何軍　何元清

摘要：信息化建設(shè)任務(wù)長期以來被全球各國、各行業(yè)所關(guān)注，尤其是在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化愈加完善的當(dāng)今。隨著企業(yè)業(yè)務(wù)量和服務(wù)器數(shù)量的不斷增加，管理效率和硬件成本問題日益突出。服務(wù)器虛擬化能很好地解決這一問題，通過將服務(wù)器進(jìn)行虛擬化可以減少硬件開支，從而節(jié)約成本、提高效率。本文首先對虛擬化技術(shù)下的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行了概述，其次對虛擬化技術(shù)及其分類進(jìn)行了探討，最后利用VMware vSphere進(jìn)行了服務(wù)器虛擬化的實(shí)際部署研究，并通過行業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了應(yīng)用案例分析。

關(guān)鍵詞：虛擬化;VMware vSphere;服務(wù)器部署;數(shù)據(jù)分析

中圖分類號：TP311 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）14-0014-03

1引言

社會大眾的日常工作與生活都在信息技術(shù)的更新?lián)Q代，蓬勃發(fā)展下逐漸信息化、數(shù)字化。同時，信息化也作為各行業(yè)追逐和競爭的關(guān)鍵點(diǎn)，成為新時期下企業(yè)能否長遠(yuǎn)發(fā)展的重要項(xiàng)。然而長期以來，各企業(yè)的信息化建設(shè)一直缺乏系統(tǒng)性規(guī)劃，往往是按照業(yè)務(wù)需求，分散購置相應(yīng)設(shè)備，按需建設(shè)系統(tǒng)服務(wù)器。從而造成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備系統(tǒng)之間的巨大差異，在應(yīng)用集成階段更是暴露了大量問題。

首先，企業(yè)、單位的各部門根據(jù)本部門的實(shí)際需求開發(fā)、使用相關(guān)信息管理系統(tǒng)，用以儲存本部門數(shù)據(jù)，但由于各部門之間大都按自身所需創(chuàng)建，并沒有各部門統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，導(dǎo)致了大量數(shù)據(jù)的冗余。而且各部門之間的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)端口沒有對應(yīng)和統(tǒng)一，各部門間的數(shù)據(jù)共用和交換難以實(shí)現(xiàn)，各信息管理系統(tǒng)之間形成了“信息孤島”[1]。

其次由于供應(yīng)商更換、軟硬件升級更新等原因，各部門所使用的信息管理系統(tǒng)難以保持一致性，進(jìn)一步惡化各系統(tǒng)之間的獨(dú)立性，不能為企業(yè)、單位的協(xié)同工作和可持續(xù)發(fā)展提供充足的數(shù)據(jù)支持和可靠的技術(shù)保障，對人力、物力和財(cái)力上造成不必要的浪費(fèi)。

最后對于傳統(tǒng)的孤島式數(shù)據(jù)中心，主要呈現(xiàn)出的弊端有：機(jī)房建設(shè)與運(yùn)營成本高;各類資源分配不合理;軟硬件兼容性差;管理復(fù)雜且成本高;系統(tǒng)擴(kuò)展性差;安全管理無效;災(zāi)難應(yīng)急實(shí)行困難且低效等。

虛擬化，即利用虛擬化技術(shù)，將一臺物理計(jì)算機(jī)虛擬成為多臺邏輯計(jì)算機(jī)，不同的操作系統(tǒng)可在同一物理系統(tǒng)的不同邏輯計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，同時各應(yīng)用能互不影響在各自獨(dú)立的單位運(yùn)行，從而大幅增加計(jì)算機(jī)的工作效率[1]。面對數(shù)據(jù)中心這些問題時，虛擬化技術(shù)減少軟硬件開支，降低人力成本的特性，起到了很好的作用。

2 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心是用于容納計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和相關(guān)組件，如電信設(shè)備和存儲設(shè)備等設(shè)施的專用建筑、建筑群或?qū)Ｓ每臻g。

