虚拟化技术在绿色数据中心建设中的应用

李步宵

（中国人民银行西宁中心支行 青海省西宁市 810000）

互联网技术的普及已经是必然趋势，传统的数据存储与数据传输已经无法满足现代信息社会的节奏快、效率高、稳定强等需求。随着资源稀缺的进一步凸显，企业及个人对信息数据的“消费”呈现出平方递增的趋势，现在人们的衣食住行都被各种新颖的互联技术充斥着。一个大型企业的稳定运营很大程度上依赖于数据的稳定及可追溯性，数据的稳定传输是依靠各种IT 设备(如交换机、服务器、PC)支持的，大量的数据传输所需的大量IT 设备则需要依托大型的数据机房来保证专业的电力系统及运行环境的安全。各种科技类公司如百度、腾讯、阿里等，都已建立了大型的数据中心来处理各种服务所需的数据交换;各类金融企业如建设银行、工商银行、交通银行等，都筹建了大型的数据中心来处理各种金融所需的数据;各种通信公司如中国移动、中国电信、中国联通等，也都兴建了各自的数据中心来处理各种通讯所需的数据。各个行业所需的数据中心层出叠嶂，数据中心里面的各种设备也是五花八门。每一个数据中心就像一个企业，数据中心里面的各种设备就像各个部门的员工，如何让这些员工相互配合、运作最优，如何让这些员工多工作，少费力、提高效率、提高生产力，即如何让这些数据中心的能源更加绿色环保，更加便于管理，解决当代社会信息、数据量迸发与传统的数据采集、传输方式的需求关系。

1 虚拟化技术概述

虚拟化起源于1960年代，其由IBM 采用此技术将大型、主机硬件逻辑分割成数个虚拟机器，而这些分割区让主机能以多工之方式进行运作。由于当时主机是属于昂贵的资源，因此分割的设计能完全发挥投资的使用率，借以提高硬件的利用率。时至今日，虚拟机器可以说是一套完全隔离的软件容器，就像实体计算机一样，可执行专属作业系统和应用程序，然而，虚拟机器完全是由软件所组成，因此不包含任何硬件元件。虚拟机器能提供兼容性、隔离性、封装硬件独立性等优点。在计算机方面通常是指计算元件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行。如图1 是本研究的服务器虚拟化视图结构图。

图1：服务器虚拟化视图

服务器虚拟化的应用实现，依靠的是硬件虛拟化和操作系统虚拟化。服务器虚拟化就是将一台服务器变为多台服务器使用，提高服务器的使用率。以前，一台服务器主机装一个操作系统，只能作为一台服务器使用，使用率较低。通过虚拟化，一台服务器主机上装多个操作系统，并且可以同时运行，就相当于多台服务器同时运行了，利用率大大提高。应用程序虚拟化可以让原本无法于新作业系统执行的程序，在不须重新修改程序的状况下就可以移植至新作业系统，同时因为每个虚拟化程序各自有一独立的执行环境，可以保护作业系统或其它应用程序不会因元件遭其它程序覆盖而影响。换言之，可以让原来两个或多个不兼容的软件同时存在于一个作业系统内。使用应用程序虚拟化的计算机并不作实际软件安装的动作，所以应用程序可利用虚拟化工具将其封装成软件套件存在网络上的某台档案伺服主机，如此使用者在登入网路后可立即取得所需之应用程序，大幅缩短软件布署时间。（见图2）。

图2：物理服务器与虚拟服务器的比较

2 数据中心的基本组成机构

2.1 基础设施支持

（1）电力系统支持：如UPS 电源、柴油发电机、配电系统等。

（2）环境系统监管：如环境监控、门禁系统。

（3）数据传输系统：如服务器、交换机、大型机等。

2.2 数据支持

（1）数据安全，数据保存，应用架构，备份和恢复。

（2）系统架构，系统管理，网络部署。

2.3 管理支持

（1）业务连续性，风险管理。

（2）组织结构，相关技能。

（3）业务流程，IT 流程。

对于数据中心来说，能源管理主要集中于第1 部分，即基础设施支持单元，因为主要的用电耗电单元都是在基础设施上，其中的用电大户主要为机房空调或制冷设备、UPS 电源及数据处理设备。从系统上来说，应该将尽可能多的电力消耗使用在IT 负载的使用上，而不是支持系统的设备上。

3 实现数据中心的能源优化

在视数据为生命的信息时代，数据中心不再是一个躲在后台的庞然大物，它已经成为IT 巨头们的新一轮“信息竞赛”的战场。

能源危机已经在数据中心电老虎的发威下凸显出来了，因数据中心的耗电量大、电费支出高已经成为新的电老虎。如此巨大的消耗是任何一家企业和政府都不愿看到的，如何解决目前数据中心普遍存在成本快速增加、资源管理复杂、能源危机等问题将是数据中心发展中需要解决的问题。

