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云時代數(shù)據(jù)中心虛擬化管理探討

符斌 2011/11/22

　　虛擬化技術(shù)由于其在提高基礎(chǔ)設(shè)施可靠性和提升資源利用效率等方面的巨大優(yōu)勢，應(yīng)用越來越廣泛。同時，虛擬化技術(shù)本身也在快速發(fā)展，虛擬網(wǎng)絡(luò)接入領(lǐng)域，802.1Qbg、802.1Qbh等標準相繼推出，虛擬服務(wù)器高可用方面，HA、FT、DRS、DPS、vMotion等技術(shù)也在不斷演進。相應(yīng)的虛擬化管理技術(shù)必須同步發(fā)展，才能解決虛擬化帶來的需求。

一、虛擬化的技術(shù)和管理需求

　　1 主流的服務(wù)器虛擬化技術(shù)簡介

　　在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器領(lǐng)域，虛擬化技術(shù)目前仍處于快速發(fā)展的階段，IDC統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，VMware和Hyper-V處于領(lǐng)導(dǎo)者地位。KVM陣營由于Redhat的加入，將成為第三支最有力量的參與者(如圖1所示)。

虛擬化產(chǎn)品市場份額

圖1:虛擬化產(chǎn)品市場份額
　　從技術(shù)發(fā)展方向來看，服務(wù)器虛擬化的有四種分類(如表1所示)，其中完全虛擬化技術(shù)是目前使用最為普遍的技術(shù)，VMware、Hyper-V、KVM、XEN等產(chǎn)品均已支持該技術(shù)。

虛擬化技術(shù)分類

表1:虛擬化技術(shù)分類
　　2.虛擬化對管理的影響因素之一：vSwitch

　　服務(wù)器虛擬化引入了虛擬網(wǎng)絡(luò)交換機(vSwitch)的概念，如圖2所示，使用虛擬化軟件技術(shù)仿真出來的二層交換機，位于物理服務(wù)器中。vSwitch創(chuàng)建虛擬的網(wǎng)絡(luò)接口(vNIC)鏈接VM，并使用物理網(wǎng)卡連接外部的物理交換機。

vSwtich結(jié)構(gòu)

圖2:vSwtich結(jié)構(gòu)
　　vSwitch的出現(xiàn)，對傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理方式產(chǎn)生了巨大的影響，主要體現(xiàn)在以下幾點。

　　1)從網(wǎng)絡(luò)管理的范圍來看，不僅要覆蓋物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(交換機、路由器、防火墻等)，還要延伸到服務(wù)器內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)交換功能，因此需要有不同于SNMP/CLI等傳統(tǒng)的管理手段來管理實現(xiàn)對vSwitch的管理。

　　2)從網(wǎng)絡(luò)的可視性來看，由于虛擬服務(wù)器和物理網(wǎng)絡(luò)之間多了一層vSwitch，使得傳統(tǒng)的基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)可視化管理手段失效(比如流量無法全部感知影響流量分析管理、終端接入無法感知影響網(wǎng)絡(luò)拓撲分析)

　　3)從網(wǎng)絡(luò)的可控性來看，由于一個物理網(wǎng)絡(luò)接口下面將連接一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，接入層的管控能力從原來針對一個終端擴展成針對一個網(wǎng)絡(luò)(包含多個VM終端)，需要有手段區(qū)分每個VM終端來達到接入層的控制(而不僅僅是區(qū)分接入接口，因為接入接口下移到服務(wù)器內(nèi)部的vSwitch上了)。

　　3.虛擬化對管理的影響因素之二：遷移

　　為提供VM系統(tǒng)的可靠性，服務(wù)器虛擬化技術(shù)提供了VM遷移、高可用性(HA)、熱備容錯、資源池調(diào)度等特性，這些特性都會影響VM的物理部署位置，不僅使虛擬服務(wù)器在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的物理位置的可視性變得困難，并且使得服務(wù)器接入物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要一定的網(wǎng)絡(luò)資源配置，其接入位置的動態(tài)性就要求物理網(wǎng)絡(luò)配置能提供隨需而動的管理能力。

