数据中心虚拟化及其网络实现

数据中心虚拟化及其网络实现

1概述

早期，金融企业IT基础架构的运营和建设主要是以保障业务的持续运转为核心任务。IT主管更关心基础架构的建设成本控制、安全性、风险管理以及后台管理等相关问题。随着业务不断变化和转型，金融企业发展的动力逐渐转变为通过产品的创新和服务的转型增进业务成长。这就要求企业能够在产品和服务等方面进行持续创新，通过不断提升业务的灵活性，从而提高企业的核心竞争力。

这种发展要求，成为了IT基础架构改革和升级的动力。为了积极响应市场的需求以及适应业务发展的需要，虚拟化技术正在日益受到金融行业IT主管们的重视，数据中心虚拟化成为金融行业信息化需求的一个关注点，建设虚拟化数据中心成为当前重要的探索领域。

2数据中心的虚拟化解析

虚拟化技术源于大型机虚拟分区技术，是IBM发明的一种操作系统虚拟机技术。其技术将计算资源以一定颗粒进行单元划分，允许在一台主机上运行多个操作系统，以便让用户尽可能地充分利用昂贵的大型机资源。后来这种技术在其它的高端服务器系统中被逐步实现，随着软硬件技术的发展，虚拟化技术已经在X86架构的低端服务器上得到广泛应用。

当前在X86架构服务器上应用的主流虚拟化技术来自VMWare、微软、XEN等，虚拟化的基本方式是在服务器上运行一个Hypervisor，在虚拟服务器和底层硬件之间建立一个抽象层，Hypervisor可以捕获CPU指令，为指令访问硬件控制器和外设充当中介。因此，这种完全虚拟化技术几乎能让任何一款操作系统不用改动就能安装到虚拟服务器上，且它们并不知道自己是运行在虚拟化的环境下，如图1所示。

由于Hypervisor的运行会带来开销，CPU厂家在硬件指令上也开始支持虚拟化计算，使得服务器虚拟化计算的效率大大提升。

图1 虚拟化计算环境

虚拟机(VM: Virtual Machine)是通过软件实现的物理机，运行在虚拟化软件Hypervisor上。它拥有自己的一组虚拟硬件资源（如内存、CPU、网卡和硬盘等），操作系统和应用程序就加载在这些虚拟资源上。

无论实际采用了什么物理硬件部件，虚拟化软件系统都将其进行屏蔽，并形成虚拟后的资源提供给操作系统。因此操作系统都将它们视为一组相容、标准化的硬件，实际上是操作系统与物理硬件完全分开了，而由虚拟化层相关联，使得VM能够完全兼容标准操作系统，并且可以与具体硬件无关，上层应用与底层硬件相互独立，从而提供更高的IT资源利用的灵活性。

虚拟化可以实现将装有不同操作系统（如Windows Server和Linux）和应用程序的多台VM相互独立地并行运行在同一台物理机上，并具有较强的隔离性，同时提升了物理服务器的利用率。

VM将整个系统，包括硬件配置、操作系以及应用等封装在文件里，因此可以方便地对应用进行克隆复制，将应用上线部署时间缩短到数小时内。

虚拟化的结果是将数据中心的所有计算资源抽象并资源池化，可以根据一定的计算颗粒在整个IT范围内分配和调度计算能力，如图2所示。

图2 虚拟化的数据中心可调度计算资源池

虚拟化数据中心对业务持续性提供了更灵活有效的手段。VM的运行与物理服务器可以采用相同的HA 技术，因此在IT运行上有较好的一致性；同时由于应用在运行过程中可能存在业务变更、地点迁移、系统升级等各种迫使应用有潜在中断服务可能性的维护管理工作，而虚拟化使得运行中的VM可以在不中断业务条件下实现热迁移(数据中心内部VM迁移、跨数据中心之间的迁移、物理服务器的虚拟化迁移)。如图3所示。

图3 虚拟化数据中心的VM调度与迁移

多年来，国内金融企业的信息化建设始终存在一个现象：由业务单元驱动IT架构的构建。在这种垂直体系架构中，每一个应用都有自己的系统，所有的业务资源都是独立的，后台IT资源也是专用的，不能实现共享，如图4左图。由此，硬件设备越来越多，系统越来越复杂，导致企业无法轻松、及时应对业务变化。

业内专家分析，这种垂直、静态体系的IT基础架构存在很多弊端：首先，每一个应用系统在建设之初，都是按照峰值进行建立的，计算性能都很强,但在日后的运行过程中，很多系统的资源，包括服务器、

存储，利用率很低，一般在30%左右，造成资源的极大浪费；其次，另外一些应用系统，由于用户数量的迅速增多，会面临系统资源匮乏的危险，服务等级无法保证，而近在咫尺的其他资源却无法共享。

图4 独立业务资源转向虚拟化资源数据中心

当前，越来越多的金融企业希望能够有效应对IT基础架构成本控制日益精细化、服务器量越来越庞大、服务器利用率低下等问题。虚拟化技术就是解决这些问题的利器，它能够显著地节省成本，有效帮助服务器整合从而减少服务器数量、从而提升服务器的资源利用率。

如图4右图所示，虚拟化通过把多种资源集中到资源池中，根据业务计算需求分配资源。虚拟化解决了每个IT基础架构只能支持一个单独应用的难题，同时，解放了数据中心的资源，实现了数据中心对业务需求的强大灵活性，并解决了业务连续性和可用性问题。

3数据中心虚拟化对基础网络的要求

实现虚拟化的数据中心，将使IT运行方式发生剧烈变化，但是应用与基础网络之间并没有被虚拟层隔离，反而由于应用层虚拟化的剧变使得网络面临前所未有的调整压力。

应用高密化

服务器虚拟化后，单台物理服务器上可以达到4-10台的虚拟服务器(VM)，随着当前CPU在硬件上对虚拟化的进一步支持，这个数值会更大。相比传统数据中心，单位网络环境里的VM数量可以称得上“暴涨”，如图5所示，网络环境支持和承载的应用数量或密度将更多，并且随着数据中心的运行，会依据虚拟化调度需要而不断的动态增长。如果数据中心的物理服务器在2000台，则VM数量增长至2万-3万也不是难事。国外的研究显示，由于多核处理器技术、虚拟化技术的推动，一个数据中心可能达到上百万个VM，这种高密应用需要大大提升网络的可靠性。

图5 服务器虚拟化

网络高性能化

虚拟化技术极大提升了服务器利用率，总体上降低了成本、减少了能源消耗。但是，单位物理服务器的业务吞吐量极大增加，使得单位区域网络的带宽需求可能比非虚拟化条件下增长10多倍甚至数十倍。如图6所示，虚拟化之前的数据中心，服务器由于利用率低下，吞吐带宽很低，业务流量经过不断汇聚后只有在网络核心有一定的带宽需求；而虚拟化的数据中心高密的VM使得单台服务器吞吐量大幅上升，在网络接入层的带宽需求已经接近传统网络环境的骨干网络带宽消耗，同时由于密集流量对网络的冲击，使得网络在满足高速数据流转的同时还要能够应对不确定的流量突发。

图6 高速带宽的虚拟化网络环境

强化网络扩展性

虚拟化数据中心的VM具有调度与迁移的能力，这种迁移的物理范围可以是整个数据中心范围的，甚至是可以跨越数据中心来迁移VM和调度计算资源（如图3所示）。在当前虚拟化环境下，要求VM的迁移范围是二层可达(Layer 2网络)即VLAN连通的范围，图7左图显示了VMWare的虚拟化技术VM迁移模式，图7右图则是这种迁移模式的服务器与网络接入方式。