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                                          虛擬化在企業生產設計的應用
                                          時間 : 2019-06-13 14:00

                                            隨著企業生產設計的復雜化、IT基礎設施的增加,促使硬件和軟件系統的功能不斷強大,現有信息系統不得不面對大量出現的新問題。今天,復雜的數據以幾何級數增長,給企業留下了大量難以應對的數據處理任務。管理這些數據,不僅成本過高,而且難以達到理想的效果,難以實現更好的投資回報(ROI)。老化的軟硬件和不良的運行環境,都會導致服務器性能和效益的降低。通過虛擬化技術,可以在數據中心內部更有效地利用計算機資源,靈活更新軟件、數據和硬件操作平臺。在虛擬化技術的幫助下,一臺服務器可以被分割成數臺“虛擬”的機器,每臺都能獨立運行自己的操作系統,從而避免了“一臺服務器、一種應用”的孤島模式。統計結果表明,在孤島模式下,計算機資源的使用率只有不到25%。有了虛擬化技術,企業可以構建一個完全不同的基礎環境,更有效地管理服務器。在同一服務器上運行不同操作系統和軟件的功能,可以讓企業協調服務器的工作負擔:如果一個虛擬系統有問題,另一臺能立即替補,繼續完成同一任務。虛擬化在企業的應用勢在必行!

                                            虛擬化技術(Virtualization Technology,簡稱VT技術)最早起源于20世紀70年代IBM研究中心在實驗室中實現的主機鏡像,在隨后的20多年時間里,該技術主要部署在巨型、大型和中型計算機中,隨著互聯網絡技術、計算機技術特別是基于x86CPU(硬件輔助虛擬化)的微型計算機的普及和應用需求的不斷發展,虛擬化技術正在從日趨成熟的主流的服務器虛擬化、存儲虛擬化技術蔓延到網絡的各個角落,作為一種高速發展的創新技術,虛擬化試圖從根本上改變電腦的傳統計算方式,在同一臺物理機上運行多個虛擬機,以便在多個系統環境之間共享這一臺計算機的物理資源,從而擴大硬件的“容量”,簡化軟件的重新配置過程。虛擬化正在“顛覆”傳統的計算機領域,對于企業而言應用虛擬化技術必然會給企業帶來前所未有的廣闊前景!

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                                            所謂虛擬化技術,是指將一臺物理的計算機系統環境分割為多個獨立分區,每個分區均可以按照需求模擬出一臺完整計算機的技術。模擬出來的計算機稱為虛擬機(VirtualMachine,簡稱VM)。虛擬化技術的實質是通過中間層次實現計算機資源的管理和再分配,實現資源利用的較大化,虛擬化分區帶來的很大好處是使同一物理平臺能夠同時運行多個同類或不同類型的操作系統,以分別作為不同業務和應用的支撐平臺。

                                            本文通過對虛擬化技術的全面分析從而進一步闡述虛擬化在企業生產設計的應用。

                                            今天,企業生產環境的問題包括單應用程序服務器的激增,導致某些設備被過度使用,與此同時,另一些設備卻沒有得到有效利用,應用程序服務器不能實現完整的復制,由此產生的失調和一連串低效率,自然導致成本增加,反饋速度降低,以及更繁雜的硬件維修。網絡管理已經成為一項開銷浩大而又繁重的工作,虛擬化技術可以輕松恢復原有的平衡。根據實例證實,虛擬化應用能夠讓基本IT運營費用降低5%到15%,收益增長50%到70%。以往沒有虛擬化技術,企業難以完整保存原有的應用系統,因為相關的硬件和操作系統的支持和維護費用太高。有了虛擬化,企業也就有了更多的選擇權,可以根據實際需要,決定是否有必要把現有的應用程序,遷移到較新的硬件和操作系統上。虛擬化的另一個優勢是簡化和加速軟件和系統的配置,用戶可以在虛擬機上運行各種版本的軟件及系統。

                                            l 硬件輔助虛擬化技術的發展為企業建立虛擬化提供了良好的基礎

                                            硬件輔助虛擬化技術最早起源于2005年8月Intel公布的VandERPool技術,同年11月更名為VT技術,2006年2月進入測試階段,同年3月發布了一套新的VT技術規范。該技術規范應用于PC和服務器系統,包括處理器VT技術和IO虛擬分配技術(Intel VT-d)。Intel和AMD公司在最近幾年發布的CPU產品中都集成了VT技術,為進一步推動和發展虛擬化環境提供了硬件支持。

                                            1.1所謂硬件輔助虛擬化,就是從硬件層面增加純軟件虛擬化解決方案的可靠性、安全性和靈活性的一種方式,它比純軟件虛擬化方式更高效、更可靠。通過在硅芯片層面采用硬件輔助虛擬化技術,可大大降低純軟件虛擬化方式在系統方面的開銷,增強兼容性,有助于提高企業用戶的虛擬化方案的性能。硬件輔助虛擬化包括三個層次:

                                            1.1.1較底層是支持VT技術的硬件層(包括處理器VT技術和IO虛擬分配技術Intel VT-d),而純軟件虛擬化的計算機層次結構中硬件層是不支持VT技術的:

                                            1.1.2較底層外面去掉HOST OS層改用V刪層來代替,刪是Virtual Machine Monitor的縮寫,稱為虛擬機監視器,它的功能是直接管理和控制諸如處理器、存儲系統、芯片組、IO設備等計算機硬件資源的同時為應用提供虛擬環境;

                                            1.1.3VMM層外面是VM(Virtual Machine)層,該層同純軟件虛擬化的VM類似為企業的應用需求提供虛擬化環境,企業在VM上可以完成一臺物理計算機的全部功能。

                                            1.2虛擬化技術起源于軟件,但更需要底層硬件的強力支持。由于虛擬化硬件可提供全新的架構,在硬件層和刪之間省掉了宿主操作系統(HosT OS),直接支持操作系統在刪上面運行,從而無須進行二進制轉換,減少了相關的硬件開銷,極大地簡化了刪設計,進而使VMM能夠按通用標準進行編碼,計算機性能得到了更大的提高。

                                            1.3 Intel、AMD分別推出了硬件虛擬化方案。Intel推出了CPU(Vt-x或Vt-i)、芯片組(Vt-d)、網絡設備(Vt-c)三套相輔相成的硬件輔助虛擬化技術;AMD推出的AMD-V硬件輔助虛擬化技術。其目的都是為了提升服務器性能、降低系統購置成本、降低能源消耗、增加虛擬機數量有效方法。

                                            1.4硬件輔助虛擬化技術支持硬件級的動態遷移技術,即可在不關機的狀態下實現不同物理主機的虛擬機之間遷移,以保證業務的不中斷。

                                            1.5硬件輔助虛擬化為實現軟件虛擬化打下了堅實的基礎,可充分發揮軟件虛擬化的運行效率,提高I/0性能。其優勢是:

                                            1.5.1簡化了軟件虛擬化的設計;

                                            1.5.2減少了軟件虛擬機相關的性能開銷;

                                            1.5.3支持更廣泛的操作系統。

                                            2 軟件虛擬化技術為企業生產環境構建虛擬化平臺提供了實現方法

                                            2.1軟件虛擬化按照領域的劃分可分為服務器虛擬化、內存虛擬化、網絡虛擬化、系統虛擬化、文件虛擬化、桌面虛擬化、存儲虛擬化、數據中心虛擬化等。

                                            2.2軟件虛擬化技術目前主要應用于服務器的虛擬化。服務器虛擬化技術已經成為未來計算機技術的一個重要的發展方向。依據虛擬化軟件對服務器的硬件支持狀況分為全虛擬化和半虛擬化。前者是在當前物理機上直接安裝虛擬化軟件,代替操作系統管理硬件。其優勢是I/O性能好,缺點是容易出現硬件兼容問題。后者是在“宿主”操作系統環境上安裝的虛擬化軟件。其優缺點與前者相反。目前主流的全虛擬化軟件有Microsoft Hyper-v Server 2008、VMWARE ESX SERVER 3.5、XenServer 5.0,半虛擬化軟件軟件有Windows server 2008Hyper-v2.0、VMWARE SERVERV 1-08、Virtual-box 2.1.4。

                                            2.3軟件虛擬化是云計算的堅實基礎。應用程序虛擬化是云計算的一種發展方向.即在服務器中心添加各種應用程序而在客戶端利用客戶端軟件連接服務器使用服務器上的程序,其操作方式類似于無盤工作站。應用程序虛擬化的常見方式是桌面虛擬化。桌面虛擬化不依賴操作系統,通過計算機硬件直接與服務器連接,使用服務器的桌面從而運行相應的應用程序。

                                            2.4軟件虛擬化目的是為解決企業的管理難題,并降低運營成本,實現按需接入,快捷、方便、靈活的虛擬化,其優勢是:

                                            2.4.1有效的降低運營成本:

                                            可以在一臺物理服務器實現多臺服務器的整合:可以在單臺服務器上實現群集;可以對一些比較“古老”的系統及程序提供支持等。

                                            2.4.2提高服務器的安全性、管理更便捷:

                                            除了提高服務器的利用率外,虛擬化技術還有一個更重要的應用就是數據災難恢復,即當服務器出現故障時,可以在應用不中斷的情況下,自動把執行的應用從一臺物理服務器轉移到另一臺物理服務器上。服務器虛擬化不但為服務器管理提供了強人的靈活性還為服務器提高了安全性。服務器內虛擬主機之間互相隔離。

                                            3 虛擬化技術在企業生產設計中的應用

                                            3.1采用支持硬件虛擬化技術的服務器作為構建虛擬化的基礎。Intel VT硬件輔助虛擬化技術是目前最為完善的虛擬化技術,實現了處理器(VT-X或V-I)、芯片組(VT-D)、網絡設備(VT-O的硬件虛擬化。