由于信息中心的計(jì)算機(jī)業(yè)務(wù)相關(guān)操作對于連續(xù)性有較高要求，因此信息中心中通常包含一般性服務(wù)器機(jī)房的基礎(chǔ)設(shè)施，電源（常規(guī)電源、UPS不間斷電源等），數(shù)據(jù)通信連接，環(huán)境控制（溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，防火警報(bào)系統(tǒng)），其他安全設(shè)備和各設(shè)備系統(tǒng)的冗余備份。

一個完備的數(shù)據(jù)中心其內(nèi)包含了各種復(fù)雜的系統(tǒng)，各系統(tǒng)間相互配合為數(shù)據(jù)中心的工作服務(wù)。一個國家級的大型數(shù)據(jù)中心已經(jīng)達(dá)到工業(yè)規(guī)模運(yùn)營，其能耗與量級幾乎能匹配一個小城鎮(zhèn)。世界數(shù)據(jù)中心（World Data Center）是國際科學(xué)聯(lián)合會下設(shè)的科學(xué)數(shù)據(jù)組織，有40多個學(xué)科數(shù)據(jù)中心，我國的世界數(shù)據(jù)中心有九個分中心，分別包含了海洋、地址、天文、氣象等方向[2]。

2.1 數(shù)據(jù)中心的發(fā)展

在70年代前后，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的占地面積和體積都很大，計(jì)算機(jī)需要放置在特定的空間內(nèi);整個系統(tǒng)的操作和維護(hù)過程煩瑣復(fù)雜，需要特定人員進(jìn)行專業(yè)操作。這便是初期的數(shù)據(jù)中心。

80年代時期，計(jì)算機(jī)軟硬件都迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)被大量使用，但是對于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的維護(hù)幾乎沒有，系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)經(jīng)常發(fā)生丟失，因而資源管理開始被重視。尤其是在C/S模式出現(xiàn)后，服務(wù)端與客戶端分離，服務(wù)器被單獨(dú)統(tǒng)一集中在指定的空間中，數(shù)據(jù)中心的概念也隨之提出。

90年代后，隨著個人電腦和互聯(lián)網(wǎng)的普及，數(shù)據(jù)中心也迅速發(fā)展，大量的企業(yè)、單位開始建立允許用戶通過互聯(lián)網(wǎng)24小時不間斷訪問的網(wǎng)站，這一服務(wù)要求服務(wù)器所提供的資源訪問快速且穩(wěn)定，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心應(yīng)運(yùn)而生。

如今，數(shù)據(jù)中心建設(shè)早已有了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范的方案，相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。提倡綠色環(huán)保、節(jié)能高效、基礎(chǔ)設(shè)施共享、安全保密概念的面向服務(wù)的數(shù)據(jù)中心受到各行業(yè)廣泛關(guān)注，集中計(jì)算、分布式云計(jì)算、SOA、虛擬化等新興技術(shù)與數(shù)據(jù)中心密切結(jié)合[3]。

2.2 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的弊端

數(shù)據(jù)中心的建立能幫助分散的服務(wù)器形成系統(tǒng)性的資源管理和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。但是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心缺少低耗能、高使用設(shè)計(jì)，在長期使用后，存在大量缺陷，主要表現(xiàn)在以下五個方面：

1）故障無保障。由于不同應(yīng)用系統(tǒng)對服務(wù)器系統(tǒng)配置要求不同，大部分的數(shù)據(jù)中心為了確保其上的應(yīng)用穩(wěn)定，各應(yīng)用都部署在獨(dú)立的服務(wù)器上，在這種情況下，服務(wù)器一旦出故障，將導(dǎo)致整個應(yīng)用服務(wù)失效。

