云计算虚拟化集群技术研究

柳静　邵华

摘要：云计算是科技的产物，时代的需求，可以借助云中计算模式将计算及存储任务分配到大量的分布式计算机上，方便运用和管理计算机中海量的存储资源。云计算需要高可靠的虚拟化集群技术的支撑，虚拟化技术有利于提高硬件利用率，保证了硬件的安全性与可维护性，集群技术可以提高虚拟服务器的系统性能和可靠性。将集群技术和虚拟机技术结合起来应用，达到了类似于增加服务器的效果并可以实现计算资源利用的最大化。

关键词：云计算；集群技术；虚拟化

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）23-0219-02

1 集群技术

集群技术具体到云计算方面，就是通过集群软件将多台服务器连接组成一个大型服务器群为客户端提供服务。这时的所有计算机系统成为一个整体，对于网络上的数据或应用软件等所有资源，客户端都能共享。集群系统能够保证用户的业务是连续的并且具有持续可用的特性，从而将系统停止运行的时间降到了最低，提供了高可靠性的保障。

2虚拟化技术

虚拟化技术随着云计算的广泛应用而逐渐深入到人们日常的工作与生活中。通过虚拟化技术，IT 成本降低了，系统安全性和可靠性也增强了。整个虚拟机系统的核心是虚拟机管理器（VMM），包括对CPU的虚拟化，对内存的虚拟化，对I/O的虚拟化。

2.1 CPU的虚拟化

为每个虚拟机提供一个或多个虚拟CPU（virtual CPU，VCPU），一个虚拟CPU在任意时刻只能使用一个CPU。当一个虚拟CPU要保存当前虚拟CPU状态，在时间片用完需要切换时将被调度的虚拟CPU的状态载入物理CPU。保证虚拟机的指令正确执行并且保证各个虚拟机之间不互相影响是虚拟CPU正确运行的关键。由VMM决定当前哪一个虚拟CPU实际在物理CPU上运行是指虚拟CPU的调度。常用的调度算法有BVT算法，sEDF算法和credit算法，这里不再赘述了。

2.2内存虚拟化

VMM的重要功能之一就是内存虚拟化。VMM虚拟计算机的物理内存通常采用分块共享的思想来进行。即VMM需要将机器的内存分配给各个虚拟机，并维护二者之间物理内存的映射关系。现代计算机所具备的内存分页保护机制给VMM进行内存虚拟化提供了必要的硬件支持，有利于VMM实现不同虚拟机间内存的隔离和保护。

2.3 I/O虚拟化

VMM设计最复杂的部分往往就是I/O虚拟化。系统的成败就取决于I/O的效率。但由于I/O虚拟化技术目前仍然不够成熟，即使在很多传统的系统级虚拟化系统中，其效率仍然比较低下。因此，关于多级I/O虚拟化技术仍然存在广阔的可探索空间。

3 虚拟化集群技术

多台的vServer主机在集群中可以由一台vCenter主机进行管理，多台的虚拟机就可以在这些vServer主机上运行，虚拟机池就是通过这些虚拟机组成的。通过对虚拟机池的管理，vCenter间接实现了对集群中物理资源的管理，保证了虚拟化的集群中高可用性，同时也保证了虚拟化的集群中负载均衡性。虚拟机池通过软件和工具实现管理任务，形成高性能虚拟计算环境以及高效管理技术，通过在集群中的每一个结点上安装vServer系统，管理人员只需与控制结点进行交互，减少了用户对动态的和复杂的物理设备的管理和维护。通过vCenter把不同资源整合成具有巨大能力的系统，减少管理复杂度，提高了系统性能。

3.1总体框架

虚拟化集群应该包括vCenter（一个）、vServer（多个）和共享存储（一套）。一个物理服务器通过直接安装在服务器硬件上的vServer可以划分为多个虚拟机，并且能够在同一物理服务器上运行，并具备安全、隔离和可移植的特性。通过光通道或者网络，集群中的所有的vServer主机连接到共享的存储，主机上的业务在一台主机发生故障时可以转移到其它主机上，转移后的业务的执行由于使用了共享存储，不会因为存储设备的关系而受到影响。vCenter在集群中不直接管理vServer的主机，而是通过管理运行在vServer上的虚拟机进行间接管理。在vCenter Client 的操作界面上进行vCenter的所有管理操作。

vCenter和vServer两大模块是虚拟机进行集群化架构的主要的功能实现部分（见图1）。

3.2 vCenter

管理集群中的vServer是vCenter的主要功能。虚拟机集群中只一台主机安装vCenter即可，安装了vCenter系统的主机作为核心管理来管理集群中其它vServer主机。具体操作步骤是：

（1）寻找可用主机：在集群当中安装有vServer系统且与vCenter连接的正常主机是vCenter寻找可用的主机资源，这样的主机接受 vCenter的控制，并能与vCenter正常通信。

（2）创建硬件池：可用主机资源寻找到后，根据需要，vCenter对这些主机进行划分和组合，然后创建出任意数量的硬件池。

（3）创建虚拟机池：硬件池创建出以后，在此基础上，vCenter可以创建虚拟机池。

（4）启动虚拟机：启动和管理虚拟机的重点是集群的负载均衡性。在启动一台虚拟机的时候，vCenter会选择资源占用率最低的主机来运行。

3.3 vServer

划分和管理共享存储是vServer的主要功能。vServer虚拟化主机的CPU、内存、I/O等物理资源。同时通过给vCenter发送心跳包将自己的通信状态通知vCenter。具体操作步骤是：

（1）创建存储 vServer共享所有的存储设备。根据需求，进行共享存储中，vServer会利用工具对磁盘设备进行格式化，划出供自己使用的一块设备为存储设备，虚拟机要在某个vServer上运行时就会占用该存储设备。vServer创建存储是对共享存储设备的组织和划分，通过对所有的存储设备统一规划以便重新分配。

（2）监测资源空闲率 对于自身硬件资源的占用情况，vServer要实时监测。当然，vServer主要检测空闲率（CPU、内存和Swap交换空间），因为整个主机硬件资源空闲率的高低就由这三者的加权值来表明。vCenter接收每台vServer上的加权值后找出资源使用率最低的主机，进而实现集群虚拟化架构的负载均衡性。

4 小结

虚拟化技术有利于提高硬件利用率，保证了硬件的安全性与可维护性。通过集群技术可以把多台服务器组成一台虚拟服务器，有利于提高计算机的系统性能和可靠性。将集群技术和虚拟机技术结合起来应用，达到了类似于增加服务器的效果并可以实现计算资源利用的最大化。

参考文献：

[1] 朱超.基于虚拟化技术构建高校分布式云计算数据中心[J].武汉工程大学学报，2011（4）.

[2] 孔亚楠；余跃.云计算下的虚拟存储研究及应用[J].电脑知识与技术，2010（30）.

[3] 李刚健.基于虚拟化技术的云计算平台架构研究[J].吉林建筑工程学院学报，2011（1）.