網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)在云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用研究

　　虛擬化技術(shù)能夠使多個(gè)操作系統(tǒng)或者多個(gè)應(yīng)用同時(shí)在一臺(tái)主機(jī)上運(yùn)行，虛擬化技術(shù)為云計(jì)算提供了主要的技術(shù)支撐，在云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用過程中，發(fā)揮著巨大作用。該文筆者就云計(jì)算中心虛擬化技術(shù)的分類與特點(diǎn)進(jìn)行了分析，闡明了云計(jì)算中虛擬化技術(shù)的重要性，同時(shí)深入探究了虛擬化技術(shù)在云計(jì)算應(yīng)用中有待解決的問題，希望為相關(guān)工作者提供一些參考和建議。

　　《計(jì)算機(jī)應(yīng)用》創(chuàng)刊于1981年，是中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)會(huì)刊。以介紹計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)為重點(diǎn)，以推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步為宗旨，以促進(jìn)計(jì)算機(jī)開發(fā)應(yīng)用創(chuàng)新為目標(biāo)。由包括張景中、潘云鶴、何積豐、周巢塵、陳國良院士在內(nèi)的數(shù)十名計(jì)算機(jī)學(xué)科專家組成編委會(huì)，承擔(dān)組稿、審稿、撰稿工作，另有數(shù)百名本學(xué)科其他專家參與審稿工作。

　　眾所周知，大量的計(jì)算資源都存在于云計(jì)算數(shù)據(jù)中心，要想使不同服務(wù)器的資源變得抽象，必須使用虛擬化技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)計(jì)算資源池，根據(jù)粒度分配資源。利用虛擬化技術(shù)在云計(jì)算內(nèi)部建造統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的邏輯網(wǎng)絡(luò)接口、內(nèi)存、存儲(chǔ)空間以及CPU，然后屏蔽掉物理服務(wù)器之間的差異，使所有用戶的虛擬化資源在供應(yīng)、度量和調(diào)度上保持一致。本文筆者探究了云計(jì)算中虛擬化技術(shù)的應(yīng)用。

　　1虛擬化技術(shù)的特點(diǎn)

　　想要在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)需要使用虛擬化技術(shù)，該技術(shù)在X86服務(wù)器架構(gòu)中獲得了快速的發(fā)展。在微軟、VMW以及XEN等多家公司進(jìn)行服務(wù)器虛擬化的過程中起到了關(guān)鍵的引導(dǎo)作用.但是虛擬化技術(shù)的運(yùn)用在最初進(jìn)度緩慢，主要是因?yàn)閄86處理器自身性能的不足以及X86的架構(gòu)與虛擬化技術(shù)運(yùn)用要求不是很匹配。后來，Intel和AMD公司對(duì)X86處理器的架構(gòu)進(jìn)行了修改，X86處理器的自身性能得以提高，虛擬化技術(shù)的運(yùn)用問題得到了解決。服務(wù)器虛擬化提高了物理空間內(nèi)數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用密度，增加了邏輯服務(wù)器的數(shù)量.如此，使得服務(wù)器的內(nèi)外數(shù)據(jù)流動(dòng)增多，服務(wù)器處理效率也得到了提高。如今，虛擬化技術(shù)已經(jīng)成為云計(jì)算的核心技術(shù)。

　　利用虛擬化技術(shù)能夠在云計(jì)算數(shù)據(jù)中心構(gòu)建出一個(gè)計(jì)算池，并擁有超級(jí)計(jì)算能力，它能夠有效屏蔽不同服務(wù)器之間的差異。一個(gè)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心多則擁有數(shù)萬臺(tái)物理服務(wù)器，每個(gè)物理服務(wù)器上都運(yùn)行著多個(gè)動(dòng)態(tài)變化的虛擬機(jī)。通過網(wǎng)卡、橋片、內(nèi)存等硬件虛擬化和不斷增強(qiáng)的CPU性能輔助，在物理服務(wù)器上增加虛擬機(jī)的運(yùn)行數(shù)量。不難想象，一個(gè)大型的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的虛擬機(jī)運(yùn)行數(shù)量。如今，在云計(jì)算數(shù)據(jù)中心，虛擬化技術(shù)發(fā)揮著不可替代的作用。

