浅谈云计算虚拟化在电力企业的应用及发展趋势--论文.doc

浅谈云计算虚拟化在电力企业的应用及发展趋势摘要：云计算是一种基于互联网的计算方式，通过这种方式，共享的软硬件资源和信息可以按需要提供给计算机和其他设备。云是一个包含大量可用虚拟资源（例如硬件、开发平台、以及I/O服务）的资源池，虚拟资源可以根据不同的负载动态地重新配置，达到更优化的资源利用率。关键词：云计算 虚拟化 应用 发展趋势1 引言云计算作为近年来广泛关注的话题，其本质是一种灵活、高效、低成本、节能的信息运作方式，借助于互联网的一系列创新技术，存储、计算、软件、管理、网络、信息等各类资源，以服务的形式实现虚拟化，即时定制面向领域的组合，直接满足用户的各种现实需求，真正实现IT服务的透明化。借助云计算，用户不再需要关注IT应用中底层的问题，可以专注于面向客户的业务和创新。在全球范围内，各大电子信息厂商都在围绕云计算重新布局，主要互联网公司也在前赴后继地通过开放平台对外提供云计算服务，构建生态链。而在应用端，各行各业也意识到云计算的优势和价值，纷纷推出云计算相关应用，内部的私有云建设如火如荼，应用不断深入，并开始产生明显效益；越来越多的创新企业和创业者凭借云计算平台和服务，初始投入和运营成本都大大降低；许多新颖且富有潜力、贴近用户需求的商业模式不断涌现。可以说，经过近几年来的概念普及和技术成长，2011年，随着移动互联网、社会化网络和物联网的发展，作为整个云计算系统的中枢，云计算不仅重要性日益彰显，甚至已可谓无处不在。2 什么是云2.1 云的概念云计算的核心思想，是将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度，构成一个计算资源池向用户按需服务。 提供资源的网络被称为“云”。“云”中的资源在使用者看来是可以无限扩展的，并且可以随时获取，按需使用，随时扩展，按使用付费。这种特性经常被称为像水电一样使用IT基础设施。 关于类别，可以从云计算提供的服务类型和服务方式的角度对其分类。按服务类型可以分为：基础设施云、平台云和应用云；按服务方式可以分为：共有云、私有云和混合云。2.2 云计算的特征及分类为了更好地定义云计算，必须从云计算的服务使用者、服务提供者、组织方式和内部实现机制等方面同时定义。其定义是：云计算是由网络计算机发展而来的，通过高速互联网互连，组成大型的虚拟资源，这些虚拟资源可自由管理和配置。用数据冗余的方式保证虚拟资源的高可用性。并且分布式存储和计算、高扩展性、高可用性、用户友好性等特征。云计算有以下特征：云计算系统提供的是服务。服务的实现机制对用户透明，用户无需了解云计算的具体机制，就可以获得需要的服务；高可用性。通过集成海量存储和高性能的计算能力，云能提供较高的服务质量。云计算系统可以自动检测失效节点，并将失效节点排除，不影响系统的正常运行；经济性。2.3 云计算的三个服务模式云计算的三个服务模式LaaS、PaaS、SaaS1） LaaS（Infranstructure-as-a-Service）基础设施即服务。消费者通过Internet可以从完善的计算机基础设施获得服务。2） PaaS（Platform-as-a-Service）平台即服务。PaaS实际上是指将软件研发的平台作为一种服务，以SaaS的模式提交给用户。因此，Paas也是SaaS模式的一种应用。3） SaaS（SoftWare-as-a-Service）软件即服务。它是一种通过Internet提供软件的模式，用户无需购买软件，而是向提供商租用基于Web的软件，来管理企业经营活动。相对于传统的软件，SaaS解决方案有明显的优势，包括较低的前期成本，便于维护，快速展开使用等。