魯立　李功權(quán)

摘 要： 介紹了油田企業(yè)數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行現(xiàn)狀，闡述了虛擬化的一般概念，分析了數(shù)據(jù)中心虛擬化技術(shù)的優(yōu)勢并指出其不足。針對油田企業(yè)數(shù)據(jù)中心存在的一些問題，提出應(yīng)用虛擬化技術(shù)，把物理的數(shù)據(jù)中心打造成虛擬的數(shù)據(jù)中心是緩解這些問題的一個可行方案，并給出其應(yīng)用思路。簡要論述了數(shù)據(jù)中心虛擬化技術(shù)的發(fā)展趨勢和前景。

關(guān)鍵詞： 油田； 數(shù)據(jù)中心； 虛擬化； 虛擬數(shù)據(jù)中心

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）03-18-03

Abstract： This paper describes the operation status of oil enterprise datacenter nowadays， expounds the general concepts of virtualization， analyses the advantages and shortcomings for the datacenter in which the virtualization technology are used. The paper propounds that application of virtualization technology in oilfield enterprise datacenter， turning the physical datacenter into the virtual datacenter is a feasible scheme to alleviate the problems in oilfield datacenter and gives application ideas. Finally， the data center virtualization technology trends and prospects are briefly discussed.

Key words： oil field； data center； virtualization； virtual datacenter

0 引言

隨著計算機(jī)和信息技術(shù)的迅速發(fā)展和普及，數(shù)字化和信息化浪潮席卷全球。美國是全球信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展最早、信息化程度最高的國家，自上世紀(jì)90年代以來，相繼提出了“數(shù)字地球”以及“智慧地球”等戰(zhàn)略目標(biāo)[1-2]。在石油行業(yè)，為了適應(yīng)信息化發(fā)展潮流，大慶油田于1999年率先提出了“數(shù)字油田”的概念及建設(shè)目標(biāo)[3]。油田數(shù)據(jù)中心囊括了油田企業(yè)圍繞數(shù)據(jù)開展的主營業(yè)務(wù)。

油田數(shù)據(jù)中心是一個以油田勘探、開發(fā)、生產(chǎn)、經(jīng)營等數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)服務(wù)為核心業(yè)務(wù)的專業(yè)數(shù)據(jù)管理機(jī)構(gòu)[4]，它可以較好地保護(hù)和充分地利用在油田勘探開發(fā)及生產(chǎn)經(jīng)營過程中獲得的大量數(shù)據(jù)資料。然而資料表明，油田現(xiàn)有信息化基礎(chǔ)設(shè)施（數(shù)據(jù)中心）并不能很好地滿足未來業(yè)務(wù)快速發(fā)展的需求，特別體現(xiàn)在資源利用率不高；軟硬件部署模式不能滿足油田勘探開發(fā)研究的需求，急需將軟硬件資源進(jìn)行整合；不能對業(yè)務(wù)系統(tǒng)的需求做出快速響應(yīng)；基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)分散、種類/數(shù)量繁多造成運(yùn)維管理壓力大等等方面[5]。油田企業(yè)迫切需要引入新技術(shù)，提升已有數(shù)據(jù)中心運(yùn)營效率，優(yōu)化資源整合，同時讓在建的數(shù)據(jù)中心建設(shè)過程中避免資源過度部署。而虛擬化技術(shù)正是這樣一種技術(shù)，它可以幫助油田企業(yè)數(shù)據(jù)中心節(jié)約資源，提升數(shù)據(jù)中心運(yùn)營效率并降低運(yùn)營成本，為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1 虛擬化的概念

在計算機(jī)技術(shù)中，虛擬化（Virtualization）是一種采用軟硬件分區(qū)、聚合、部分或完全模擬、分時復(fù)用等方法來管理計算資源、構(gòu)造一個或多個計算環(huán)境的技術(shù)[6]。具體地，虛擬化是將計算機(jī)物理資源如服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)存及外部存儲等予以抽象、轉(zhuǎn)換后呈現(xiàn)出來，使用戶可以用從原始配置中獲益的方式來訪問這些資源。換句話說，它為數(shù)據(jù)、計算能力、存儲資源以及其他資源提供了一個邏輯視圖，而這種資源的邏輯視圖并不受實(shí)現(xiàn)、地理位置或底層資源的物理配置的限制。我們可以通過軟件或固件管理程序構(gòu)成虛擬化層并對其進(jìn)行管理，把物理資源映射為虛擬資源。這些虛擬資源在使用上和物理資源的特性相差很少或沒有差別[7]。采用虛擬化技術(shù)后，計算元件會在虛擬的基礎(chǔ)上而不是真實(shí)的基礎(chǔ)上運(yùn)行，于是可以把有限的、分散的硬件資源進(jìn)行整合，并根據(jù)不同需求重新進(jìn)行規(guī)劃，從而最大化地提升資源利用率。