2）硬件煩繁冗笨拙。服務(wù)器數(shù)目由于業(yè)務(wù)量上漲而增加，提高了設(shè)備成本，服務(wù)器型號、性能的不同，使得維護(hù)困難，統(tǒng)一管理和故障排查都難以實(shí)現(xiàn)，并且服務(wù)器之間還易發(fā)不兼容問題。隨著設(shè)備的不斷增多，配套設(shè)施也增加，導(dǎo)致機(jī)房空間的消耗增大，對能源消耗增加，同時維護(hù)成本也增加。

3）資源輪空浪費(fèi)。由于每個服務(wù)器對應(yīng)的業(yè)務(wù)不同，其資源使用時段和效率都不同。大部分的服務(wù)器無法充分發(fā)揮其硬件性能，各服務(wù)器之間的資源不能靈活調(diào)配，缺乏對突發(fā)數(shù)據(jù)流的處理，數(shù)據(jù)中心內(nèi)各服務(wù)器資源不能夠充分的利用。

4）系統(tǒng)升級復(fù)雜。在面對服務(wù)器軟硬件更換、軟硬件故障、升級，服務(wù)器系統(tǒng)更換、更新和業(yè)務(wù)軟件的數(shù)據(jù)更新、恢復(fù)等工作，常常會花費(fèi)較長時間，致使服務(wù)暫停。

5）數(shù)據(jù)量隱患。隨著服務(wù)器所提供服務(wù)時間的增加，系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)量逐漸增多，這將導(dǎo)致系統(tǒng)的備份十分困難，無論是熱備份還是定期備份的工作量都是龐大的。同時系統(tǒng)業(yè)務(wù)的恢復(fù)時長也隨之增加，使安全性降低。

2.3 虛擬化技術(shù)下的數(shù)據(jù)中心

在大數(shù)據(jù)的大時代下，用戶對資源實(shí)際情況不關(guān)心也沒必要關(guān)心，用戶只希望資源能夠隨時被訪問和使用，服務(wù)器的計(jì)算能力、數(shù)據(jù)的存儲位置、網(wǎng)絡(luò)的擁堵狀況對于用戶都是透明的。針對這些使用特性，虛擬化技術(shù)對于當(dāng)前數(shù)據(jù)中心的改造十分貼切。

數(shù)據(jù)中心的資源使用率符合2/8定律，根據(jù)這一特性，利用虛擬化技術(shù)，將各種資源進(jìn)行整合，減少對設(shè)備、空間、電力、溫度的需求，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)中心建設(shè)，高可擴(kuò)展性應(yīng)對快速增長的服務(wù)載荷需求。

在保證應(yīng)用服務(wù)正常運(yùn)行的同時，降低硬件成本，不同服務(wù)系統(tǒng)之間隔離，數(shù)據(jù)的安全性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性同時兼顧。減少服務(wù)器的部署時長，到達(dá)對業(yè)務(wù)需求的及時應(yīng)對。提高管理效率，節(jié)省大量的能源支出，使數(shù)據(jù)中心建設(shè)更貼近綠色環(huán)保的概念。同時虛擬化后，簡化了數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，便于網(wǎng)絡(luò)架設(shè)和管理[4]。

3虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)將現(xiàn)有的軟硬件資源整合并利用，所謂虛擬化實(shí)則是對所擁有資源的分配管理，即虛擬技術(shù)的本質(zhì)就是對資源管理的技術(shù)。通過加入一個虛擬化層，將底層的物理資源抽象成虛擬的形式，并向上層提接口，使其提供相同或類似功能，所以應(yīng)用程序得以在虛擬環(huán)境下完成工作。

3.1 虛擬化技術(shù)的發(fā)展

60年代初期，虛擬化由美國等國最先探索。1959年克里斯托弗《大型高速計(jì)算機(jī)中的時間共享》一文發(fā)表，虛擬化的這一理論被首次提出[5]。

80年代中期，大型主機(jī)上的虛擬化最早由IBM提出并使用，通過VMM虛擬監(jiān)控器將物理硬件資源實(shí)現(xiàn)虛擬，很大程度上解決了大型機(jī)價格成本高，但使用率低的問題，資源能盡可能地被利用。

