（计算机软件与理论专业论文）高可用系统虚拟化管理的研究与开发.pdf

摘要 在传统的i t 架构中，现代企业的灵活性受到诸多挑战，这些挑战主要体现 在以下几个方面：应用被捆绑在固定的平台上；各项应用拥有着不同的平台： 每个应用环境都需按预计最大负载来构建【”，彼此之问仅有较低的或根本没有资 源共享。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。 面对这些传统i t 技术与架构所带来的问题，本文对高可用系统进行了研究， 通过虚拟化技术，将基础设施从物理变成虚拟的，i t 设施变成了一个虚拟资源 池。在此基础上，探讨并设计了一个资源自主计算模型，构建一个“整合”、“开 放”、“自主”和“虚拟”【1 9 l 的计算资源管理系统，实现了计算机系统的高可用 性和自我管理性。根据以上目标，作者参与设计并实现了具有虚拟化管理的高 可用性的虚拟操作环境系统。作者研发的工作主要体现在以下几个方面： 1 资源管理框架的设计：为了对计算资源进行统一管理，虚拟操作环境利 用w b e m ( w e b b a s e de n t e r p r i s em a n a g e m e n t ) 标准，设计并实现了一 个开放性的管理框架，该框架具有良好的整合性和管理的灵活性。 2 自主计算模型的设计：为了系统能够实现自我配置、自我修复、自我优 化和自我保护四个自主计算的特征，设计和实现了一个自主计算模型， 进而提高了系统的可用性也降低了系统的管理难度。 3 资源虚拟化的设计：把企业中所有的各种资源整合成一个虚拟资源池。 利用逻辑分区技术使可分区服务器和存储设备等资源能够根据_ k 务需要进 行动态的配置。同时引入自律计算技术实现系统一定程度上的自我管理。 关键词：高可用性，虚拟化，自主计算，w b e m ，c i m 。 a b s t r a c t i nat r a d i t i o n a li ta r c h i t e c t u r e ，t h ef l e x i b i l i t yo fm o d e me n t e r p r i s ef a c e sw i t h m a n yc h a l l e n g e s ，w h i c hm a i n l ye m b o d yf o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ：t h ea p p l i c a t i o n i sb o u n di nt h ef i x e dp l a t f o r m ；e a c ha p p l i c a t i o nh a st h ed i f f e r e n tp l a t f o r m ；e a c h a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n tm u s tb ec o n s t r u c t e da c c o r d i n gt ot h eh e a v i e s tl o a dw h i c hi s e s t i m a t e d ，e a c ho t h e ro n l yh a sl o w e ro rd o e sn o th a v et h er e s o u r c e st os h a r e ；w i t h t h er e a s o no fh i s t o r y , t h ec o m p u t i n ge n v i r o n m e n to fe n t e r p r i s ei su s u a l l yd i s t r i b u t e d ， i s o l a t e d ，h e t e r o g e n e o u s t h er e s o u r c ed o e sn o tb em a n a g e di nu n i f i e dw a y , a n dn o t b ed e p l o y e dd y n a m i c a l l y f a c i n ga b o v eq u e s t i o n s ，i nt h ep a p e r , w es t u d i e dt h eh i g ha v a i l a b i l i t ys y s t e m ， t h r o u g hv i r t u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y , t h ei n f r a s t r u c t u r et u r n sv i r t u a l i z a t i o nf r o mp h y s i c s ， a n dt h ei ti n f r a s t r u c t u r et u r n e di n t oav i r t u a lr e s o u r c e sp o n d ，o nt h eb a s i so fi t ，w e d i s c u s s e da n dd e s i g n e da