2017年智慧交通云计算中心项目解决方案.docx

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1、2017年智慧交通云计算中心项目解决方案目录1 .智慧交通云计算中心总体设计11.1 总体设计方案11.1.1 设计原则11.1.2 支撑平台技术架构设计31. 1.3支撑平台网络拓扑设计41.1.4 通过云操作系统实现云计算中心运营管理61.1.5 层次清晰的云计算中心部署架构设计71.2项目技术路线81.2. 1 X86系统架构81.2.2资源池化111. 2. 3弹性扩展151.2.4 智能化云管理161.2.5 充分考虑利旧 172.云计算建设方案192. 1网络子系统建设192.2计算资源池建设212. 2. 1计算资源池定位212. 2.2 X86虚拟化实现262. 2. 3计算资

2、源池总体设计332. 3存储资源池建设412.3.1数据类型分析412. 3.2存储网络设计422. 3.3统一存储平台设计462.4数据库子系统建设572 . 4. !构建高性能集群数据库系统573 .4.2集群数据库建设方案592.5 云计算资源管理平台建设602.6 云平台安全体系建设632. 6. 1安全技术体系设计652. 6. 2安全管理体系设计662.7云平台灾备子系统建设672. 7. 1本地数据备份672. 7. 2异地数据级容灾682.8机房子系统692. 8. !机房基础设施建设方案692.8.2 总述752. 8. 3主设备配置清单772. 8.4机房整体规划822.

3、8.5空调系统862. 8.7电气系统设计982.8.8装修系统设计1102.8.9安防系统设计1132. 8. 10消防系统设计1181 .智慧交通云计算中心总体设计1.1 总体设计方案1.1.1 设计原则 先进性智慧交通云计算中心的建设采用业界主流的云计算理念,广泛采用虚 拟化、分布式存储、分布式计算等先进技术与应用模式,并与电子政务业 务相结合,确保先进技术与模式应用的有效与适用。 可扩展性政务云计算中心的计算、存储、网络等基础资源需要根据业务应用 作负荷的需求进行伸缩。在系统进行容量扩展时,只需增加相应数量的硬 件设备,并在其上部署、配置相应的资源调度管理软件和业务应用软件, 即可实现

4、系统扩展。 成熟性智慧交通云计算中心建设,要考虑采用成熟各种技术手段,实现各种 功能,保证云计算中心的良好运行,满足业务需要。 开放性与兼容性智慧交通云计算中心采用开放性架构体系,能够兼容业界通用的设备 及主流的操作系统、虚拟化软件、应用程序,从而使得政务云计算中心大 大降低开发、运营、维护等成本。智慧交通云计算中心需提供可靠的计算、存储、网络等资源。系统需 要在硬件、网络、软件等方面考虑适当冗余,避免单点故障,保证政务云 计算中心可靠运行。 安全性智慧交通云计算中心与省政务外网、区县政务外网及互联网分别连接, 必须防范网络入侵攻击、病毒感染;同时,政务云计算中心的资源共享给 不同的系统使用,

5、必须保证它们之间不会发生数据泄漏。因此,政务云计 算中心应该在各个层面进行完善的安全防护,确保信息的安全和私密性。B多业务性智慧交通云计算中心的规划设计中,充分考虑了需要支撑多用户、多 业务的特征,保证基础资源在不同的应用和用户间根据需求自动动态调度 的同时,使得不同的业务能够彼此隔离,保证多种业务的同时良好运行。a自主可控智慧交通云计算中心的建设在产品选型中,优先选择自主可控的软硬 件产品,一方面保证整个云计算中心的安全,另一方面也能够促进本地信 息化产业链的发展。1.1.2 支撑平台技术架构设计A图支撑平台技术架构支撑平台总体技术架构设计如上,整个架构从下往上包括云计算基础 设施层、云计算

6、平台资源层、云计算业务数据层、云计算管理层和云计算 服务层。其中: 云计算基础设施层:主要包括云计算中心的物理机房环境; 云计算平台资源层:在云计算中心安全的物理环境基础上,采用虚 拟化、分布式存储等云计算技术,实现服务器、网络、存储的虚拟 化,构建计算资源池、存储资源池和网络资源池,实现基础设施即 服务。 云计算业务数据层:主要为实现业务数据的安全存储,同时针对云平台的各个虚拟机镜像数据和模板数据进行共享存储,支持虚拟机的动态迁移和数据的迁移;实现部门间数据共享与交换;实现业务 应用接入。 云计算管理层:通过自主可控的云计算操作系统,实现云计算中心 的服务管理及业务管理的协调统,提高运维及运