　　以下以VMware舉例，介紹這幾種特性及對網(wǎng)絡(luò)管理的影響和需求。

　　3.1 VM遷移－vMotion

　　vMotion有幾種實現(xiàn)，目前對VM服務(wù)中斷影響最小、遷移性能最佳的實現(xiàn)方式是在線遷移(Live Migration)，如圖3所示。一般物理機之間要采用SAN或NAS之類的集中式共享外存設(shè)備，同時考慮操作系統(tǒng)內(nèi)存執(zhí)行狀態(tài)的遷移[注：主流的內(nèi)存遷移技術(shù)是預(yù)拷貝技術(shù)，通過多個輪次的增量拷貝，直至內(nèi)存不再更新。不在此詳述]，停機時間非常短暫。

vMtoion示意圖

圖3:vMtoion示意圖
　　3.2 高可用性HA

　　有兩種HA模式：1)物理服務(wù)器故障，可在具有備用容量的其他生產(chǎn)服務(wù)器中自動重新啟動受影響的所有虛擬機(如圖4左所示)；2)VM操作系統(tǒng)出現(xiàn)故障，HA 會在同一臺物理服務(wù)器重啟啟動受影響的虛擬機(如圖4右所示)。

HA場景示意圖

圖4:HA場景示意圖
　　3.3 熱備容錯(Fault Tolerance)：

　　如圖5所示，原始實例創(chuàng)建一個在另一臺物理服務(wù)器上運行的實時影子，VM故障時可不重啟完成切換，防止由硬件故障導(dǎo)致的應(yīng)用程序中斷，相當于熱備份。

FT場景示意圖

圖5:FT場景示意圖
　　3.4 動態(tài)資源調(diào)度：

　　基于預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，跨資源池動態(tài)平衡計算、分配資源。如圖6所示，管理員可以將Exchange server和Apache Server移動到其他物理服務(wù)器，使SAP系統(tǒng)得到更多的空閑資源。

動態(tài)資源調(diào)度示意圖

圖6:動態(tài)資源調(diào)度示意圖
　　4.遷移對網(wǎng)絡(luò)管理的影響和需求分析

　　在上述場景中，VM位置都發(fā)生了改變，VM能否正常運行，不僅需要在服務(wù)器上的資源合理調(diào)度，網(wǎng)絡(luò)連接的合理調(diào)度也是必須的。

VM、網(wǎng)絡(luò)遷移示意圖

圖7:VM、網(wǎng)絡(luò)遷移示意圖
　　如圖7所示,如果把虛擬機VM1從物理服務(wù)器pSrv1遷移到物理服務(wù)器pSrv2上，其網(wǎng)絡(luò)連接從原來的由pSRV1上虛擬交換機vSwitchA的某個VSI(屬于VLAN100的端口組)接入到邊緣物理交換機Edge Switch1，變成由pSRV2上vSwitchB的某個VSI接入到Edge SwitchB。若遷移后對應(yīng)的Edge Switch的網(wǎng)絡(luò)配置不合適，則VM1遷移后就可能不能正常使用。比如原先對VM1的訪問設(shè)置了ACL，以屏蔽非法訪問；或設(shè)置了QoS，以保障VM1上業(yè)務(wù)運行帶寬等服務(wù)質(zhì)量。都需要在發(fā)生VM創(chuàng)建或vMotion時同步調(diào)整相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)連接配置。并且，為了保證VM的業(yè)務(wù)連續(xù)性，除了虛擬化軟件能保證VM在服務(wù)器上的快速遷移，相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接配置遷移也需要實時完成，即網(wǎng)絡(luò)需要具有“隨需而動”的自動化能力，這也就需要利用虛擬化軟件提供管理API。目前主要的API技術(shù)有如下幾種。

