某单位负责多个应用与管理系统的运维。随着三集五大体系的建设和电力信息化步伐的加快，一方面，越来越多的业务和应用系统将在电科院上线运行，另一方面，许多涉及海量数据运算的系统对服务器性能提出了更高的要求，致使该单位对服务器数量需求将会持续增长，服务器资源越将日益紧张。
据统计，该单位现有用电信息采集、雷电定位、OA办公、档案管理等各种系统34套，使用近60台PC服务器和2台存储设备，分布在10个机柜中。通过统计分析发现，系统绝大多数采用单一的物理部署模式，即每套系统占用1台服务器资源。这种部署模式存在以下问题：
1)服务器资源利用率不均衡。目前有近80％的业务系统存在负载低、资源浪费的情况，这些系统的CPU资源平均利用率低于15％，内存利用率低于40％，磁盘利用率低于50％。同时，根据运维过程中的统计数据分析，少数的高负载的核心应用，例如电能量系统、数据库系统等存在计算资源长期高位负载，计算资源捉襟见肘，影响应用及服务的性能及可靠性。
2)服务器计算资源存在显著的数据安全隐患。由于前期建设投入有限，未对信息系统进行高可用性设计，因此即使进行了全面的数据备份及数据管理，也依然存在系统宕机后造成的系统服务不可用，无法保证业务连续性的风险。目前仅能提供数据完整性的系统恢复，其恢复时间取决于数据备份的容量及恢复数据规模大小，因此造成小时级别以上的服务中断。为了满足高级别的高可用性RTO(应用故障切换时间)效率，构建消灭单点故障的服务器资源整合平台显得尤为重要。
3)人力和运作成本较高。为了保障现有60台服务器稳定可靠运行，至少需要在网络、信息系统和机房3个方面各配备6名运维人员。导致电科院负责信息运维的人力资源明显紧张。现有服务器资源的利用率不高，造成数据中心空间、机柜、网线，耗电量，冷气空调等成本存在浪费问题。
基于以上情况，为了提升服务器利用率，提高系统安全可靠性，降低运维成本，亟需开展虚拟化技术研究和实践，借助虚拟化技术对现有的服务器资源进行整合，打造高效可靠的虚拟化应用平台，为该单位数据中心的建设奠定技术和实践基础。
1 系统总体结构设计
服务器虚拟化技术是当前IT行业应用非常广泛的信息技术，它通过将传统物理资源抽象成逻辑资源，让1台服务器可以同时作为多台逻辑上隔离的虚拟服务器，将CUP、内存、磁盘、I／O等硬件资源池化，实现物理资源统一动态管理。通过服务器虚拟化不仅可以整合现有硬件资源，提高信息安全水平，同时降低数据中心的运行和维护成本。
VMware虚拟架构技术是目前最为流行的PC服务器虚拟化技术，全球拥有超过2万个公司用户，以及400万个最终用户，其VMware vSphere软件提供了服务器资源整合的全套解决方案。该技术可以实现虚拟机在不同物理机之间的无中断动态迁移，把VMware虚拟架构套件产生的虚拟服务器封装成虚机文件并统一存放。并通过共享的sAN存储架构，实现资源的统一调度管理。
VMware服务器虚拟架构的优势技术主要体现在：
1)高可用集群技术：实现服务器重启和故障的自动切换。
2)动态资源调度技术：通过动态调度资源池中的硬件资源，实现计算资源的自动分配和平衡。
3)虚拟平台Vmotion技术:在服务不中断的条件下，实现服务器的动态迁移。
1.1高可用集群技术
服务器随时可能会发生网络故障、硬件故障、软件故障，造成系统的可用性造成影响。VMware通过高可用集群技术来保障企业级应用的微间断运行。首先在存储层面上，VMware通过虚拟化集群文件系统(VMware vStorage Virtual Machine FileSystem，简称VMFS)构建共享的虚机文件集合，该集合是虚拟化高可用基础。通过虚拟化集群文件系统，可以确保进行虚拟环境交叉访问时，保证数据的完整性和可靠性。其次，在VMware虚拟架构中，利用VMware High Availability(简称HA)技术，达到物理机故障的自动切换要求，主要原理为ESX主机之间能够相互发送心跳信号来确定相互之间的连通性和运行状态。当某台ESX主机A没有收到主机B的信号时，则判断主机B发生了软硬件故障或者网络故障。在这种情况下，系统将会自动解除对主机B上虚拟机的VMDK文件解除锁定，原本在主机B上运行的虚拟机就会被自动迁移到其他主机上运行。最后，VMware架构使用容错技术(VMware Fault Tolerance)来辅助HA实现完整的业务连续性。其工作原理为:对于给定的主虚拟机A，在其他ESX主机上运行一个辅助虚拟机A'，辅助虚拟机与主虚拟机共享虚拟磁盘，通过发送的日志记录信息保持“虚拟同步”，当辅助虚拟机没有接收到同步信息时，辅助虚拟机将在无中断的情况下接管并运行应用程序，实现故障的透明切换。容错技术是迄今为止服务器虚拟化技术中最高级别的业务连续性保障策略，可以花费最小的代价得到最高的可靠性要求。
1. 2计算资源动态调度技术