2.4 云计算的类别公共云：是基于标准云计算的一个模式，在其中，服务供应商创造资源，如应用和存储，公众可以通过网络获取这些资源。公共云服务的模式可以是免费或按量付费。如Goolge，Amazon EC2（软件即服务）私有云：私有云（Private Clouds）是为一个客户单独使用而构建的，因而提供对数据、安全性和服务质量的最有效控制。该公司拥有基础设施，并可以控制在此基础设施上部署应用程序的方式。（架构即服务）公共云的安全性和隐私性始终是一个不可逾越的障碍，所以企业的首选还是私有云。3 云计算的影响在互联网领域，云计算对现有的信息产业及应用模式产生了巨大的影响，使信息消费模式产生巨变。在可以预见的未来，信息消费主要通过宽带网络连接的若干数据中心里运行着各种服务的“云”，它们不断将原来存储在个人PC、手机上的数据吸引到云中，提供用户超乎想象的计算能力，并且具有巨大的成本优势。个人和企业用户将不需要学习客户端软件的操作，只需要根据简洁的界面和窗口，访问站点，就可以得到服务。同时，网络化的应用软件能按需定制，收费灵活，并杜绝盗版。只有云计算才能在大规模用户聚集的情况下，提供高可用性的服务，而其较低的服务成本又能保持其竞争优势。这些优势使得云计算受到了互联网服务企业的普遍青睐，大型的互联网企业如Goolge、雅虎等都是云计算平台服务商的先驱。4 云计算应用分析4.1 传统企业IT架构面临的问题传统的IT架构，资源利用率极低，服务隔离需要每个应用有独立的服务器，大量的服务器带来了能源的消耗，包括服务器本身和降温需要的能耗，大量服务器带来管理的困难，企业80%的IT投资用于维护。不仅仅是钱的问题，IT管理员也是80%的时间用在琐碎的维护上，频繁的升级和调整带来计划内和非计划内停机，造成服务中断，双机备份成本高昂，且造成资源利用率再度下降。当前系统平台架构难于实现高水平的服务和更快的响应，各部门应用系统建设相对独立，各自为政，造成信息孤岛，服务器的蔓延侵蚀着有限的机房空间。“服务器变得越来越强大，而我们使用的部分却越来越少。”作为微软公司utility computing解决方案的负责人，Devin Murray认为，现在是时候考虑一下IT系统利用率的问题了，在这一点上，服务器尤为突出，据这位微软高层介绍，从2005年到2008年，英特尔处理器的能力增长超过6倍，但是仍然有很多的用户打算通过购买更多的服务器来解决问题直到他们遇到虚拟化。IDC和许多大型企业相信，到目前为止，服务器的利用率仅仅在30%-35%左右，同时，当前企业数据中心服务器资源平均利用率在20-40%之间，而基于Windows和Linux系统的服务器平均利用效率不到10%，但是，无论如何，对于这样的数据客户都难以承受，甚至不愿相信。一项统计显示，全球服务器装机量在3800万台左右，每年所消耗的电力费用是所购买服务器费用的50%左右，大概为320亿美元。目前，中国服务器保有量大概280-300万台，每台服务器3年所消耗的电力成本会超过购买时的价格。这样一个大的用户群所消耗的成本，已占到IT业运营成本的30%50%。事实告诉我们，对于计算机节能降耗的考虑已到刻不容缓的地步。单颗至强处理器的功耗在80W、 95W，有的达130W(如至强W5580)。那么IT投资都到哪里去了呢？Gartner称，至少有2/3的IT花费仅仅是维持企业运转，而不是让它发展，真正能够改变企业的资金大约只占20%或更少。Gartner的副总Audrey Apfel认为：“现在的急迫任务是IT人士应该主动寻求新的发展空间，他们应该想想如何将钱花到正确的地方来实现它们的价值。”据市场研究机构Gartner的调查，IT方面的大部分投资并不能帮助企业的发展，10美元中有8美元基本上是“死钱（dead money）”。“我们称之为死钱的原因是它不能直接地为企业增长起作用，或增加竞争优。”