云数据中心虚拟资源管理研究

　　云计算是一种基于网络的计算模式，云计算提供的服务类型可以分为三类，即将基础设施作为服务(IaaS)、将平台作为服务(PaaS)以及将软件作为服务(SaaS)。

　　Amazon、Google、Salesforc等在世界各地建立庞大的数据中心，实现海量的计算任务和海量信息的存储，为用户提供云计算服务，在商业应用上取得了成功。云计算技术的迅速发展带动了传统数据中心的变革，产生了新一代数据中心———云数据中心。

　　云数据中心包含大量计算机，运作成本很高。有效整合资源、提高资源利用率、节约能源、降低运行成本是云数据中心关注的热点。云数据中心通过虚拟化技术将计算资源、存储资源和网络资源构建成动态的虚拟资源池;使用虚拟资源管理技术实现云计算资源自动部署、动态扩展、按需分配;用户采用按需和即付即用的方式获取资源。

　　因此，虚拟资源管理成为当前云计算研究的热点和难点。

　　1 数据中心的发展

　　数据中心是信息系统的核心，主要功能是通过网络向用户提供信息服务。数据中心的演变经历了四个阶段：

　　a)数据存储中心阶段。数据中心最早出现在20世纪60年代，采用的是以主机为核心的计算方式，一台大型主机就是数据中心，如IBM360系列计算机，其主要业务是数据的集中存储和管理。

　　b)数据处理中心阶段。20世纪70年代以后，随着计算需求的不断增加、计算机价格的下降以及广域网和局域网的普及、应用，数据中心的规模不断增大，数据中心开始承担核心的计算任务。

　　c)信息中心阶段。20世纪90年代，互联网的迅速发展使网络应用多样化，客户端/服务器的计算模式得到广泛应用。数据中心具备了核心计算和核心业务运营支撑功能。

　　d)云数据中心阶段。进入21世纪，数据中心规模进一步扩大，服务器数量迅速增长。虚拟化技术的成熟应用和云计算技术的迅速发展使数据中心进入了新的发展阶段。数据中心承担着核心运营支持、信息资源服务、核心计算、数据存储和备份等功能。

　　由于数据中心规模的扩大和功能的多样性，随之出现的问题是数据中心的可靠性以及维护管理的巨大成本。传统数据中心主要关注应用的稳定性、数据的安全性和运行的可靠性，而对资源的利用率、节能高效等问题考虑较少。云数据中心通过虚拟化技术，一方面可以在硬件服务器上实现多个虚拟服务器，通过应用和故障隔离，提高数据中心的计算能力和可靠性;

　　另一方面能够整合数据中心的计算资源、网络资源和存储资源，并将它们动态地分配给虚拟机，实现数据中心资源的动态部署，提高资源利用率，减少能耗。与传统的数据中心相比，云数据中心具有资源共享、资源动态调整、绿色环保、高自动化和高可用性的特点。

　　2007年，全球首个虚拟化数据中心———Sun公司的黑盒子面世，该数据中心可以容纳200多台Sun服务器。IBM2008年推出了便携式模块化数据中心PMDC;惠普公司2010年推出了性能优化数据中心POD;思科公司2010年推出了统一计算系统UCS，集中统一管理计算、网络、存储等虚拟化资源。

　　Google数据中心采用标准的集装箱设计，每个集装箱可以容纳1000多个服务器，并配备了冷却系统。芝加哥数据中心是微软最大的数据中心，占地面积70万平方英尺，集装箱里放置着微软云计算产品的重要组件，每个集装箱都存放了上千台服务器，为微软的云计算提供服务。

　　云计算技术是在网络技术和Web应用技术的推动下产生的网络计算模式。2006年，Amazon发布了简单存储服务S3;2007年，Salesforc.com公司推出了SaaS服务，客户可以根据需要订购软件应用服务，按服务多少和时间长短支付费用;2007年，Google推出了GoogleDocs在线办公服务，2008年推出GoogleAppEngine程序开发平台，将平台作为一种服务提供给用户。

