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虚拟机技术应用于服务器管理的研究


作者:[佚名] - 发布:2010-4-30 16:35:41 - 来源:风向标 - Vane的记忆盒
 一、前言

随着随着信息化的蓬勃发展,I/T环境也在不断演变,经过多年的积累,机房越来越庞大,逐渐形成了大量的服务器系统,运行着各种业务应用,硬件设备不断升级,需求量不断增长,随着服务器数量增加,成几何上升的IT运营成本和管理成本越来越严重地成为电子政务发展中迫切需要解决的新问题。

在写这篇文章的同时,笔者所在的单位正面临着新大楼搬迁,金土工程一期项目,行政权力网上透明运行等工作,由于应用系统的多元化,很多应用系统并不是由一家软件开发,所选用的开发环境,数据库均不相同,为解决这些问题,就促使信息中心不断的增加新服务器,以满足持续增长的服务与应用的需求。随着应用系统的增多,如果每一个应用系统都要使用一台独立的服务器来发布,那么过多的服务器需要高额的资金投入。这一结果引起了服务器的利用率和可管理性等诸多方面的问题,具体表现在:

1、 服务器的利用率低:经过实际观测发现,大部分应用系统只占用了很少的空间,CPU使用率大多在2%~5%左右。

2、 服务器磁盘性能比较低:大多数旧服务器都使用RAID1磁盘阵列,效率低、空间浪费大、速度慢。在向RAID1的磁盘阵列中写入数据时,有效速度是原来单块硬盘的一增,读数据速度与原来单块硬盘相同。虽然服务器都配置了320MB/s的SCSI接口和RAID卡,但由于单块硬盘的读写速度大约在52MB/s,所在在实际使用中,写入速度只有26MB/s,读取速度大约在52MB/s。现在的服务器,其SCSI卡与RAID卡都支持双通道320MB/s的速度,如果配置RAID1,则远远达不到接口的速度。如果采用RAID5并配置多块硬盘,则可以达到640MB/s的理论速度。

3、 能耗大:几乎所有的服务器都是24小时对外提供服务,以10台服务器机耗电为例。假设每台服务器每小时耗电650W,以江苏省泰州市(大工业)每电每度0.6元计算,每台服务器每年所需电费大约=650W/小时×24小时/天×365天/年×0.6元/(kWh)÷1000=3416.4元,则10台服务器需要34164元。这里还不包括专用空调,UPS,照明等其他费用的情况。

4、 管理问题:随着业务不断的发展,服务器的数量也在增加,使管理员的管理工作量和管理难度加大。

5、 高可用性问题:各业务系统分散到不同的服务器上,如果服务器出现软硬件故障,那么将导致单点故障的发生。

6、 安全问题:如果在一台机器上安装多个应用系统,则安全性不高,管理上难度较大,一旦某个应用系统发生故障,则可能导致整台机子上的应用服务都不能访问。

从以上可以看出,每台服务器的浪费是相当惊人的,服务器的使用率、效率、速度都很低,同时在管理维护上还存在着许多弊端。如果使用虚拟化技术,将多台服务器迁移到1~2台虚拟机中,并且对服务器的硬盘进行合理的合并使用,将会在提高现有应用系统运行速度的情况下节省能源消耗,减少服务器的数量。

二、虚拟机概述

1、什么是虚拟机

虚拟机(Virtual Machine/VM)是一种可以在一台物理计算机上模拟出来若干台计算机(或称逻辑计算机),每台计算机可以运行单独操作系而互不干扰,实现一台物理计算机“同时”运行几个操作系统,还可以将这几个操作系统连成一个网络的软件。(注意,本文谈论的虚拟机有别于Java虚拟机,Java虚拟机表示不依赖操作系统平台运行的Java应用。)