在美国俄勒冈州的哥伦比亚河河畔，Google 建成的用于处理每天数十亿次搜索以及提供其他互联网服务的数据中心占地有两个足球场那么大，并且旁边还伴随着两个庞大的冷凝工厂来给机房设备进行降温，因为大量的IT 设备需要处理过多繁杂的数据，还有各种供电设备，会产生大量的热量，需要强大的降温设备来保证设备的运行温度，所以这种能源消耗是我们无法想象的，如果说我们日常在家里所需的用电量是用吸管喝可乐，那么数据中心的用电量就是用水泵在从水库里抽水，并且可乐还有喝完的时候，但是只要水泵不坏，是不会停止从水库抽水的(数据中心的运行时持续的，不允许间断的)。为了解决制冷带来的巨大能源损耗问题，Google 开始计划一项惊人的数据中心工程一“海上漂浮数据中心”，以期望完全利用海洋的能源和海水的温度冷却设备。Google 的这种思想给了数据机房一种方向，越来越多的数据机房慢慢向两极地带进行发展，美国的一个大型综合性超市将数据中心建设在了阿拉斯基的一个洞穴中，一年四季的温度总体稳定，并且偏低，冬天的时候通过将冷空气引进数据机房进行自然冷却，可以完全停止空调的使用，从而节省制冷系统产生的能耗，不仅减少了大量碳排放，每年节省的制冷电费将近500 万美元。

上面的情形是企业从外部来寻求能源优化及资本降低的案例，合理选址可以从设计源头就带来良好的收益，我们可以获得优质的环境支持，但是对于数据中心内部，为了达到合理的制冷效果，做到能源管理，我们还有两个问题需要解决：优化气流和制冷分布。

（1）数据中心不缺乏冷空气，各种制冷设备可以产生足够的降温气体，但是实际上空气是静止的，如何让冷气精确地输送至需要冷却的位置，同时排出服务器所产生的热气，并且降低冷空气输送过程中的损耗，就可以让能源得到良好的管理和优化。

为了提高数据中心制冷系统效率，从而减少能耗和实现绿色服务器环境，其中一个好方式是隔离机房的气流。即放置IT 硬件所排放的热气和注人硬件的冷气混合。数据中心设计人员和管理人员开始设计冷热通道，他们认识到如果调整数据中心临近的服务器排列，机房制冷系统的性能就会提高。后来的经验表明，冷热通道的配置通过放置服务器机柜或几家排尾的冷热空气混合，能够进一步提高制冷性能。

（2）解决制冷分布的问题，我们需要关注基本的原则是缩短制冷设备与制冷目标的距离，在希望冷却的系统中或附近位置安装制冷设备比增大风扇推动冷气的风力更加有效。并且需要安装尽可能少的大型管道，这能够减少摩擦损失，减少制冷系统气泵的工作负载达到提高制冷系统的性能和降低能耗。

4 通过数据中心电力系统效率提高来进系统优化

现今的虚拟机器是迈向更大型解决方案的基本元件，朝着虚拟云端者的基础架构。虚拟机器代表的是整部计算机上的硬件资源，虚拟云端基础架构则代表了整个IT 基础架构上相互连接的硬件资源，包括计算机、网络装置和共享储存设备。不论建置的规模为何，使用虚拟机器来建置虚拟服务器和桌面平台基础架构，可以改善重要任务应用程序的可用性、安全性，以及资源配置的管理能力。各种电气产品的发展都是依托其制造工艺和元器件一起进步的，就像我们使用的电脑，三十年前一个大块头机箱，处理速度还没有现在一部手机的运算能力强，UPS 也同样受到主要元器件的约束，通过十多年的发展，慢慢做到高效稳定。

一个大型的数据中心，要建造一个完善稳定的电力系统，需要配备几兆瓦到几十兆瓦的UPS 电力储备，而UPS 电源作为一个电力系统稳定传输系统，如何降低自身成本，如何提高自身效率，就是进行绿色能源的贡献。

5 通过虚拟化整合实现绿色数据中心

从数据中心两大支持设备了解了如何管理和优化能源，下面我们要从最终的应用硬件系统来了解绿色能源前沿方向。

要以应用程序虚拟化来达到版权管理，在设计上必须符合兼容性和方便性两大需求。软件安装于Windows 作业系统长久以来就存在着兼容性问题，而问题产生的主要原因就是元件的版本问题，例如如果同时安装两个不同版本的Office 会造成mapi32.dll 产生冲突以致于无法正常执行Outlook。

众所周知，数据中心的核心存储运算设备就是服务器，处理各种数据及传输功能，他就像一个大脑，控制着整个数据中心王国的命脉，其工作的效率直接影响了数据中心的能效效果。虚拟化，顾名思义就是在计算上虚拟出一些实际计算机里真实存在的东西，以达到更方便、简单、成本低、安全性高的目的。随着今日计算机普及以及企业日益依赖计算机，企业软件版权管理对信息人员往往造成相当大的困扰，即使和软件厂商签定大量授权，也几乎每一年都得重新回到谈判桌来进行一场费时费力的攻防战，争取最佳的价格优惠。如果利用应用程序虚拟化技术可以让单机版软件快速进行移除及安装的动作，再加上我们参考DHCP 原理所实做的预约管理子系统并配合其他管理模块，可以让一套软件在不同时段提供给不同的使用者，合法的降低软件需求套数。也可以让企业掌握软件的实际使用状况，然后依据需求成长趋势来预先增加版权套数。

总而言之，企业的管理与运营是多方面体现的，对于科技型企业，尤其以数据中心为核心的科技型企业，做到将能源合理分配、降低设备生命周期损耗和提高产品效率就是对企业竞争力及可发展性的突破。