Gartner的管理负责人之一Daryl Plummer解释道，“在现在的大环境下，支持没有发展和竞争力的事情不是社团的职责”。 4.2 虚拟化方案给企业带来的优势支持将虚拟机从一台主机实时迁移到另一台主机，而服务始终可用。在服务器资源池内移动虚拟机，从而按照业务优先级调整资源分配；满足服务级别和新能目标；在不中断业务的情况下执行维护，从而提高可用性。虚拟化的优势在于降低了整体IT运行维护成本和总体拥有成本（TCO），增强了业务连续性和最小化停止时间，减少了用户日常运行维护的工作量，从而提高了整体工作效率。虚拟化的应用提供了快速中断恢复功能，大大提高了企业内IT基础的服务水平。虚拟化应用降低总体拥有成本，通过将整合多个物理服务器到一个物理服务器降低了40%的软件硬件成本；生产环境比10-15：1，开发测试环境比15-20：1；每个服务器的平均利用率从5%-15%提高到60%-80%；降低了70%-80%的运营成本，包括数据中心空间、机柜、网线、耗电量，冷气空调和人力成本。不仅如此还提高了运营效率，部署时间从小时级到分钟级，服务器重建和应用加载时间从20-40hrs=15-30min，每年节省10000人/小时（300台服务器）；以前硬件维护需要之前的数天/周德变更管理准备和1-2小时维护窗口，现在可以进行零宕机硬件维护和升级。计划内停机包括硬件维护、服务器迁移和固件更新，通常占数据中心停机时间的80%以上。Vmware是全球领先的虚拟化解决方案，成立于1998年，于2007年8月首次公开募股。在全球拥有100，000多家客户，涵盖了各种规模及行业，其中包括财富100强中的所有公司。全球桌面到数据中心虚拟化解决方案的领导厂商Vmwrae公司推出业界首款云操作系统Vmware vSphere4，旨在提供高效、灵活、可靠的“IT即服务”。 Vmware vSphere具备一些列突破性的新功能，能以一种渐进的、非破坏性的方式提供云计算，为企业提供了超强的控制力、更好的成本效益以及宽泛的选择性。Vmware vSphere允许您将工作负载动态移动到其他物理服务器上，因此无需停机或中断服务就能进行服务器维护。可随时执行维护，而无需中断用户和服务，并且消除了日常维护操作所需的计划内停机。确保从停机中快速恢复，虚拟机独立于硬件并且可以共享物理资源，因此无需相同的专用硬件即可部署故障切换，并且消除了维护相同配置所导致的附加复杂性。在服务器发生故障时，Vmware HA可确保虚拟机快速、自动重启，Vmware HA还可以在其他生产服务器上自动并智能的重新启动受影响的虚拟机。可通过将虚拟机和其他虚拟机组成集群或将物理机与其他物理机组成群集，在Vmware虚拟环境中充分利用第三方群集软件。使Vmware vSphere组成群集具有下列好处：不会产生使用相同服务器时产生的成本，避免了物理硬件更改时重建群集带来的复杂性，排除了与测试物理系统群集相关的苦难。防止计划外停机，Vmware vSphere采用对虚拟机中运行的操作系统和应用程序透明的方式，将重要的容错功能内置于客户的数据中心基础架构中。用户可以轻松地将这些功能配置为物理系统上的所有虚拟机使用，从而降低提高可用性的成本和复杂性。关键内置容错功能包括：网络接口分组，可对单网卡故障容错；存储多路径，可对存储路径故障容错；VMware FT，可在面对服务器硬件故障时，为虚拟机中运行的任何应用程序提供零停机、零数据丢失的持续可用性。4.3 虚拟化和云计算的关系在未来三年内值得关注的十大战略技术中，虚拟化技术名列榜首。分析师认为，用户可以在单一计算机中安装多个操作系统，并实现多重任务处理，达到节省IT开支和高速处理计算任务的目的。