                                            3.1.1處理器的虛擬化主要是為了提高虛擬化軟件的效率、實現虛擬機的無縫遷移。VT-X版主要對32位處理器平臺,如至強;vT-I版主要對64位處理器平臺,如安騰。處理器虛擬化其中提供了FlexMigration虛擬化技術,該技術可實現服務器之間的無縫遷移。

                                            3.1.2芯片組虛擬化主要是為了提高虛擬化環境北橋芯片的I/O性能。通過在北橋芯片中內置提供DMA(直接內存訪問)虛擬化和IRQ虛擬化硬件,實現新型的I/O虛擬化方式。

                                            3.1.3網絡虛擬化主要是為了提高虛擬系統的性能與網絡處理能力。服務器網卡是服務器中最重要的配件之一,Intel推出的VT-c虛擬化技術是一種主要針對服務器網卡的網絡連接及接口的技術。

                                            3.2部署windows server 2008 r2系統構建Hyper-v2.0硬件虛擬化平臺。硬件輔助虛擬化技術的迅速發展,促使企業部署軟件虛擬化提供了可靠的保證,同時考慮目前的生產設計環境都是基于WINDOWS平臺,為了保障現有生產環境的無縫移植,所以采用半虛擬化技術是企業構建虛擬化平臺的優先選擇方案。

                                            3.2.1在服務器上部署WINDOWS Server 2008 r2系統主要是充分考慮硬件的兼容性,同時也是為了保證企業生產設計環境的順利升級。目前船研所民品設計網內的服務器都是采用的是Windows Server平臺,部署Windows Server 2008 R2系統可以實現較大化的軟、硬件的兼容性。

                                            3.2.2在Windows Server 2008 R2系統上部署Hyper-v2.0構建硬件虛擬化平臺。利用Operations Manager和Virtual Machine Manager提供的統一中央控制臺,允許從單點創建、管理多個虛擬機,檢查一個虛擬機的狀態,將虛擬機從一臺物理服務器轉移到另一臺物理服務器,從而達到可有效地監控物理及虛擬服務器及其上運行的軟件的狀態,以方便網絡管理員制定相應的維護策略,確保生產環境的可靠運行。在生產環境的服務器上部署相應的業務系統,始終保持其穩定無中斷運行,這需要強大軟件管理配置工具的支持。Configuration Manager可有效管理虛擬服務器上的軟件配置。根據現有生產環境的實際情況,TRIBON服務器、SQL數據庫、文件存儲服務器、域控制器是當前環境最為重要的關鍵服務器,維護這些關鍵服務器的正常運行是確保生產設計順利進行的前提條件。通過在物理服務器上部署硬件虛擬化平臺,同時利用以上虛擬化管理工具,可有效的利用硬件資源,協調業務系統在不同物理服務器上的使用。

                                            3.3部署虛擬存儲系統,作為虛擬化服務器的存儲中心。

                                            要確保虛擬化環境的業務系統的穩定無中斷運行還必須提供可靠共享存儲系統。通常共享存儲系統可通過SAN存儲系統、ISCSI存儲系統實現,其前者是利用FC(光纖)而后者是利用TCP/IP協議實現的虛擬存儲系統。虛擬存儲系統為實現存儲系統的集中管理提供了可能。

                                            3.4利用動態遷移(Live Migration)、群集技術實現虛擬化容災系統。

                                            動態遷移技術是促使虛擬化在企業得以廣泛應用的最主要的原因之一。使用動態遷移技術可以構建虛擬化服務器的容災系統,使得虛擬化服務器遷移所帶來的宕機時間基本上為零,從而實現業務層的不中斷應用。群集技術是建立在系統應用層之上的高可用技術,利用群集技術可以實現企業數據庫系統的高可用性、冗余性。

                                            3.5在企業實際生產環境應用虛擬化技術具有以下特點。

                                            3.5.1減少服務器的數量,提供一種服務器整合的方法,減少初期硬件采購成本;

                                            3.5.2簡化服務器的部署、管理和維護工作,降低管理費用;

                                            3.5.3提高服務器資源的利用率,提高服務器計算能力;

                                            3.5.4通過降低空間、散熱以及電力消耗等途徑壓縮數據中心成本;

                                            3.5.5通過動態遷移、故障自動隔離、動態資源配置,提高業務的靈活適應能力、高可用性;

                                            3.5.6支持異構操作系統的整合,支持舊應用的持續運行:

                                            3.5.7快速構建開發和測試環境;

                                            雖然虛擬化技術有著種種的優點,但并不表示它就是十全十美了。服務器虛擬化同樣有一些先天的技術限制,如不適合運算量較大、持續運行或是I/0的程序。從技術上講負載均衡是解決服務器虛擬化這一問題的有效方法。另外服務器虛擬化還面臨著另外一個問題,當虛擬機數量增加后,若一個虛擬機必須要求物理服務器重啟,就會導致其他虛擬機的不可用。當然以上問題通過合理規劃服務器,建立可靠的容災系統,可以有效的規避這些不足。服務器虛擬化作為虛擬化技術的基礎應用,未來必然會擴展到其他領域,最終實現虛擬化在各個領域的全面應用。


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