7、营的效率。 云计算服务层:是云计算中心与最终用于交互的接口和平台,通过 该平台能够实现云计算中心统对外提供服务,为客户人员提供整 体的云应用和服务。支撑平台通过统的云服务平台对外提供服务。1.1.3 支撑平台网络拓扑设计图例FC存储网千兆以太网 万兆以太网万兆汇聚=横向整合图云计算中心拓扑架构图支撑平台建设基于以物理分区为基本单元的设计理念,整个云计算中 心可分为:核心交换区、管理区、DMZ区、业务应用区以及云存储区。其中:核心交换区:负责核心网络交换;管理区:对云计算平台进行整体管理,单独建设套管理网络;DMZ区：考虑云计算中心整体安全性,设置专门的DMZ区,承载各业务 部门的业务应用系统的

8、WEB发布,同时支撑云计算中心互联网的接入,该 区可采用全虚拟机进行支撑或者采用虚拟机和物理服务器共同支撑;业务应用区包括两部分:数据库逻辑分区和应用系统逻辑分区。其中： 数据库逻辑分区用高端八路物理机支撑;应用系统逻辑分区采用虚拟化和 物理服务器支撑,根据具体的业务应用特点决定支撑平台选用虚拟机还是 物理服务器。数据库分区：主要建设支撑各应用系统的结构化数据数据库,考虑到 数据库数据量的庞大和系统对数据的访问I/O吞吐,该区建议采用高端物 理机进行支撑;业务应用逻辑分区:主要根据业务部门的不同业务需求及业务部门对 平台安全级别要求的不同,采用虚拟机和物理服务器共同支撑。未来,随着云计算中心业

9、务量的增加和复杂度的增加,可以按照相同 的架构进行节点的扩展,达到整个云计算平台的可扩展性和很好的伸缩性。1.1.4 通过云操作系统实现云计算中心运营管理云计算服务门户云计算运营中心虚拟化平台1虚拟化平台2VM | - -VM- -VM) - 1 VM IVM VM VM VMHypervisor Hypervisor图云计算中心逻辑架构图整个云计算中心设计采用业务区域的理念。业务区域（即以服务器集 群为核心的物理资源区域,不同的业务区域设备配置可以不同）是系统的 基本硬件组成单元,整个系统共包括若干个业务区域。系统规模的扩大可 以通过增加业务区域方式,使得整个系统具有很好的可扩展性。业务区域

10、 的业务网络交换机通过万兆方式上联到核心交换区,通过核心交换区与其 他业务区域和域外系统互联。在每个业务区域内,通过云资源管理平台的云计算运营中心节点实现 在X86业务节点上部署Hypervisor,并形成一个或多个独立的逻辑资源池, 提供给应用使用;通过云计算虚拟化管理中心在逻辑资源池内可实现资源 的共享和动态分配。每个业务区域包括:云计算虚拟化管理中心节点、业务节点、业务网络、管理网络、心跳网络、本地镜像存储;业务区域根据各自的业务需要 访问FC存储或并行存储等业务数据存储区域。云计算平台配置多台云计算服务门户节点,为最终用户的系统管理员 提供自助门户服务。采用以上设计理念,使得整个系统具

11、有超高的可扩展性,可使整个系 统扩展到上千台物理服务器规模。1.1.5 层次清晰的云计算中心部署架构设计存储资源池台式机笔记本 瘦客户端平板电脑智綫手机/ X图云计算中心部署架构图依据云计算中心建设的总体需求,勾画整个项目的部署架构,指导项 目整体建设。云计算中心部署主要包括几个层面:计算资源池的构建、业务数据的分区规划、共享存储的设计等。从整个部署架构来看:计算资源池的构建主要采用高端多核心X86服务器作为服务器基础支 撑,通过虚拟化技术实现底层物理资源的虚拟化,通过云资源管理平台进 行虚拟机的创建、动态分配、迁移及管理,形成统的计算资源池。考虑到云计算的安全性、可靠性及重要性,在本方案中数