　　4.1 VMware ESX/ESXi的管理API

　　VMware對外提供的管理接口主要是vShpere API(如圖8所示)，管理系統(tǒng)可通過調(diào)用API接口對VMware進行管理。

VMware管理接口

圖8:VMware管理接口
　　4.2 Hyper-V的管理API

　　微軟的Hyper-V提供了類似VMware vCenter的集中管理產(chǎn)品SCVMM(System Center Virtual Machine Manager)，并可以提供WMI和powerShell形式的API接口管理能力。

　　4.3 通用的虛擬化API

　　為解決虛擬化產(chǎn)品管理的兼容性問題，業(yè)界出現(xiàn)了針對虛擬化的通用API技術(shù)，典型的是Libvert技術(shù)(如圖9所示)。注：Libvert目前支持KVM、Xen、VMware等主流虛擬化產(chǎn)品。

Libvert技術(shù)架構(gòu)

圖9:Libvert技術(shù)架構(gòu)
二、虛擬化趨勢下的可視性管理

　　服務(wù)器虛擬化后，虛擬服務(wù)器規(guī)模劇增，以及虛擬化軟件的遷移特性使虛擬服務(wù)器在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的物理位置的可視性變得困難。當業(yè)務(wù)系統(tǒng)異常時，需要從服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)各方面進行分析診斷，對網(wǎng)絡(luò)管理員來講，需要清楚虛擬服務(wù)器VM位于哪個物理服務(wù)器、通過哪個物理網(wǎng)絡(luò)交換機接口接入網(wǎng)絡(luò)，甚至需要了解vSwitch上的網(wǎng)絡(luò)配置(比如VLAN)，特別是服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)的邊界鏈接的可視性。如果對這些信息無法可視化管理，就無法有效的分析和定位故障。

　　因此需要使用服務(wù)器虛擬化管理技術(shù)將虛擬化網(wǎng)絡(luò)相關(guān)信息納入到統(tǒng)一的資源可視化管理中。

　　1.虛擬資源視圖

　　通過虛擬資源視圖，可以查看物理服務(wù)器、虛擬交換機、VM的資源從屬關(guān)系信息。同時在虛擬交換機管理視圖中，其提供了服務(wù)器中虛擬網(wǎng)絡(luò)的配置能力(端口數(shù)量、端口組、VLAN、和物理網(wǎng)卡的綁定關(guān)系等)。在虛擬機的管理視圖中，可以提供分配的計算資源、GuestOS信息的可視性等功能。

　　2.虛擬網(wǎng)絡(luò)拓撲

　　拓撲是最為直觀的管理方式，通常的網(wǎng)絡(luò)拓撲由于沒有計算虛擬化相關(guān)數(shù)據(jù)，無法得到各個虛擬服務(wù)器VM和物理服務(wù)器、vSwitch的從屬和鏈接關(guān)系，各個VM是零落到整個拓撲、不同網(wǎng)段中的獨立節(jié)點，而且VM的數(shù)量遠遠大于物理服務(wù)器的數(shù)量，最終出現(xiàn)的是一個大量、雜亂、無關(guān)的拓撲。

　　通過虛擬網(wǎng)絡(luò)拓撲可以解決這個問題，管理系統(tǒng)在拓撲計算中使用虛擬網(wǎng)絡(luò)的拓撲數(shù)據(jù)，提供清晰簡潔的物理拓撲，所有虛擬節(jié)點都聚合到物理服務(wù)器節(jié)點上；同時又能體現(xiàn)物理服務(wù)器內(nèi)部的虛擬世界。如圖10所示，可以看到展示物理服務(wù)器(ESX)、虛擬交換機(vSwitch)、虛擬機(VM)之間的從屬或連接關(guān)系。同時，通過ESX和物理交換機之間的連接關(guān)系，可展示ESX所在的物理位置。

