基于VMWARE的數據中心虛擬化建設研究

馬春翼

摘要：隨著計算機技術的不斷發展，我國的信息化建設如火如荼，針對各方面的應用層出不窮，服務器的數量也呈現幾何級數增長，與此同時，Vmware數據中心也面臨著安全、能效、兼容性等一系列的挑戰，虛擬化技術的發展為解決這一難題提供了一條重要途徑，隨著虛擬化技術的應用，這些問題都被很好地得到了解決。文章結合了數據中心在發展中的逐漸顯現出來的問題，通過對虛擬化技術的具體研究分析，論述了VMware數據中心虛擬化建設的必要性和先進性。

關鍵詞：虛擬化技術；數據中心；VMWARE；虛擬內存；物理內存

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）16-0001-02

如今，虛擬化和云計算技術正在改變著世界計算技術的格局，數字化、信息化的建設已成為現代社會進步的主要標志，數據中心技術已達到了“云計算”的層面，而虛擬化服務能為此提供了強有力的支持。虛擬化是一種經過驗證的軟件技術，它正迅速地改變著IT的面貌，并從根本上改變了人們的計算方式，與未實現虛擬化的數據中心環境相比，虛擬化技術既能夠保障應用和操作系統的高可靠性，也符合綠色數據中心建設的初衷。除此之外，虛擬化技術帶來的不僅僅是服務器整合方面的優勢，更多的是將數據中心內陳舊的硬件平臺上運作的操作系統無縫平移，將操作系統和基礎硬件相分離便于更好的操作

1 對于數據中心的相關分析

數據中心（Date Center）是全球協作的特定設備網絡，是一套由計算機及其相關設備組成，用來在 internet網絡基礎設施上傳遞、加速、展示、計算、儲存數據信息的完善系統工程。典型的vmwarevsphere數據中心是由基本物理構建塊組成，其數據中心的物理拓撲包括的組件包括計算服務器、存儲網絡和陣列、IP網絡、vCenter Server、管理客戶端。

數據中心是人類社會進入21世紀以后才出現的一項新生工程，在信息化早期，數據中心的作用主要是數據的存儲和管理，隨著其他應用系統的不斷開展與應用，數據中心開始承擔起了核心運算、數據處理的功能。其短短的十幾年發展歷程可以分成三個階段，第一個階段是數據中心的外包業務服務時期，進入第二個時期階段后，除了在基礎資源上的出租服務和維護服務，也產生了一些增值業務，數據中心的業務范圍變成了“基礎資源出租業務+增值業務”，在第三個階段里，數據中心的概念被進一步拓展，功能也更加的多樣化，而且在這一階段里，虛擬化成為數據中心的主要特征之一。

首先就是服務器硬件資源的利用率，數據中心資源利用率低是目前普遍存在的一個問題，傳統的數據中心的服務器采用專用方式配備，多家第三方機構的調研表明企業數據中心的服務器平均利用率在5%-10%之間，并且硬件的成本高，維護的成本也高。其次就是應用系統的安全冗余度，當計算機的硬件系統進行問題調試或者系統升級時，一般都需要進行停機服務，應用系統因此中斷，影響業務的正常運行。第三就是服務器的傳統部署模式，在傳統的方式下，每臺物理服務器只運行一個業務系統并且架構復雜，很難實現服務器資源在不同軟件應用間的共享。最后就是機房的物理條件，電源容量、制冷、線路布置等諸多環境設施要求的不斷提高是數據中心面臨的又一個巨大挑戰。

而Vmware數據中心的出現是一新的進展，其高度的虛擬化特征使得上述問題都得到了很好的解決。這種虛擬化管理使得數據中心運維更加簡單，業務的發展數據中心更加靈活、高效，既提高了服務器資源的利用率，又降低了能源消耗。