虛擬化技術(shù)最早可追溯到20世紀(jì)70年代，當(dāng)時是為了使多個用戶共享昂貴的計算機(jī)（主要是大型機(jī)）硬件資源而產(chǎn)生的[8-9]。隨著硬件資源成本的降低以及PC機(jī)（主要是x86計算機(jī)）的興起，虛擬化技術(shù)曾沉寂了一段時間。然而，當(dāng)今x86計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)使其在同一時間只能運(yùn)行一個操作系統(tǒng)和應(yīng)用。這樣一來，由于企業(yè)業(yè)務(wù)復(fù)雜性，即使是小型數(shù)據(jù)中心也必須部署大量服務(wù)器，而每臺服務(wù)器的利用率只有5%到15%[10]，這是十分低效的。鑒于這種情況，企業(yè)IT部門不得不將其70%的預(yù)算用于維護(hù)，只留下很少的資源用于業(yè)務(wù)發(fā)展創(chuàng)新，這在很大程度上阻礙了企業(yè)的發(fā)展。為了應(yīng)對這個IT部門面臨的最緊迫難題，虛擬化技術(shù)重新被人們所青睞。虛擬化軟件可使多個操作系統(tǒng)和應(yīng)用在一臺物理服務(wù)器（即“主機(jī)”）上運(yùn)行，從而解決這一問題。每個獨(dú)立的“虛擬機(jī)”都與其他虛擬機(jī)隔離，并可根據(jù)自身需要量使用主機(jī)計算資源。

虛擬化技術(shù)按其應(yīng)用類型來分，可以分為服務(wù)器虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化以及桌面虛擬化等等，其中服務(wù)器虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)均適用于數(shù)據(jù)中心的虛擬化，而桌面虛擬化適用于終端設(shè)備（包括PC機(jī)及各種移動設(shè)備）的虛擬化。數(shù)據(jù)中心虛擬化的終極目標(biāo)就是綜合運(yùn)用服務(wù)器虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，將低效、高維護(hù)成本的物理數(shù)據(jù)中心打造成為高效、健壯、自動化的虛擬數(shù)據(jù)中心。

2 數(shù)據(jù)中心虛擬化技術(shù)的優(yōu)勢和不足

2.1 數(shù)據(jù)中心虛擬化技術(shù)的優(yōu)勢

數(shù)據(jù)中心虛擬化技術(shù)可以為企業(yè)帶來良好的效益，其優(yōu)勢具體表現(xiàn)為以下幾個方面[11-14]。

⑴ 提升硬件資源利用率，節(jié)省總體擁有成本（TCO，Total Cost of Ownership）：將多個操作系統(tǒng)和應(yīng)用整合到一個物理服務(wù)器，使得各應(yīng)用相互隔離，提高了服務(wù)器利用率，減少了服務(wù)器數(shù)量，避免了過度部署，從而降低了硬件購置成本和運(yùn)行維護(hù)成本。資料顯示，每個服務(wù)器的平均利用率從原先的5%到15%提高至80%，而硬件和運(yùn)營成本可削減50%之多，能源成本可削減80%之多，每項(xiàng)虛擬化的服務(wù)器工作負(fù)載每年可節(jié)省3000多美元。

⑵ 縮短維護(hù)時間，提升運(yùn)營效率：可以為虛擬機(jī)創(chuàng)建模板，在增加新的應(yīng)用時，只需通過模板生成一臺虛擬機(jī)，再安裝應(yīng)用系統(tǒng)即可，加快了新服務(wù)器和應(yīng)用的部署，大大縮短了服務(wù)器重建和應(yīng)用的加載時間。再加上虛擬化帶來的硬件獨(dú)立性，可以將部署新IT服務(wù)所需的時間減少50%到70%。虛擬機(jī)模板還使公司的防病毒和管理類軟件標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施起來更加輕松。

