1.2.3 虚拟化与数据中心

随着社会经济的快速增长，数据中心的发展建设将处于高速时期，各地政府部门给予新兴产业的大力扶持也为数据中心的发展带来了很多机会。数据中心将来在很多城市中都会有很大的发展空间，一些大型的数据中心也会越来越多。2017年，在全球经历了前所未有的自然灾害之后，很多数据中心管理人员都在积极制订灾难恢复计划。例如，可以通过云计算工具对电器的功率进行限制，在遭遇停电时将允许其以指定的功率继续运行，可以为电力企业的正常运作提供有效的保障。还可以利用数据中心制订备份计划，对服务器的操作进行拓展，这样就不再需要通过关闭和重启服务器来完成操作。

随着IT的发展，数据中心的地位越来越重要，而服务器虚拟化技术主导着数据中心的发展。企业自建或租用数据中心来运行自己的业务系统，处理大量的数据。但现在多数数据中心的IT系统是采用传统方式构建的，重心放在保障应用运行的稳定、安全和可靠上，而在资源利用率、绿色环保等方面考虑得相对比较少。使用虚拟化技术改造现有数据中心或建设新的数据中心就成为一种趋势。在数字化转型的推动下，企业及其经营模式正在发生快速、根本的改变，为了支持这一变革，数据中心也必须做出改变。在新一代数据中心中，虚拟化无所不在，服务器、网络、存储、安全等都要利用虚拟化技术。

1. 传统数据中心

在信息时代，数据中心的产生令更多的网络内容不再由专业网站或者特定人群生产，而由全体网民共同生产。随着数据中心的兴起，网民参与互联网、贡献内容也更加便捷，呈现出多元化的特点。巨量网络数据都能够存储在数据中心中，数据价值会越来越高，可靠性也在进一步加强。

（1）传统数据中心简介

数据中心是一整套复杂的设施，不仅包括计算机系统和与之配套的设备，还包含冗余的数据通信连接、环境控制设备、监控设备以及各种安全装置。企业的中心机房是数据中心，但是数据中心不一定以机房的形式呈现，对外提供服务的数据中心都是基于网络基础设施的，称为互联网数据中心（Internet Data Center，IDC）。

数据中心是与人力资源、自然资源一样重要的战略资源，在信息时代的数据中心中，通过对数据进行大规模和灵活的运用，能够更好地理解数据、运用数据，促使我国数据中心快速、高效发展，体现我国发展的大智慧。海量数据的产生，促使信息数据的收集与处理方式发生了重要的转变，企业也从实体服务走向了数据服务。产业界的需求与关注点也发生了转变，企业关注的重点转向了数据，计算机行业从追求计算能力转变为追求数据处理能力，软件行业也将从以编程为主向以数据为主转变，云计算的主导权也将从分析向服务转变。数据中心是将企业的业务系统与数据资源进行集中、集成、共享，从而形成的有机组合。从应用层面看，数据中心包括业务系统、基于数据仓库的分析系统；从数据层面看，包括操作型数据和分析型数据，以及数据的整合流程；从基础设施层面看，包括服务器、网络、存储和整体IT的运行及维护服务。

数据中心用于运行应用系统来处理业务数据，运行IT基础设施来集中提供计算、存储或其他服务，还可以用于数据备份。传统数据中心如图1.5所示。企业应用需要多台服务器支持，每台服务器运行一个单一的组件，这些组件包括数据库服务器、文件服务器、应用服务器、中间件，以及其他各种配套软件。传统数据中心以存储网络的形式提供集中的存储支持，另外配有机房配套设施，如不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）等。

（2）传统数据中心存在的问题

传统数据中心架构设计落后，构成复杂且难以管理，主要存在以下几个方面的问题。

① 能源成本消耗过大，能源利用率低，浪费现象严重。

② 服务器等硬件设备利用率过低。主要原因是各个业务部门在提出业务应用需求时都在单独规划、设计其业务的运行环境，并且是按照最大业务规模的要求进行系统容量的规划和设计的。

③ 资源调配困难。根据业务系统的各自要求建设的应用系统之间彼此相对独立，很难从IT基础架构整体的角度考虑资源分配及使用的合理性。计算资源与底层物理设备的绑定使得资源的动态分配变得非常困难。由于没有动态的资源共享和容量管理机制，资源一旦分配给某个应用系统，就相对固化了，很难再进行调配。

④ 管理和运维自动化程度不足，效率低，成本高。传统数据中心的资源配置和部署过程多采用人工方式，没有相应的管理平台支持和自动部署能力，存在大量重复性工作。设备扩容和应用交付的时间过长，不能快速响应业务需求。此外，数据中心服务器和各种设备的数量及类型较多，也不利于IT部门进行统一管理与维护。