2 關于虛擬化技術的具體研究

經過大約一個世紀的發展，虛擬化技術已經非常穩定，出現了很多的技術和企業，但它們都遵循相同的虛擬技術原理，即將現有的服務器物理主機的各種硬件資源進行有效再分配，分為多個不同的虛擬主機，每一臺主機都必須具有一臺物理主機所擁有的所有硬件資源。目前市場上主要存在的虛擬機技術有Open VZ、Xen、KVM、和Vmware。Open VZ是操作系統上的虛擬化技術，是底層操作系統上的層應用，這意味著易于理解和低權重開銷，也意味著更優的性能，正因為Open VZ配置起來比較靈活，所以給了許多黑心服務商改低限制的機會。而且它的成本較高，對于服務商和客戶都為不利。Xen是半虛擬技術，它并不是一個真正的虛擬機，而是相當于自己運行了個內核的實例，可以自由的加載內核模塊、虛擬的內存和IO，穩定而且可預測。KVM是完全虛擬技術，它可以安裝任意類型的操作系統，并且需要CPU虛擬化指令支持，因此，出售KVM的VPS商家不多，并且技術支持和售后服務也比不上Xen的vps主機那么成熟。Vmware通常被認為是當今市場上最成熟的虛擬化產品，它在VPS環境中的表現最接近獨立的服務器，支持著多種操作功能，對虛擬機的集群化管理也有著相當豐富的功能。

VMWARE虛擬化技術應用的優點：

[虛擬化之前 虛擬化之后 每臺主機一個系統 打破了操作系統和硬件的相互依賴 軟件硬件緊密的結合 通過封裝到虛擬機的技術，管理操作系統和應用程序為單一的個體 在同一臺主機上運行多個應用程序通常會遭遇沖突 強大的安全和故障隔離（在同一服務器上的虛擬機相互隔離） 系統的資源利用率低 虛擬機是獨立與硬件的，它們能夠在任何硬件上運行 硬件的成本高并且不夠靈活 ]

除此之外，從美國公用事業局的數據中心耗電節約調查報告來看，每虛擬化一個負載，每年可以節約600美金（或約7000度）的電能。

3 Vmware數據中心的虛擬性能建設

3.1 數據中心虛擬化的提出

隨著應用的整合需求越來越強烈，對數據中心的資源進行虛擬化是當前的主要趨勢，也是當前IT業內最令人關注的技術領域。數據中心虛擬化的網絡技術趨勢，延續了傳統數據中心性能、安全、永續的基本需求，而且進一步簡化了網絡架構，更有力支持應用層面虛擬化，降低運維復雜度，提高了靈活性。

數據中心虛擬化是指采用虛擬化技術構建基礎設施池，主要包括計算、存儲以及網絡三種資源。它的主要目的在于打破傳統的應用系統綁定一套專有的服務器、儲存器設備和網絡的架構，通過動態的為應用系統提供其所需要的計算能力、數據存儲能力和數據網絡傳輸寬帶來滿足服務客戶的信息要求。[1]在傳統的數據中心之中，數據的搜集、整理、處置和展示等工作都是由服務器來進行的，而虛擬化的作用就是讓這一過程脫離空間位置的束縛，從具體的服務器當中轉移到虛擬的系統環境中，也就是說，數據中心的虛擬化，就是將底層的計算、存儲、網絡資源抽調出來，方便上層系統進行調用。

數據中心的虛擬化具有八大好處：

（1）加快重新部署，虛擬化可以通過虛擬機快照重新部署服務器來減少部署的時間。

（2）更好的備份，除了應用之前的虛擬服務器備份之外，還可以創建所有虛擬機的備份。

（3）更好的測試，當測試出錯時，虛擬環境提供的測試平臺可以簡單快速地將快照恢復為較舊的版本。

（4）改進災難恢復，當前的服務器和虛擬機的快照可以簡化災難恢復過程。

（5）消除供應商鎖定，隨著信息技術的不斷發展，會有越來越多的新技術出現，而虛擬環境可以充分利用使用新硬件或者軟件平臺的靈活性。

（6）單個用途的服務器，通過虛擬化技術，各個服務器都將運行在它們自己的虛擬服務器上面。

（7）更容易遷移到云端，虛擬機可以創建基于云計算的各種基礎措施，最終全部轉移到云基礎設施中。

（8）環境和經濟效益，通過虛擬化，企業可以減少服務器的使用數量，這樣大大降低了冷卻和電力使用相關的成本。

除了數據中心虛擬化本身的優越性之外，最主要的是，它能夠迎合數據中心中的不足。首先就是傳統的數據中心基礎架構已經無法滿足業務要求。業務故障非常容易出錯，而且業務故障恢復需要數周或者數月，應用無法與其他基礎架構的變更保持同步，其次數據中心運維效率低下，數據中心龐大導致硬件上線、升級、業務遷移等工作會導致長時間業務中斷。