⑶ 增強(qiáng)數(shù)據(jù)中心可靠性和容錯性：通過把服務(wù)器虛擬化和存儲虛擬化相結(jié)合，可以把虛擬機(jī)檔案文件以及相關(guān)配置文件存儲到虛擬化的分布式RAID或SAN集群中，以此確保在發(fā)生磁盤、主機(jī)或網(wǎng)絡(luò)故障時絕不丟失數(shù)據(jù)。同時，在為每個虛擬機(jī)設(shè)置存儲策略時，通過指定虛擬機(jī)能夠容忍虛擬SAN集群中多少個主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)或磁盤發(fā)生故障，可以最大限度地提高恢復(fù)能力。

⑷ 使企業(yè)IT資源變得更易于管理：通過服務(wù)器整合、存儲整合及網(wǎng)絡(luò)劃分與整合，將原有的分散的硬件資源集中起來，一方面可以針對不同業(yè)務(wù)采取相應(yīng)的管理模式，另一方面對處于不同地理位置的各級單位可以采取集中式的統(tǒng)一管理，大大降低了企業(yè)IT資源的管理復(fù)雜度。

⑸ 舊硬件和操作系統(tǒng)的投資保護(hù)：采用虛擬化技術(shù)后，因?yàn)榉?wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)整合而降低硬件要求，使得舊的硬件和系統(tǒng)資源得以充分利用，從而不再擔(dān)心舊硬件系統(tǒng)兼容性、維護(hù)和升級等一系列問題，原有的基礎(chǔ)設(shè)施投資將會得到保護(hù)。

2.2 數(shù)據(jù)中心虛擬化技術(shù)的不足

盡管采用數(shù)據(jù)中心虛擬化技術(shù)擁有著巨大的優(yōu)勢，但目前仍然存在一些問題與不足，這是油田企業(yè)在引進(jìn)虛擬化技術(shù)時需要考慮到的。

⑴ 虛擬機(jī)性能問題：盡管虛擬機(jī)設(shè)備的使用感受和真實(shí)物理設(shè)備相差無幾，但是當(dāng)用戶數(shù)量達(dá)到一定程度時，整合在一臺服務(wù)器上的虛擬機(jī)必然會產(chǎn)生性能問題。原先用戶各自使用自己的物理硬件和應(yīng)用，但實(shí)現(xiàn)虛擬化后，一些用戶共用一臺物理服務(wù)器上的虛擬機(jī)資源（當(dāng)然，用戶并不知道他們其實(shí)使用的是同一物理資源這一點(diǎn)，因?yàn)閷τ脩舳?，每臺虛擬機(jī)就是他專有的虛擬設(shè)備），這就對虛擬機(jī)的性能提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。測試表明，當(dāng)負(fù)載增加到一定程度時，虛擬機(jī)的性能會大幅下滑，從而造成不良的用戶體驗(yàn)。

⑵ 應(yīng)用兼容性問題：當(dāng)前的虛擬化技術(shù)已經(jīng)能完全模擬市面上主流的硬件和操作系統(tǒng)，但對于某些特定的行業(yè)應(yīng)用可能會存在一定的兼容性問題。從目前掌握的資料來看，虛擬化技術(shù)對于部分大型三維圖形程序的3D加速以及通用計算支持程度不高，這是因?yàn)楫?dāng)今GPU（Graphic Processing Unit，圖形處理單元）虛擬化的技術(shù)尚未完全成熟。

⑶ 安全性問題：安全性始終是企業(yè)考慮的一個重要方面。企業(yè)內(nèi)部的機(jī)密數(shù)據(jù)首先是不能泄露給外部人員的，其次是內(nèi)部員工也不能越權(quán)使用。還要防止數(shù)據(jù)被病毒和惡意軟件破壞，保證數(shù)據(jù)不能因機(jī)器故障而造成破壞。虛擬化后資源集中到一臺服務(wù)器上，當(dāng)物理服務(wù)器出現(xiàn)重大硬件故障時會成為嚴(yán)重的風(fēng)險集中問題。同時，虛擬化后不同密級信息混合存儲在同一個物理介質(zhì)上，將造成越權(quán)訪問等問題。另外，由于虛擬化技術(shù)改變了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可能使某臺虛擬機(jī)上的安全問題造成擴(kuò)散，引發(fā)新的安全風(fēng)險。最為嚴(yán)重的是，一旦有不法分子控制了虛擬機(jī)管理層并植入惡意程序，位于其上層的系統(tǒng)及其他應(yīng)用很難檢測到威脅，這將會引發(fā)極其嚴(yán)重的后果[15]。