　　當(dāng)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心開始大規(guī)模應(yīng)用虛擬化計(jì)算和存儲(chǔ)之后，這就對(duì)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)有更高的要求。虛擬化技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用需要更多的寬帶支持，必須構(gòu)建大容量的資源池端口，使虛擬機(jī)在DC間和DC內(nèi)部互通，以此擴(kuò)展資源獲得更多的接口，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心站點(diǎn)間的相互聯(lián)系，加強(qiáng)業(yè)務(wù)和底層硬件的透明度，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算空間的大規(guī)模構(gòu)建。

　　2云計(jì)算數(shù)據(jù)中心虛擬化技術(shù)的分類

　　2.1數(shù)據(jù)平面虛擬化

　　控制平面和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面是數(shù)據(jù)通信的兩個(gè)維度，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面又被稱為數(shù)據(jù)平面。為了使數(shù)據(jù)平面的效果得到良好的展現(xiàn)，TRILL和SPB兩個(gè)新協(xié)議應(yīng)運(yùn)產(chǎn)生，這兩個(gè)協(xié)議屬于控制協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)在N6-設(shè)備上進(jìn)行拓?fù)渎窂接?jì)算的目標(biāo)，但是TRT(LLL/SPB區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)于外界來說沒有任何意義，它僅為虛擬交換的進(jìn)行提供了一個(gè)場所。雖然，數(shù)據(jù)平面虛擬化使用多合一的方式擴(kuò)展了計(jì)算的范圍規(guī)模，但是轉(zhuǎn)發(fā)效率較低，也使網(wǎng)絡(luò)變得更加復(fù)雜。

　　多路徑轉(zhuǎn)發(fā)問題和拓?fù)錈o環(huán)路問題是接人層與核心層設(shè)備在建造數(shù)據(jù)中心二層網(wǎng)絡(luò)模型的過程中必須解決的。Ethernet想要實(shí)現(xiàn)無環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)，必須使用STP，但是這樣一來，又會(huì)導(dǎo)致寬帶浪費(fèi)、部分路徑被阻塞的情況出現(xiàn)，大大降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)效率。因此，建設(shè)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心需應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，以此提高寬帶的利用率。

　　首先，需要在接人層與核心層的交換機(jī)中引入動(dòng)態(tài)尋址協(xié)議與外層封裝標(biāo)識(shí)，用來滿足L2M(Layer2 MuhiPath)的需求，其實(shí)就是仿照IP,OSPF制作了一個(gè)外放版的協(xié)議機(jī)制，放置于Ethemet外面。

　　其次，需要構(gòu)建無環(huán)的樹狀連接模式，在構(gòu)建此模式時(shí)需要利用整個(gè)網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)洌四Ｊ叫枰ＷC只有一條邏輯鏈路可以通過核心層與接人層或邏輯節(jié)點(diǎn)設(shè)備連接，順利完成多路徑和無環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)工作。另外，還需要將接人層以下設(shè)備的交換機(jī)全部虛擬成邏輯的框式交換機(jī)”。

　　例1.SPB與7RILL的不同之處，如表1。

　　2.2控制平面虛擬化

　　所謂的控制平面虛擬化，簡單來說就是僅僅使用一個(gè)主體統(tǒng)一全部設(shè)備的控制平面，并完成整個(gè)虛擬交換機(jī)工作。控制平面虛擬化可以有兩種方法，一種是橫向虛擬化，另一種是縱向虛擬化。

　　將不同層次的多個(gè)設(shè)備通過虛擬化技術(shù)合而為一就是縱向虛擬化，這種縱向虛擬化方式使上級(jí)設(shè)備的接口增加，這樣一來，下級(jí)交換機(jī)設(shè)備的功能就大大降低，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)文和交換機(jī)的控制和轉(zhuǎn)發(fā)，僅僅可以完成一些簡單的同步處理的工作。