3.2 虛擬內存管理

在虛擬化的環境中，計算機的物理內存要被多個虛擬機同時使用，但是物理地址只有一份，物理地址0顯然也只有一個，所以無法滿足多個客戶機操作系統全部從0開始的要求，如果我們使用內存分區方式，將物理內存分成多個區域供客機操作系統使用，如此一來，客機操作系統的連續性就得到了解決，但是內存的使用效率非常遲緩。在這個時候，虛擬機監視器（VMM）的作用就體現了出來。

在虛擬的環境中，VMM負責管理和分配虛擬機的物理內存，客機操作系統運行的是一個虛擬的虛擬機物理地址空間，其指令目標地址也是一個虛擬機物理地址空間。如果地址在沒有虛擬化的情況下，它就是實際物理地址，可以直接被發送到系統總線上去，虛擬化過后，需要VMM負責將虛擬機物理地址首先轉換成一個實際物理地址之后，再由物理處理器執行。同時，為了充分的利用閑置的物理內存，尤其是系統長期運行后殘留的碎片，VMM一般情況下都會以比較小的粒度進行分配，其具體位置完全由VMM的內存分配算法決定。

由上我們可以得到虛擬機內存管理的主要兩大特點[3]，一是給定一個虛擬機，維護虛擬機物理地址與宿主機物理地址之間的映射關系，二是截獲虛擬機對虛擬機物理地址的訪問，并根據所記錄的映射關系，將其轉換成宿主機物理地址。

3.3 數據中心虛擬化管理

虛擬化讓數據中心硬件得以整合，使數據中心設備密度加大，在虛擬化環境下，對數據中心服務器、網絡等硬件設備的配置要求越來越高，如何對硬件配置進行管理，是許多數據中心管理員所面對的難題。

虛擬機遷移，支持虛擬機在服務器之間的遷移，虛擬機管理程序先處理保留在目標服務器上的虛擬機，然后移動虛擬機到新的目的地，并最終拆除原來的虛擬機，Vmotion可以對虛擬機進行不關機遷移，避免了業務的中斷，達到實時遷移。

多租戶和安全性，由于建設和運營數據中心需要較高的成本，許多應用商大多采取不同部門，甚至不同的公司多租戶模式，共享一個共同的基礎設施的虛擬化資源。在多租戶環境

中，數據的安全保護是至關重要的，需要進行邏輯隔離資源，嚴禁把物理資源分享給任何客戶，因此，控制平臺必須要能夠提供數據中心資源的安全訪問。

高可用性管理，Vmware HA群集允許ESXI主機集合作為一個組協同工作，它可以將虛擬機及其所駐留的主機集中在群集內，從而為虛擬機提供高可用性。如果發生故障，故障主機上的虛擬機將在備用主機上重新啟動。如果主機發生故障，VMware HA不會將任何虛擬機故障切換到正處于維護模式的主機上，等到主機退出維護模式后，會重新啟動主機上的VMware HA服務，此時該主機可再次用于故障切換，一方面保障了業務系統的不間斷運行，另一方面保證了主機的運營安全。

在進行VMware數據中心虛擬化管理時，虛擬機遷移、多租戶和安全性、高可用性管理等功能，能夠充分發揮數據中心虛擬化的優點，提高各個系統的綜合應用能力。

4結論

基于VMware的虛擬技術在數據中心的應用能夠整合硬件資源，提高現有服務器的利用率和軟件系統部署的靈活性，提高了系統的可靠性，從而使系統更好地為人類服務?？梢哉f，VMware數據中心的虛擬技術應用，為數字化、信息化的飛速發展提供了可靠的硬件保障和軟件平臺，成為未來IT業發展的主導力量。

參考文獻：

[1] 張瑪麗.基于虛擬化技術的數據中心整體改造[J].太原學院學報（自然科學版），2017，35（01）：42-45.

[2] 李伶.基于VMware的高校數據中心虛擬化技術分析[J].電腦知識與技術，2012，8（01）：20-21.

[3] 許磊. 基于云計算環境的虛擬機內存管理研究[D].哈爾濱工程大學，2013.