⑷ 穩(wěn)定性問題：目前，成熟的虛擬化解決方案（諸如VMware vSphere）在正常負(fù)載條件下已經(jīng)可以達(dá)到很高的穩(wěn)定性；而對于一些開源的虛擬化方案（如Xen）則在負(fù)載壓力較大時，可能出現(xiàn)虛擬機(jī)宕機(jī)等不穩(wěn)定的情況[16]。

3 數(shù)據(jù)中心虛擬化技術(shù)在油田企業(yè)的應(yīng)用思路

根據(jù)前文對虛擬化的介紹可知，虛擬化技術(shù)可以把硬件資源抽象出來，在單一的硬件上運(yùn)行多個“虛擬機(jī)”，從而提升硬件資源的利用率。盡管存在一些不足，但大部分場景下虛擬化技術(shù)的表現(xiàn)還是讓人很滿意的，特別是在已部署了大量硬件資源的環(huán)境下，其優(yōu)勢非常明顯。因此，對于存放有大量硬件資源的數(shù)據(jù)中心來說，應(yīng)用虛擬化技術(shù)成為了企業(yè)IT部門的首選解決方案。對于油田企業(yè)而言也不例外。

具體來說，可以將數(shù)據(jù)中心虛擬化的目標(biāo)分為服務(wù)器整合、存儲整合、網(wǎng)絡(luò)劃分與整合這幾個方面，分別對應(yīng)于服務(wù)器虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化。下面分別介紹其特點(diǎn)，并且對其在油田企業(yè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)上的應(yīng)用思路作簡要論述。

服務(wù)器虛擬化可以在一臺物理機(jī)器上運(yùn)行多個虛擬服務(wù)器（即運(yùn)行多個操作系統(tǒng)，每個操作系統(tǒng)又可以運(yùn)行多道應(yīng)用程序），并且所有的應(yīng)用程序都可以在相互獨(dú)立的空間內(nèi)運(yùn)行而互不影響。僅僅虛擬化一兩臺服務(wù)器是不夠的，下一步我們可以將服務(wù)器集群匯總到一個整合資源中，從而避免過度部署。例如，對于油田企業(yè)，可以把原先分散部署在研究院、采油廠和各個服務(wù)公司的勘探開發(fā)應(yīng)用（地震處理和解釋、數(shù)值模擬等專業(yè)軟件系統(tǒng)）和經(jīng)營管理應(yīng)用（ERP軟件、財務(wù)軟件、辦公系統(tǒng)軟件等）采用虛擬化的方式整合到一臺或幾臺高性能物理服務(wù)器上，從而改變以往業(yè)務(wù)軟件與硬件系統(tǒng)一對一的低效模式，減少硬件數(shù)量，在提升資源利用率的同時降低了管理復(fù)雜度。

存儲虛擬化能使一個環(huán)境中的物理存儲在多個應(yīng)用服務(wù)器間共享，將所有存儲設(shè)備如本地物理磁盤、獨(dú)立冗余磁盤陣列（RAID，Redundant Arrays of Independent Disks）、存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SAN，Storage Area Network and SAN Protocols）等綜合在一個虛擬的設(shè)備中（共享池）使用，從而隱藏了一個組織內(nèi)部有多個獨(dú)立存儲設(shè)備的事實(shí)，提升存儲性能并且降低因購買SAN系統(tǒng)而帶來的成本和復(fù)雜性。我們可以把分散在各級單位、研究院的勘探數(shù)據(jù)（地震、測井及地質(zhì)資料等）以及經(jīng)營管理（人事、財務(wù)等）數(shù)據(jù)匯總到某個存儲共享池或虛擬化的SAN集群中，并針對不同類型、不同級別的數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立存取，保證數(shù)據(jù)的高可用性、高性能存取以及操作安全性。