l la u t o n o m i cc o m p u t i n gm o d e l ，a n dc o n s t r u c t e da ni t r e s o u r c em a n a g e m e n ts y s t e mw h i c hr e a l i z e dt h ef e a t u r e so f “i n t e g r a t i o n ”，”o p e n ”， “a u t o n o m i c a n d “v i r t u a l i z a t i o n ”，a n dr e a l i z e dt h ec o m p u t e rs y s t e mw i t h h i g h a v a i l a b i l i t y a n dt h e s e l f - m a n a g e m e n t 1 t a k e p a r t i nt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to ft h ev o e sw i t hh i g ha v a i l a b i l i t ya n dv i r t u a l i z a t i o nm a n a g e m e n t m y r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tw h i c hit a k ep a r ti nt h ev o e s g r o u pa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h ed e s i g no fr e s o u l t em a n a g e m e n tf r a m e w o r k ：i no r d e rt ou n i e yt h e m a n a g e m e n to fc o m p u t i n gr e s o u r c e s ，i nv o e ，w eu s et h es t a n d a r do f w b e m ( w e b b a s e de n t e r p r i s em a n a g e m e n t ) ，d e s i g na n dr e a l i z ear e s o u r c e m a n a g e m e n tf r a m e w o r kw i t ht h ef e a t u r e so f “o p e n ”“i n t e g r a t i o n a n d f l e x i b i l i t yo fr e s o u r c em a n a g e m e n t 2 t h ed e s i g no fa u t o n o m i cc o m p u t i n gm o d e l ：i no r d e rt or e a l i z et h e f e a t u r e so f s e l f - c o n f i g u r i n g ，s e l f - h e a l i n g ，s e l f - o p t i m i z i n g a n d s e l f - p r o t e c t i n g o fa u t o n o m i c c o m p u t i n g ，w ed e s i g n a n dr e a l i z ea n a u t o n o m i cc o m p u t i n gm o d e li nt h ev o e 3 t h e d e s i g n o fr e s o u r c ev i r t u a l i z a t i o n ：w eu s et h e l o g i c a lp a r t i t i o n t e c h n o l o g i e sa n da u t o n o m i cc o m p u t i n gt e c h n o l o g i e st or e a l i z ed y n a m i c c o n f i g u r a t i o na n ds e l f - m a n a g e m e n to fc o m p u t i n gr e s o u r c e s k e y w o r d s h i g ha v a i l a b i l i t y , v i r t u a l i z a t i o n ，a u t o n o m i cc o m p u t i n g ，w b e m c i m 婀北1 i 业大学硕十学位沦文 第一章绪论 1 1 研究的目的及意义 第一章绪论 随着计算机技术的发展，在现代企业环境的架构中，系统变得越来越复杂， 交换机、防火墙、服务器、各种各样的操作系统、各种应用软件结合在一起构 成了企业的i t 环境。然而企业中服务器环境、网络和存储构成每种应用的资源 孤岛，并且在彼此松散连接状态下进行扩展通常不考虑整体系统的复杂性。 