（计算机软件与理论专业论文）实现智能管理的高可用性虚拟操作环境的研究与开发.pdf

西北工业大学硕士论文摘要 摘要 随着计算机系统越来越庞大，越来越复杂，系统的可用性和管理受到了空 前的挑战。由于历史原因，大型企业或机构的计算环境往往是分散、孤立、异 构的，缺乏资源的统一管理和动态配置。这是导致系统可用性不高的重要原因。 本文首先对高可用系统进行了研究，然后分析了大型企业或机构的计算环 境的特点，在此基础上， 探讨了建立一个 “ 整合” 、“ 开放” 、“ 自主”和 “ 虚拟” 的计算资源管理系统，来实现计算机系统的高可用性和易管理性。根据上述目 标，作者参与设计和实现了一个具有智能管理特征的高可用性虚拟操作环境系 统。作者参与的研究和开发工作主要包括以下三个方面: i . 为了统一计算资源的管理，利用了 wb e m ( w e b - b a s e d e n t e r p r i s e m a n a g e m e n t ) 标准为虚拟操作环境系统建立一个开放性的管理框架， 并 采用 j a v a 技术实现了该框架。该框架同时具有 良好的整合性和开放性。 2 . 根据 自 主计算思想， 在虚拟操作环境系统中设计和实现了自我配置、自 我修复、自 我优化和 自 我保护四个自主计算的特征，使计算机系统具有 智能的自我管理能力， 不仅提高了系统的可用性也降低了系统的管理难 度。 3 . 对分区技术作了探讨， 并利用分区技术在一定程度上实现了计算环境中 的虚拟化， 使可分区服务器和存储设备等资源能够根据业务需要进行动 态的配置，提高了系统的可用性。 在论文的结尾，对虚拟操作环境系统的研究和开发作了简单的总结和评价。 关键字: 自主计算:高可用性:虚拟操作环境:w b e m ; c i m :分区:s n m p 西北_ l 业大学硕士论文ab s t r a c t ab s t r a c t wit h t h e c o m p u t e r s y s t e m b e c o m i n g m o r e a n d m o r e c o m p l e x , i t i s a n u n p r e c e d e n t e d c h a l l e n g e f o r t h e a v a i l a b i l it y a n d m a n a g e m e n t o f c o m p u t e r s y s t e m . t h e c o m p u t e r e n v ir o n m e n t o f e n t e r p r is e a r e u s u a l ly d i s t r i b u t e d , i s o l a t io n , h e t e r o g e n e o u s . t h e r e s o u r c e h a s n o t b e m a n a g e d i n u n if i e d w a y , a n d n o t b e d e p lo y e d d y n a m i c a ll y . t h is i s t h e m a in r e a s o n w h y t h e c o m p u t e r s y s t e m i s n o t a v a i l a b le . i n t h e p a p e r , f i r s t ly , w e s t u d ie d t h e h ig h a v a i l a b i l it y s y s t e m a n d a n a ly z e d t h e f e a t u r e o f t o d a y s e n t e r p r i s e c o m p u t in g s y s t e m . we s u p p o s e t o d e s i g n a it r e s o u r c e m a n a g e m e n t s y s t e m w h i c h r e a l iz e d t h e f e a t u r e s o f i n t e g r a t i o n , o p e n , a u t o n o m ic a n d v i rt u a l iz a t i o n . i t a k e p a rt i n t h e r e s e a r c h a n d d e v e lo p m e n t o f t h e v i rt u a l o p e r a t io n e n v i r o n m e n t s y s t e m ( v o e s ) w i t h h ig h a v a i l a b i l i悴 m y r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t w h i c h i t a k e p a rt in t h e v o e s is l is