12、据库分区采 用物理机支撑,以够保证整个数据库的稳定、高I/O吞吐和访问,主要通 过高端X86高性能服务器通过集群技术进行部署,支撑相关业务数据的存 储和管理。共享存储设计的存储数据主要包括重要业务数据和虚拟机镜像数据, 其中:重要业务数据主要通过Oracle/DB2/SQL Server/MySQL等数据库进 行数据管理,结构化数据存储利用高端私有云存储设备来支撑,在未来需 要对存储容量进行扩展时可方便的横向纵向扩展;虚拟机镜像数据主要存 放在共享存储部分,通过共享存储设备来支撑虚拟机镜像数据的存放,共 享存储建议使用并行存储系统来支撑。1.2 项目技术路线本项目建设云计算中心的基本技术路线主

13、要包括:X86系统架构、资 源池化、弹性扩展、智能化云管理以及充分考虑利旧。1.2.1 X86系统架构基于X86平台的服务器使用!ntel Xeon或者AMD Opteron作为处理器, 也就是通常所说的PC服务器。近年来,Intel Xeon和AMD Opteron的性能 获得巨大的提高,大量的先进技术和工艺先后被Intel/AMD引入其处理器 的设计和制造中,比如,64位计算、直连结构、内嵌内存控制器、多核(目 前,Intel Xeon最多可以做到10核;AMD Opteron可以做到16核)、硬 件辅助虚拟化技术(Intel VT AMD-V)、32nm等等。在国际权威测试机构 TPC组

14、织发布的结果中,采用X86架构服务器价格/性能比最佳。X86服务器主要优势表现在界面友好,系统安装、网络装置、客户机设 置简易,设置、管理系统直观、方便,系统扩展灵活等优点,对构建大型 应用集群具有较好的优势。同时，基于X86架构的服务器因为其开放的架 构,开放的生态系统,使其具有较低的运维成本,这也是传统小型机等封 闭系统所不能比拟的。此外,从可靠性的角度,在云计算环境下,通常大 量采用虚拟化、分布式、并行计算等模式,有力的保证了计算系统的可靠 性。同时,基于X86架构的服务器因为其开放的架构,开放的生态系统, 使其具有较低的运维成本,这也是传统小型机等封闭系统所不能比拟的。 此外,从可靠性

15、的角度,在云计算环境下,通常大量采用虚拟化、分布式、 并行计算等模式,有力的保证了计算系统的可靠性。国内外几大互联网巨 头,Google Amazon百度、阿里巴巴等,无不大量采用X86架构的设备, 支撑海量的互联网检索和访问。X86架构的服务器已经成为构建云计算中心 虚拟化平台的最佳选择。X86服务器相对于小型机的优势如下表所示:表X86服务器与RISC架构小型机的区别特性小型机X86服务器软件层操作系统Unix 为主Unix、 Linux、 windows 全部支持支持应用的数量较少很多操作数大小64位32位、64位全部支持可管理性管理成本很高较低是否支持易购买的零部件否是故障排除难度高低

16、是否有国产厂商提供很少很多可靠性是否能够提供冗余是是性能价格比和可扩展性性能高高价格很高较低可扩展性低高top500中的数量很少绝大多数总之,X86服务器相对于RISC架构的小型机其优势如下: 性能价格比高X86服务器目前已经成为高性能计算机的发展方向,世界上top500排 行榜的高性能计算机系统绝大多数是由性价比更好的X86服务器组成的集 群系统,小型机系统则很少。 可扩展性好X86服务器可以通过原有预留的扩展接口进行无缝的扩展,且相关扩展 接口都是业界通用的,非专用接口,这是小型机系统所无法做到的。X86服务器组成的集群系统扩展成本更低,可以实现按需扩展。 可管理性好X86服务器复杂度小于

17、小型机,通常管理一个X86服务器组成的集群系 统要比管理一个小型机系统要简单得多,这也同时意味着培养个小型机 的管理人才将耗费大量的费用和支出。 维护与升级更容易X86服务器都是采用了标准的硬件设备,那就意味着这些设备可以轻松 地拿到,在关键时候客户即使没有硬件厂商的提供也可以自行配置出临时 的解决办法,使用通用的X86架构服务器不会轻易受制于服务器制造商; 然而,小型机的每个配件都是专用的,那就意味着用户在些关键的业务 上需要等待小型机厂商的服务响应时间,受制于小型机设备制造商,将自 己的工作带向了被动。 对应用系统的更多的支持小型机系统只能支持相对较少的操作系统和64位软件,而X86服务器