1 2 1 j 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。 因此，系统在理解、管理、安全、升级和操作方面存在困难也就不足为奇了。 多年来，企业的i t 部门都希望对这些应用进行合并，减少服务器的数量， 同时还可以节省大量的管理成本、硬件、占地空间和电力消耗。但问题是，通 常这些应用在编写时就已经确定不能与其他应用共存于同一台服务器上i “。有 些应用需要不同版本的操作系统、数据库和中间件；有些应用则可能消耗系统 中的所有硬件或软件资源，因而阻止其他应用的运行。对于业务的增加、变动 系统的资源根本不能适应快速、频繁的重新配置。 另外，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，【“i 将会没有足够的熟练的系统管理人员来保证计算机 系统的运行。面对复杂和异构的系统，出现问题是不可避免的事情，对于系统 的故障，管理员不得不亲临现场进行故障排查。因为发生的问题不一定是硬件 的故障，有可能是内部逻辑错误等，管理员不得砩i 跟踪问题发生的轨逃，解决 这些故障常常需要几小时甚至几天时间，并且未必能够顺利解决问题。不仪如 此，管理这样的一个庞大的计算机系统所需的维护、培训等费用也越来越离。 总之，随着计算机系统的复杂性的增加，企业i ，r 系统架构面临着新的危机， 这主要体现在以下几个方面： 1 j 系统自适应性太差。应 j 被捆绑住固定的平台上，每个应刖环境部 西北【：业大学硕士学位论文第一章绪论 需按预计的最大负载来构建，彼此之间仅有较低的或根本没有资源共 享。系统配置不灵活，随枫应变能力差。 2 1 “j 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 长时间中断，这对企业来说是个巨大灾难。 3 1 2 1 】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面对系统资源间千丝万缕的 联系也无法迅速解决系统出现的问题。 4 故障修复周期延长。管理人员很难在庞大的系统内迅速找到故障关键 所在及其影响并立即修复，而这些关键业务是企业的命脉，短暂的故 障可能造成极大的损失。 5 【2 1 】资源得不到优化。随着系统复杂性的增大，不仅系统内各种设备的 数量极其多，而且各个设备之间的相互联系也非常复杂，有些设备超 负荷工作而另一些空转，这样就造成了资源没有得到合理的应用。如 何让这些设备能均衡负载，是一个很难的问题。 6 【2 l 】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 lc o s to fo v e 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 。 面对以上所出现的问题，对于复杂、异构的企业计算环境如何进行资源有 效地整合，如何使管理具有开放性，如何使系统资源具有虚拟性和自主性，如 何能使资源进行动态配置，这些成了当今国际上研究的热点和亟待解决的问题。 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。 1 2 研究工作概述 本论文结合作者承担的研究和开发工作，针对当今企业计算环境复杂、异 构的特点，嗣绕如何提高企业汁算的可用性和降低企业资源的管理难度，实现虚 拟化管理的高可用性虚拟操作环境这一目标，从系统设计的思想、资源管理框 架、资源自主计算模型到管理员对企业进行虚拟化管理的揲作进行资源灵活的 利胃等几个方面展，n r 研究，并存此基础j ：，没汁和实脱了虚拟操作环境。 塑i l ；! ：些叁兰堡兰兰堡丝圣墼= 童丝篁 1 2 1 论文的主要工作 1 ) 对高可用系统以及要解决的问题进行了概述，针对当前企业i t 系统资源 管理的现状以及存在的问题，探讨了虚拟操作环境设计的思想、预期的目 标和所需要的关键技术，同时介绍了虚拟操作环境的系统结构。 2 ) 对当前各种管理协议逐个进行分析和比较，并对这些协议面对当前企业复 杂、异构的i t 资源管理的局限性进行分析。进而探讨了w b e m 标准的优点， 并在虚拟操作环境中实现了基于w b e m 标准的资源管理框架，也对存储资 源的c i m 模型建立加以具体的实现。 3 ) 结合自主计算的特性，实现了自主计算模型，以及对动态决策循环优化模 型加以实现。然后介绍自主计算特性在虚拟操作环境中的具体的体现。 4 1 对虚拟操作环境虚拟化设计思想进行探讨，介绍了服务器虚拟化，进而利 用w b e m 管理框架进行对资源进行整合统一管理，根据业务进行灵活配置 使系统资源具有自适应性，同时把自主计算模型引进资源管理框架中实现 系统进行自我管理。 1 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目的和研究意义，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。 第三章高可用性虚拟操作环境系统的总体架构 根据当前计算环境的特点，提出了虚拟操作环境的设计目标和设计 思想，并给出了虚拟操作环境系统的总体架构，然后介绍虚拟操作 环境系统所使用的自主计算、分区技术、虚拟化、基w e b 的企业管 理等技术。 