新世紀(jì)前后，VMware公司對外發(fā)行了基于x86計(jì)算機(jī)的虛擬化產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了x86平臺虛擬化的突破。隨著x86計(jì)算機(jī)各項(xiàng)硬件的大幅提升，其各方面性能也都有極大的攀升，直到今天，x86計(jì)算器上的虛擬化技術(shù)快速發(fā)展。PC機(jī)虛擬化建設(shè)開始向控制成本、面向服務(wù)、策略實(shí)施、自動化控制、節(jié)能綠色方向發(fā)展[5]。

3.2 虛擬化技術(shù)的分類

從虛擬化架構(gòu)作依據(jù)有寄居架構(gòu)（Hosted Architecture）和裸金屬架構(gòu) （Bare Metal Architecture）。前者借由現(xiàn)有的平臺來進(jìn)行虛擬化操作;后者則將虛擬系統(tǒng)安裝在底層硬件上。

從數(shù)據(jù)中心建設(shè)方面，虛擬化是對數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)、存儲、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用程序進(jìn)行整合，已達(dá)到對建設(shè)成本、使用效率等因素的控制，因此可分為系統(tǒng)虛擬化、基礎(chǔ)虛擬化、軟件虛擬化[6]。

3.3 虛擬化產(chǎn)品比較

現(xiàn)今市場上的虛擬化產(chǎn)品很多，但市場的主要份額由VMware的vSphere系列，微軟的Hyper系列和Citrix的Xen系列三家占有。表1對以上三種產(chǎn)品的部分參數(shù)比較。

4 VMware vSphere

VMware vSphere是現(xiàn)今市場上最為成熟的虛擬化產(chǎn)品，也是市場占比最高的，vSphere針對服務(wù)器、存儲器和網(wǎng)絡(luò)等當(dāng)面進(jìn)行虛擬操作，為用戶提供簡單、直接、高效的虛擬化服務(wù)[6]。

由圖1可知，傳統(tǒng)的X86架構(gòu)的計(jì)算機(jī)由底層物理設(shè)備、其次X86架構(gòu)、中間操作系統(tǒng)、最上層應(yīng)用軟件四部分組成。而在vSphere的虛擬化架構(gòu)中將傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)替換為虛擬管理內(nèi)核和監(jiān)視系統(tǒng)，而在其上開辟虛擬的物理設(shè)備，在虛擬物理設(shè)備上建立若干傳統(tǒng)的X86計(jì)算機(jī)架構(gòu)[7]。

vSphere中有許多管理和控制系統(tǒng)，底層核心是VMware ESXi，包括VMware Kernel虛擬化管理內(nèi)核和VMM虛擬監(jiān)視系統(tǒng)兩部分，其相當(dāng)于傳統(tǒng)架構(gòu)中的X86架構(gòu)，為上層提供基礎(chǔ)物理的虛擬化。vSphere上層應(yīng)用層面向用戶提供了VMware vCenter Server虛擬化平臺管理中心控制系統(tǒng)，以便于用戶對虛擬機(jī)管理控制;用戶有兩種客戶端VMware vSphere Client和vSphere Web Client可供選擇;同時還提供vSphere API/SDK，便于用戶二次開發(fā);vCLI是對腳本進(jìn)行編輯的IDE開發(fā)工具;CIM硬件管理系統(tǒng)是針對硬件的管理軟件[5]。

5應(yīng)用實(shí)例

本例中使用飛行學(xué)院SR20教練機(jī)的SD卡訓(xùn)練數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)集。其數(shù)據(jù)由GARMIN1000綜合航空電子設(shè)備機(jī)載數(shù)據(jù)系統(tǒng)收集，在飛行員上機(jī)后的一系列操作都將被G1000感應(yīng)器采集，飛行關(guān)鍵信息和發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)存儲在系統(tǒng)自帶的飛行數(shù)據(jù)記錄卡（SD卡）中，如飛行坐標(biāo)、空速、航向、燃油及流量等等69個類別。根據(jù)設(shè)計(jì)，在G1000系統(tǒng)啟動后，數(shù)據(jù)信息將每秒一次刷新，在SD卡中以.csv格式存放。

