通过对云计算数据中心提高资源利用率和用户 QOS 的需求进行分析, 围绕其中的关键技术虚拟化技术, 从服务器虚拟化, 网络虚拟化, 存储虚拟化三个方面进行总结, 针对云计算平台建立其可用性模型, 分析了 IAAS,PAAS,SAAS 三种云服务模式的可用性计算方法, 最后通过实验验证了云计算可用性参考模型适用于常见的云服务模式.
1. 概述
目前数据中心的规模迅速发展, 根据 Netcraft 服务器数量报告, Akamai Technology 达到 10.5 万台, OVH 达到 10 万台, Google 根据能耗估计约 90 万台. 快速发展的数据中心正面临着用户需求多, 能耗高, 运维成本高, 安全性差等的突出问题. 因此, 数据中心需要采用新的技术, 来实现降低成本, 提高资源利用率和系统可靠性的目的.
云计算概念从提出之初, 其目标非常明确, 即利用虚拟化技术整合现有零散资源为可扩展的动态资源, 以网络为载体提供硬件基础设施, 运行平台, 业务功能软件等形式的自动化服务, 而用户利用网络便可以以低廉的价格, 良好的服务质量保证(QOS), 按需地获得资源和服务. 其具有按需服务, 广泛的网络接入, 资源共享, 弹性计算, 服务可度量的特征, 目前云计算研究中关注的热点主要包括提高资源利用率, 节约能源, 降低运行成本, 云计算安全等.
云计算数据中心, 要求资源能够被统一调度, 网络可扩展, 系统高可靠, 运维自动化. 虚拟化技术对底层硬件资源进行抽象, 对上层应用程序透明, 其通过整合零散的资源为虚拟可管理的动态资源, 从而实现资源的按需管理, 提高动态资源的利用率. 因此虚拟化技术是推动数据中心发展的核心技术.
2. 虚拟化技术
数据中心硬件主要包括服务器, 存储和网络. 因此虚拟化技术也分为三个部分, 分别为服务器虚拟化技术, 存储虚拟化技术, 网络虚拟化技术.
2.1 服务器虚拟化
服务器虚拟化的目标是提高服务器资源的利用率, 实现数据中心的绿色节能. 从技术实现方案来说, 可以大致分为操作系统级虚拟化(OS-Level), 主机虚拟化(Hosted), 裸金属虚拟化(Bare-Metal).
操作系统级虚拟化是在操作系统中模拟出一个运行应用程序的容器 VE(Virtual Environment), 所有虚拟机共享内核空间, 性能最好, 耗费资源最少, 缺点是操作系统强关联性, 如基础操作系统为 Windows, 虚拟机系统只能是 Windows. 代表产品有 Parallels 公司的 Virtuozzo(商用产品)和 OpenVZ(开源项目).
主机虚拟化技术引入虚拟机管理层 Virtual Machine Monitor(VMM), 构建出基本的虚拟硬件平台, 达到虚拟化系统的独立性.
Hosted 虚拟化中 VMM 需要管理所有资源的调度, 因此虚拟化性能较差, 主要适用于个人用户和测试环节. 代表产品有 VMware Workstation,Microsoft Virtual PC,Virtual Server,Oracle Virtual Box 等.
裸金属虚拟化技术采用 VMM 代替操作系统直接管理硬件资源的方式, 这种管理硬件资源方式的性能处于主机虚拟化与操作系统虚拟化之间, 裸金属虚拟化技术的代表产品有 VMware 公司的 Vsphere Esxi 系列产品, 微软公司的 Microsoft Hyper-V 系列产品和思杰公司的 Citrix XenServer 系列产品, 以上虚拟化技术比较成熟, 在金融, 证券, 互联网等行业的生成环境中大量被使用.
2.2 网络虚拟化
网络虚拟化的是利用物理网络资源在逻辑上划分出各自独立的虚拟网络, 达到以满足多租户权限分离, 自由管控逻辑网络, 网络流量隔离的网络技术发展方向. 虚拟局域网 (VLAN) 由于 4096 个逻辑网络的限制, 很难满足由大量虚拟机构成的大二层网络的网络需求.
在虚拟化产品中, VMware 等虚拟化厂商就提出了 Vswitch 的概念通过软件交换机解决同一台物理服务器内部的 VM 二层网络互访, 跨物理服务器的 VM 二层互访转发给传统的接入层交换机去处理.
但 Vswitch 部署带来两个问题, 一是对于 VSwitch 的管理问题, Vswitch 是在服务器中进行部署, 模糊了网络管理和服务器管理的界限; 二是 Vswitch 的性能问题, 由于同一台物理机的 VM 二层流量还是由服务器的 CPU 来处理, 不符合虚拟化提高资源性能的利用率的要求.
为解决虚拟交换机的管理问题, Cisco 首先提出了 Nexus1000V 技术架构. 通过部署 Nexcus1000V 软件, 配置管理层面的虚拟化, 像管理物理交换机一样管理 Vswtich, 实现对传统 VSwitch 的功能扩展, 但该产品也只解决了网络和服务器管理的边界问题, 同时还对服务器性能有一定的影响.
为了解决性能问题, IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)标准组织提出了 802.1Qbg EVB(Edge Virtual Bridging)和 802.1Qbh BPE(Bridge Port Extension)两个标准, 目前 Cisco 采用 FEX+VN-Link(包括 vNIC,vETH,Port Profile)技术实现了 802.1Qbh 标准体系.