第四章虚拟操作环境资源管理框架的没计与实现 分析和比较了当河的主要管理协议，阐明了采用w b e m 的管理框架 的优点，进而采用w b e m 标准殴计虚拟操作环境的管理框架，最后 塑! ! 当些叁兰堡圭兰堡丝塞 薹= 塞丝丝 具体给出了在虚拟操作上不境中建立存储设备的c l a m 模型的细节。 第五章虚拟操作环境自主汁算模型的设计与实现 设计和实现一个具有自我配置、自我修复、自我优化和自我保护特 性的自主计算模型，同时也介绍了在虚拟操作环境中自主计算四个 特性的具体的实现。 第六章虚拟操作环境虚拟化管理的设计与实现 提出了虚拟化设计的思想，并探讨了服务器的虚拟化。然后介绍虚 拟操作环境虚拟化的具体实现方案，以及管理员管理资源虚拟化的 具体体现。 1 3 小结 本章主要介绍了高可用系统虚拟化管理的研究的目的及意义，笔者所做的 主要工作和本文的组织结构和章节安排。 荫北t 业人学硕士学位论文第二章高可= | 系统的概述 第二章高可用性系统的概述 2 1 什么是高可用系统 高可用性系统主要用在大型的计算项目和控制项目上，1 人们评价一个系 统是否是高可用性系统，主要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： 1 能够提供不间断的服务。这里的不间断服务的含义就是系统的连续运行 时同，对用户来说，这个时间越长越好。 2 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 能迅速的排除掉故障，保证系统难常的运行。 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 li t y ) 是通过系统的可靠性( r e li a b i li t y ) 和可维护性( m a i n t a i n a b i l i t y ) 来度量的。【2 3 】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( 5 f 【t 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 + m t t r ) 术1 0 0 9 6 。 业界根据可用性把计算机系统分为如下几类： 表2 - l 计算机系统分类 可用比例年停机时间 ( p e r c e n ta v a i l a b i l i t y )( d o w n t i m e y e a r ) 9 9 ，53 7 天 9 9 98 8 小时 9 9 9 95 2 6 分钟 9 9 9 9 9 5 3 分钟 9 9 9 9 9 93 2 秒 可用性分类 ( a v a i l a b i l i t y ) 常规系统( c o n v e n t i o n a l ) 可用系统( a v a i l a b l e ) 高可用系统 ( h i 曲l ya v a i l a b l e ) f a u l tr e s i l i e n t f a u l tt o l e r a n t 系统的可用性不高所带来的后果： 对于关键业务，停秽i 通常是灾难准的。因为停机带来的损失垃三足巨大的。 两北l 业大学颂士学位论文第三帮高可用系统| ! f 勺概述 下面的统计数字列举了不浏类型企业应用系统停机所带来豹损失。 表2 - 2 停机给企业带来的损失 应用系统 ! 呼日q 中，t 二, ( c a tic e n t e r ) 。企业资源计划( e r p ) 系统 ；供应链管理( s c m ) 系统 每分钟损失( 美元) 2 7 0 0 0 1 3 0 0 0 1 1 0 0 0 z 电子商务( e c o i i l 【n e r c e ) 系统 1 0 0 0 0 溶户服务( c u s t o m e rs e r v i c ec e n t e r ) 系统2 7 0 0 0 而随着计算机应用的不断深入，企业对计算机系统的依赖程度也日渐增加。 尤其在一些关键行业的关键应用上，应用的后台核心系统是否具有保护业务关 键数据的完整和维持应用程序的高可用性的能力。已经成为影响一个公司业务 成败的关键因素。由上表可知，这些企业处理系统中所保存的关键业务数据一 旦信息发生丢失或破坏，将带来灾难性的影响和损失。 在传统观念中，用户只有选择价格昂贵的大型机或小型机来提商业务系统 运行的稳定性，系统实施及维护成本极商。而单一的p c 服务器系统目前还无法 满足以上用户对于安全性及可用性的要求。在资源有限的情况下，如何保证业 务系统的高可用性和数掘的安全，已成为众多用户关注的焦点问题。 而现在，为了减少维护系统高可用的成本，2 0 0 1 年l o 月，i b m 正式提出了 一种称为自主计算( a u t o n o m i cc o m p u t i n g ) 的概念。i t 4 1 自主计算概念的提出将高 可用性系统提升到更高的层次。自主计算的灵感来自人体复杂昀自主神经系统， 丽新要解决的则是目益复杂的运算环境所丽l | 螽的管理与成本闻题。l b m 将自主 计算定义为“能够保证电子商务基础结构服务水平的自我管理( s e l f m a n a g i n g ) 技术”。