　　橫向虛擬化具有和縱向虛擬化相同的工作原理，同樣將不同層次的多個(gè)設(shè)備通過虛擬化技術(shù)合而為一，用一個(gè)主體完成控制平面工作。但是有一點(diǎn)需要注意，作為典型的虛擬交換機(jī)，橫向虛擬化使結(jié)構(gòu)變?yōu)榉植际剑笥液俗雍蜋C(jī)框負(fù)責(zé)處理和轉(zhuǎn)發(fā)流量。換句話說，控制平面虛擬化是一種真正的虛擬交換機(jī)，它可以同時(shí)滿足增加接口和管理統(tǒng)一的需求。

　　2.3控制平面多虛一技術(shù)

　　目前，國內(nèi)IT界運(yùn)用最多的控制平面多虛一技術(shù)就是VSS技術(shù)和IRF技術(shù)。IRF技術(shù)和VSS技術(shù)分別是H3C數(shù)據(jù)中心交換機(jī)和Cisco數(shù)據(jù)中心交換機(jī)的私有技術(shù)，以下是兩者技術(shù)點(diǎn)的關(guān)鍵所在：

　　(1)雙活檢測處理：如果VSL或者Link出現(xiàn)問題，與其相關(guān)的物理設(shè)備就導(dǎo)致IP網(wǎng)關(guān)混亂，這是因?yàn)槎咄耆嗤呐渲茫谏舷掠尉W(wǎng)絡(luò)設(shè)備中出現(xiàn)了雙活節(jié)點(diǎn).所以VSS和IRF都會(huì)運(yùn)行雙活處理機(jī)制來修復(fù)專用鏈路出現(xiàn)的故障。還有一點(diǎn)要注意：在進(jìn)行初始協(xié)商時(shí)，VSS技術(shù)和IRF技術(shù)都必須將備份的機(jī)框設(shè)備重啟，才能完成虛擬化部署。

　　(2)基于引擎的主備模式：VSS技術(shù)與IRF技術(shù)都是使用一塊主控引擎處理虛擬交換機(jī)的主控制問題的，其他的引擎都是備份過的。這個(gè)引擎可以單獨(dú)完成協(xié)議學(xué)習(xí)、表項(xiàng)同步等工作。至于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作，如果拓?fù)洳惶蟆SPF鄰居不多，交換機(jī)也可以獨(dú)自完成。

　　(3)專用鏈路跑私有協(xié)議：IRF技術(shù)使用VSL和IRF link、Vss技術(shù)來承載控制平面私有交互協(xié)議IRF和SLP。

　　例2.CiscoVSS的三種故障檢測方式，如下圖：

　　3虛擬化技術(shù)提高了云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的資源利用率和服務(wù)水平

　　3.1虛擬技術(shù)的快速發(fā)展為云計(jì)算數(shù)據(jù)中心帶來全新的發(fā)展機(jī)遇

　　虛擬化技術(shù)可以根據(jù)眾多的資源虛擬出更多的主機(jī)，為使用單位營造富有活力和彈性的網(wǎng)絡(luò)資源環(huán)境，形成強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使數(shù)據(jù)中心資源的利用率和共享率得到明顯提高，幫助云計(jì)算數(shù)據(jù)中心獲得更大的收益：

　　(1)節(jié)約成本。使用虛擬化技術(shù)可以有效節(jié)省總體成本，減少了硬件投資，提高了每個(gè)服務(wù)器的利用率，不用因?yàn)榕f系統(tǒng)的升級(jí)、維護(hù)和兼容性等問題而浪費(fèi)時(shí)間和精力。

　　(2)提高服務(wù)水平。虛擬化技術(shù)對(duì)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器、存儲(chǔ)等資源實(shí)施統(tǒng)一管理，按照需求擴(kuò)充容量，更好地完成動(dòng)態(tài)資源調(diào)配。根據(jù)用戶的不同需求，云計(jì)算數(shù)據(jù)中心可以為用戶提供云服務(wù)器、云存儲(chǔ)、云桌面、云應(yīng)用等服務(wù)。