⑤ 风险和意外频发，安全性、高可用性和业务持续性需求难以保证。

2. 新一代数据中心

为了解决传统数据中心存在的问题，人们提出了新一代数据中心的解决方案，目的是建设一个整合的、标准化的、虚拟化的、自动化的适应性基础设施架构和高可用计算环境。它可提供优化的IT服务管理，通过模块化软件实现7×24小时无人值守的自动化计算与服务管理能力，并以服务流水线的方式提供共享的基础设施、信息与应用等IT服务，能够持续改进和提高服务。很多高新技术会应用到新一代数据中心中，如服务器、网络和存储的虚拟化，以及刀片技术、智能散热技术等。

3. 软件定义数据中心

传统数据中心的构建采用独立的基础架构层、专用硬件和分散管理，导致部署和运维工作相当复杂，而且IT服务和应用的交付速度较慢。软件定义数据中心（Software Defined Data Center，SDDC）这个概念由VMware公司于2012年首次提出，是指通过软件实现整个数据中心内基础设施资源的抽象化、池化部署和管理，满足定制化、差异化的应用和业务需求，有效交付云服务。数据中心的服务器、存储、网络及安全等资源可以通过软件进行定义，并且能够自动分配这些资源。SDDC的核心思想是对处理器、网络、存储和可能的中间件等资源进行池化，按需调配，形成全虚拟化的基础架构。从功能架构上，SDDC可分为以下4个部分。

（1）软件定义计算

软件定义计算（Software Defined Compute，SDC）是指将计算功能从其所在的硬件中虚拟化和抽象化出来。在SDC中，数据中心的计算功能可以跨任意数量的处理单元汇集，工作负载可以分散在它们之间。SDC环境中的硬件组件往往是通用的、具备行业标准的，可使用户轻松添加以满足资源需求。

SDC将计算功能以资源池的形式提供给用户，用户可根据应用需要灵活地进行计算资源的调配。服务器虚拟化是SDC的核心技术之一，但SDC不仅实现了服务器虚拟化，还将这种能力扩展到物理服务器及应用容器上，通过相关管理、控制实现物理服务器、虚拟机以及容器的统一管理、调度等。

（2）软件定义存储

软件定义存储（Software Defined Storage，SDS）是一种数据存储方式，所有存储相关的控制工作都仅在相对于物理存储硬件的外部软件中进行。这个软件不是作为存储设备的固件，而是在一个服务器上或者作为操作系统（Operating System，OS）或Hypervisor的一部分。SDS是一个较大的行业，这个行业还包括软件定义网络（Software Defined Network，SDN）和SDDC。和SDN情况类似，SDS可以保证系统的存储、访问能在一个精准的水平上更灵活地管理。SDS是从硬件存储中抽象出来的，这意味着它可以变成一个不受物理系统限制的存储池，以便于最有效地利用资源。它还可以通过软件和管理进行部署及供应，也可以通过基于策略的自动化管理来进一步简化。

SDS的目的是把存储应用程序的基础设施与物理的数据存储基础设施分离，将硬件存储资源整合起来。它利用存储虚拟化软件，将物理的各种形式的存储抽象为存储池，通过虚拟化层进行存储管理，可以按照用户的需求，将存储池划分为许多虚拟存储设备，并可以配置个性化的策略进行管理，跨物理设备实现灵活的存储使用模型。

SDS允许客户将存储服务集成到服务器的软件层。SDS将软件从原有的存储控制器中抽离出来，使得它们的功能得以进一步发挥而不仅仅局限在单一的设备中。SDS的一大好处是将软件功能从阵列控制器中剥离出来，这样它可以用于管理数据中心中的所有存储。SDS装置的另外一个好处是，迁移更加容易。与其他的SDS配置不同，SDS装置并不要求数据必须被复制一份到各个节点。也就是说，SDS不会要求额外的存储空间。数据仅存储在一个位置，将应用从一个位置迁移到另外一个位置时无须复制，但是SDS装置通常是专有的，这也是很多IT专家希望在采用存储技术时所规避的。

（3）SDN

SDN是一种网络管理方法，它支持动态的、以编程方式实现的、高效的网络配置，以提高网络性能，使其更像云计算而不是传统的网络管理。SDN旨在解决传统网络的静态架构分散且复杂的问题，因为当前网络需要更大的灵活性并易于故障排除。SDN试图通过将网络数据包的转发过程（数据层）与路由过程（控制层）分离，将网络智能地集中在一个网络组件中。控制层由一个或多个控制器组成，这些控制器被认为是整个SDN的“大脑”。然而，智能中心化在安全性、可扩展性和弹性方面有其自身的缺点，这是SDN的主要问题。

SDN是当前网络领域较为热门且具有发展潜力的技术之一。鉴于SDN巨大的发展潜力，学术界深入研究了数据层及控制层的关键技术，并将SDN成功地应用到了企业网和数据中心等各个领域。

传统网络的层次架构是互联网取得巨大成功的关键。但随着网络规模的不断扩大，封闭的网络设备内置了过多的复杂协议，增加了运营商定制优化网络的难度，科研人员无法在真实环境中部署新协议。同时，随着互联网流量的快速增长，用户对流量的需求不断扩大，各种新型服务不断出现，增加了网络运维成本。传统IT架构中的网络在根据业务需求部署上线以后，传统网络设备的固件是由设备制造商锁定和控制的，如果业务需求发生变动，则重新修改相应网络设备上的配置是一件非常烦琐的事情。在互联网瞬息万变的业务环境下，网络的高稳定与高性能还不足以满足业务需求，灵活性和敏捷性反而更为关键。因此，SDN希望将网络控制与物理网络拓扑分离，从而摆脱硬件对网络架构的限制。