计算资源的动态调度又称为分布式资源调度(Distributed Resource Scheduler, DRS)技术。通过DRS技术，虚拟机能够在不同的物理服务器之间根据负载，自动调度逻辑资源，达到平衡计算容量目的，同时可以根据业务需求来调整资源，提供物理基础结构所不能提供扩展性和可用性。
VMware DRS工作原理如图1所示，首先由用户定义虚拟机的资源共享方式，可分为自动模式和手动模式。在自动模式下，DRS自行判断决定物理服务器之间资源的最佳分配方式，并透明地将虚拟机迁移到最合适的服务器上。在手动模式中，VMware DRS为系统管理员提供一套虚拟机最优配置方案，由管理员决定是否根据该方案对虚拟机进行调整。资源共享方式配置完成后，DRS持续不断地监控资源池的利用率，当某台虚拟机的工作量增加，需要更多的计算资源时，VMware DRS根据之前定义的资源分配规则对虚拟机的优先权进行评估，如果该虚拟机通过了评估，则将此虚拟机迁移到另外一台具有更多合适资源的服务器上，从而为它分配更多的逻辑资源。
图1 VMware DRS动态资源调配示意图
随着虚拟化技术的发展，出现了分布式电源动态管理(Distributed Power Manager，即DPM)技术。DPM是DRS的一个组成部分，它可以让服务器在负载较低的时候动态整合计算资源，将工作负载迁移到最少的服务器资源上，关闭不需要的服务器，从而大幅降低能耗。
1. 3虚拟平台Vmotion技术
VMware通过Vmotion技术，能够将正在运行的虚拟机能够从一台物理服务器瞬间迁移到另一台服务器，达到零停机的性能要求，实现业务的连续性，从而能够大幅度提高服务器的可用性和保证数据的完整性。首先，虚拟机的全部状态信息在共享存储中以虚拟机文件进行封装，多台ESX服务器同时访问同一个虚拟机文件。其次，VMware通过一个高速的网络，将源虚拟机的整个内存和状态信息复制和传输到目标ESX服务器后，自动终止源虚拟机，并在目标ESX服务器中重新启动虚拟机。最后，源虚拟机的网络标识和连接也会被目标ESX服务器虚拟化，在实时迁移之后，源虚拟机的网络身份和连接能够得到保留。
2 服务器资源整合方案的设计与实现
根据对某单位数据中心服务器硬件、网络设备、存储设备、软件及应用的统计分析，提出了以下设计思路:首先，针对服务器计算资源利用率问题，通过对硬件型号、硬件配置、利用率情况、软件部署分布、性能负载等情况进行统计分析。根据统计结果，将计算资源调整部署到各个需要的应用和服务上，最终达到使得每台物理服务器的CPU/内存资源利用效率达到75%以上的目的。其次，针对单点故障产生的数据安全隐患问题，采用分步实施的策略，实现业务连续性基础上的应用安全。第1步，将现有的数据备份和服务器整合结合起来，构建一个将RTO时间从4h以上缩短为1h以内的数据安全环境;第2步，将给予单点故障荣誉设计和数据容错可追溯作为特色，构建健壮和安全的数据中心，使之满足数据一致性、完整性、高可靠性的精细化管理的要求规范。最后，将物理服务器有效地进行计算资源整合，对符合条件的物理机进行虚拟化，腾出若干服务器槽位，节省出至少1台机柜的槽位空间。完成虚拟化后，对物理服务器按照业务或部门系统的分类，将不同的机柜资源进行有效贴标，提升数据中心的服务器资源利用率以及可靠性管理水平。
2.1资源需求估算
该服务器虚拟化整合项目是将10台资源利用率较低或者计算资源需求较高的服务器，采用P2V模式，迁移到2台性能相对较高的宿主服务器上。在迁移之前需要统计该10台服务器的总CPU需求、总内存需求、总网络IO需求、总磁盘IO需求等资源需求总量。根据此需求量，再选择合适的物理服务器作为整合后的宿主服务器。由于本项目采用千兆网卡作为虚拟交换机，并选择千兆SAN交换机连接存储，所以可以保证虚拟化架构中的网络IO需求和磁盘IO需求，即不需要再对磁盘和网络做详细论证，而重点介绍CPU和内存的选型计算过程。
在服务器虚拟化后，可以实现在较少的物理服务器上运行多台虚拟服务器。假设需要运行的虚拟服务器的数量为n，每台服务器的CPU内核数量为C，速度为V GHz, CPU利用率为f，则CPU资源需求K为:
2. 2虚拟化平台的搭建
本项目所迁移的10台服务器的资源如表1所示，根据式(1)和式(2)，计算得出CPU的资源需求不足6 GHz，内存需求不足8 GB，所以本项目采用2台高性能的DELL 8710和8900机器作为虚拟化服务器，其配置为分别为4核CPU 2. 13GHz、内存2. 13 GHz和2核2. 4 GHz、内存:16GB。虚拟平台软件版本为ESXI 4. 1，使用1套IBM DS5100作为共享存储，并为之分配3T的VMFS磁盘空间，使用1台SAN交换机和2台思科网络交换机实现平台的互联互通。
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