安装虚拟机的物理计算机成为宿主计算机(Host PC),真实的操作系统称为宿主操作系统(Host OS),其中安装的虚拟机应用程序可以模拟出一个或多个虚拟机,在虚拟机运行的操作系统称为客机操作系统(Client OS)。虚拟机软件可以在宿主计算机上模拟出来若干台虚拟机,虚拟机可以同时运行,可以象标准Windows应用程序那样相互切换。每个客户操作系统之间,以及和主机操作系统之间可以通过虚拟网卡连接成为一个局域网。该特性与传统的PC服务器有很大区别?通过这一功能可以将不同的应用运行在同一服务器平台的不同操作系统下,并且相互安全隔离,不受病毒或者某个应用引起的系统崩溃的影响。这样即可以实现将众多中小应用进行整合,实现统一管理。又可以充分均衡硬件资源,实现资源的最佳优化。

目前,基于Intel平台的虚拟机应用程序的典型产品有VMware(网址:http://www.vmware.com/)的Workstation、GSX Server、ESX Server和Microsoft的Virtual PC、Virtual Server以及Parallels Workstation等。他们均可使用虚拟的Intel x86平台,同时运行多个操作系统和应用程序。虚拟机为客机操作系统提供了一整套虚拟的Intel x86兼容硬件,其虚拟了物理计算机所拥有的全部设备,包括主板芯片、CPU、内存、SCSI和IDE磁盘设备、各种接口和显示设备等。并且,每个虚拟机都可以被独立的封装到一个文件中,可以实现虚拟机的灵活迁移。

虚拟技术从两个方向帮助计算机合理地分配资源,一种是使用虚拟机技术把一个物理的计算机虚拟成若干个独立的逻辑计算机,另一种是使用网格技术把若干个分散的物理计算机虚拟为一个大的逻辑计算机。虚拟机主要采用分区技术,分区能够将物理系统资源划分成多个不同、单独的部分,各部分彼此独立操作,每个分区只能占用一定的系统资源。

2、VMware介绍

VMware公司作为虚拟化技术的龙头企业,在技术上已经形成了完整的体系。VMware的虚拟化技术可以使企业将从前需要在几台服务器上运行的应用系统整合在一台服务器上工作,其硬件实际使用率从15%提高到60%,并在几乎不中断服务的情况下,自动完成服务器间数据和功能的镜像迁移,甚至在非常短的时间内完成数十台虚拟服务器的数据备份工作。针对不同的用户群、不同需求开发不同的软件产品,服务器应用主要有GSX Server和ESX Server。根据GSX Server和ESX Server在结构、性能和方便性上的不同,决定其在服务器管理中的应用。    
VMware GSX Server和VMware ESX Server技术在服务器中的应用被世界大型企业证明是高效的,它能够提高现有服务器的利用率,为企业节省购置新服务器所带来的不必要开支,同时提供了一套优秀的管理软件来管理虚拟机。虚拟化技术应用于政府服务器管理是一次巨大的探索,能达到节约硬件资源,降低成本的作用,为数字化、信息化的发展提供硬件保障。

虚拟机的出现,并不仅仅是在一台计算机上同时运行多个系统这么简单(虽然这也是其主要功能),它还可以解决下面的问题:

很多旧服务器上还有很多数据,服务器已濒临损坏,如果用新的服务器更换,一是浪费了高配置高性能,二是原来的系统可能现在的计算机已不支持。

  • 减少能源消耗,提高服务器的利用率。
  • 整合服务器和提高运营效率。
  • 最大限度地减少停机,确保业务连续性。
  • 优化软件和开发测试。
  • 管理和保护企业台式机。

根据VMware提供的资料,财富500强中95%的企业使用VMware的产品。VMware的飞速发展与虚拟化的应用,使进入这个行业的公司越来越多,在2008年2月,Windows推出了其最新的服务器操作系统——Windows Server 2008。它集成了支持硬件虚拟化的产品——Hyper-V的测试版,并且在2008年6月底推出了Hyper-V的正式版。受此压力,VMware在2008年8月宣布其企业级的产品VMware ESX 3i免费,这一切都得力于从多厂商对虚拟化的推崇,并看好虚拟化应用的美好前景。