虛擬網(wǎng)絡(luò)拓撲實例

圖10:虛擬網(wǎng)絡(luò)拓撲實例
三、虛擬化趨勢下的流量可視性管理

　　數(shù)據(jù)中心中不僅僅存在著外部對數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的訪問流量，在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部應(yīng)用之間反而存在著更為大量的數(shù)據(jù)交換，掌握這部分流量的分布以及對網(wǎng)絡(luò)的需求，對保障其業(yè)務(wù)的正常運行有更大的意義。而當業(yè)務(wù)大量部署在虛擬服務(wù)器上時，如何感知虛擬服務(wù)器之間的流量就變得非常重要。

　　1.從網(wǎng)絡(luò)側(cè)分析虛擬化流量的可視性

　　對于傳統(tǒng)虛擬化技術(shù)中的VEB vSwitch模式，虛擬機VM之間的相互流量直接在vSwitch上交換，網(wǎng)絡(luò)是無法感知的(如圖11所示)。因此通過傳統(tǒng)的網(wǎng)流分析手段分析流量比較困難。

VEB模式流量模型

圖11:VEB模式流量模型
　　目前正在形成標準的VEPA(802.1Qbg)方案中，VM間的流量必須通過外部網(wǎng)橋進行交換(如圖12所示)，網(wǎng)絡(luò)具有完全的流量可視性，只要網(wǎng)流分析管理軟件能夠?qū)⒂|角延伸到VEPA外部網(wǎng)橋上即可。該模式要求對應(yīng)網(wǎng)橋支持NetStream、NetFlow、SFlow能力。
VEPA、Multi-Channel模式流量模型

圖12:VEPA、Multi-Channel模式流量模型
　　2.從服務(wù)器內(nèi)部分析虛擬化流量的可視性

　　除了從網(wǎng)絡(luò)側(cè)進行流量的可視性感知，還可以以一定的手段從虛擬機內(nèi)部進行進行流量分析。比如，利用vSwitch端口的混雜模式特性，當vSwitch的相應(yīng)端口配置為混雜模式時，與該端口連接的探測服務(wù)器就能鏡像觀測到該vSwitch上的所有流量。當然，探測服務(wù)器就必須作為一個VM才能連接到vSwitch上。

　　如圖13所示，流量采集器(探針)可以作為一個VM部署到需要監(jiān)控的物理服務(wù)器上，并將采集的流量數(shù)據(jù)輸出到外部的流量分析軟件進行分析。該方式要求探針部署到服務(wù)器內(nèi)部，而不是重要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點附近。相當于降低了探針的部署位置，部署的數(shù)量可能會比較多。

基于vSwitch端口混雜模式的流量采集

圖13:基于vSwitch端口混雜模式的流量采集
四、虛擬趨勢下的自動化配置遷移

　　1.基于VMware vCenter的配置遷移方案

基于VMware的虛擬網(wǎng)絡(luò)配置遷移原理

圖14:基于VMware的虛擬網(wǎng)絡(luò)配置遷移原理
　　如圖14所示，該方案的關(guān)鍵在于網(wǎng)管系統(tǒng)的虛擬化環(huán)境的拓撲可視化能力，定位出VM連接到的物理網(wǎng)絡(luò)交換機的接入位置以下發(fā)VM對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)配置。如圖17所示，一個VM可能有一個或多個vNic，通過一個或多過vSwitch連接到外部物理交換機。如果要準確定位VM連接的物理網(wǎng)絡(luò)交換機的接入位置，vSwitch和pSwitch都需要支持必要的二層拓撲協(xié)議，比如LLDP協(xié)議。以VMware產(chǎn)品為例，其最新版本(vSphere5.0)已經(jīng)開始支持LLDP協(xié)議，但僅在vDS(虛擬網(wǎng)絡(luò)分布式交換機)上支持LLDP，普通的vSwitch并不支持，虛擬服務(wù)器接入位置定位的準確性很難保證。