　　(3)提高工作效率?？梢园巡渴饡r(shí)間由過去的小時(shí)級(jí)轉(zhuǎn)化為分鐘級(jí)，大大縮短服務(wù)器應(yīng)用和重建的加載時(shí)間，由過去的20-40小時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的15-30分鐘，大大減少了工作時(shí)間，工作的效率明顯提高。

　　3.2虛擬化技術(shù)可以為云計(jì)算數(shù)據(jù)中心提供云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)

　　虛擬化技術(shù)不僅大大提高了使云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的服務(wù)水平與資源利用率。還為云計(jì)算數(shù)據(jù)中心營造了富有彈性的使用空間，充分激發(fā)了云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的潛力。云計(jì)算數(shù)據(jù)中心具有共享性，它是由儲(chǔ)存設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器之類的底層硬件共同虛擬化而創(chuàng)造出的一個(gè)運(yùn)作環(huán)境，它根據(jù)用戶的不同要求形成服務(wù)導(dǎo)向的IT架構(gòu)，利用各種相互隔離應(yīng)用的方式建造上層數(shù)據(jù)。虛擬化技術(shù)為數(shù)據(jù)中心創(chuàng)建了一個(gè)安全、可行的云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)，更是在其中引入了自動(dòng)化技術(shù)和先進(jìn)的管理系統(tǒng)，它不僅僅是一個(gè)整合工具。這樣一來，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算數(shù)據(jù)中心就很容易區(qū)別了。

　　4云計(jì)算數(shù)據(jù)中心虛擬化技術(shù)的應(yīng)用需解決以下問題

　　4.1虛擬化架構(gòu)的可管理性

　　云計(jì)算數(shù)據(jù)中心虛擬化架構(gòu)急需解決虛擬資源的可擴(kuò)展性管理、可配置性管理等問題，以此實(shí)現(xiàn)虛擬資源的自動(dòng)化管理，具體操作如下”：

　　(1)狀態(tài)監(jiān)控問題。對(duì)設(shè)備硬件工作狀態(tài)和虛擬環(huán)境要進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，如果發(fā)生問題，要第一時(shí)間發(fā)出警報(bào)。

　　(2)性能檢測方面。對(duì)物理機(jī)器和虛擬機(jī)的性能進(jìn)行監(jiān)控，分析其瓶頸，同時(shí)有針對(duì)性地提出一些優(yōu)化建議。

　　(3)補(bǔ)丁管理方面。能夠自動(dòng)為虛擬化管理軟件和虛擬機(jī)系統(tǒng)提供補(bǔ)丁升級(jí)方案。

　　4.2虛擬化架構(gòu)的安全性

　　云計(jì)算數(shù)據(jù)中心能夠幫助使用單位或者個(gè)人節(jié)省大量成本，并在存儲(chǔ)服務(wù)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的全部過程中為他們提供各種“云服務(wù)”。使用虛擬化技術(shù)可以將個(gè)人或者使用單位的計(jì)算機(jī)應(yīng)用和已有工作量轉(zhuǎn)移到云計(jì)算數(shù)據(jù)中心。面對(duì)眾多的用戶、多重技術(shù)、多雜的設(shè)備平臺(tái)，在確保安全性和可用性的同時(shí)，對(duì)資源進(jìn)行整合，這是云計(jì)算彈性數(shù)據(jù)中心順利運(yùn)用的關(guān)鍵。

　　5結(jié)束語

　　隨著服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等硬件資源的全面虛擬化，網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)將在云計(jì)算數(shù)據(jù)中心中發(fā)揮著越來越重要的作用，大大提高了計(jì)算機(jī)云計(jì)算的功能。在云計(jì)算數(shù)據(jù)中心利用虛擬化技術(shù)可以改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使各項(xiàng)操作變得更為簡單，工作速度也大大提高，同時(shí)也使網(wǎng)絡(luò)維護(hù)變得更加簡單，減輕工作人員的工作負(fù)擔(dān)，因此需要加強(qiáng)研究，促進(jìn)虛擬技術(shù)在云計(jì)算中心得到更加廣泛的應(yīng)用，提高虛擬技術(shù)應(yīng)用的水平，為社會(huì)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。