之后惠普、富士通、s u n 等公司均发表了自末计算构想。n e c 于2 0 0 3 年1 0 月2 2 日发表了实现自主计算的新构想“v a l u m 0 ”【2 】。n e c 将自主 计算所需的功能定义为3 个方面，即“自主”、“虚拟化”和“分散”。n e c 将 按照v a l u m o 构想，在2 0 0 4 年内在产品中嵌入必要的功能。自律i2 | 是一种当 系统出现故降时能够自动恢复的功能。包括处理负荷过高时，自动分数负荷的 功能等。虚拟化是一种在连接多个服务器的环境中，逻辑上能够将多台服务 器作为l 台服务器运用的技术。可提高扩展性能及降低运用负荷。分散是一种 西北i ：业人学硕士学能论文第_ 二章高可用系统的概述 在网络环境中确保信息连动的功能。有助于在异地建立灾害对策站点等。 由此可见，未来对计算速度、系统可靠性和成本实效性必将成为企业追求 的目标。随着计算机网络的出现，一个新的具有更高性能价格比的体系逐渐成 为应用主流分布式集群计算体系【引。当用户需要完成任何任务时，分布式集 群计算提供了尽可能多的计算机处理能力和数据的透明访问能力，同时实现高 性能与高可靠性的目标。 2 高可用性要解决的主要问题 2 2 1 系统恢复 2 3 】提供不间断的系统服务是高可用性系统所追求的目标，但是我们又不能 保证也无法预测系统中的软硬件资源不出现故障。这样一来，在系统的软硬件 发生故障时，如何迅速的进行系统恢复以保证系统的正常运行就是高可用性系 统要解决的首要问题。 i 2 3 l _ 般的，我们采取部件的冗余设置来解决这个问题，也就是说，为硬件 设置备份，在出现故障时，备份的硬件可以进行替代。容错系统就是采用这种 方法来解决这个问题的。对主服务器设簧一台备用的服务器，当主服务器发生 故障的时候，从服务器接替主服务器的工作继续提供服务。设嚣的从服务器越 多，系统的可用性越高。 2 2 2 负载均衡 【2 3 i 在很多系统中，经常出于系统内的负荷分配不均衡而导致了某些节点的 负担过重，从而导致了系统的宕机。例如，某系统向用户提供了很多项服务， 其中一项服务在某一时问内的业务量非常大，面其他的业务量很小，这时，如 果系统没有采取一些措施，会导致处理该业务的资源耗尽，而使用户的请求不 能得到u i q 应，甚至会引起系统的宕机。 系统中各个核一i i , 部分随着业务量的提高、访问量和数据流量的快速增k ， 其处理能力和计算强度也柑应增大，这使得单一设备根本无法承担。1 2 圳存此情 况下，如果扔掉现有殴备去做大量的硬件升级，这样将造成现有资源的浪费， 西北i ，业大学硕七学位论文第二章高可_ 1 j 系统的概述 而且如果再面l 临下一次业务量的提升，这又将导致再一次硬件升级的高额成本 投入，甚至性能再卓越的设备也不能满足当日u 业务量的需求。于是，负载均衡 机制应运而生。 负载均衡( l o a db a l a n c e ) 建立在现有网络结构之上，f 2 3 j 它提供了一种廉价 有效透明的方法扩展网络设备和服务器的带宽、增加吞吐量、加强网络数据处 理能力、提高网络的灵活性和可用性。 负载均衡有两方面的含义：1 2 3 1 首先，大量的并发访问或数据流量分担到多 台节点设备上分别处理，减少用户等待响应的时间；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，每个节点设各处理结束后，将结果汇总， 返回给用户，系统处理能力得到大幅度提高。 负载均衡是由多台服务器以对称的方式组成一个服务器集合，每台服务器 都具有等价的地位，都可以单独对外提供服务而无须其他服务器的辅助。通过 某种负载分担技术，在性能不同的服务器之间进行负载平衡，充分利用服务器 群中的每一台服务器，保护现有投资，既保证性能差的服务器不成为系统的瓶 颈也保证性能高的服务器资源得到充分利用。 网络系统要达到高可用性的要求，负载均衡是必不可少的解决问题之一。 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 2 3 l 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，【2 3 】以保证系统的当前运行部分都捌有 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 小结 本章辛要介绍了高可用系统的概念以及要解决的主要问题。 西北l 业人学硕十学位论文 第二三章虚拟操作环境的总体架构 第三章虚拟操作环境的总体架构 3 1 虚拟操作环境的设计思想和目标 现代企业环境的架构中，系统的复杂性随处可见防火墙、服务器、各 种各样的操作系统，不胜枚举。【2 l 】服务器环境、网络和存储构成每种应用的资 源孤岛，并且在彼此松散连接状态下进行扩展通常不考虑整体系统的复杂 性。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。 因此，系统在理解、管理、安全、升级和操作方面存在困难也就不足为奇了。 存在的这种情况，通常是企业长期发展过程中积累起来的。由于缺乏适合 企业长期规划的计算机设备，造成企业只能实行打补丁的策略。企业在不同时 期购买的产品属于不同供应商生产的系统，代表不同时代的技术。