　　IBM于2007年推出了蓝云计算平台，为客户带来即买即用的云计算平台，它包括一系列虚拟化软件，使来自全球的用户可以访问云计算的大型服务器资源池。

　　微软2008年推出了WindowsAzure蓝天操作系统，基于互联网架构，打造新的云计算平台，将微软所拥有的数以亿计的Windows用户和桌面接到云中。目前，成功的云计算应用实例还有GoGrid、Joy-ent、MapReduce、AneKa以及Animoto等。

　　虚拟化概念及技术起源于20世纪50年代。20世纪60年代，IBM360系统首次采用了虚拟化平台Hypervisor。IBM、VMare、Xen/Citrix和Miroosoft是虚拟化业界的四大厂商，他们提供了成熟、多方位、广泛的虚拟化产品，实现了从服务器、存储、网络到桌面、应用、甚至数据中心的虚拟化。

　　数据中心的发展与云计算技术的演进、虚拟化技术的成熟应用是密切相关、相互促进的;数据中心的发展离不开计算机技术、网络技术、云计算技术的发展，云计算技术是在网络技术的广泛发展、虚拟化技术的日益成熟以及网络应用需求的推动下产生的，虚拟化技术一直伴随着计算机技术、网络技术和数据中心的发展，实现了不同层面的虚拟化。上述相关领域技术的发展如图1所示。

　 　图1 数据中心及相关技术发展

　　云数据中心是未来数据中心建设和发展的方向，实现云数据中心的关键技术———虚拟资源管理已成为目前研究的热点和难点。深入研究虚拟资源的管理有利于设计与实现高效的云数据中心系统，提高云数据中心资源利用效率、系统可靠性，降低运行管理成本。本文从虚拟资源提供与部署、虚拟资源调度、虚拟机迁移等角度，针对当前相关研究缺少系统总结的情况，较全面地概括、分析了虚拟资源管理技术的研究现状。

　　2 虚拟资源提供与部署

　　云数据中心资源管理的特点是统一部署，集中管理，分布使用。在资源虚拟化技术的基础上，采用各种技术实现资源的自动部署、集中监控、动态优化、节能低耗等功能。

　　2.1 资源虚拟化

　　数据中心硬件设备之间的差异导致兼容性很差，为统一的资源管理提出了挑战。资源的抽象和虚拟化是屏蔽资源差异、建立虚拟计算环境的基础。iVCE虚拟计算环境针对资源多样性、自主性带来的访问方式不一致问题，深入研究了资源虚拟化模型与方法，提出了具备环境动态感知和自主行为决策特征的自主元素资源抽象模型[1]。文献[2]通过虚拟化实现虚拟集群系统，消除系统软件与硬件之间的耦合，实现集群的快速部署和快速切换，并获得了明显的性能优势。云数据中心通过虚拟化技术构建虚拟资源池来实现对大规模基础资源的有效、统一管理，然后将计算任务分布在大量动态、可扩展的虚拟资源池上，用户按需获取计算能力、存储空间和信息服务。

　　虚拟化技术屏蔽了低层物理设备的差异，对云数据中心的低层架构进行抽象，从而实现资源的统一管理。IBM的TPM(tivoli provisioning manager)是数据中心实现资源虚拟化管理的核心产品，可以自动完成服务器、存储器、网络设备、操作系统、中间件、应用程序的部署和配置。通过实现从低层硬件、系统的虚拟化到存储、网络的虚拟化，使数据中心的IT资源成为一个虚拟的资源池，可以按照一定的粒度来实现资源分配。VMware的数据中心产品VMwareInfrastructure虚拟化软件套件能提供虚拟化基础架构、应用程序和管理等多种服务。

　　其中，ESXServer能整合数据中心的计算、存储和网络资源，构建动态虚拟资源池。微软公司的虚拟化集成管理软件是SystemCenter。

　　其中，VirtualMachineManager能管理数据中心的基础架构，包括服务器以及虚拟机，实现平台中虚拟化资源的动态优化。浪潮云海·云计算操作系统架构于服务器、存储、网络等基础硬件资源之上，通过基于Xen平台的虚拟化技术，构建计算节点、存储节点，形成动态虚拟计算资源池、存储资源池和网络资源池，实现了资源的有效监控、动态流转与伸缩，以IaaS的模式为用户提供云计算服务。<