VM的物理網(wǎng)絡(luò)接入位置定位

圖15:VM的物理網(wǎng)絡(luò)接入位置定位
　　除此之外，本方案還存在一個控制精細度問題。在VEB vSwtich模式下，多個VM可以通過一個物理接口連接到鄰接物理交換機，即VM和物理接口是N:1的關(guān)系。如圖16所示。

VEB、Multi-Channel物理端口映射對比

圖16:VEB、Multi-Channel物理端口映射對比
　　在此模式下，對物理交換機的配置控制粒度只能到物理接口級，針對數(shù)據(jù)中心“隨需而動”的配置自動化遷移，通常情況下會出現(xiàn)多個VM的配置都重復(fù)下發(fā)到一個物理接口上，很難做到針對每一個VM的精細化網(wǎng)絡(luò)配置管理。

　　2.基于802.1Qbg的配置遷移方案

　　擬定義的802.1Qbg標準(目前是draft1.6版本)在解決這些問題上提出了新的思路。

　　802.1Qbg標準首先解決了精細化控制最優(yōu)的解決方法，即在鄰接物理交換機出現(xiàn)了vPort的概念。這類邏輯虛接口可以實現(xiàn)和VM對應(yīng)的vNic/VSI的1：1對應(yīng)關(guān)系。VM遷移時，只需在對應(yīng)的鄰接物理交換機上動態(tài)創(chuàng)建一個vPort，并將VM對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)配置Profile綁定到vPort上。不會對其他vPort產(chǎn)生影響。同時遷移前對應(yīng)的鄰接物理交換機只需要簡單的將對應(yīng)的vPort邏輯接口刪除即可，不存在反向去部署的復(fù)雜性問題。

　　其次，802.1Qbg的VDP特性解決了VM接入定位準確性的問題，即通過VDP通告，鄰接物理交換機學(xué)習(xí)到連接接入的VM信息和對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接配置信息，并主動向網(wǎng)管系統(tǒng)請求對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接配置profile，減少了網(wǎng)管系統(tǒng)進行VM接入位置定位的步驟。

　　該方案過程如圖17所示。

支持VDP的虛擬網(wǎng)絡(luò)配置遷移

圖17:支持VDP的虛擬網(wǎng)絡(luò)配置遷移
　　整體來看，引入802.1Qbg VDP后，不依賴網(wǎng)管系統(tǒng)對VM接入物理網(wǎng)絡(luò)的定位能力，提高了網(wǎng)絡(luò)配置遷移的準確性和實時性。同時，服務(wù)器系統(tǒng)管理員和網(wǎng)絡(luò)管理員職責(zé)劃分也將更加明確。對系統(tǒng)管理員來講，只需要關(guān)注網(wǎng)絡(luò)提供的虛擬服務(wù)器到鄰接交換機的鏈接；而對網(wǎng)絡(luò)管理員而言，則只需要關(guān)注針對不同的應(yīng)用系統(tǒng)(或VSI類型)應(yīng)提供什么樣的網(wǎng)絡(luò)接入配置。這樣在IaaS中，網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器之間就產(chǎn)生了一種服務(wù)概念的抽象――鏈接即服務(wù)(CaaS，Connection as a service)。

五、結(jié)束語

　　虛擬化服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)的融合管理已經(jīng)成為當前企業(yè)IT、數(shù)據(jù)中心建設(shè)IaaS能力的必要元素，各廠商都在相關(guān)領(lǐng)域進行嘗試，也出現(xiàn)了不同的虛擬化軟件廠商和網(wǎng)絡(luò)廠商的聯(lián)盟，不同的實現(xiàn)方案。另一方面，標準化工作和管理技術(shù)的研究也在快速進行，在虛擬化管理領(lǐng)域我們?nèi)孕杈o跟虛擬化技術(shù)的發(fā)展，才能更好地提供可視、可控的虛擬網(wǎng)絡(luò)管理能力。

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