尤其是在当前的大环境下，虚拟化技术更是得心应手，为企业节能减排、降低IT成本都带来了不可估量的价值。虚拟化有效的分离软件和硬件，可以组成一个大的资源池，而云计算让人们更加关注软件提供的应用。对于普通企业来说实行云计算低成本高效的方法就是虚拟化，虚拟化给云计算提供了强大的基础，所以说虚拟化是云计算的基石。通俗的说，虚拟化实际就是一个欺骗的过程，本来没有的东西，假装让你感觉到有，已达到我们的目的，同时虚拟化也是一个不断剥离依赖的过程。图（1）虚拟化4.4 虚拟化的企业应用服务器虚拟化是将服务器物理资源抽象成逻辑资源，让一台服务器变成几台甚至上百台相互隔离的虚拟服务器，或者让几台服务器变成一台服务器来用，我们不再受限于物理上的界限，而是让CPU、内存、磁盘、I/O等硬件变成可以动态管理的“资源池”，从而提高资源的利用率，简化系统管理，实现服务器整合，让IT对业务的变更更具适应力，如图（2）。图（2）服务器虚拟化桌面虚拟化是一种基于服务器的计算模型，并且借用了传统的瘦客户端的模型，但是让管理员于用户能够同时获得两种方式的优点：将所有桌面虚拟机在数据中心进行托管并统一管理；同时用户能够获得完整PC的使用体验，如图（3）。图（3）桌面虚拟化4.5 高可用性的服务器虚拟架构4.5.1 方案设计概况在多台物理服务器上安装ESX4（Vsphere的核心组成部分）企业增强版，通过Vcenter Server管理中心统一管理，对当前资源使用进行精算，给出合理化的服务器整合建议。将多台ESX物理服务器组成高可用性集群（vSphere HA），防止出现非计划停机，以及迅速从断电和硬件故障中恢复，对于关键性业务提供Vspjere FT容错技术，提供更高级别的可用性，可将宕机时间缩短到0.01秒以下，在发生故障是透明切换。提供分布式资源调配功能，在某台物理服务器资源使用率降低到一定程度后自动迁移上面的虚拟机到其他服务器上，将此台服务器休眠，以最大化节约能源。提供备份方案，可随时自动备份精确到文件级别的内容。针对特殊的虚拟机提供虚拟机直接访问硬件的功能，提供物理机转换到虚拟机的服务。4.5.2 虚拟化方案部件4.5.2.1 ESX服务器ESX服务器是Vsphere的核心组成部分，是动态的、自我优化的IT架构的基础，直接安装在物理服务器上，基于RH7.2 Linux系统，将物理硬件抽象化后提供给虚拟机使用，建议采用集中存储的方式，格式为VMFS，让每个ESX服务器都可以访问到存储，实现HA、FT、VMOTION等功能。图（4）ESX服务器4.5.2.2 Vcenter serverVcenter Server是整个Vsphere的核心、神经中枢，安装在Windows Server上，使用mssql或者oracle数据库，原来版本需要AD支持，新发布版本不需要。Vsphere Client是Windows端的客户端程序，可以连接ESX控制单台服务器，连接Vcenter控制整个集群。如图（5）图（5）Vcenter Server图4.5.2.3 虚拟机VMs虚拟机对操作系统来说是具有硬件、操作系统、软件的一整套系统。对于esx server来说只是一个文件包，主要包含两个文件VMX和vmdk，VMX是文本文档，存有关虚拟机的配置；VMDK是虚拟机的硬盘，可以有多个VMDK，存放在VMFS上。如图（6）图（6）虚拟机4.6 虚拟化方案实现4.6.1 高级功能基础VMotionVMotion是所有高级功能的基础，Vsphere企业解决方案中提供的高级功能，如HA、DRS等，实际上都是以VMotion为基础，加上集群的功能组合而成的，所以设计一个vsphere环境时第一个测试的功能就是Vmotion，vmotion就是在虚拟机开机正常运作的时候将其从A服务器迁移到B服务器，而不中断服务。