t e d a s f o l lo w s : 1 . i n o r d e r t o u n if y t h e m a n a g e m e n t o f r e s o u r c e s , w e u s e t h e n e w m a n a g e m e n t s t r u c t u r e o f w e b - b a s e d e n t e r p r i s e m a n a g e m e n t ( wb e m ) , a n d t h e n g i v e s a n i m p le m e n t a t io n o f wb e m u s e d j a v a 2 . we s t u d i e d t h e a u t o n o mic c o mp u t in g a n d h o w t o i mp l e me n t a u t o n o m i c c o m p u t in g s y s t e m . t h e n w e d e s i g n t h e f u n c t i o n s f o r v oe s t o r e a l i z e t h e a u t o n o mi c c o m p u t in g f e a t u r e s wh i c h a r e s e lf - c o n f i g u r i n g , s e lf - h e a l in g , s e l f - o p t i m iz i n g a n d s e lf - p r o t e c t i n g . 3 . we s t u d ie d t h e p a rt i t i o n t e c h n o lo g i e s , a n d u s e t h e p a rt it io n t e c h n o l o g i e s t o imp l e me n t t h e v i rt u a li z a t i o n o f c o m p u t i n g s y s t e m . i n t h e e n d o f t h is p a p e r a n a ly s e s t h e d e f ic i e n c y o f t h e s y s t e m a n d t h e wo r k i n t h e f u t u r e . k e y w o r d s : a u t o n o m ic c o m p u t i n g ; h i g h a v a i l a b i li t y ; v i rt u a l o p e r a t i o n e n v i r o n m e n t ; wb e m; c i m; p a rt it io n ; s n m p 西北 业大学硕十论文 第 i 章 第1 章绪论 研究目的及意义 随着计 一 算机技术的发展， 工 n t e r n e t 的普及， 信息的 爆炸性增长， 外接设备 的多样化，客户终端、w e b服务器、防火墙、功能服务器 一 堆复杂的设备 组成了现有的计算机系统环境 ，其中遍布着大量的接合点、相互依赖关系、硬 件和软件版本控制问 题、不断增加的安全隐患等等。 这些问 题的出现导致了企 业计算机系统越来越庞大， 越来越复杂。企业计算环境的系统的可用性和可靠 性受到了严重的 挑战，任何一个设备和软件的故障都可能使企业的某个业务发 生中断。 同 样，由于企业系统的复杂化和异构化， 导致企 业计算机资源的管理也越 来越困 难。i b m 有报告指出， 随着计算环境的复杂化， 系统管理人员十分缺乏， 如果以目 前的趋势发展，将会没有足够的熟练的系统管理人员 来保证这个世界 上计算机系统的运行。 即使在当前不确定的经济环境中，据预测在未来六年 中，具有良好技能的系统管理人员的需求量的增长将超过 1 0 0 % 。计算机系统的 复杂性的增长远远超过了人 们管理和维护计算机系统的能力的提升。系统的 管 理和可靠性受到了空前的挑战口 这除了增加管理成木以外，还经常使系统管理 人员力不从心，一些企业的高层管理者也被计算机系统的管理搞得头大如斗。 提高企业的 市场竞争力就必须提供安全可靠的电 子商务服务， 可复杂的系统难 免会出问 题，而且解决这些故障常常需要几小时甚至 儿天时间。不仅如此，目 前管理一 个庞大的计 算机系统所需的维护、 培训等费用也越来越高。 总之，随着计算机系统的复杂性的增加，i t 产业面临了一个新的危机，主 要有以下几个方面: 1 . 系统的可用性降低。由于系统的管理和维护滞后， 对频繁出现的故障不 能 迅速恢复， 大大降 低了系统可用性， 导致企业业务运行的频繁 一 长 时间中断， 这对企业来说是一个巨大灾难。 2 . 系统管理难度增大。 面对复杂的系 统， 普通非专 业人员 只能束 手无策， 即 便是非常专业的系统管理技术人员 有时也无法迅速解决系统出 现的问题。 3 ， 故障修复周期延长。 