三大方面解析虛擬化技術(shù)在云計算數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用

作者：佚名 2019-06-04 16:22:03

云計算

虛擬化 針對云計算平臺建立其可用性模型，分析了IAAS，PAAS，SAAS 三種云服務(wù)模式的可用性計算方法，最后通過實驗驗證了云計算可用性參考模型適用于常見的云服務(wù)模式。

建網(wǎng)站原本是網(wǎng)站策劃師、網(wǎng)絡(luò)程序員、網(wǎng)頁設(shè)計師等，應(yīng)用各種網(wǎng)絡(luò)程序開發(fā)技術(shù)和網(wǎng)頁設(shè)計技術(shù)配合操作的協(xié)同工作。創(chuàng)新互聯(lián)公司專業(yè)提供成都網(wǎng)站制作、網(wǎng)站建設(shè)、外貿(mào)網(wǎng)站建設(shè),網(wǎng)頁設(shè)計,網(wǎng)站制作(企業(yè)站、響應(yīng)式網(wǎng)站開發(fā)、電商門戶網(wǎng)站)等服務(wù),從網(wǎng)站深度策劃、搜索引擎友好度優(yōu)化到用戶體驗的提升,我們力求做到極致!

 通過對云計算數(shù)據(jù)中心提高資源利用率和用戶QOS的需求進行分析，圍繞其中的關(guān)鍵技術(shù)虛擬化技術(shù)，從服務(wù)器虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、存儲虛擬化三個方面進行總結(jié)，針對云計算平臺建立其可用性模型，分析了IAAS，PAAS，SAAS 三種云服務(wù)模式的可用性計算方法，最后通過實驗驗證了云計算可用性參考模型適用于常見的云服務(wù)模式。

1.概述

目前數(shù)據(jù)中心的規(guī)模迅速發(fā)展，根據(jù)Netcraft服務(wù)器數(shù)量報告，Akamai Technology達到10.5萬臺，OVH達到10萬臺，Google根據(jù)能耗估計約90萬臺。快速發(fā)展的數(shù)據(jù)中心正面臨著用戶需求多、能耗高、運維成本高、安全性差等的突出問題。因此，數(shù)據(jù)中心需要采用新的技術(shù)，來實現(xiàn)降低成本，提高資源利用率和系統(tǒng)可靠性的目的。

云計算概念從提出之初，其目標(biāo)非常明確，即利用虛擬化技術(shù)整合現(xiàn)有零散資源為可擴展的動態(tài)資源，以網(wǎng)絡(luò)為載體提供硬件基礎(chǔ)設(shè)施、運行平臺、業(yè)務(wù)功能軟件等形式的自動化服務(wù)，而用戶利用網(wǎng)絡(luò)便可以以低廉的價格、良好的服務(wù)質(zhì)量保證(QOS)、按需地獲得資源和服務(wù)。其具有按需服務(wù)、廣泛的網(wǎng)絡(luò)接入、資源共享、彈性計算、服務(wù)可度量的特征，目前云計算研究中關(guān)注的熱點主要包括提高資源利用率、節(jié)約能源、降低運行成本、云計算安全等。

云計算數(shù)據(jù)中心，要求資源能夠被統(tǒng)一調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)可擴展、系統(tǒng)高可靠、運維自動化。虛擬化技術(shù)對底層硬件資源進行抽象，對上層應(yīng)用程序透明，其通過整合零散的資源為虛擬可管理的動態(tài)資源，從而實現(xiàn)資源的按需管理，提高動態(tài)資源的利用率。因此虛擬化技術(shù)是推動數(shù)據(jù)中心發(fā)展的核心技術(shù)。

2.虛擬化技術(shù)

數(shù)據(jù)中心硬件主要包括服務(wù)器，存儲和網(wǎng)絡(luò)。因此虛擬化技術(shù)也分為三個部分，分別為服務(wù)器虛擬化技術(shù)、存儲虛擬化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)。

2.1 服務(wù)器虛擬化

服務(wù)器虛擬化的目標(biāo)是提高服務(wù)器資源的利用率，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的綠色節(jié)能。從技術(shù)實現(xiàn)方案來說，可以大致分為操作系統(tǒng)級虛擬化(OS-Level)、主機虛擬化(Hosted)、裸金屬虛擬化(Bare-Metal)。

操作系統(tǒng)級虛擬化是在操作系統(tǒng)中模擬出一個運行應(yīng)用程序的容器VE(Virtual Environment)，所有虛擬機共享內(nèi)核空間，性能最好，耗費資源最少，缺點是操作系統(tǒng)強關(guān)聯(lián)性，如基礎(chǔ)操作系統(tǒng)為Windows，虛擬機系統(tǒng)只能是Windows。代表產(chǎn)品有Parallels公司的Virtuozzo(商用產(chǎn)品)和OpenVZ(開源項目)。