數(shù)據(jù)表中的69項(xiàng)數(shù)據(jù)可以分為：飛行環(huán)境數(shù)據(jù)、飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)、發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)和未定義數(shù)據(jù)。其中未定義數(shù)據(jù)均為記錄為空或暫無定義的數(shù)據(jù)。而剩余項(xiàng)中存在對于數(shù)據(jù)分析無用的數(shù)據(jù)，如日期時間、環(huán)境因素等。最終確定了11項(xiàng)數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)分析參考。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中有相當(dāng)一部分?jǐn)?shù)據(jù)為空白或間斷性缺失，存在不利于數(shù)據(jù)分析的情況，所以先對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗。清洗過程包括對于無效數(shù)據(jù)文件（文件過小、關(guān)鍵數(shù)據(jù)連續(xù)空白）刪去，部分內(nèi)容（初始、著陸階段關(guān)鍵數(shù)據(jù)空白、不連續(xù)數(shù)據(jù)）刪除。

實(shí)驗(yàn)所選取的測量項(xiàng)有：連續(xù)地面等待超時、粗猛操縱油門、俯仰姿態(tài)超限、坡度超限、俯仰操縱粗猛、近地俯仰坡度超限、近地過載超限（重著陸）、低燃油量、空速超限、未完成試車前暖機(jī)。

實(shí)驗(yàn)共使用到hadoop集群中的節(jié)點(diǎn)，一個Master節(jié)點(diǎn)，兩個節(jié)點(diǎn)作為Worker節(jié)點(diǎn)。具體分配如下表。

在數(shù)據(jù)處理操作中，使用Hadoop套件中的Sqoop和Zeppelin工具。

Sqoop是Hadoop與關(guān)系數(shù)據(jù)庫（本例使用的是MySQL數(shù)據(jù)庫）相互傳輸數(shù)據(jù)的工具套件。本例中的數(shù)據(jù)存放在工作簿中，將其導(dǎo)入MySQL數(shù)據(jù)庫中，通過Sqoop將關(guān)系型數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Hadoop的分布式文件系統(tǒng)（HDFS）中，也可以將分布式文件系統(tǒng)（HDFS）中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，做進(jìn)一步處理[7]。

Zeppelin 是Hadoop中對倉庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析并實(shí)現(xiàn)可視化的工具套件。使用解釋器（ Interpreter）操作不同的數(shù)據(jù)處理引擎，快速實(shí)現(xiàn)數(shù)統(tǒng)計(jì)及可視化統(tǒng)計(jì)結(jié)果[7]。通過Zeppelin對數(shù)據(jù)分析并可視化，詳見圖2。

上圖可知，在分析數(shù)據(jù)中，出現(xiàn)粗猛操縱油門：709次，俯仰操縱粗猛：96次，俯仰姿態(tài)超限：60次，近地過載超限：91次，連續(xù)地面等待超時：78次，深失速：37次，未完成試車前暖機(jī)：11次，坡度超限：6次，低燃油量：0次，空速超限：4次，近地俯仰坡度超限：0次。

6結(jié)論

在面對企業(yè)業(yè)務(wù)量和服務(wù)器數(shù)量的不斷增加，管理效率和硬件成本問題日益突出等情況下，通過服務(wù)器虛擬化技術(shù)，能很好地解決這一問題，通過將服務(wù)器進(jìn)行虛擬化可以減少硬件開支，節(jié)約成本、提高效率。虛擬化技術(shù)對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化于資源整合，將數(shù)據(jù)中心的處理能力和效率提高。在利用VMware vSphere等成熟的虛擬化產(chǎn)品對服務(wù)器進(jìn)行虛擬化也是十分便捷和高效。

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【通聯(lián)編輯：梁書】