18、 可以支持大部分主流操作系统并且可以支持同时存在多种操作系统,也支 持32位和64位的软件系统,在X86服务器上可运行的软件是小型机系统 的成百上千倍。1.2.2资源池化资源池化就是将计算资源、存储资源、网络资源通过虚拟化技术,将 构成相应资源的众多物理设备组合成一个整体,形成相应的计算资源池、 存储资源池、网络资源池,提供给上层应用软件。资源虚拟化是对上层应用屏蔽底层设备或架构的资源封装手段,是实 现云计算资源池化的重要技术基础。虚拟化技术由来已久,所谓虚拟化是相对于物理实体而言的,即将真 实存在的物理实体,通过切分或(和)聚合的封装手段形成新的表现形态。聚合封装是将多个物理实体通过技术手段

19、封装为单一虚拟映像/实例, 可用于完成某个业务。例如SMP、计算集群(Cluster) 负载均衡集群(Load Balance) RAID技术、虚拟存储、端口汇聚(port trunk)、交换机堆叠 (stack)等。切分封装是将单个物理实体通过技术手段封装为多个虚拟映像/实例, 可用于执行不同业务。例如主机虚拟化、存储分区、虚拟局域网(VLAN) 等。其中: SMP、计算集群、负载均衡、主机虚拟化等属于计算虚拟化的范畴; 存储分区、RAID技术、虚拟存储等属于存储虚拟化的范畴; 虚拟局域网(VLAN)、交换机堆叠、端口汇聚等则属于网络虚拟化 的范畴。对于虚拟化技术也可以组合使用,以灵活地满足

20、各种应用环境。例如: 存储分区可以是对单个磁盘,也可以是针对RAID磁盘组； 虚拟化主机通过负载均衡又可以实现应用单映像。虚拟化技术的个重要结果是降低1T架构中部件之间的依赖关系,以 计算虚拟化为例,集群、主机虚拟化等计算虚拟化技术实现了应用软件与 物理基础设施解耦合,这个过程类似与从C/S架构到B/S架构,继而发展 为多层体系结构的发展,都是由于原有的体系发展出现瓶颈或问题而出现 的。C/S架构到B/S架构是通过应用计算与客户端的解耦合,在客户端与数 据库之间增加了 web server这样的中间层,减少了客户端和数据库的处理 压。图C/S架构到B/S架构转化图B/S结构到多层体系结构是通过

21、数据处理与web server的解耦,在web server 之间增加 application server,减少了 web server 的处理压。图B/S结构到多层体系结构转化图C/S结构到B/S多层体系结构的发展,优化了应用处理的过程,提高了 应用系统的处理能力,而且也解决了应用系统的扩展能力,使大规模应用处理成为可能。云计算平台的计算虚拟化技术形式众多,所要解决的问题也各不相同。 例如:集群技术使得应用处理获得了更大的处理能力;主机虚拟化技术则是提高服务器处理能力的利用率。图集群技术及主机虚拟技术优势图但是从最终的效果而言都是分离了应用软件与物理基础设施,解除或 弱化了它们之间的耦合,

22、从而也就削弱了各自的技术发展所受到的相互限制,拓展了技术发展的空间和灵活性。Z緒費传统数堀中心 MDm* iDato陶陶被传图传统数据中心向云计算中心迁移示意图1.2.3弹性扩展云计算中心要实现所提供服务的质量,动态的资源调度是必不可少的。现有数据中心的IT基础架构采用固态配置,灵活性很差,当业务发展 超出预期时,无法及时根据业务需求调整资源供给,难以满足业务快速增 长的需求。而且系统资源扩展需要一定的周期,在此过程中,业务系统将 处于高危运行状态,造成服务质量下降。而为了应用峰值而扩展的资源在 正常情况下,将处于低负荷状态,造成资源浪费。而云计算中心要避免这样的情况出现,就必须要实现动态的资

23、源调度, 实现业务系统资源配备的按需调整,结合管理系统的资源监控,根据业务 负载等情况,调整业务资源配给,保障业务系统的资源供给,满足其运行 需要,也就保障了业务的服务质量。云计算中心弱化了应用软件与底层物理资源依赖关系,使得物理资源 能够更加灵活地向优化系统性能、提高可靠性、提高易用性、提高运维效 率等方面发展,使得动态资源调度成为可能,从而为上层的应用软件提供 更好的服务质量。而提高底层的计算、存储、网络等物理资源的耦合性, 对于解决上述问题具有关键作用。首先通过对计算资源、存储资源、网络资源进行优化配给,提高资源 能力的耦合性,则可以更好地提高云计算平台的整体性能。然后智能化地根据用户需