網(wǎng)絡(luò)虛擬化是一個相對寬泛的概念。一方面我們可以把多種應(yīng)用承載在一張物理網(wǎng)絡(luò)上，將物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行縱向分割虛擬化為多個邏輯網(wǎng)絡(luò)，從而使得不同業(yè)務(wù)相互隔離；另一方面可以將多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行橫向整合以承載上層應(yīng)用，將其虛擬化成一臺邏輯設(shè)備，在提升數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)可用性、節(jié)點(diǎn)性能的同時將極大簡化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。從技術(shù)層面來看，諸如虛擬局域網(wǎng)（VLAN，Virtual Local Area Network）、虛擬專有網(wǎng)絡(luò)（VPN，Virtual Private Network）、重疊網(wǎng)、虛擬路由和轉(zhuǎn)發(fā)（VRF， VPN Routing & Forwarding Instance）、虛擬上下文設(shè)備（VDC，Virtual Device Context）等技術(shù)均可納入網(wǎng)絡(luò)虛擬化的范疇[17]，并且有學(xué)者還提出了支持上下文感知的網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)[18]。我們可以簡單地將油田企業(yè)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)劃分為多個邏輯上的虛擬局域網(wǎng)，來分別實(shí)現(xiàn)勘探開發(fā)業(yè)務(wù)、經(jīng)營管理業(yè)務(wù)及生產(chǎn)控制業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸，同時也可把存放于數(shù)據(jù)中心的多臺路由器和交換機(jī)設(shè)備進(jìn)行虛擬化，而不需要進(jìn)行物理上的網(wǎng)絡(luò)改造[19]，方便各級單位共享數(shù)據(jù)傳輸。

4 數(shù)據(jù)中心虛擬化技術(shù)的發(fā)展趨勢和前景展望

虛擬化技術(shù)代表著這樣一個大趨勢，就是把物理資源轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嬌峡梢怨芾淼馁Y源，打破物理結(jié)構(gòu)之間的壁壘。虛擬化技術(shù)是企業(yè)IT基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和管理上的一個重大進(jìn)步，它降低了企業(yè)總成本，為企業(yè)IT用戶提供了更好的服務(wù)水平，顯著提高了IT資源靈活性且極大地降低了IT基礎(chǔ)設(shè)施的復(fù)雜性。

虛擬化技術(shù)正日益受到IT業(yè)界的重視，尤其是全球虛擬化技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)廠商VMware公司提供的虛擬化解決方案已經(jīng)成為500000多家客戶的共同選擇。微軟、甲骨文、思杰、紅帽等著名軟件公司都紛紛推出了自己的虛擬化方案，Intel以及AMD等半導(dǎo)體公司也在其提供的處理器芯片中加入了硬件輔助虛擬化技術(shù)，來幫助虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)更好的性能。值得注意的是，全球最具權(quán)威的信息技術(shù)研究分析及咨詢機(jī)構(gòu)Gartner公司公布的未來IT“十大戰(zhàn)略性技術(shù)”中，虛擬化名列其中[20]。

展望未來，企業(yè)數(shù)據(jù)中心虛擬化是將底層的硬件，包括服務(wù)器、存儲與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備全面虛擬化，甚至上層應(yīng)用也能夠虛擬化，從而建立起一個共享的、業(yè)務(wù)可伸縮的運(yùn)行環(huán)境。所有的資源都透明地運(yùn)行在各種各樣的物理平臺上，資源的管理都將按邏輯方式進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)資源的自動化分配。這樣，用戶無需擔(dān)心其使用的資源被搶占或產(chǎn)生安全性問題，只需專注于業(yè)務(wù)即可；而當(dāng)業(yè)務(wù)擴(kuò)展時虛擬機(jī)的實(shí)時在線遷移技術(shù)能讓用戶無縫轉(zhuǎn)移到新的應(yīng)用上來，大大提高業(yè)務(wù)效率。

5 結(jié)束語

油田企業(yè)數(shù)據(jù)中心為了存儲大量的專業(yè)數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，設(shè)有強(qiáng)大的硬件設(shè)備。一方面，這些硬件設(shè)備具備充分的條件來實(shí)施虛擬化；另一方面，隨著數(shù)據(jù)量的不斷增長及業(yè)務(wù)復(fù)雜性不斷增加，傳統(tǒng)手段是增加硬件設(shè)備，提升硬件處理能力，而虛擬化的方法則不需要這樣做。通過實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心虛擬化，建成油田企業(yè)虛擬數(shù)據(jù)中心后，可為勘探開發(fā)核心技術(shù)創(chuàng)新提供更高性能的計算環(huán)境，對保障油田原油的持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)以及提高油田企業(yè)運(yùn)營管理效率起到重要作用，獲得更加顯著的效益。

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