管理人员很难再庞大的系统内迅速找到故障关键所 西北 业大学硕十论文 第 i 章 第1 章绪论 研究目的及意义 随着计 一 算机技术的发展， 工 n t e r n e t 的普及， 信息的 爆炸性增长， 外接设备 的多样化，客户终端、w e b服务器、防火墙、功能服务器 一 堆复杂的设备 组成了现有的计算机系统环境 ，其中遍布着大量的接合点、相互依赖关系、硬 件和软件版本控制问 题、不断增加的安全隐患等等。 这些问 题的出现导致了企 业计算机系统越来越庞大， 越来越复杂。企业计算环境的系统的可用性和可靠 性受到了严重的 挑战，任何一个设备和软件的故障都可能使企业的某个业务发 生中断。 同 样，由于企业系统的复杂化和异构化， 导致企 业计算机资源的管理也越 来越困 难。i b m 有报告指出， 随着计算环境的复杂化， 系统管理人员十分缺乏， 如果以目 前的趋势发展，将会没有足够的熟练的系统管理人员 来保证这个世界 上计算机系统的运行。 即使在当前不确定的经济环境中，据预测在未来六年 中，具有良好技能的系统管理人员的需求量的增长将超过 1 0 0 % 。计算机系统的 复杂性的增长远远超过了人 们管理和维护计算机系统的能力的提升。系统的 管 理和可靠性受到了空前的挑战口 这除了增加管理成木以外，还经常使系统管理 人员力不从心，一些企业的高层管理者也被计算机系统的管理搞得头大如斗。 提高企业的 市场竞争力就必须提供安全可靠的电 子商务服务， 可复杂的系统难 免会出问 题，而且解决这些故障常常需要几小时甚至 儿天时间。不仅如此，目 前管理一 个庞大的计 算机系统所需的维护、 培训等费用也越来越高。 总之，随着计算机系统的复杂性的增加，i t 产业面临了一个新的危机，主 要有以下几个方面: 1 . 系统的可用性降低。由于系统的管理和维护滞后， 对频繁出现的故障不 能 迅速恢复， 大大降 低了系统可用性， 导致企业业务运行的频繁 一 长 时间中断， 这对企业来说是一个巨大灾难。 2 . 系统管理难度增大。 面对复杂的系 统， 普通非专 业人员 只能束 手无策， 即 便是非常专业的系统管理技术人员 有时也无法迅速解决系统出 现的问题。 3 ， 故障修复周期延长。 管理人员很难再庞大的系统内迅速找到故障关键所 改 a 七 工业大学硕 士 论文 第 r 章 在及其影响并立即 修复。 4 ， 系统的负载失衡。 随着系统复杂性的增大， 不仅系统内各种设备的数量 及其多， 而且各个设备之间的相互联系也千丝万缕非常复杂。 如何让这些设 备能均衡负载，是一个很难的问题。 5 . 系统的成 本提高。 有研究表明， 可管理性是系统总拥有成本t c o ( t o t a l c o s t o f o w n e r s h i p ) 各种费用之中 所占比 例最大的 一项。提高 系统的可管理 性将大大减少t c o . 针对以上种种现象，如何对复杂、异构的 企业计算环境进行有效、 统一、 智能的管理并降低管理成本， 如何提高整个企业计算系统的高可用性 ( h i g h a v a i l a b i l i t y) ，这成了当 今国际上研究的 热点 和巫待解决的问 题。 本论文就如何提高企业计算系统的可用性和可管理性，降低管理成本等方 面做了一些研究和探讨， 并参与了一个实现智能管理的高 可用性虚拟操作环境 的部分开发工作。 2 研究工作概述 本论文按照作者承担的 研究和开发工作来安排的， 针对当今企业计算环境 复 杂、异构的 特点，围 绕如 何提高企业计算的可用性和降低企业资源的管 理难 度实 现智能管理的高可用性虚拟操作环境这一目 标， 从计 算机系统的计算思想、 管理框架机构到管理员对企业进行管理的操作视图等几个方面展开了研究， 并 在此基础上，对虚拟操作环境系统进行了设计与实现。 2 . 1 论文的主要工作 1 ) 对高可用性系 统进行了的探讨， 结 合当前企业计算环境的特点， 讨论了以 构建一个 “ 整合 ” 、 “ 开放” 、 “自 主”和 “ 虚拟”的企业计算环境为目标来 设计和实现虚拟操作环境系统。然后探讨了 虚拟操作环境系统的设 计思 想 。 2 )分析了目前各 种管理协议， 并作了比较和优缺点分析， 结合虚拟操作环境 系统的要求， 提出了采用w b e t -1 标准的管理框架， 并 给出了一 个从于j a v a 语言的实现，也为w b e m管理框架建立了计算咨x t 的 ( t im m # - 1 3 )介绍 自仁计算思想的概念和特 证， 探讨实现自主计算的控制循环( c o n t r o l 2 改 a 七 工业大学硕 士 论文 第 r 章 在及其影响并立即 修复。 4 ， 系统的负载失衡。 随着系统复杂性的增大， 不仅系统内各种设备的数量 及其多， 而且各个设备之间的相互联系也千丝万缕非常复杂。 如何让这些设 备能均衡负载，是一个很难的问题。 5 . 系统的成 本提高。 有研究表明， 可管理性是系统总拥有成本t c o ( t o t a l c o s t o f o w n e r s h i p ) 各种费用之中 所占比 例最大的 一项。提高 系统的可管理 性将大大减少t c o . 