24、要封装、分配资源,形成虚拟应用平台,用 户在简单地部署自己的应用或数据后,应用系统即可投入使用。利用整合了计算、存储、网络等方面资源的运维专家系统,只需基于 虚拟应用平台对物理资源的使用分析,即可动态地对其所用物理资源进行优化调整,以提高用户应用的运行效率和服务质量。在云计算中心,运维人员无需过分关心上层应用的情况,只需基于虚 拟应用平台对物理资源的使用分析,进行资源优化调整,保证云计算中心 的稳定高效即可。InternetInternet 1.2.4智能化云管理Web WobWeb疆 pj居 :=- 77突发流量,应用交付匚員物理服务器物理腔务1SCPUCPUWeb Web /Web員打1O

25、用羽/粋-浮夕:gri-Tc-g-Z、突发流量也用交1應将理服务器物情服务11CPUCPU图云计算中心弹性扩展示例图云计算中心具有!aaS.PaaS.SaaS等众多的服务模型,提供计算服务、 存储服务、乃至整合各种资源的综合性服务,其资源的构成更加复杂、规 模更加庞大。为了提高易用性和可维护性,各种资源构成之间的关系复杂。为了保证云计算中心的服务质量,对于众多用户资源配给的调整也要求更 精准的、更及时。这些要求已经不是依靠运维人员的能力所能满足的,需要采用更加智 能化的自适应运维管理。云计算中心运维管理要适应云服务对资源管理所提出的新需求:紧耦合的资源管理云计算中心采用资源综合管理,即将系统中

26、的计算、存储、网络等资 源视为整体系统,实施统一管理,这有利于优化整体性能、精确定位问题、 是实现动态资源调度的重要因素。多维度的资源管理云计算中心的资源具有多种视图,例如物理资源视图、虚拟资源视图、 虚拟组织视图,因此,云管理也应该是多维的。1.2.5充分考虑利旧项目建设应充分考虑利旧,建设新系统并将业务系统迁移至新系统之 后,先前采购的设备应继续利用,避免浪费已有投资。主要包括以下几个 方面: 服务器设备:经过性能和稳定性衡量之后,可以用来做对性能要求 较低的前置机或者在云计算分区中添加一个利旧服务器组成的云区 域,承担重要性稍差的业务系统; 存储设备:可以用来做容灾,以充实存储空间; 网

27、络设备:经过性能和稳定性衡量之后,可以用来和新购网络设备 起组成云计算中心的网络体系。2.云计算建设方案2.1 网络子系统建设网络拓扑方案一般有三层组网方案和二层组网方案。传统的网络设计方案中,通常采用三层方案。三层方案将云计算中心 基础网络分成核心、汇聚和接入三层架构。通常情况下,核心与汇聚之间 通过路由技术进行流量的控制,汇聚层设备可以部署安全模块作为业务分 区的边界网关,汇聚层以下普遍采用二层接入,运行STP/MSTP等协议来降 低二层环路带来的隐患。三层结构的优点在于: 网络分区清晰,以汇聚层设备区分业务部署,易于扩展、管理和维 护; 汇聚层可以灵活控制纵向网络的收敛比,不同性能要求的

28、区域按照 不同的规划进行设计,降低核心设备的端口压; 布线方式清晰、灵活,不会出现集中布线带来的散热、维护等问题; 因接入层设备采用低端产品,汇聚层设备可按照收敛比灵活控制成 本,整体组网成本相对较低。三层结构的缺点在于: 组网结构复杂,需要部署MSTP和VRRP等冗余协议; 在汇聚层收敛比较大,性能容易出现瓶颈; 三层结构在部署时,网关部署在汇聚层,汇聚层以上采用路由协议 进行流量控制,而路由收敛较慢,路由路径及节点增多,管理难度 加大;汇聚层以下使用二层,仍然存在出现环路的风险;从整体规 划上,三层结构较复杂。随着信息技术的不断发展,高端交换机的转发性能和接入密度都在不 断的提高,因此汇聚

29、层高端交换机设备具备足够的能力直接提供高密度的 千兆接入和万兆上行能力,从而精简大量的接入层设备,使网络架构趋向 于扁平化。在核心与汇聚接入层设备之间运行二层交换,vlan配置灵活, 并可通过新一代交换机虚拟化功能替代传统的STP/MSTP,通过vlan映射业 务分区,网络结构简洁、清晰。二层结构的优点在于: 扁平化组网,简化网络拓扑,减少了单点故障和性能瓶颈,易于管 理、维护; 二层组网均采用高端设备,能够搭建一套具备极高转发性能的云计 算中心高端网络,同时高端设备的可靠性更高,能够为云计算中心 应用保驾护航; 新一代高端交换机设备支持虚拟化技术,能够消除大量的环路设计, 消除STP/MST