这样，复制 服务、恢复及备份流程和信息管理，以及其他管理任务需要由不同供应商的不 同软件柬完成。这静系统结构的不一致导致很难为最关键的业务分配资源，及 时满足客户需求。 然而，伴随着数据量和数据流的海量增长，这种复杂性已成为企业竞争力 的障碍。当前，信息已越来越成为重要且耗用成本的资产，导致各种组织正在 相对于信息的价值进行i t 投资，以减少风险、降低成本、提高灵活性。因此， 企业要想在随需应变的环境下参与竞争，就必须简化基础设施，而整合、虚拟 化及自动化管理正是精简系统的三种成熟方法。 为了达到企业计算的灵活性、可用性和易管理性，企业需要重新构筑一个 全新的基础架构，该构架的必须具有： 整合性：能对企业中所仃的各种资源进行统一管理，i i 9 】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，| ：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，以实脱埘各种资源的统一管理和与其它管理软件的集成。 同时管理系统需要丌放，r 发接，以方便扩展管理功能。 9 西北l ：业人学硕士学位论文 第三章虚拟操作环境的总体架构 自主性：让计算机拥有自我配置、自我恢复、自我优化、自我保护的能 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。 虚拟性：就是通过恰当的基础没旌建设，f 1 9 l 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。 它把服务器、存储和网络设备等资源融合到一个虚拟资源池中时，企业可以通 过提高资产利用率获得更高i t 投资回报。企业还可以增强部署灵活性，快速响 应高峰需求，并在需求降低的情况下重新分配资源。 为了在企业越来越复杂、异构的计算环境下实现系统的高可用性和易管理 性，该框架必须首先对资源进行有效的整合，而且这种整合必须具有歼放的标 准。【2 1 】整合的资源池要想达到智能管理、动态资源优化和持续的安全运营以实 现随时随地共享的虚拟运算，必须实现系统运算的自主性。所以该框架以上的 四个特性是有机结合在起的，而不孤立存在的。 本论文所研发的虚拟操作环境就是结合以上四个方面，设计和实现系统资 源的自主运算特性、虚拟化管理特性。 系统的整合与开放是相辅相成密不可分的。要想整合系统的资源，首先必 须有一个开放的标准，因为只有开放才能具有可扩展性以及管理的灵活性。目 前，管理标准制订机构d m t f ( 分布式管理任务推进组) 倡导的基于w e b 的企业 管理w b e m ( w e b b a s e de n t e r p r i s em a n a g e m e n t ) 【2 4 l 己成为一个统一企业资源 管理而制定的开放的标准。w b e m 是m i c r o s o f t 于1 9 9 6 年7 月最先提出的，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【2 4 】的，能 够将各种资源( 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f j 匀协议出现。w b 鳓被认为 “兼容和扩展”了当前的标准，如s n m p 、d 6 , i i 和c m i p ，而并不是取而代之l2 4 1 。 w b e m 的真l f 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、 存储设备、桌面和应用程序。虚拟操作环境采用w b e m 标准构建了一一个对企业资 源进行统一管理的可扩充的管理框架。而且该框架对外提供可扩展的接口，以 f i 朱管理扩展和有效的维护。 资源的整合和丌放足系统优化管理的基础，但是要实现系统具有智能自我 管理，系统必须具有资源自主汁算的特性。自主计算是i 删为了解决企业计算 系统的复杂性的增加，管理凼难的问题，丽提出的橛念。自主计算的灵魂足让 计算机具彳j 自我配胃、自我恢复、自我优化、自我保护的能j 。虚拟操作环境 ( 矾b1 业人学硕士学位论文笫三章虚拟操作环境的总体架构 结合自主计算的系统结构、自主”算的架构管理层结构的特点实现了一个自主 计算模型，从而实现系统的自我管理。 为了使已经整合的资源合理有效的利用，必须对资源进行虚拟化。虚拟操 作环境把若干个分散的物理服务器资源虚拟为一个大的逻辑服务器，并将所有 资源当作一个虚拟资源池来管理。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，各分区使用的硬件资源在系统运行中可以即时进行再 分配。通过共享内存区域可以将分区连接成群集，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。然后引入自 律计算技术实现系统的自我管理。 3 2 虚拟操作环境的总体结构 虚拟操作环境所管理企业的资源主要包括网络设备、存储设备、应用服务 程序、服务器等。在基于w e b 的企业管理的系统中，管理客户端和管理端 ( m a n a g e r ) 结构是分离的，所以管理客户端并不局限于某一个具体的工作站。 