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IPTV虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施平臺設(shè)計(jì)與建設(shè)

2018-12-22 01:23:52王海歡張小邨江蘇省廣播電視總臺
視聽界(廣播電視技術(shù)) 2018年6期
關(guān)鍵詞:宿主機(jī)磁盤虛擬化

王海歡 張小邨 江蘇省廣播電視總臺

1.平臺建設(shè)背景

江蘇省廣播電視總臺IPTV平臺系統(tǒng)2011年建設(shè)成功并上線運(yùn)行,2012年5月正式上線投入使用。整個(gè)業(yè)務(wù)平臺至2018年已運(yùn)行6個(gè)年頭,先后建設(shè)了集成播控央視1號平臺、聯(lián)通多運(yùn)營商集成播控平臺、業(yè)務(wù)管理平臺、內(nèi)容制作服務(wù)平臺、C3統(tǒng)計(jì)分析平臺等多個(gè)平臺,對外與央視總平臺、電信、聯(lián)通及多家上游內(nèi)容提供商等單位的技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。目前IPTV主體6F機(jī)房有服務(wù)器236臺,機(jī)房供電負(fù)荷容量接近飽和。為了滿足未來業(yè)務(wù)日益發(fā)展,充分挖掘物理服務(wù)器計(jì)算存儲資源的使用效率,簡化服務(wù)器配置維護(hù)復(fù)雜度,優(yōu)化IPTV信息基礎(chǔ)架構(gòu)平臺的可靠性,江蘇省廣播電視總臺在建設(shè)多運(yùn)營商IPTV業(yè)務(wù)平臺時(shí),采用集群虛擬化技術(shù)構(gòu)建了高效IT信息基礎(chǔ)設(shè)施平臺(以下簡稱虛擬化平臺)。

2.虛擬化平臺架構(gòu)

整個(gè)虛擬化平臺基于VMWARE VSphere產(chǎn)品包進(jìn)行構(gòu)建,包括宿主機(jī)群、虛擬化適配調(diào)度層、虛擬機(jī)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層及虛擬調(diào)度管理層。虛擬化平臺總體架構(gòu)見圖1。具體組件功能如下:

(1) 宿主機(jī)群

圖1 虛擬化平臺總體架構(gòu)

采用裝載固態(tài)盤及機(jī)械盤及多種用途的光纖、以太高速網(wǎng)卡的DELL 740R服務(wù)器,提供虛擬化平臺計(jì)算、存儲的物理化設(shè)備資源支持及實(shí)現(xiàn)高性能的網(wǎng)絡(luò)傳輸通道。

(2)資源虛擬化層

資源虛擬化層包括基礎(chǔ)設(shè)施子層和應(yīng)用服務(wù)子層,基礎(chǔ)設(shè)施層完成對物理宿主機(jī)上計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)組件進(jìn)行適配并抽象成標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)組件,供應(yīng)用服務(wù)層根據(jù)用戶需求構(gòu)建所需的虛擬機(jī)設(shè)備和應(yīng)用各種管理調(diào)度策略。虛擬化平臺資源虛擬化層基于VMware ESXi組件及VSAN插件,ESXi 直接安裝在物理服務(wù)器上,實(shí)現(xiàn)了基于裸機(jī) hypervisor,并將其劃分為多個(gè)虛擬機(jī)。

(3)虛擬機(jī)及虛擬設(shè)備層

平臺虛擬出的計(jì)算虛擬機(jī)、虛擬交換機(jī)、虛擬網(wǎng)卡及虛擬存儲資源的集合。本次項(xiàng)目根據(jù)IPTV業(yè)務(wù)需要,分別構(gòu)建了包含上述類型資源的集成播控、業(yè)務(wù)管理兩個(gè)虛擬化資源池。