30、P等协议带来的运维、管理的复杂性; 适合于大规模、集中部署,且高性能需求较高的云计算中心。根据云计算服务器数量多、扩展速度快、可靠性要求较低、网络结构 独立的几个特点,将服务器群接入网络物理采用二层网络设计,在逻辑上 虚拟成一层考虑。根据二层组网原则,本项目组网逻辑架构拓扑如下图所示。图组网逻辑架构拓扑2.2 计算资源池建设2.2.1 计算资源池定位2.2.1.1 计算资源池特性由于云计算中心需要处理前端进来的海量数据,因此需要大量的计算 机节点。传统的超级计算中心强调整体的计算能力,当前的互联网数据中 心强调密度、带宽等因素。而云计算中心,特别是作为物联网后端处理中 心的物理网云计算中心需要

31、的是强大的“处理能力”,这个“处理能力” 包含了计算能力、传输能力,甚至存储能力。毕竟云计算中心不同于传统 的超级计算中心,不是长时间运行同一个计算程序,而是要同时处理成千 上万个服务请求,要求响应时间很短、对通信带宽和存储容量有巨大的需 求。因此,云计算中心需要具有高通量特征的计算机系统。其次,对云计算运营者来讲,在提供可靠服务的前提下,通过大量先 进技术降低总体拥有成本是云计算中心基础架构建设的核心目标。因此, 构建云计算中心的一个重要标准就是利用标准化的、性价比高的通用部件 或者产品。因为,只有标准化、商品化的部件有众多的采购来源,并因 为其开放性,从而具有较低的运营成本。再次,云计算平

32、台的重要特征之一是实现资源的抽象和封装、构建动 态化、弹性化的计算资源池,而虚拟化技术和分布式数据存储、分析技术 是实现达到这一目标的重要手段。因此,计算子系统应该在虚拟化和分布 式数据存储模型两个方面有较好的解决方案。最后,除了具有通用性、标准化、资源池化等特征之外,计算子系统 还应该具有易管理、低能耗的特征,从而大大降低云计算中心的能耗、降 低运维成本。2.2.1.2 主要技术路线1）计算虚拟化技术计算虚拟化技术是实现云计算中心资源池化的关键技术之一,是实现 高可用、弹性扩展云计算平台的技术基础。计算虚拟化是个抽象层,是对上层应用屏蔽底层计算设备的资源封 装手段,将构成计算资源的众多物理设

33、备组合成一个整体,形成计算资源 池,提供给上层应用软件,从而提供更高的IT资源利用率和灵活性。计算虚拟化技术将真实存在的物理计算资源,通过切分或（和）聚合 的封装手段形成新的表现形态。聚合封装是将多个物理实体通过技术手段封装为单一虚拟映像/实 例,可用于完成某个业务。就计算资源而言,通常采用计算集群 (Cluster)、负载均衡集群(Load Balance)等。切分封装是将单个物理实体通过技术手段封装为多个虚拟映像/实 例,可用于执行不同业务。通常采用主机虚拟化,如Vmware ESX、 Xen MS Hyper-V 等产品。无论是计算集群(Cluster)、负载均衡集群(Load Bala

34、nce),还是 主机虚拟化,都属于计算资源虚拟化技术,多种虚拟化技术也可以组合使 用,使得计算资源池的使用更加灵活。2)基于X86架构的计算平台云计算中心采用标准的X86架构服务器作为“云”的节点机。基于X86 平台的服务器使用Intel Xeon或者AMD Opteron作为处理器,也就是通常 所说的PC服务器。X86架构的服务器使用标准化、商业化的部件,从而成 为构建大型云计算中心的最佳选择。近年来,Intel Xeon和AMD Opteron的性能获得巨大的提高,大量的 先进技术和工艺先后被Intel/AMD引人其处理器的设计和制造中,比如, 64位计算、直连结构、内嵌内存控制器、多核(

35、目前,Intel Xeon最多可 以做到10核;AMD Opteron可以做到16核)、硬件辅助虚拟化技术(Intel VT AMD-V)、32nm 制程等等。在国际权威的测试机构TPC组织发布的结果中,采用X86架构的服务 器价格/性能比最佳。从性能角度,4颗Intel Xeon 7560的tpmC值就可达到24颗POWER 7的 23% 最后,基于X86架构的服务器因为其开放的架构,开放的生态系统, 使其具有较低的运维成本,这也是小型机等封闭系统所不能比拟的。从可靠性的角度,在云计算环境下,通常大量采用虚拟化、分布式、 并行计算等模式,有力的保证了计算系统的可靠性。全球几大互联网巨头, G