虚拟操作环境总体结构如图3 1 所示： 图3 - 1 虚拟操作环境系统总体结构幽 如上图所示，虚拟操作环境的m a n a g e r 端包括服务器管理系统、存储管理 系统、网络管理系统、应用程序管理系统四个部分。 1 p - 3 1 服务器管理系统( s e r v e rm a n a g e m e n t ) 曲北，【业人学硕士学位论文第三章虚拟操作环境的总体架构 服务器管理系统对可分区服务器各资源( c e l l 、d i s k 、i o ) 进阡管理和 控制。服务器管理是虚拟操作环境的核心，它实现可分区服务器等硬件资源 的虚拟化管理。 2 【2 3 j 存储管理系统( s t o r a g em a n a g e m e n t ) 存储管理系统( s t o r a g e m a n a g e r ) 对企业的磁盘阵列等存储设备进行管 理和控制。主要功能有；监视存储设备的使用，根据使用情况动态调整某个 应用的存储空间。 3 2 3 】网络管理系统( n e t w o r km a n a g e m e n t ) 网络管理系统管理企业计算环境中的各种网络设备，包括每个业务所用 网络流量的负载平衡，虚拟局域网( v l a n ) 的构建，以及网络安全的防护等。 4 应用程序管理系统( a p p l i c a t i o nm a n a g e m e n t ) 应用程序管理系统管理企业计算环境中的应用软件，主要功能包括管理 软件分发，许可( l i c e n s e ) 监测、升级、打补丁等等。 3 3 虚拟操作环境所使用的关键技术 3 3 1 自主计算技术简介 3 3 1 1 自主计算的概念和特征 自主计算【1 9 l 是美国 b m 公司于2 0 0 1 年1 0 月提出的一种蔌概念。i b m 将自 主计算定义为“能够保证电子商务基础结构服务水平的自我管理( s e l f m a n a g i n g ) 技术”。其最终e | 的在于使信息系统能够自动地对自身进行管理， 并维持其可靠性。 目前，电子商务的基础结构几趋复杂，人类已经无法对其进行有效的管理。 现在及将柬都会同时存在多个服务器、中u j l - t ：、应用软件、存储器、网络。要 想管理这些所有要素，并确保整体的川诘性，就必须具有自我管理功能。i b m 认为，只要刁i 实现自主汁算，f 乜子商务就不会有新的发展，自主i f 算将足f 乜子 商务之后的焦点所在。 自主计算的核心思想i 撺】足将复杂性嵌入到系统设施本身，使用户觉察不到 硝北 业大学硕士学位论文 第三章虚拟操作环境的总体架构 复杂性，只需发号施令而不必关心系统执行命令的具体过程。这意味着，系统 本身能够自主运行，并自我调整以适应不同的环境。 自主计算的灵感来自人体复杂的自主神经系统【1 9 1 ，它以同样的方式预测系 统的需求和清除故障在无需人工干预的情况下聪明地运行。所要解决的是 网益复杂的计算环境中所面临的管理与成本问题。自主计算通过“羽技术管理 技术”来帮助解决这一问题。虽然自主计算得名予人体的自主神经系统，但它 们的重要曩异在于，人体做出的很多自主决定是不自觉的，丽计算机系统豹自 主计算组件见u 遵循人所下达的命令。但是自主计算并不等于人工智能。自主计 算并不将模仿人类思维作为主要目标，而是具有适应动态变化环境自我管理能 力。就好像汽车的自动变速禧，可以说它代替驾驶员确定换挡时机，但是实际 上它不断地优化机器是为了要让驾驶员将精力集中在较重要的任务上，使汽车 到达耳的地。自主的计算机系统与此相似，它使得人们更注熏计算机系统功能 的实现，而不用去关心每一步细小和琐碎的操作。 自主计算的核心是自我配置、自我优化、自我恢复和自我保护【”l 。尽管这 一切曾经遥不可及，但i b m 诸多业界领先的技术，无疑让人们看到了自主计算 的未来。i b m 的长远目标是让计算资源的使用简便的如同把电灯插入插座，自 主计算无疑将为这一目标的实现打下坚实的綦础。 基于自主计算理念下的软件能够自动采取行动并为基础设旌提供自主系统 管理功能，使包括系统管理软件在内的计算视系统环境能够实现自我配置、自 我优化、自我恢复和自我保护u “。 自我配置：能够在运行中动态地对自身进行配置阳。当在一个计算机系统 环境中部署新组件或发生变化时，在人工干预最小的情况下基础设施能够进行 调整。 例如，使p c 可以在无人参与的情况下自动安装应用程序，能够按照已经制 订好的计划对软件进行周期性p a t c h 。对于复杂的系统来说，系统的业务随需 而变，人工进行系统配置是一件费神费力的工作，通常这样的系统有成百一f - 千 的参数需要配黄，而如果需要进行人工的动态系统配最几乎足不可能的，所以 复杂系统能够进行自我配毳的能力显得尤为重要。 自我恢复：自我恢复基础设施能够检测到计算机系统组件的故障，然后修 复或绕过这些故障，保证业务不间断性【1 5 】。 我们人体的细胞通过新陈代谢来替换掉老化的细胞，而自主计算的系统与 此不同，是通过使用冗余的部件来完成的。这种冗余技术早有采用，像内存豹 萌北，l ：业大学硕士学位论文第j 章虚拟操作环境的总体架构 e c c 技术，硬盘的r a i d 技术、集群系统的后备资源替换等。 