(4)業(yè)務(wù)應(yīng)用層

運(yùn)行于虛擬機(jī)上集成播控平臺應(yīng)用、業(yè)務(wù)管理平臺應(yīng)用及應(yīng)用高可用組件。

(5)集中管理組件

整個(gè)虛擬化平臺采用VMWARE Vcenter集中管理組件作為配置和管理虛擬化 IT 環(huán)境的中央點(diǎn)。它提供基本的數(shù)據(jù)中心服務(wù),如訪問控制、性能監(jiān)控和警報(bào)管理功能, 提供資源調(diào)度策略的配置及根據(jù)虛擬機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行集中調(diào)度控制。

(6)管理客戶端

管理客戶端包括窗口式和web網(wǎng)頁管理兩種模式,實(shí)現(xiàn)對宿主機(jī)、虛擬機(jī)資源管理及調(diào)度的展示和操作。

整個(gè)IPTV虛擬化平臺在系統(tǒng)選型和設(shè)計(jì)上具有高可靠、彈性可擴(kuò)展、高性能等特點(diǎn)。

3.虛擬化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

IPTV虛擬化平臺包括四部分不同角色的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域:

(1)虛擬化管理網(wǎng)絡(luò)

由兩臺千兆H3C 5500堆疊而成,每臺服務(wù)器同時(shí)與兩臺H3C 5500上聯(lián),承擔(dān)vmware虛擬化vcenter 的管理和虛擬機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸,用于Vcenter 對集群管理池中虛擬機(jī)及資源的調(diào)度,同時(shí)還包括虛擬機(jī)間業(yè)務(wù)系統(tǒng)雙機(jī)高可用的心跳連接。

(2)虛擬機(jī)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)

本次虛擬化規(guī)劃為集成播控平臺和業(yè)務(wù)管理平臺兩個(gè)獨(dú)立的虛擬機(jī)池,其中集成播控集群連接到IPTV兩臺Cisco 4500組成的集成播控服務(wù)器接入交換機(jī)。運(yùn)維管理集群的各EXSI宿主機(jī)連接到由兩臺Cisco 6800組成的業(yè)務(wù)管理平臺接入交換機(jī)。

(3)VSphere應(yīng)用數(shù)據(jù)虛擬交換網(wǎng)絡(luò)

用于連接一臺宿主機(jī)內(nèi)或跨多臺宿主機(jī)的多臺虛擬機(jī)之間數(shù)據(jù)交換的虛擬化交換網(wǎng)絡(luò),包括vSwitch標(biāo)準(zhǔn)交換機(jī)和 vDSwitch分布式交換機(jī)及與之相連的宿主機(jī)物理網(wǎng)卡。

圖2 應(yīng)用數(shù)據(jù)虛擬交換機(jī)

圖3 虛擬化交換物理互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

(4)VSAN專用交換網(wǎng)絡(luò)

專用交換網(wǎng)絡(luò)在宿主機(jī)內(nèi)部配置基于VMkernal端口的分布式交換機(jī),在宿主機(jī)之間由兩臺H3C 6600堆疊而成,通過全萬兆端口與宿主機(jī)連接,承擔(dān)VSAN中宿主機(jī)間虛擬機(jī)遷移(vMotion)的狀態(tài)數(shù)據(jù)、卷信息同步及跨宿主機(jī)I/O交互、虛擬機(jī)管理程序管理流量的實(shí)時(shí)通信。虛擬化交換物理互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)如圖3 所示。

4.高性能、彈性擴(kuò)展的分布式虛擬化存儲架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)虛擬化平臺高性能、易擴(kuò)展的需要,項(xiàng)目組采用VMWARE Virtual SAN技術(shù)構(gòu)建了基于虛擬機(jī)映像文件的虛擬化SAN存儲系統(tǒng)。通過專用10G網(wǎng)絡(luò)提供EXSI宿主機(jī)節(jié)點(diǎn)間存儲狀態(tài)信息的同步,VSAN組件可將所有宿主機(jī)節(jié)點(diǎn)的本地存儲池化為一個(gè)集中的SAN數(shù)據(jù)存儲,供虛擬機(jī)及其虛擬機(jī)磁盤文件VMDK存儲使用,并可以基于共享數(shù)據(jù)存儲實(shí)施虛擬機(jī)數(shù)據(jù)冗余、虛擬機(jī)高可用等多種策略。本次IPTV業(yè)務(wù)系統(tǒng)虛擬化主要對大量非數(shù)據(jù)庫類實(shí)體服務(wù)器應(yīng)用遷移到虛擬機(jī)上,考慮性價(jià)比,宿主機(jī)本地存儲采用SSD+機(jī)械硬盤的物理存儲組件。每個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)采用12塊硬盤,其中兩塊SSD作為數(shù)據(jù)讀寫緩存,十塊HDD硬盤作為永久數(shù)據(jù)存儲容量設(shè)備,兩塊HDD作RAID1安裝ESXI系統(tǒng),整個(gè)虛擬化存儲擴(kuò)展包括下面兩個(gè)維度:

(1)本機(jī)存儲縱向擴(kuò)展

在單個(gè)宿主機(jī)中考慮到需要部署大量虛擬機(jī),故進(jìn)行了本地存儲的擴(kuò)展,每一塊SSD硬盤和五塊HDD硬盤(最多支持七塊)組成一個(gè)磁盤組,每個(gè)磁盤組作為VSAN物理存儲的故障域,當(dāng)組內(nèi)的SSD硬盤或HDD硬盤出現(xiàn)故障時(shí),故障只會限制在本磁盤組內(nèi)及相關(guān)的虛擬機(jī)文件存儲,不會影響到其它磁盤,每臺物理主機(jī)存儲縱向擴(kuò)充為兩個(gè)磁盤組,實(shí)現(xiàn)了容量主機(jī)內(nèi)容量擴(kuò)展。

(2)集群存儲橫向擴(kuò)展

10臺集成播控和業(yè)務(wù)管理兩個(gè)業(yè)務(wù)平臺資源池,對應(yīng)構(gòu)建了兩個(gè)各五臺的VSAN 集群,每個(gè)集群配置5 臺宿主機(jī),每個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的所有虛擬機(jī)可在集群內(nèi)共享計(jì)算存儲及虛擬網(wǎng)絡(luò)資源,并可根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展需要擴(kuò)充集群內(nèi)主機(jī)節(jié)點(diǎn)數(shù),實(shí)現(xiàn)橫向CPU計(jì)算資源和存儲資源的同時(shí)擴(kuò)展。

所有虛擬機(jī)的讀寫I/O均指向SSD,對于來自虛擬機(jī)的數(shù)據(jù)讀操作請求,與外部SAN一樣, VSAN是將SSD作為讀寫緩存使用。當(dāng)塊被寫入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲后,最先寫入SSD,如果是不經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù),則會重新分配到(旋轉(zhuǎn)的) HDD中。在進(jìn)行讀操作時(shí),如果數(shù)據(jù)在SSD緩存中,則只需對緩存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取,緩存中沒有命中的數(shù)據(jù)再到HDD數(shù)據(jù)盤中查找讀出。

圖4 基于SSD緩存磁盤組的讀寫操作

5.基于虛擬化和主備雙機(jī)的多層級高可用方案

本次IPTV虛擬化平臺上承載了集成播控、業(yè)務(wù)管理兩大基礎(chǔ)業(yè)務(wù)平臺,涉及IPTV新聞、綜藝點(diǎn)播節(jié)目的集成發(fā)布、終端用戶登錄認(rèn)證、EPG認(rèn)證鑒權(quán)、業(yè)務(wù)計(jì)費(fèi)等關(guān)鍵業(yè)務(wù),任何平臺應(yīng)用的中斷都會導(dǎo)致嚴(yán)重的安全播出事故和用戶的投訴,為此在整個(gè)IPTV虛擬化系統(tǒng)中,我們規(guī)劃設(shè)計(jì)了多種層次的系統(tǒng)高可用策略,以保障業(yè)務(wù)應(yīng)用連續(xù)不中斷的健康運(yùn)行。