SDN所做的事是将网络设备上的控制权分离出来，由集中的控制器管理，无须依赖底层网络设备，屏蔽了底层网络设备之间的差异。而控制权是完全开放的，用户可以自定义任何想要实现的网络路由和传输规则策略，从而更加灵活和智能。进行SDN改造后，无须对网络中每个节点的路由器反复进行配置，网络设备本身就是自动化连通的，只需要在使用时定义好简单的网络规则即可。因此，如果路由器自身内置的协议不符合用户的需求，则可以通过编程的方式对其进行修改，以实现更好的数据交换性能。这样，网络设备的用户便可以像升级、安装软件一样对网络架构进行修改，满足用户对整个网络架构进行调整、扩容或升级的需求，而底层的交换机、路由器等硬件设备则无须替换，节省大量成本的同时，网络架构的迭代周期也将大大缩短。

总之，SDN具有传统网络无法比拟的优势：首先，数据控制解耦使得应用升级与设备更新换代相互独立，加快了新应用的快速部署；其次，网络抽象简化了网络模型，将运营商从繁杂的网络管理中解放出来，能够更加灵活地控制网络；最后，控制的逻辑中心化使用户和运营商等可以通过控制器获取全局网络信息，从而优化网络，提升网络性能。

SDN是当前最热门的网络技术之一，它解放了手动操作，减少了配置错误，易于统一、快速部署。SDN被麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）列为“改变世界的十大创新技术”之一，其相关技术研究在全世界范围内迅速开展，成为近年来的研究热点。

（4）一体化管理软件（Integrated Management Software，IMS）

随着信息化技术的发展，我国企业迎来信息化成熟应用的阶段。我国企业的集团化管理、全球化管理、个性化管理需求日益凸显，IT应用逐步纳入企业的战略管理中，企业对管理软件的需求呈现整合的、集成的、一体化的、平台化的产品组合形态，我国的管理软件产业迎来“一体化”浪潮。

SDDC提供基于策略的智能数据中心管理软件来自动实施和管理全虚拟化的数据中心，从而大幅简化监管和运维。借助一体化管理平台，可以跨物理地域、异构基础架构和混合云来集中监控和管理所有应用。无论是在物理、虚拟环境中，还是在云环境中部署、管理工作负载，都能拥有统一的管理体验。也可以将云操作系统作为SDDC的中枢，对计算、存储、网络资源依据策略进行自动化调试与统一管理、编排和监控，并为用户提供服务。

4. 虚拟数据中心

虚拟数据中心（Virtual Data Center，VDC）是将云计算概念运用于数据中心的一种新型的数据中心形态。VDC可以通过虚拟化技术将物理资源抽象整合，动态地进行资源分配和调度，实现数据中心的自动化部署，并将大大降低数据中心的运营成本。当前，虚拟化在数据中心的发展中占据越来越重要的地位，虚拟化概念已经延伸到桌面、统一通信等领域，不仅包括传统的服务器和网络的虚拟化，还囊括I/O虚拟化、桌面虚拟化、统一通信虚拟化等。VDC就是虚拟化技术在数据中心里的终极实现，未来在数据中心里，虚拟化技术将无处不在。当数据中心完全实现虚拟化时，数据中心才能称为VDC。VDC会将所有硬件（包括服务器、存储器和网络）整合成单一的逻辑资源，从而提高系统的使用效率和灵活性，以及应用软件的可用性和可测量性。

数据中心的主要目的是运行应用来处理商业和运作的组织产生的数据。这样的系统可以由组织内部开发，或者从企业软件供应商那里购买。一个数据中心可以只关注操作体系结构或者提供其他的服务。Web服务器、数据存储这些应用常常由多个主机构成，每个主机运行一个单一的构件，这种构件通常是数据库、文件服务器、应用服务器、中间件以及其他各种各样的设备。数据中心常常用于非工作站点的备份。备份能够将服务器本地的消息放在磁盘上，然而，磁盘存放场所易受火灾和洪水的安全威胁。较大的公司也许会发送它们的备份到非工作场所。加密的备份能够通过网络发送到另一个数据中心，并将数据安全保存起来。为了实现灾难恢复，各大硬件供应商开发了移动设备解决方案，能够快速安装并可在短时间内进行操作。

目前对数据中心服务器、网络、存储等设备进行虚拟化部署已经非常普遍，但还远远达不到数据中心应用时完全不用关心基础设施的目标，完全自动化配置还不现实。虽然应用部署还无法完全脱离物理硬件，但是高度虚拟化是趋势，至少现在的虚拟化应用在设备的利用率和管理效率方面已经大大提升，对传统数据中心进行虚拟化改造，构建初级的VDC，如图1.6所示。