主機虛擬化技術(shù)引入虛擬機管理層Virtual Machine Monitor(VMM)，構(gòu)建出基本的虛擬硬件平臺，達到虛擬化系統(tǒng)的獨立性。

Hosted虛擬化中VMM需要管理所有資源的調(diào)度，因此虛擬化性能較差，主要適用于個人用戶和測試環(huán)節(jié)。代表產(chǎn)品有VMware Workstation、Microsoft Virtual PC、Virtual Server、Oracle Virtual Box等。

裸金屬虛擬化技術(shù)采用VMM代替操作系統(tǒng)直接管理硬件資源的方式，這種管理硬件資源方式的性能處于主機虛擬化與操作系統(tǒng)虛擬化之間，裸金屬虛擬化技術(shù)的代表產(chǎn)品有VMware公司的Vsphere Esxi系列產(chǎn)品、微軟公司的Microsoft Hyper-V系列產(chǎn)品和思杰公司的Citrix XenServer系列產(chǎn)品，以上虛擬化技術(shù)比較成熟，在金融、證券、互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)的生成環(huán)境中大量被使用。

2.2 網(wǎng)絡(luò)虛擬化

網(wǎng)絡(luò)虛擬化的是利用物理網(wǎng)絡(luò)資源在邏輯上劃分出各自獨立的虛擬網(wǎng)絡(luò)，達到以滿足多租戶權(quán)限分離、自由管控邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)流量隔離的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展方向。虛擬局域網(wǎng)(VLAN)由于4096個邏輯網(wǎng)絡(luò)的限制，很難滿足由大量虛擬機構(gòu)成的大二層網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)需求。

在虛擬化產(chǎn)品中，VMware等虛擬化廠商就提出了Vswitch的概念通過軟件交換機解決同一臺物理服務(wù)器內(nèi)部的VM二層網(wǎng)絡(luò)互訪，跨物理服務(wù)器的VM二層互訪轉(zhuǎn)發(fā)給傳統(tǒng)的接入層交換機去處理。

但Vswitch部署帶來兩個問題，一是對于VSwitch的管理問題，Vswitch是在服務(wù)器中進行部署，模糊了網(wǎng)絡(luò)管理和服務(wù)器管理的界限;二是Vswitch的性能問題，由于同一臺物理機的VM二層流量還是由服務(wù)器的CPU來處理，不符合虛擬化提高資源性能的利用率的要求。

為解決虛擬交換機的管理問題，Cisco首先提出了Nexus1000V技術(shù)架構(gòu)。通過部署Nexcus1000V軟件，配置管理層面的虛擬化，像管理物理交換機一樣管理Vswtich，實現(xiàn)對傳統(tǒng)VSwitch的功能擴展，但該產(chǎn)品也只解決了網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器管理的邊界問題，同時還對服務(wù)器性能有一定的影響。

為了解決性能問題，IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)標(biāo)準(zhǔn)組織提出了802.1Qbg EVB(Edge Virtual Bridging)和802.1Qbh BPE(Bridge Port Extension)兩個標(biāo)準(zhǔn)，目前Cisco 采用FEX+VN-Link(包括vNIC，vETH，Port Profile)技術(shù)實現(xiàn)了802.1Qbh標(biāo)準(zhǔn)體系。

2.3 存儲虛擬化

存儲虛擬化的定義為利用存儲系統(tǒng)的內(nèi)部系統(tǒng)對計算、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用資源進行進一步抽象和隔離，目的是實現(xiàn)獨立于數(shù)據(jù)管理、應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)的邏輯上統(tǒng)一的存儲資源。

在虛擬運行環(huán)境下，為虛擬平臺提供虛擬存儲設(shè)備主要包括下面4種方式：1)基于網(wǎng)絡(luò)存儲協(xié)議(Network Storage Protocol)，包括并行文件系統(tǒng)、NFS、OCFS2等方式。這種方式需要高可靠的網(wǎng)絡(luò)支持，缺點是穩(wěn)定性和性能不高。2)物理硬盤(含分區(qū))，包括SAN磁盤，iSCSI 磁盤等。這種方式缺點是存儲空間容量大小不易調(diào)整。3)基于虛擬磁盤鏡像文件的方式，目前常見的鏡像文件格式有vmdk、vhd、img等格式。這種方式的優(yōu)點是可以通過配置文件靈活配置鏡像文件屬性。4)基于邏輯卷的方式，可以動態(tài)地增減容量的大小，支持Snapshot、條帶化、提高IO并行性能等屬性，目前邏輯卷管理工具主要有基于Linux內(nèi)核自帶的LVM、HPLVM、EVMS、VxVM等邏輯卷管理工具。