(1)虛擬化存儲系統(tǒng)存儲的高可用

VMWARE vSAN數(shù)據(jù)存儲上采用的vmfs文件系統(tǒng)是一種分布式對象集群文件系統(tǒng),該系統(tǒng)允許多臺ESXI主機(jī)同時(shí)讀寫同一存儲設(shè)備,主要用作虛擬機(jī)文件的存儲庫。其上的虛擬機(jī)是由大量不同的存儲對象組成的,如VMDK、虛擬機(jī)交換文件、增量盤(快照)和虛擬機(jī)名字空間。這幾種對象按照相應(yīng)的VMFS對象采用VSAN的分布式RAID策略,可以采用鏡像、條帶化及上述組合方式存儲到后臺不同主機(jī)的不同磁盤里,以保證虛擬機(jī)文件存儲的高可用性和性能。VSAN分布式RAID提供了將虛擬磁盤散布到不同主機(jī)、磁盤組上。本次項(xiàng)目Virtual SAN設(shè)置了以5臺宿主機(jī)為一個(gè)集群組,配置主機(jī)之間使用RAID-1(非傳統(tǒng)RAID),基于虛擬機(jī)三副本策略,具備最多可以容忍2臺虛擬機(jī)存儲文件出現(xiàn)故障而不會丟失任何數(shù)據(jù)。

(2)宿主機(jī)、虛擬機(jī)高可用

虛擬化平臺通過將多臺主機(jī)組建成一個(gè)故障轉(zhuǎn)移集群,啟用vSphere HA服務(wù),在集群虛擬機(jī)失效時(shí)自動(dòng)重啟備用虛擬機(jī)文件,保障運(yùn)行在集群上的服務(wù)(或VM)不會因?yàn)閱闻_主機(jī)的故障而停止。

在 vSphere HA 群集時(shí),會自動(dòng)選擇一臺宿主機(jī)作為首選主機(jī)。首選主機(jī)可與 vCenter Server 進(jìn)行通信,并監(jiān)控所有受保護(hù)的虛擬機(jī)以及從屬主機(jī)的狀態(tài)。宿主機(jī)持續(xù)監(jiān)控其上的虛擬機(jī)運(yùn)行狀態(tài)(通過虛擬機(jī)中Vmware Tools實(shí)現(xiàn)主機(jī)向虛擬機(jī)發(fā)送檢測信號),并在檢測到故障時(shí),通過在群集內(nèi)的其他主機(jī)上重新啟動(dòng)虛擬機(jī)的副本,防止服務(wù)器故障引起虛擬機(jī)無法繼續(xù)運(yùn)行,若故障虛擬機(jī)是首選主機(jī),則宿主機(jī)服務(wù)器集群重新選舉首選主機(jī),以保持vSphere HA的虛擬機(jī)健康狀態(tài)檢測機(jī)制的完整性。由于虛擬機(jī)可充當(dāng)應(yīng)用程序的移動(dòng)容器,出現(xiàn)故障時(shí),應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了在宿主機(jī)之間遷移。

(3)系統(tǒng)檢修和資源調(diào)度的高可用

圖5 VSAN虛擬化RAID三副本

圖6 vMotion動(dòng)態(tài)遷移

整個(gè)虛擬化平臺啟用vMotion和動(dòng)態(tài)資源分配技術(shù),vMotion技術(shù)可以在業(yè)務(wù)服務(wù)不中斷情況下,從一臺ESXI主機(jī)向另一臺ESXI主機(jī)執(zhí)行實(shí)時(shí)遷移。

vMotion的遷移需要集群內(nèi)的宿主機(jī)可以訪問到集中存儲,虛擬機(jī)的存儲文件部署在共享VSAN存儲上,一臺虛擬機(jī)的計(jì)算資源可以位于某一臺ESXI主機(jī)上,而其虛擬機(jī)存儲文件可能在組成VSAN存儲的另外一臺ESXI主機(jī)上,基于VSAN存儲系統(tǒng)和VMFS集群對象文件系統(tǒng)保證了虛擬機(jī)文件存儲遷移的位置無關(guān)性。

vMotion的計(jì)算資源遷移包括CPU和內(nèi)存資源的遷移,當(dāng)發(fā)生遷移時(shí),遷移源宿主機(jī)將虛擬機(jī)的內(nèi)存數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)存位圖文件,通過VMkernal接口及10G VSAN專用交換網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。傳輸完成后,在目標(biāo)宿主機(jī)上啟動(dòng)虛擬機(jī)應(yīng)用內(nèi)存位圖文件到目標(biāo)宿主機(jī)內(nèi)存,完成虛擬機(jī)計(jì)算資源的遷移。