针对以上种种现象，如何对复杂、异构的 企业计算环境进行有效、 统一、 智能的管理并降低管理成本， 如何提高整个企业计算系统的高可用性 ( h i g h a v a i l a b i l i t y) ，这成了当 今国际上研究的 热点 和巫待解决的问 题。 本论文就如何提高企业计算系统的可用性和可管理性，降低管理成本等方 面做了一些研究和探讨， 并参与了一个实现智能管理的高 可用性虚拟操作环境 的部分开发工作。 2 研究工作概述 本论文按照作者承担的 研究和开发工作来安排的， 针对当今企业计算环境 复 杂、异构的 特点，围 绕如 何提高企业计算的可用性和降低企业资源的管 理难 度实 现智能管理的高可用性虚拟操作环境这一目 标， 从计 算机系统的计算思想、 管理框架机构到管理员对企业进行管理的操作视图等几个方面展开了研究， 并 在此基础上，对虚拟操作环境系统进行了设计与实现。 2 . 1 论文的主要工作 1 ) 对高可用性系 统进行了的探讨， 结 合当前企业计算环境的特点， 讨论了以 构建一个 “ 整合 ” 、 “ 开放” 、 “自 主”和 “ 虚拟”的企业计算环境为目标来 设计和实现虚拟操作环境系统。然后探讨了 虚拟操作环境系统的设 计思 想 。 2 )分析了目前各 种管理协议， 并作了比较和优缺点分析， 结合虚拟操作环境 系统的要求， 提出了采用w b e t -1 标准的管理框架， 并 给出了一 个从于j a v a 语言的实现，也为w b e m管理框架建立了计算咨x t 的 ( t im m # - 1 3 )介绍 自仁计算思想的概念和特 证， 探讨实现自主计算的控制循环( c o n t r o l 2 改 a 七 工业大学硕 士 论文 第 r 章 在及其影响并立即 修复。 4 ， 系统的负载失衡。 随着系统复杂性的增大， 不仅系统内各种设备的数量 及其多， 而且各个设备之间的相互联系也千丝万缕非常复杂。 如何让这些设 备能均衡负载，是一个很难的问题。 5 . 系统的成 本提高。 有研究表明， 可管理性是系统总拥有成本t c o ( t o t a l c o s t o f o w n e r s h i p ) 各种费用之中 所占比 例最大的 一项。提高 系统的可管理 性将大大减少t c o . 针对以上种种现象，如何对复杂、异构的 企业计算环境进行有效、 统一、 智能的管理并降低管理成本， 如何提高整个企业计算系统的高可用性 ( h i g h a v a i l a b i l i t y) ，这成了当 今国际上研究的 热点 和巫待解决的问 题。 本论文就如何提高企业计算系统的可用性和可管理性，降低管理成本等方 面做了一些研究和探讨， 并参与了一个实现智能管理的高 可用性虚拟操作环境 的部分开发工作。 2 研究工作概述 本论文按照作者承担的 研究和开发工作来安排的， 针对当今企业计算环境 复 杂、异构的 特点，围 绕如 何提高企业计算的可用性和降低企业资源的管 理难 度实 现智能管理的高可用性虚拟操作环境这一目 标， 从计 算机系统的计算思想、 管理框架机构到管理员对企业进行管理的操作视图等几个方面展开了研究， 并 在此基础上，对虚拟操作环境系统进行了设计与实现。 2 . 1 论文的主要工作 1 ) 对高可用性系 统进行了的探讨， 结 合当前企业计算环境的特点， 讨论了以 构建一个 “ 整合 ” 、 “ 开放” 、 “自 主”和 “ 虚拟”的企业计算环境为目标来 设计和实现虚拟操作环境系统。然后探讨了 虚拟操作环境系统的设 计思 想 。 2 )分析了目前各 种管理协议， 并作了比较和优缺点分析， 结合虚拟操作环境 系统的要求， 提出了采用w b e t -1 标准的管理框架， 并 给出了一 个从于j a v a 语言的实现，也为w b e m管理框架建立了计算咨x t 的 ( t im m # - 1 3 )介绍 自仁计算思想的概念和特 证， 探讨实现自主计算的控制循环( c o n t r o l 2 西北工业大学硕十论文第 t 章 l o o p ) ， 然后说明虚拟操作环境系统如何 利用自主计 算来对系统资源进行 智能化、自主化管理。 4 )探讨高性能服务器的分区技术， 利用分区技术实现企业服务器、 存储设备 等硬件资源的虚拟化管理，实现虚拟操作环境系统的虚拟化。 2 . 2 论文的结构和章节安排 本文共分六章 。 第 一章绪 论 简要介绍了本文的研究背景和研究意义，以及论文内容的安排。 第二章高可用性系统概述 对高可用性系统进行了的研究，探讨了高可用系统要解决的主要 问题和途径。 第三章虚拟操作环境系统的总体设计 根据当前计算环境的特点，提出设计虚拟操作环境系统的的设计 目标和设计思想，并介绍虚拟操作环境系统所使用的 自主计算、 虚拟化等技术，然后给出了虚拟操作环境系统的总体结构。 第四章虚拟操作环境系统管理框架的设计与实现 分析和比 较了当前的 主要管 理协议， 提出 采用基于w b e m 标准设计 虚拟操作环境系统的管理框架， 然后使用 j a v a技术给出了具体实 现，最后为虚拟操作环境系统的建立了计算资源的c i m 模型。 