3.云計算可用性參考模型

根據(jù)Berkeley對云計算模型的定義，可以分為基礎(chǔ)架構(gòu)平臺IAAS(Infrastructure as a service)，平臺服務(wù)PAAS(Platform as a service)，業(yè)務(wù)軟件SAAS(Software as a Service)三層結(jié)構(gòu)[6]，其中IAAS主要關(guān)注網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和虛擬化技術(shù)，提供基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)，PAAS主要面向應(yīng)用開發(fā)，提供開發(fā)平臺服務(wù)，SAAS面向終端用戶，提供軟件產(chǎn)品服務(wù)。據(jù)Gartner2013年公有云市場份額將會增長18%，達到1310億美金，在IAAS方面，增長速度為47.3%，市場份額為90億美元，隨著越來越多的企業(yè)把基礎(chǔ)架構(gòu)、應(yīng)用和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)遷移到云計算平臺，對云服務(wù)提供商的服務(wù)質(zhì)量QOS(Quality Of Service)提出了越來越高要求。

3.1 云計算可用性模型

云計算可用性模型(Cloud Computing Model，CCM)如圖1所示，模型中共分為三個部分，分別為基礎(chǔ)架構(gòu)層(Infrastructure Layer，IL)，云計算服務(wù)層(Service Layer，SL)，用戶層(User Layer，UL)，可表示為CCM={IL，SL，UL}。

IL ={Computing， Storage， Network}

服務(wù)層(SL)由IAAS資源集(Resource Set，RS)，PAAS資源集，SAAS資源集組成，可表示為如下形式，SL={IAAS RS，PAAS RS，SAAS RS}

定義1：AU(Availability Unit)：相連兩層之間，為上層提供服務(wù)里的最小服務(wù)單元，是云計算服務(wù)的最小單位。同一層中多個AU之間互相獨立，互不影響。

定義2：AS(Availability Set)：同一層中，多個AU聯(lián)合，對外提供同一個服務(wù)，如負(fù)載均衡服務(wù)(Load Balance Service，LBS)，高可用服務(wù)HA(High Availability)。

圖1 云計算可用性模型

定義3：DA(Deploy Availability)：業(yè)務(wù)部署后的可靠性，與提供服務(wù)的多層次的AU和AS相關(guān)，如一個SAAS服務(wù)利用第三方的PAAS和IAAS提供服務(wù)。

定義4：AU的云計算服務(wù)的最小單位，假設(shè)其獨立可靠性是個常數(shù)λ。

由定義2，當(dāng)所有AU都失效的情況下，AS才失效，因此AS的部署可靠性可表示為：

根據(jù)圖1所示，SAAS業(yè)務(wù)由兩個PAAS共同提供服務(wù)，為了提高PAAS的可靠性每個PAAS由兩個IAAS共同提供服務(wù)。根據(jù)公式(4)不難得出如下結(jié)論：

通過對云計算可用性模型的分析，要提高資源的利用率和云計算用戶的QOS，采用虛擬化技術(shù)提高AU的可靠性和利用率，實現(xiàn)資源的按需使用。

4.實驗分析和總結(jié)

為了驗證云計算可用性參考模型，采用Cisco Ucs B200刀片服務(wù)器3臺，Cicso6248 交換矩陣2臺，EMC NAS48 存儲1臺，安裝Vmware Vsphere 5.1服務(wù)器虛擬化軟件，VMware Vcenter管理軟件，Vmware Vcloud Director 數(shù)據(jù)中心管理軟件，搭建完成2套IAAS平臺的功能，并模擬提供申請服務(wù)，結(jié)合Vmware Vsphere 5.1中的HA、DRS(Distributed Resource Scheduler)、Vmotion特性功能，依據(jù)可用性參考模型得出如下結(jié)論，在保障云計算數(shù)據(jù)中心電力、制冷等外在因素的條件下，全年整個系統(tǒng)的業(yè)務(wù)恢復(fù)時間不大于10小時，可以滿足用戶系統(tǒng)的可用性達到99.9%。

本文通過對云計算數(shù)據(jù)中心提高資源利用率需求進行分析，圍繞數(shù)據(jù)中心的虛擬化技術(shù)，從服務(wù)器虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、存儲虛擬化三個方面進行總結(jié)，針對云計算業(yè)務(wù)可用性建立可用性模型，分析IAAS，PAAS，SAAS三種服務(wù)模式的可用性計算方法，最后通過實驗驗證了云計算可用性參考模型適用于常見的云服務(wù)模式。

分享標(biāo)題：三大方面解析虛擬化技術(shù)在云計算數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用
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