三、虚拟机技术的应用

1、使用VMware Converter迁移Windwos服务器

 VMware Converter是VMware推出的一款可以将物理机转化为虚拟机的软件,它可快速将基于Microsoft Windows的物理机和第三方映像格式转换为VMware虚拟机。

VMware Converter标准版是一个免费产品,任何人可以从VMware主页上下载,目前最新版本是3.03,通过这一功能强大的企业级迁移工具,用户可以:

  • 快速而可靠地将本地和远程物理机转换为虚拟机,而不会造成任何中断或停机。
  • 通过集中式管理控制台和直观的转换向导同时完成多个转换。
  • 将其它虚拟机或物理机的备份映像转换为WMware虚拟机。
  • 将虚拟机VMware Consolidated Backup(VCB)映像恢复到运行的虚拟机。
  • 将物理机克隆并备份为虚拟机,作为空难恢复计划的一部分。

2、VMware DRS分布式资源调度解决方案

VMware® Distributed Resource Scheduler (DRS) 可以将一组硬件资源重新组织为逻辑的计算能力资源池(resource pool),进而实现动态均衡分配这些计算资源。VMware DRS 可根据业务需求和业务重要性预先定义相应的资源分配原则,并持续监控资源池的使用率,智能地为相关虚拟机分配资源。当一个虚拟机遇到负载的增加时,DRS通过为资源池中的物理服务器重新分配虚拟机的方式,为其分配更多的资源。

VMware DRS 可以帮助IT 部门实现:

  • 根据业务目标,优化资源以保证最有价值的应用使用更多的资源。
  • 应对业务的改变,自动并持续地优化硬件使用率。
  • 为业务部门提供专门的架构,而同时可保证硬件级的集中管理和控制。
  • 提高系统管理员的生产力,单一系统管理员可监控和有效管理所有的资源。
  • 自动硬件维护。当一个物理服务器需要维护时,DRS自动将所有虚拟机迁移到其他物理机上,可实现服务器维护“零”宕机。
  • 增加和部署新的资源简单易行。当增加新的物理服务器到资源池时,DRS可自动利用新增的计算能力,重新分布虚拟机。

DRS 自动和智能地在虚拟机之间平衡资源

DRS 允许用户自行定义一些政策和规则,以决定虚拟机如何共享现有资源以及这些资源如何在多个虚拟机之间优化使用。当一个应用所处的虚拟机遇到负载的增加时,DRS首先根据事先制订的资源分配规则,判断该应用的优先级,当确定符合要求后,则分配增加的资源给该虚拟机。为虚拟机增加资源可以通过迁移虚拟机到其他具有更多资源的服务器上,或者通过将其他虚拟机迁移至别的服务器上“省”出更多的资源等两种方法来实现。DRS通过VMware VMotion的功能,动态迁移虚拟机到另一台物理服务器,该操作对于最终用户完全是透明的。

Mware DRS 可以被配置为自动操作或手动操作。在自动操作方式下,DRS在确定了最可能的虚拟机分布方案后,自动将虚拟机分配到最适合的物理机上;在手动操作方式下,DRS可提供虚拟机最优部署方案的建议,由系统管理员决定是否进行相应的改变。资源池是一种便于管理的分级的组织结构,允许管理员根据业务组织结构的需要匹配可用的IT资源。每一个独立的业务部门可以使用专用的IT资源而依然可以享用资源池的好处。

3、VMware HA自动将失效服务器上的虚拟机转移到其它服务器上

VMware高可用性(HA)解决方案有效的解决了目前其它高可用性解决方案面临的问题。当运行VMware ESX的物理服务器宕机时,所有运行于该服务器的虚拟机可以自动切换到其它的VMware服务器上,相对传统的双机容错方案,VMware HA可以最大程度减少因硬件故障造成的服务器宕机和服务中断时间。不同于其它HA的热备机方式,所有的VMware HA服务器都在运行生产系统,充分利用现有硬件资源。同时,对繁多的操作系统和应用程序,VMware提供统一的HA解决方案,避免了针对不同操作系统或者应用,采用不同的HA方案带来的额外开销和复杂性。