第五章虚拟操作环境系统自主计算的设计与实现 根据 自主计算的四个特征，在虚拟操作环境系统中设计了实现自 主计算的四种能力，并给出了实现框架。 第六章虚拟操作环境系统虚拟化管理的设计与实现 研究了分区技术，在可分区服务器上实现了虚拟化管理。 结束语 总结了论文的研究成果，并展望了后续的研究 f 作 西北工业大学硕十论文第 t 章 l o o p ) ， 然后说明虚拟操作环境系统如何 利用自主计 算来对系统资源进行 智能化、自主化管理。 4 )探讨高性能服务器的分区技术， 利用分区技术实现企业服务器、 存储设备 等硬件资源的虚拟化管理，实现虚拟操作环境系统的虚拟化。 2 . 2 论文的结构和章节安排 本文共分六章 。 第 一章绪 论 简要介绍了本文的研究背景和研究意义，以及论文内容的安排。 第二章高可用性系统概述 对高可用性系统进行了的研究，探讨了高可用系统要解决的主要 问题和途径。 第三章虚拟操作环境系统的总体设计 根据当前计算环境的特点，提出设计虚拟操作环境系统的的设计 目标和设计思想，并介绍虚拟操作环境系统所使用的 自主计算、 虚拟化等技术，然后给出了虚拟操作环境系统的总体结构。 第四章虚拟操作环境系统管理框架的设计与实现 分析和比 较了当前的 主要管 理协议， 提出 采用基于w b e m 标准设计 虚拟操作环境系统的管理框架， 然后使用 j a v a技术给出了具体实 现，最后为虚拟操作环境系统的建立了计算资源的c i m 模型。 第五章虚拟操作环境系统自主计算的设计与实现 根据 自主计算的四个特征，在虚拟操作环境系统中设计了实现自 主计算的四种能力，并给出了实现框架。 第六章虚拟操作环境系统虚拟化管理的设计与实现 研究了分区技术，在可分区服务器上实现了虚拟化管理。 结束语 总结了论文的研究成果，并展望了后续的研究 f 作 西北工业大学硕士论文第2章 第2 章高可用性系统概沐 2 . 1 什么是高可用性系统 高可用性系统主要用在大型的计算项 目 和控制项 目 上，人们评价一个系统 是否是高可用性系统，主要的判断方面就看该系统的持续工作时间。持续工作 时间越长，就说明系统越接近于高可用性。基本的高可用系统主要的评价目标 是: .能够提供不间断的服务。这里的不间断的含义就指的是系统的连续运 行时间，对用户来说，这个时间越长越好，如果能够达到全年的 3 6 5天，每 天 2 4 小时不间断服务是最好的。 .系统不会出 现硬件故障而宕 机。当系统中的某一硬件出现故障时，系 统迅速的解决掉故障，保证系统能正常的运行下去。 高可用性具体定义如下: 计算机系统的可用性( a v a i l a b i l i t y ) 是通过系统的可靠性( r e l i a b i l i t y ) 和可维护 性 (m a in t a i n a b i lity ) 来 度量 的。 工 程上 通 常 用 平 均 无故 障 时 间 (m t t f ) 来 度 量 系 统 的可靠性， 用平均维修时间( mt t r ) 来度量系统的可维护性。 于是可用性被定义 为:m t t f / ( m t t f + mt t r ) * 1 0 0 % 业界根据可用性把计算机系统分为如下几类: 可 用比 少e r c e n t a v a i 列 a b i l i t y ) 年停机时间 ( d o w n t i me / y e a r ) 可 用性 分 类 ( a v a i l a b i l i t y ) 9 9. 53 . 7天 常规系统( c o n v e n t i o n a l ) 9 9.9 其次，单个重负载的 运算分 担到多台节点设备上做并行处理，每个节点设备处理结束后，将结果汇总，返 回给用户，系统处理能力得到大幅度提高。 为了使网络系统达到高可用性的要求，负载均衡时必不可少的解决问题之 西北工业大学硕十论文第 2章 2 . 2 . 3 动态的资源管理 高可用系统的一个重要特征是进行资源的灵活管理，以实现系统中的有限 资源的有效利用。由于系统在运行过程中，资源的使用情况是在不断变化的， 也是不可预测的，如果要提高资源的使用效率，系统必须实现资源的动态化管 理。系统要不断的对系统的 资源分配状况和资源利用情况进行检测，并随时 根 据检测的结果重新调整系统的资源分配，以 保证系统的当 前运行部分都拥有足 够的资源， 也保证了 大部分资源处于被使用状态，从而避免了空闲的部分占 用 着资源，繁忙部分申请不到资源的状态的出现。 2 . 3 提高系统可用性的途径 经上述分析可知，可用性是由可靠性和可维护性共同决定的。由此可知， 提高系统的可用性有两种途径: 1 . 提高 可靠 性，即 增大系统的m t t f ; 2 .提高可 维 护性，即减低系统的m t t r 。 在高 可用性系 统的设计中， 应同时采用这两个 方面的技术。 2 . 3 . 1 提高可靠性 高可用系统的设计采取一系列可靠性概念与技术， 主要有: 1 ) 使用商品 化部件。由于商品化部 件的制造工艺成熟、且被大量长期使 用、b u g较少。高可用集群系统的设计尽量使用商品化部件， 包括节 点板、节点操作系统、编译器、数学工程库、数据库等。 2 ) 避免单一故障点。任何系统的容错性，都是一个不容忽视的问题。