个对资源要求不高的业务系统集中到一台或多台计算机平台上运行,在不改变业务系统网络环境和应用架构的情况下,实现业务系统的虚拟化和高可用,这是解决当前所面临的资源空置浪费等难题的有效途径。

1 技术对比

虚拟化架构将工业标准服务器及其现有的处理器、内存、磁盘和存储虚拟化成一个逻辑计算资源池,操作系统及应用程序被隔离到安全、可移植的虚拟机中,从而实现服务器的整合与控制,简化IT操作,提高管理效率。当前主流的基础架构虚拟化解决方案产品有:微软Hyper-V、VMware(vSphere)以及Xen(思杰):

微软Hyper-V:Hyper-V至少可以支持主机多达8个CPU和1TB内存。具有一项重要的功能特性就是实时迁移(live migration),也就是将运行中的虚拟机从一个Hyper-V物理主机迁移到另一个物理主机,不干扰服务,对Windows系统的兼容性好。

VMware vSphere:是如今部署最广泛的虚拟机管理程序,最新版本可支持每个主机多达64个逻辑处理核心、256个虚拟CPU和多达1 TB内存;可以运行一系列广泛的访客操作系统,包括Windows、Linux、Solaris和NetWare。VMware vStorage虚拟机文件系统(VMFS)是一种集群文件系统,允许多个ESX主机同时访问某一个虚拟卷,通过光纤通道SAN、iSCSI SAN或网络附加存储(NAS)实现存储资源共享。

Xen:Xen虚拟机管理程序采用开源版本,支持一系列广泛的访客操作系统,包括Windows、Linux、Solaris及多种版本的BSD操作系统。Xen的特点是占用资源少、性能高。

经过性能测试和对比,VMware提供可靠的虚拟机管理程序和可扩展的管理工具,实现管理自动化(HA)、动态分配资源(DRS),在物理机器之间或不同存储之间迁移运行状态的业务虚拟机(vMotion),减少计划外停机,保持业务系统高可用的特点,使之成为较好的选择。

2 虚拟化的业务实现

在保证不影响正常业务服务的原则下分阶段实施业务系统的虚拟化,系统虚拟化结构图见图1,配置2台IBM x3850 x5的PC服务器,作为虚拟化基础架构的硬件平台,安装VMWare vSphere的ESXi服务器软件;配置一台IBM N3400的磁盘阵列,8*600GB SAS硬盘作为虚拟化共享存储,业务系统虚拟化文件存放在设备中;虚拟化基础架构的集中管理服务应用vCenter以虚拟机的方式运行,通过虚拟化基础架构的虚拟交换机配置,实现虚拟网络与外部物理网络配置一致,让虚拟机可以分属于不同的vlan。

目前先对12个占用资源不高的业务系统进行虚拟化改造,其中包括病毒库升级服务器、视频监控系统、资料备份服务器等,同时为对比分析虚拟机和物理机的性能,将提供用户访问的两台区域自动站数据库系统中的一台进行虚拟化。

通过vCenter,实现2台ESX服务器的集群(HA和DRS)应用管理,如果其中一台ESX服务器出现物理故障,其上运行的业务虚拟机将自动在另一台ESX服务器重新启动,实现虚拟化业务系统的高可用;如果一台ESX服务器出现计算资源(CPU/内存)不足,通过动态分配资源(DRS),自动在线迁移其中的业务虚拟机到另一台ESX服务器中运行;如果要对虚拟主机硬件或ESX服务器软件做维护,通过vMotion的动态迁移功能,把虚拟机从一台ESX服务器迁移到另一台ESX服务器中,而不影响实时业务系统的连续服务。

同时网络管理人员通过桌面PC上安装的vSphere Client软件,远程访问vCenter,管理维护业务虚拟机及虚拟架构平台,登录业务虚拟机控制台,远程安装维护业务系统,查看业务虚拟机动态性能监视图(图2),查看虚拟主机-存储-虚拟网络-业务虚拟机的关系拓扑图如图3所示,查看虚拟主机硬件健康状态,大大简化了业务系统的管理维护工作。

图1 气象局业务系统虚拟化架构图

图2 任务与事件

另外,通过这次业务系统虚拟化建设,实现了业务系统的数据及系统集中备份,通过VMware提供的存储快照备份机制DR,实现业务虚拟机文件的快照备份,同时通过Symantec的Backup Exce实现业务数据的在线周期性备份,在不停止业务系统服务的情况下,始终保持业务数据备份的最新状态。

图3 虚拟化关系拓扑图

3 采用虚拟化技术的效益分析

3.1 提高服务器的利用率

目前利用 VMware vSphere整合 12台 x86服务器,由于VMware虚拟机独立于底层硬件运行,每个VMware虚拟机代表一个具有处理器、内存、网络、存储器和BIOS的完整系统,因此在相同的硬件上可以同时运行Windows、Linux、Solaris和NetWare操作系统及软件应用程序,在整合12个独立运行的工作负载后将服务器内存的利用率提高到现有的峰值53%。图4中叠加展现了消耗内存和CPU使用排名前10的业务。图5中以图形方式展现虚拟化后整体业务负载的内存性能。