Vmotion的操作简单到只需要拖动一下鼠标即可，过程一般在几十秒左右，网络会有一点点延时，但不会中断。使用Vmotion迁移运行中的虚拟机，从一台物理服务器到另一台物理服务器，可实现无任何中断的IT维护服务，是所有高级功能的基础。如图（7）图（7）虚拟化方案实现4.6.2 动态资源调配DRS分布式资源调度，虚拟机激活以后确定有那一台esx主机承载，评估集群的负载，对集群中的esx主机和虚拟机进行建议，甚至直接vmotion虚拟机到最合适的esx主机上，DRS集群中的esx不再拥有属于自己的VMs，虚拟机激活时，自动根据选项在esx之间查找合适的落脚处（手动、半自动、全自动）。当DRS的某台esx主机的系统负担降低某一个程度后，DRS会将此台机器的所有虚拟机转移到另一台esx主机上，让此台主机进入休眠状态。有三种状态：关闭、半自动和全自动，规则设置有两种：此类虚拟机可以放在一起；此类虚拟机不能放在一起。当配合了vmotion以后，除非硬件资源本身不足，vsphere将永远不会产生资源紧张的问题。4.6.3 高可用性HA因为一台ESX上运行了很多虚拟机，所以如果一台主机宕机后，比原来产生的后果更为严重。HA的工作原理是，AAM掌管整个集群的心跳数据表，来检查哪个主机是死的哪个主机是活的，心跳互相定是检测，当心跳停止后，通过DRS分配在哪些物理机器上启动原来的服务，通过NIC TEAMING实现心跳线冗余管理。使用HA可以实现经济高效、独立于硬件和操作系统的应用程序可用性。4.6.4 双机热备FT使用双机热备可以实现微妙级别的切换，是物理机双机热备所无法实现的。HA针对esx服务器宕机，当服务宕机后仍然有一个虚拟机的时间，双击热备是针对虚拟机进行录制播放，可以在微妙级别的切换。双击热备是内存的CPU的RAID1，正本副本必须放在不同的esx主机上，副本一步步执行正本的指令，只是不进行IO操作，操作起来正副本就像镜子一样，但是副本处于只读状态，无法对副本进行任何操作。当正本出现故障时，副本会在几分之一秒甚至百分之一秒接替，当正本恢复正常后，自动变为副本，可以准备两台以上的副本。4.6.5 备份方案使用备份功能可以轻松实现对虚拟机的备份和回滚功能，备份有两大备份架构VCB和VDR，使用快照功能，可以在运行的时候进行备份，“保护”VM的概念，完整备份过以后，就是受保护状态，可以备份完整的VM和增量备份。可以精确到文件和文件夹级别，安装在Vcenter server中实现定时定量备份VM，数据克隆删除，提高备份速度，节省存储空间。5 挑战和发展趋势综上所述，云计算无疑是迄今为止最成功的计算模式，但是也存在一些问题：1） 从平台统一角度看，目前云计算还没有形成统一的标准，不同厂商的解决方案风格不同、互不兼容，需要形成统一的标准；2） 从计算角度看，云计算管理的是由PC和服务器构成的廉价计算资源池，主要针对松耦合型的数据处理应用，对于容易分解成众多相互独立子任务的紧耦合型计算任务，采用云计算模式来处理效率很低，因此如何处理紧耦合型任务是个需要解决的问题；3） 从资源集成角度看，要使用云计算就必须将各种数据、系统、应用集中到云计算数据中心，而很多现有信息系统要改变运行模式，迁移到云计算平台上的难度和成本较高；4） 从信息安全角度看，许多用户担心将自己宝贵的数据托管到云计算中心，就相当于丧失了对数据的绝对控制权，存在被第三方窥看、非法利用或者丢失的危险，从而不能完全信赖云计算技术。虽然云计算面临上述问题和挑战，但由于与计算是一种先进的理念和技术，它的规模可以动态扩展，处理能力超强，存储空间海量，高度可靠，资源利用率很高，通用性很强而且成本低，使得传统IT企业纷纷转型，很多研究机构投入研究。在大公司和研究机构的共同努力下，云计算技术以前所未有的速度迅速扩张，相信这些问