考 虑 容错 性 之 前， 在 此 先 解 释一 下 单一 出 错 点s p t ( s in g le p o in t o f f a ilu r e ) 的概念。对于一个硬件或软件系统，如果某部分发生故障而导致整个 系统的崩溃，那么这部分就称为单一出错点。一个存在单一出错点 s p f ( s i n g l e p o i n t o f f a i l u r e ) 的系统将有可能严重影响 系统的性能。给系 统增加一定的 冗余， 高可用性系统中的任一软、 硬部件都不止一 个， 这样任何部件故障都有一个备份，不会导致整个系统崩溃。比如节点 有多个，通行网络有多条等。这里的冗余是指由 隔离的冗余，即 冗余 部件不会因为同样的原因而同时发生故障。 3 ) 实现系统的自我管理。使系统计理员可以少犯错误 西北工业大学硕十论文第 2章 2 . 2 . 3 动态的资源管理 高可用系统的一个重要特征是进行资源的灵活管理，以实现系统中的有限 资源的有效利用。由于系统在运行过程中，资源的使用情况是在不断变化的， 也是不可预测的，如果要提高资源的使用效率，系统必须实现资源的动态化管 理。系统要不断的对系统的 资源分配状况和资源利用情况进行检测，并随时 根 据检测的结果重新调整系统的资源分配，以 保证系统的当 前运行部分都拥有足 够的资源， 也保证了 大部分资源处于被使用状态，从而避免了空闲的部分占 用 着资源，繁忙部分申请不到资源的状态的出现。 2 . 3 提高系统可用性的途径 经上述分析可知，可用性是由可靠性和可维护性共同决定的。由此可知， 提高系统的可用性有两种途径: 1 . 提高 可靠 性，即 增大系统的m t t f ; 2 .提高可 维 护性，即减低系统的m t t r 。 在高 可用性系 统的设计中， 应同时采用这两个 方面的技术。 2 . 3 . 1 提高可靠性 高可用系统的设计采取一系列可靠性概念与技术， 主要有: 1 ) 使用商品 化部件。由于商品化部 件的制造工艺成熟、且被大量长期使 用、b u g较少。高可用集群系统的设计尽量使用商品化部件， 包括节 点板、节点操作系统、编译器、数学工程库、数据库等。 2 ) 避免单一故障点。任何系统的容错性，都是一个不容忽视的问题。考 虑 容错 性 之 前， 在 此 先 解 释一 下 单一 出 错 点s p t ( s in g le p o in t o f f a ilu r e ) 的概念。对于一个硬件或软件系统，如果某部分发生故障而导致整个 系统的崩溃，那么这部分就称为单一出错点。一个存在单一出错点 s p f ( s i n g l e p o i n t o f f a i l u r e ) 的系统将有可能严重影响 系统的性能。给系 统增加一定的 冗余， 高可用性系统中的任一软、 硬部件都不止一 个， 这样任何部件故障都有一个备份，不会导致整个系统崩溃。比如节点 有多个，通行网络有多条等。这里的冗余是指由 隔离的冗余，即 冗余 部件不会因为同样的原因而同时发生故障。 3 ) 实现系统的自我管理。使系统计理员可以少犯错误 西北工业大学硕士论文 第 2 章 4 ) 其它可靠性技术包括合理地设计电源、机箱、电源线与信号线的规则 走线、散热系统等。 2 . 3 . 2 提高可维护性 高可用系统的可维护性技术包括三个方面，即系统备份、 系统监测和系统 恢复。其目 的是及时地发现和定位部件的故障， 然后迅 速地从备份中将系统恢 复，整个过程不需要停机。 1 ) 系统备份包括硬件、 软件和数据的 备份。 数据通常备份在硬盘阵列上， 同时还有磁带机做后援备份。 2 ) 系统监测 准确及时地发现系统中的 故障 是降低切换时间的重要环节。如果故障未能 及时监测出来，将严重地影响系统的可用性。同时如果经常发生虚警而使系统 产生不必要切换则降低系统的效率， 甚至导致关键数据的丢 失。 . h e a r t b e a t 技术: 目 前高可用系统中普遍采用 h e a rt b e a t 技术来监测系统的工作状态。 节点 之间通过侦察网络互相定时发送 “ 心跳 ( h e a rt b e a t ) ” 信号。 每个主机上的监 测 进程通过一定时间内 是否收到足够的 心跳信号来判断 对方系统是否已 经发生 故障。 一般为了防止系统负载重时影响心跳信号而产生虚警采用专用侦测网 络，也可以 采用专用侦测网 络与应用网络相结合的方式。 . a g e n t 技术: h e a r t b e a t 技 术 一 般 只 用于 检 测 整个 系 统 的正 常 情况 。 a g e n t 则 用 于 检 测 系 统中 各个不同的功能部 件的工作状态， 包括 c p u 、 磁盘、网 络、 虚存、 u o设 备、文件系统、进程、平均负荷等等。不同的应用所依赖的系统功能也可能不 同。当系统某个功能部件故障时，可能有的应用己经无法继续进行，而有的应 用却根本不受影响。 因此有时还需要针对特殊的 应用来设计a g e n t . a g e n t 实 际 上 使很 多 相关 技 术的 总 称， 为实 现 高 效的a g e n t 往 往 需 要 有 操作 系统核心的 支持，有时还需要特殊的硬件支持。 