2.3 存储虚拟化
存储虚拟化的定义为利用存储系统的内部系统对计算, 网络和应用资源进行进一步抽象和隔离, 目的是实现独立于数据管理, 应用程序和网络的逻辑上统一的存储资源.
在虚拟运行环境下, 为虚拟平台提供虚拟存储设备主要包括下面 4 种方式: 1)基于网络存储协议 (Network Storage Protocol), 包括并行文件系统, NFS,OCFS2 等方式. 这种方式需要高可靠的网络支持, 缺点是稳定性和性能不高. 2) 物理硬盘 (含分区), 包括 SAN 磁盘, iSCSI 磁盘等. 这种方式缺点是存储空间容量大小不易调整. 3) 基于虚拟磁盘镜像文件的方式, 目前常见的镜像文件格式有 vmdk,vhd,img 等格式. 这种方式的优点是可以通过配置文件灵活配置镜像文件属性. 4)基于逻辑卷的方式, 可以动态地增减容量的大小, 支持 Snapshot, 条带化, 提高 IO 并行性能等属性, 目前逻辑卷管理工具主要有基于 Linux 内核自带的 LVM,HPLVM,EVMS,VxVM 等逻辑卷管理工具.
3. 云计算可用性参考模型
根据 Berkeley 对云计算模型的定义, 可以分为基础架构平台 IAAS(Infrastructure as a service), 平台服务 PAAS(Platform as a service), 业务软件 SAAS(Software as a Service)三层结构 [6], 其中 IAAS 主要关注网络架构和虚拟化技术, 提供基础架构服务, PAAS 主要面向应用开发, 提供开发平台服务, SAAS 面向终端用户, 提供软件产品服务. 据 Gartner2013 年公有云市场份额将会增长 18%, 达到 1310 亿美金, 在 IAAS 方面, 增长速度为 47.3%, 市场份额为 90 亿美元, 随着越来越多的企业把基础架构, 应用和业务数据迁移到云计算平台, 对云服务提供商的服务质量 QOS(Quality Of Service) 提出了越来越高要求.
3.1 云计算可用性模型
云计算可用性模型 (Cloud Computing Model,CCM) 如图 1 所示, 模型中共分为三个部分, 分别为基础架构层(Infrastructure Layer,IL), 云计算服务层(Service Layer,SL), 用户层(User Layer,UL), 可表示为 CCM={IL,SL,UL}.
IL ={Computing, Storage, Network}
服务层 (SL) 由 IAAS 资源集(Resource Set,RS),PAAS 资源集, SAAS 资源集组成, 可表示为如下形式, SL={IAAS RS,PAAS RS,SAAS RS}
定义 1:AU(Availability Unit): 相连两层之间, 为上层提供服务里的最小服务单元, 是云计算服务的最小单位. 同一层中多个 AU 之间互相独立, 互不影响.
定义 2:AS(Availability Set): 同一层中, 多个 AU 联合, 对外提供同一个服务, 如负载均衡服务(Load Balance Service,LBS), 高可用服务 HA(High Availability).
图 1 云计算可用性模型
定义 3:DA(Deploy Availability): 业务部署后的可靠性, 与提供服务的多层次的 AU 和 AS 相关, 如一个 SAAS 服务利用第三方的 PAAS 和 IAAS 提供服务.
定义 4:AU 的云计算服务的最小单位, 假设其独立可靠性是个常数λ.
由定义 2, 当所有 AU 都失效的情况下, AS 才失效, 因此 AS 的部署可靠性可表示为:
根据图 1 所示, SAAS 业务由两个 PAAS 共同提供服务, 为了提高 PAAS 的可靠性每个 PAAS 由两个 IAAS 共同提供服务. 根据公式 (4) 不难得出如下结论:
通过对云计算可用性模型的分析, 要提高资源的利用率和云计算用户的 QOS, 采用虚拟化技术提高 AU 的可靠性和利用率, 实现资源的按需使用.
4. 实验分析和总结
为了验证云计算可用性参考模型, 采用 Cisco Ucs B200 刀片服务器 3 台, Cicso6248 交换矩阵 2 台, EMC NAS48 存储 1 台, 安装 Vmware Vsphere 5.1 服务器虚拟化软件, VMware Vcenter 管理软件, Vmware Vcloud Director 数据中心管理软件, 搭建完成 2 套 IAAS 平台的功能, 并模拟提供申请服务, 结合 Vmware Vsphere 5.1 中的 HA,DRS(Distributed Resource Scheduler),Vmotion 特性功能, 依据可用性参考模型得出如下结论, 在保障云计算数据中心电力, 制冷等外在因素的条件下, 全年整个系统的业务恢复时间不大于 10 小时, 可以满足用户系统的可用性达到 99.9%.
本文通过对云计算数据中心提高资源利用率需求进行分析, 围绕数据中心的虚拟化技术, 从服务器虚拟化, 网络虚拟化, 存储虚拟化三个方面进行总结, 针对云计算业务可用性建立可用性模型, 分析 IAAS,PAAS,SAAS 三种服务模式的可用性计算方法, 最后通过实验验证了云计算可用性参考模型适用于常见的云服务模式.
来源: http://virtual.51cto.com/art/201906/597461.htm