36、oogle、Amazon百度、阿里巴巴等,无不大量采用X86架构的设备，支 撑海量的互联网检索和访问。3)并行计算技术高性能并行处理技术主要包括基于共享内存的OpenMP和多线程以及基 于分布式消息传递的MPI,其中MPI技术可扩展性强、计算效率高,是目前 业界最流行的高性能并行处理技术。MPI和OpenMP等并行处理技术的能力 可以很好的满足物联网计算密集类应用的高性能处理需求。图:并行计算思想:分而治之4) Map/Reduce分布式计算Hadoop系统是Apache开源组织的个分布式计算开源框架,在很多大 型网站上都已经得到了应用,如亚马逊、Facebook和Yahoo等等。Hadoop

37、设计了用来在由通用计算设备组成的大型集群上执行分布式应 用的框架,利用了分布式文件系统的备份恢复机制保证了系统的高可靠性, 为用户提供了一个全新的稳定的存储系统和分析系统。其主要部分是模拟Google的GFS和Map/Reduce框架完成的,下图显 示了 Hadoop的体系结构,存储系统是用HDFS实现的,而分析系统使用 Map/Reduce 实现。dfUi&Qdjtad 皿 dMAdJU 1MJ di43，u，3 g(a d*l 4ju du 心，1h。&MJ &to dU d U dd drtJi data *1Ma dKa 4M dU .LiUhMh3agu图:Hadoop的体系结构5）

38、可重构计算技术根据摩尔定律,CPU处理能力每18个月翻一倍,过去30年都是按照这 个速度在不断提高。在此过程中解决了一个又一个的技术难题,如时钟频 率、超标量架构、流水线技术等,使处理能力得到了极大地提高。然而根据吉尔德定律,在未来25年,主干网的带宽每6个月增长一倍, 换句话说,也可以理解为需要处理的内容的增长速度是CPU处理能力的3 倍,也就是说在信息处理系统的建设中,系统规模将会呈现持续上升,而 不会因为CPU的发展而有所缓解。基于可重构计算技术来实现特殊应用的加速是目前主流的方案。云计算技术在提供传统计算手段之外,还应该针对具体应用需求,提 供众核协处理器、GPU计算和FPGA三种可重

39、构计算模式,适应不同类型应 用的需求。例如在网络数据处理、音视频信息处理等方面,即可针对应用处理要 求,选用相应的可重构计算模式,以提高处理能力,降低系统规模的过快 增长。6）主机虚拟化技术主机虚拟化技术是实现资源池化的重要手段之一。近年来,X86架构上 的主机虚拟化技术逐渐成熟,涌现出不少技术和产品,VMware ESX、Xen、 微软Hyper-V就是其中的代表。作为第一个（1998年）将主机虚拟化技术 引入X86平台的厂商,VMware目前在X86平台的虚拟化市场上处于领先地 位,ESX的最新版本是6.0。作为与ESX相类似（同属裸金属架构）的 Hypervisor和ESX的竞争者,Xe

40、n和Hyper-V也越来越强大。Xen是剑桥大 学于2005年发布的一个开源的Hypervisor,已被吸收到Redhat、SuSE、 Oracle VM中。Xen已经于2007年被Citrix收购,但目前仍然作为个开 源项目由Citrix维护,代表着开源社区的力量。目前,Xen的最新版本是 4. 0. 1,而Citrix XenServer的最新版本是5. 6微软于2008年发布了自 己的HypervisorHyper-V,目前已经更新到Hyper-V r2版本。2.2.2 X86虚拟化实现X86服务器虚拟化，就是在硬件和操作系统之间引入虚拟化层,如下图。虚拟化层允许多个操作系统实例同时运行

41、在一台物理服务器上,动态分区和共享所有可用的物理资源,包括:CPU、内存、存储和I/O设备。随着服务器和台式机的计算能力急剧增加,虚拟化技术应用广泛普及, 很多用户已经在开发/测试、服务器整合、数据中心优化和业务连续性方面 证实了虚拟化的效用。虚拟架构已经可以将操作系统和应用从硬件上分离 出来,打包成独立的、可移动的虚拟机,从来带来极大的灵活性。例如: 可以通过虚拟架构,让服务器24小时365天运行,避免因为备份或服务器 维护而带来的停机。对于X86虚拟化,有两种常见的架构：寄居架构和裸金属架构。寄居架构：将虚拟化层运行在操作系统之上,当作一个应用来运行, 对硬件的支持很广泛。裸金属架构：直接