如 i n t e l 公司为基于i n t e l c p u 服务器系统制定的d mi 应用软件需要一个生长的土壤，如服务器、网络设备、 存储设备等 硬件设备和一些操作系统等基础软件， 我们称为基础架构。 这两者相互依存，缺 一 不可。 一个大型企业有很多个业务单元，一个或几个业务单元可能组成一个内部 局域网，每个局域网上连着各种设备，象:大型的可分区服务器、小型的工作 站、 p c 机、交换机、 路由 器、负载 均衡器等网络设备、 还有少不了 的存储设备 等等。局域网之间和每个局域网内部往往都是异构的网络和异构的系统，而且 其上运行的应用系统可可能是五花八门的。 随 着计算机技术和网络技术的发展， 不断有新的设备新的 应用添加到企业网 络中来， 这样企 业的基础架构越来越庞 大、越来越复杂。 企业的基础架构的 特点不仅仅是复杂和异构，而且由于历史的原因，企业 的基础架构往往是分散的和孤立的。虽然企业间的各个网络都连到了一起，但 是不同的业务单元各自 有着自己 的资源设备，彼此独立使用，资 源的共享和动 态分配较少，资源的使用率较低。 面对复杂、异构而又孤立的企业系统， 不单单是系统管理人员感到烦恼， 一些企业的高层管理者也被企业计算系统的管理搞得头大如斗。提高企业的市 场竞争力就必须提供安全可靠的电子商务服务，可复杂的系统难免会出问题， 而且解决这些故障常常需要几小时甚至几天时间。不仅如此，目前管理一个庞 大的企业计算系统所需的维护、培训等费用也越来越高。据 g a r t n e r 报告，到 2 0 0 6 年因此而带来的弊端将迅速凸显， 特别是技能培训方面的费用将高到影响 系统正常运行的程度。 为提高企业计算的可用性和易管理性，企业需要重新钩筑一个全新的基础 西北 业大学硕士论文 第 3章 第3 章虚拟操作环境系统的总体设计 3 . 1 虚拟操作环境系统的目标和设计思想 随着全球化的发展，企业间的 竞争也 越来越激烈。那么， 企业如何才能快 速面对市场、资金、和竞争的变化呢?答案是企业需要被细分为彼此独立却又 紧密相连的业务单元。 业务单元是 一组紧密相关的业务活动，由 适当的信息系 统、流程、组织结构和评测标准来支持， 每一个单元服务于一个特定的目 标。 每一个业务单元都要由相应的信息系统为支撑， 我们称这些信息系统为企业的 应用软件; 应用软件需要一个生长的土壤，如服务器、网络设备、 存储设备等 硬件设备和一些操作系统等基础软件， 我们称为基础架构。 这两者相互依存，缺 一 不可。 一个大型企业有很多个业务单元，一个或几个业务单元可能组成一个内部 局域网，每个局域网上连着各种设备，象:大型的可分区服务器、小型的工作 站、 p c 机、交换机、 路由 器、负载 均衡器等网络设备、 还有少不了 的存储设备 等等。局域网之间和每个局域网内部往往都是异构的网络和异构的系统，而且 其上运行的应用系统可可能是五花八门的。 随 着计算机技术和网络技术的发展， 不断有新的设备新的 应用添加到企业网 络中来， 这样企 业的基础架构越来越庞 大、越来越复杂。 企业的基础架构的 特点不仅仅是复杂和异构，而且由于历史的原因，企业 的基础架构往往是分散的和孤立的。虽然企业间的各个网络都连到了一起，但 是不同的业务单元各自 有着自己 的资源设备，彼此独立使用，资 源的共享和动 态分配较少，资源的使用率较低。 面对复杂、异构而又孤立的企业系统， 不单单是系统管理人员感到烦恼， 一些企业的高层管理者也被企业计算系统的管理搞得头大如斗。提高企业的市 场竞争力就必须提供安全可靠的电子商务服务，可复杂的系统难免会出问题， 而且解决这些故障常常需要几小时甚至几天时间。不仅如此，目前管理一个庞 大的企业计算系统所需的维护、培训等费用也越来越高。据 g a r t n e r 报告，到 2 0 0 6 年因此而带来的弊端将迅速凸显， 特别是技能培训方面的费用将高到影响 系统正常运行的程度。 为提高企业计算的可用性和易管理性，企业需要重新钩筑一个全新的基础 西北 1业大学硕士论文 架构，该构架的必须具有: 第 3章 . 整合性:能对企业中所有的各种资源进行统一管理，使它们在不同业 务应用间能动态的调整资源的分配与优化使用。 . 开放性:管理系统的开放性，是系统管理功能扩展的一个基础。管理 系统需要符合业界标准，以 实现对各种资 源的统一管理和与其它管理 软件的 集成。同时管理系统需要开放开发接口 ，以方 便扩展管理功能。 . 虚拟性:就是通过恰当的基础设 施建设，从管理层面将资源的功能从 资源的实体上分离出 来，从而达到更加灵活、专业、低成本地使用资 源的目的。 . 自 主性:让计算机拥有自 我诊断、自 我调节、自 我修复的能力，不需 要过多的人为干涉就能自主运行。自主计算将大大减轻人们对计算系 统的维护工作量， 使用计算资源将变得轻而易举。 企业要在越来越复杂、异构的企业环境下实现高可用性和易管理性，就需 要建立一个整合、 开放、 虚拟、自 主的企 业资源管理构架。 整合、 开放、 虚拟、 自 主 这四 个 方 面是 企 业 今 后发 展 的目 标 和 趋势 。 