由于vMotion具備虛擬機(jī)不中斷業(yè)務(wù)情況下在宿主服務(wù)器上進(jìn)行遷移的能力,結(jié)合動(dòng)態(tài)資源調(diào)度DRS服務(wù),實(shí)現(xiàn)集群服務(wù)器組中虛擬機(jī)計(jì)算資源自動(dòng)負(fù)載均衡;也可用于簡化宿主機(jī)硬件維護(hù)流程,通過將待維護(hù)的宿主機(jī)上活動(dòng)虛擬機(jī)進(jìn)行熱遷移到其它宿主機(jī)上,從而實(shí)現(xiàn)不停機(jī)、不中斷業(yè)務(wù)運(yùn)營的情況下執(zhí)行硬件下線和其它檢修維護(hù)。

(4)業(yè)務(wù)應(yīng)用雙機(jī)高可用

由于vSphere HA只能對宿主機(jī)、虛擬機(jī)級組件的狀態(tài)和故障進(jìn)行監(jiān)測和故障切換,對于虛擬機(jī)內(nèi)的業(yè)務(wù)應(yīng)用級故障無法做到實(shí)時(shí)監(jiān)測和故障切換。整個(gè)VMware vSphere 的高可用策略在故障發(fā)生時(shí),通過重啟備份虛擬機(jī)文件來恢復(fù)故障,故存在一定停機(jī)故障恢復(fù)時(shí)間。為此我們在VMware的高可用方案基礎(chǔ)上繼續(xù)保留業(yè)務(wù)系統(tǒng)自身的雙機(jī)HA方案,通過設(shè)置同一業(yè)務(wù)的主備雙虛擬機(jī)不在同一宿主機(jī)上的資源分配策略,和連續(xù)堆疊管理交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用狀態(tài)心跳的同步,保障出現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用級故障時(shí),業(yè)務(wù)應(yīng)用在不同物理宿主機(jī)上的虛擬機(jī)間切換。Vsphere中配置同一應(yīng)用的主備雙虛擬機(jī)不在同一宿主機(jī)策略見圖7。

圖7 Vsphere中配置同一應(yīng)用的主備雙虛擬機(jī)不在同一宿主機(jī)策略

6.系統(tǒng)管理與監(jiān)控

作為整個(gè)虛擬化平臺的系統(tǒng)管理中心,vCenter對整個(gè)虛擬化平臺的主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、存儲的實(shí)體和虛擬化資源進(jìn)行多種維度分層視圖展示,清楚地表明了主機(jī)、虛擬網(wǎng)絡(luò)、虛擬存儲資源的關(guān)系。集中管理EXSI宿主機(jī)、虛擬機(jī)及虛擬化存儲資源的運(yùn)行狀態(tài),匯聚各虛擬機(jī)、宿主機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù),提供管理客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)展示、統(tǒng)計(jì)分析等。通過對上述運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析判斷,vCenter Server為虛擬化平臺IT環(huán)境各存儲、高可用、安全防護(hù)組件提供操作自動(dòng)化、資源優(yōu)化、資源占用趨勢預(yù)測的數(shù)據(jù)支撐。配置安全的訪問控制機(jī)制、強(qiáng)大的權(quán)限管理機(jī)制以及與Microsoft Active Directory 的集成,可以嚴(yán)格地限制對虛擬機(jī)的訪問,可確保任何未經(jīng)授權(quán)的用戶都無法訪問管理服務(wù)器及其虛擬機(jī)。

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