图4 vSphere Client性能视图

3.2 自动化虚拟基础架构以实现资源的动态调配

由于不同的应用程序有些受制于内存,有些受制于CPU,而且不同业务的利用率峰值往往发生在不同的时间,因此通过 VMware ESX、VMware vCenter Server、VMware VMotion和 VMware DRS,在运行中的虚拟机之间共享物理服务器的资源,起到了资源倍增器的作用,同时提供可用性、资源管理和安全性等特性为实时业务提供比静态物理环境更高的服务级别。实际运行环境中,虚拟化的区域自动站数据库服务器的并发访问测试获得了和物理机一致的访问性能。

图5 vSphere Client内存性能视图

3.3 最大限度地减少因服务器和操作系统故障造成的停机

从vSphere Client界面中单击一次即可配置HA以提供故障切换保护,不必进行依赖于操作系统或应用程序的解决方案所需的复杂安装和配置。由于所有的业务系统都以快照文件的方式存放,可以实现从操作系统到应用软件的高可用,同时vSphere Client可以随时监控虚拟机的情况以便检测操作系统和硬件故障,在检测到服务器故障时,无需手动干预即可重新启动资源池中其他物理服务器上的虚拟机。

4 采用VMware vSphere带来的绿色效益

4.1 从单一控制点管理虚拟基础架构,减少运维成本

VMware单一控制点管理(管理界面如图6所示)以虚拟机形式存在的工作负载,实现集中的业务系统维护管理,通过基于x86的异构操作系统(包括Windows、Linux和Netware系统)放在一个虚拟硬件平台上,利用详细的性能图表监控和分析虚拟机、资源池以及服务器的利用率和可用性。

图6 vSphere Client虚拟机统一管理界面

4.2 通过减少硬件降低运维成本

使用VMware vSphere合并整合12台服务器,每台服务器每年大约可节约 8760元电费(双750w电源,1元/度,按1000w/小时计算)。将硬件成本节约和其他资金的减少合计起来,对于虚拟化的每一台服务器,每年节约超过10000 RMB。此外,一台业务系统的虚拟化可以减少2U～4U的物理空间,同时降低热量的排放,更好的控制机房的温度,降低对购置空调的需求。

4.3 加快资源部署时间,节约系统部署时间成本

利用虚拟机模板可以避免重复的安装和配置任务,可重用的映像使部署新服务器工作负载变得方便快捷。常规情况下新业务系统的部署从硬件的上架到操作系统的安装往往需要好几个小时,通过虚拟化提供的模板部署只需要十几分钟,所花的时间减少多达50%～70%。VMware vSphere可以让模板反映操作系统和应用程序的最新更新,因此创建的模板将具有更持久的价值。

5 业务虚拟化实现中需注意的问题

做业务系统的虚拟化迁移,有多种方式:业务系统全新安装配置(适用于安装配置简单应用服务器);通过系统冷备份工具如BESR/Acronis等做业务系统的磁盘映像备份和恢复(适用于数据量不大的业务服务器系统,在许可的停机时间内完成);通过VMWare提供的在线迁移工具Coventer做业务系统的在线迁移(适用于数据量大的业务服务器系统)。

业务系统虚拟化迁移,需强调风险防范,虚拟化迁移实施前应先对业务数据和系统做备份,迁移完成后,尽量保留原业务服务器状态不破坏,并定时备份业务虚拟机中的业务数据,经运行一段时间确认没有问题后,才能确认业务系统虚拟化迁移成功。

在此次部署中视频监控服务器则采用系统冷备份迁移方式,在业务系统不启动的情况下,把业务系统的磁盘映像备份到移动存储中,然后恢复到虚拟机中,保证业务系统状态的完全一致性。其他系统大多数采用全新安装配置,如区域站的数据库服务器、资料备份服务器等,均通过模板安装得到比较稳定可靠的业务系统运行环境,仅迁移数据库中的数据。

VMWare的虚拟化迁移工具Coventer,支持Windows和Linux系统的在线迁移,需要在现有的业务系统中安装相应的代理,以系统快照的方式把业务系统的磁盘映像通过网络复制到业务虚拟机中,并最终同步所有的系统状态,完成业务系统的在线迁移。在线迁移对业务系统的服务有影响,并要安装迁移代理,需事前做好业务系统的系统和数据备份,而且对低版本的LINUX系统如Turbo7.0支持不好。

业务虚拟机迁移完成后,需要在业务虚拟机中安装VMWare Tools工具,可以提高业务虚拟机的稳定性、网络性能和显示性能,实现HA中虚拟机运行状态监测和绿色系统关机。

6 结束语

在业务系统进行虚拟化后,不仅简化了日常维护管理,提升业务服务的连续性,减少多个单一业务服务器,提高硬件系统的资源利用率,并且使系统资源可以按需自由调控,无需停机维护,减少业务中断时间。尤其新业务系统测试开发前期会产生大量的硬件需求,在VMWare平台上可以非常方便的架设测试环境,而且相互独立,部署方便,成为IT基础架构虚拟化最大的受益者。

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