无 可置 疑 整 合 是 首当 其 冲; 其 次是整合本身所要求的一个开放的标准;除此之外， 在技术层面也需要两种支 持: 可以 使分布在计算机中的资源真正实现随时随地共享的 虚拟运算，以及让 企业将精力投注在商业运作而非复杂 的系统之上的 自主计算 ( a u t o n o mi c c o m p u t i n g ) ， 让计算机设备能够像生物体一 样具有根据环境变化进行自 我调节 的能力。 针对当前企业环境的 特点， 本论文所研究设计的 虚拟操作环境系统就是以 上面所述的整合性、开放性、 虚拟性、自 主性四个方面为出发点，来实现企业 系统的高可用性和易管理性，以及达到智能管理的 目的。 虚拟操作环境系统利用 自主计算思想实现 自主性。自主计 一算是 i b m为了解 决企业计算系统的复杂性的增加，管理困难的问题，而提出的概念。自主计算 的思想是让计算机拥有 自我诊断、自我调节、自我修复的能力，不需要过多的 人为干涉就能自主运行。自主计算的思想已经在 i b m 的企业管理软件 t i v o l i 中 初露端倪。自主计算的实现一般通过监视、分析、计划、执行这样一个循环来 进行。虚拟操作环境系统结合系统硬件设备的特点综合运用网络技术、策略技 术来实现 自主计算，达到智能管理的目的 西北工业大学硕士论文第 3章 系统的整合性和开放性是相辅相成不可分割的。要把企业系统中的各种资 源进行统一管理就需要一个开放的标准，开放标准是减轻管理系统复杂性和降 低系统管理费用的必要条件。在工业界，管理标准制订机构 分布式管理任 务推进组 ( d mt f ) 倡导的基于 w e b的企业管理 ( w e b - b a s e d e n t e r p r i s e m a n a g e m e n t, w b e m ) 标准 就 一 个 为 统一 企 业资 源管 理 而 制 定的 开 放 的 标 准。 wb e m标准， 于1 9 %年7 月推出。 w b e m是mi c r o s o ft最 先提出的， 包括3 c o m 在内的6 0 多个提供商都支持此项标准， 此项标准是面向 对象的， 能 够将从多来 源 ( 设备、系统、 应用程序)以多协议 ( 例如 s n m p , d m i ) 获得的数据抽象 化，它加强了管理能力并且使它们通过单一的 协议出现。 wb e m 被认为是“ 兼 容和扩展” 了当前的标准， 如s n m p . d m i 和c m i p ， 而并不是 取而代之。 wb e m 实际上更强调“ 公司管理” 胜于“ 基于 w e b ， 虽然 wb e m使自 己以w e b 工具的 形式出现，但它的真正目标是强化对于网络元素和系统的管理，这包括网络设 备、 服务器、 桌面和应用程序。 本虚拟操作环境系统就基于j a v a 构建了一 个可 扩展的wb e m管理框架来 对企业资 源统一管理。 该管 理框架不仅平台 无关， 适 用于异构系统， 而且他提供开放的 可扩展的接口， 方便今后的扩展与维护。 为达到对企业资源管理的虚拟化，虚拟操作环境系统首先根据企业计算系 统 的 中 可分 区 服 务器 的 硬 件 特点 ， 从 硬 件内 部实 现虚 拟 化。 服 务 器分 区 技 术 可 将服务器的 c p u、内存、i / o 等资源合理地进行分区和调配，不同分区内可以 执行不同的操作系统或同一操作系统的不同 版本，最大限度地挖掘了服务器的 性能，一台服务器甚至可以当作几十台使用，提高了硬件利用率。另外，虚拟 操作环境系统对系统中的各种资源按业务单元为 用户建立虚拟的 逻辑视图。 这 种以 业务为导向的系统管理方式不仅能最大限 度的 优化资源的 使用，而且大大 方便了管理员对系统的管理。 3 . 2 虚拟操作环境系统的关键技术 3 . 2 . 1 基于 we b的企业管理 ( wb e m ) 为了解决上面所提到的问题， 工业界提出一个新的标准: wb e m( we b - b a s e d e n te rp ri s e m a n a g e m e n t ， 基 于w e b 的 企 业 管 理) 。 w b e m具 有 分 布 和 面向 对 象 特性， 采用一种层次化的管理信息模型c i m ( c o m m o n i n f o r m a t i o n m o d e l ) ， 能 够通过统一管理系统的所有资源 ( 包括网络设备、计 一 算机设备和软件系统) 。 wb e m 是对 s nmp , c mi p t f i d mi 等标准的 “ 兼容和打 展 ” ，i l l 不是取i ( fj 代之。 西北工业大学硕士论文第 3章 系统的整合性和开放性是相辅相成不可分割的。要把企业系统中的各种资 源进行统一管理就需要一个开放的标准，开放标准是减轻管理系统复杂性和降 低系统管理费用的必要条件。在工业界，管理标准制订机构 分布式管理任 务推进组 ( d mt f ) 倡导的基于 w e b的企业管理 ( w e b - b a s e d e n t e r p r i s e m a n a g e m e n t, w b e m ) 标准 就 一 个