42、将虚拟化层运行在X86的硬件系统上,可以直接 访问硬件资源,无需通过操作系统实现硬件访问,因此效率更高。2.2.2.I虚拟化层虚拟化层是运行在虚拟机监控器（VMM, Virtual Machine Monitor） 上面、负责管理所有虚拟机的软件。如下图所示,虚拟化层就是Hypervisor （管理程序）直接运行在硬件上,因此,Hypervisor的功能极大地取决于 虚拟化架构和实现。运行在Hypervisor （管理程序）上的每个VMM进行了 硬件抽取,负责运行传统的操作系统。每个VMM必须进行分区和CPU、内存 和I/O设备的共享,从而实现系统的虚拟化。VMMVMMVMM越权就（比x板度等

43、） Hypervisor増强功能图:Hypervisor通过VMM管理虚拟机2.2.2.2 CPU 虚拟化根据最初设计,X86上的操作系统需要直接运行在裸机上,因此默认拥 有和控制所有的硬件。如下图所示,X86架构提供了四种特权级别Ring。、 1、2和3,通过这四种级别来控制和管理对硬件的访问。通常,用户级的 应用1般运行在Ring 3级别,操作系统需要直接访问内存和硬件，需要在 Ring 0执行它的特权指令。为了虚拟X86架构,需要在操作系统下面运行 虚拟化层,由虚拟化层来创建和管理虚拟机,进行共享资源分配。而有些 敏感指令不能很好的进行虚拟化,它们在Ring 0以外级别执行时,会出现 不

44、同的结果。如何在运行时捕获和翻译这些敏感指令成为X86虚拟化的一 大挑战,使得X86架构虚拟化最初难以实现。图:X86架构虚拟化前的特权级别到目前为止,有三种典型的技术来解决X86虚拟化的难题: 完全虚拟化; 操作系统帮助下的虚拟化,即半虚拟化; 硬件帮助的虚拟化。2. 2. 2. 2. 1 完全虚拟化完全虚拟化技术翻译核心指令来代替那些不能虚拟化的指令,通过翻 译后的指令直接访问虚拟硬件。同时,所有用户级指令还是可以直接在CPU 上执行来确保虚拟化的性能。每个VMM为每个虚拟机提供完整的硬件支持 服务,包括虚拟BIOS、虚拟设备和虚拟内存管理。完全虚拟化实现后,客户操作系统可以通过虚拟化层从

45、物理硬件上完 全抽取出来,客户操作系统感知不到是否发生虚拟化,完全不需进行修改。 完全虚拟化是迄今为止唯一不需硬件或操作系统协助来进行敏感和特权指 令虚拟化的技术,Hypervisor (管理程序)可以翻译所有的操作系统特权 指令,并保存在缓存里备用,而用户级指令完全可以全速直接执行。完全虚拟化提供了最好的虚拟机隔离和安全性,简化了客户操作系统 迁移和移植能力。2. 2. 2. 2. 2 半虚拟化半虚拟化需要修改操作系统内核,替换掉不能虚拟化的指令,通过超 级调用(Hypercall)直接和底层的虚拟化层Hypervisor来通讯,Hypervisor 同时也提供了超级调用接口来满足其他关键内

46、核操作,比如内存管理、中 断和时间保持,如下图所示:Ring 1Ring 0Ring 3Ring 2諄分按化的X 尸金作东钱盅拟化孱计算机系统做件直接执 行用户 的请求超级调用虚拟化层来替换不可虚拟的操作系统指令图:操作系统协助的X86架构虚拟化半虚拟化和全虚拟化不同,全虚拟化不需要修改上面的操作系统,敏 感的操作系统指令可直接处理。半虚拟化的价值在于降低了虚拟化的损耗, 基于Xen的虚拟化是半虚拟化的代表,可通过修改Linux的内核来实现CPU 和内存的虚拟化,通过定制的操作系统驱动来实现!/O的虚拟化。1.1.1.1 2. 2. 2. 3硬件辅助虚拟化硬件厂商面对虚拟化投入了大量的精力来开发新的特性用以简化虚拟 化技术应用。第一代的虚拟化增强包括Intel VirtualizationTechnology（VT-x）和 AMD 的 AMD-V,这两种技术都为 CPU 增 加