通过VMware HA,IT部门可以:

  • 为没有容错功能的应用提供冗余保护,传统意义上HA实现很复杂并且价格昂贵,多用于关键性的服务或应用,而VMware HA为所有的应用程序提供了高性价比的HA解决方案。
  • 为整个IT环境提供“第一条防线”,不同于其它基于操作系统和应用的HA实现方式,VMware HA为IT系统提供了更统一、更易于管理的高可用性解决方案。VMware用最少的成本和最简单的管理方式为所用的应用提供了最基本的冗余保护功能。
  • 自动侦测物理服务器失效,VMware HA会自动的监测物理服务器的运行状态,如果发现服务器出现故障,VMware HA会在其它的服务器上重新启动故障机上虚拟系统,这个过程无需任何人为干预。
  • 资源预留,VMware HA永远会保证资源池里有足够的资源提供给虚拟机,当物理服务器宕机后,这部分资源可以保证虚拟机能够顺利的重新启动。
  • 虚拟机自动重新启动,通过其它的物理服务器上重新启动虚拟机,VMware HA可以保护任何应用程序不会因为硬件时效而中断服务。
  • 智能选择物理服务器,当与VMware DRS共同使用时,VMware HA可以根据资源的使用情况,为失效物理服务器上的虚拟机选择能获得最佳运行效果的物理服务器。
  • VMware HA对资源池中的虚拟机进行持续的监控,在虚拟机中安装的代理程序可以在各个虚拟机之间维持“心跳”,当VMware发现虚拟机失去“心跳”的时候,就会尝试在其它的VMware服务器上重新启动失效的虚拟机。VMware HA会保证任何时候当物理服务器发生宕机,资源池中都有足够的硬件资源,使失效的服务器中的虚拟机在其它的服务器上顺利启动。VMware采用的VMFS文件系统,通过支持SAN/iSCSI/NFS等存储协议,可以允许不同的VMware服务器访问同一虚拟机磁盘文件,这一特性使得VMware HA的实现非常的简单和方便。 
  • VMware HA会自动将失效服务器上的虚拟机转移到其它服务器上

四、利用虚拟机管理服务器的优势

1、最大程度地降低基础架构总体拥有成本 (TCO)

  • VM主机具有发布方式多样性,一台主机可以设置不同平台的多台虚拟机,因此提升了硬件利用率并减少了硬件需求。
  • 减少数量庞大的物理机,所需数据中心占用面积、机架空间,以及电源、制冷、电缆、存储和网络组件也相应减少。
  • 通过简化和自动化劳动及资源密集型 IT 操作,降低人工成本。
  • 硬件利用率增长 50-70%
  • 硬件和软件资金成本减少 40%
  • 运营成本减少 50-70%
  • 服务器与服务器管理员的比率从 10:1 下降到 30:1

2、提高响应度、可维护性、可用性和灵活性

  • 提高独立于硬件和操作系统的应用程序可用性和业务连续性。
  • 实时迁移运行中的整个系统,使 IT 环境连续正常运行并不间断地进行维护。
  • 使用虚拟工具消除繁琐的软件安装和配置过程。
  • 缩短应用程序开发和部署生命周期。
  • 通过对应用程序环境进行即时资源部署和动态优化,来提高对业务需求的响应能力。
  • 允许旧系统与新环境共存。

五、结束语

或许仍然有很多人并未注意,但虚拟化技术的确已成为IT时代的发展趋势。时至今日,虚拟化的应用已经广泛深入到各个领域,在大幅度节约成本,提高计算性能的同时,能够给业务部门提供更强的灵活性和更快的速度、提高闲置CPU的利用率、加快业务连续性和灾难恢复操作,以及提高应用和系统的可用性等。

虚拟化的优势已经毋庸置疑。

责任编辑:liqwei
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