自我优化：系统根据用户在不同时刻的不同需求或负载情况动态地进行资 源重组，以保证最佳的q o s 和对现有资源的最佳利用【l 。 系统不断的监视各个部分的运行状况，对性能进行优化重组。例如系统的 负载均衡、随需应变等。就像乐队的指挥那样，仔细倾听乐队的演奏，并做出 动态的调整，从而获得最佳的表演效果。 自我保护：当敌意或入侵行为发生时，一个自我保护系统能够检测到它们 并采取自主措施，使自己不易受到未经授权访问和使用、病毒、拒绝服务性攻 击及一般故障的破坏1 1 9 i 。 在当前互联的网络世界中，计算机病毒的传播和各种网上黑客的恶意攻击， 都会损害企业的数据和正常运作。自主计算的系统将建立个类似于人体免疫 系统的电子免疫系统，对可疑的代码进行分析，对系统进行保护。 自我管理的这四大特点就是自主计算环境的核心，它们揭示了计算机系统 所执行的这些配置、修复、优化以及保护的任务是基于技术本身所侦测到的环 境，同时这些任务也是由同样的技术来解决的，即“用技术来管理技术”。它 们使得计算机系统向【2 1 r a s ( 高可靠性r e l i a b i l i t y 、高可用性a v a i l a b i l i ty 、 高服务性s e r v i c e a b i l i t y ) 的目标更进了一步。自主计算对用户最直接的好处， 是减少了复杂系统维护时对人的依赖性，从而大大降低了维护费用，同时也提 高了面对变化时的应对能力。其深层的好处则是可以让企业将精力放在核心业 务的发展上，而不是浪费在作为服务工具的计算机系统上。 事实上，实现自主计算是十分困难的。f 如美国i b mr e s e a r c h 副总裁a l a n g g a n e k 所言：“要想实现完全自动管理的技术，还需要今后多年的努力”。 但可喜的是，关于自主计算的研究各大计算机公司正在如火如荼的进行着，i b m 的“a u t o n o m i cc o m p u t i n g ”、惠普的“a d a p t iv ei n f r a s t r u c t u r e ”、微软的 “d y n a m ics y s t e mi n i t i a t i r e ”，n e c 的“v a i 。u m o ”1 2 1 自主计算战略等，并且 许多公司已经在各自的服务器的硬软件等产品中导入了部分研究成粜。 3 3 1 2 自主计算的发展阶段 、f 图归纳了自主汁第f 6 f 发展过程的基础阶段、管理阶段、预知阶段、适应阶 段、自主阶段的特征、技能、盏处，并对这h 个阶段的三个方面进行了比较。 州北一 业大学硕十学位论文第三章虚拟操作环境的总体架构 厂i i 型! | 圆 圈3 - 2 自主运算架构的发展阶段 由图中可知： 第一个阶段，即基础阶段：特征是系统生成的数据具有多种来源。技能的 要求是要求广泛的、高技能的i t 管理人员。几乎没有优点。 第二个阶段，即管理阶段：特征是数据合并，管理数据的动作要经过管理 工具。技能的要求是i t 管理入员分析并采取行动。优点是较强的系统意识能力， 生产力提高。 第三个阶段，即预知阶段：特征是系统具有监控器，组件间相互作用并且 提出行动的建议。技能的要求是i t 管理人员认可并采取行动。优点是降低了对 高技能的依赖，更快、更好地决策。 第四个阶段，即适应阶段：特征是系统具有监控器，组件问相互作用并且 采取行动。技能的要求是i t 管理人员努力提高性能而非遵循s l a s 。优点是平 衡了人与系统之间的相互作用，i t 系统u 向应快速、有弹性。 第五个阶段，即自主阶段：特征是集成的组件根据企业的策略及规定被动 态地管理。技能的要求是i t 管理人员关注满足企业的需要。优点是企q k 的策略 驱动i t 设备的管理，企业响应快速、有弹性。 撕北i 业大学硕士学位论文第二章虚拟操作环境的总体架构 3 3 2 分区技术简介 3 3 2 1 分区技术概述 分区技术的应用起始于大型主机时代i ：0 | 。企业级用户在购买大型机后，许 多应用都只使用大型机的一小部分资源。这时，如果一个企业的生产部门只需 要使用这台机器的1 0 的资源，而且需要比较好的安全性，那么分区技术就能 够满足它的要求，将主机的部分处理器和系统资源隔离出来，只利用这些资源 组织计算系统，供生产部门使用，其他的计算资源不受任何影响。 现在，业界出现了一种称为服务器整合( s e r v e rc o n s o l i d a t i o n ) 的新潮， 让分区技术再度风靡。服务器整合主要是指对企事业单位现有服务器群集进行 详细分析，然后提出进行优化组合方案，使这些应用尽可能在一台或少数几台 服务器得到综合应用，尽可能的简化业务系统的使用和管理。那么如何将不同 类型的服务器、不同类型的应用整合到一起呢? 分区技术1 2 【u 自然丽然就成了服 务器整合的利器。 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i2 0 1 ，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。并且，在任何某个分区发生故障时，都不会影响其他分区的运行， 不同分区的应用之间保持独立性。 3 3 2 2 分区技术的分类 目前，服务器分区技术主要