近年来，云计算技术的发展对传统的IT基础设施产生了巨大的影响，推动着基础架构的变革与转型。

1.云计算对IT架构的影响

传统的基础设施建设模式无论应用层次还是规模大小，都是相互孤立的，没有形成一个统一的有机整体，各种资源都没有得到有效充分的利用，其资源配置和部署大多采用人工方式，没有相应的平台支持，使大量人力资源耗费在繁重的重复性工作上，缺少自助服务和自动部署能力，既耗费时间和成本，又严重影响工作效率。为了解决这一问题，近些年业界经历了大集中、虚拟化和云计算等3次大的变革。

（1）大集中

该阶段将企业分散的数据资源和IT资源进行了物理集中，形成了规模化的数据中心基础设施。在数据集中过程中，不断实施数据与业务整合，大多数企业的数据中心基本完成了自身的标准化，使得既有业务的扩展和新业务的部署可控，并以企业标准进行业务的实施，解决了数据业务分散时期的混乱无序问题。在这一阶段中，很多企业在数据集中后期也开始了容灾建设，特别是在“9·11”、四川大地震之后，企业的容灾中心建设普遍受到重视，以金融为热点行业几乎开展了全行业的容灾建设热潮，并且金融行业的大部分容灾建设的级别都非常高，面向应用级容灾（数据零丢失为目标）。第一阶段过程解决了企业IT分散管理和容灾的问题。

（2）虚拟化

随着企业的快速发展，数据中心IT基础设施扩张很快，但是系统建设成本高、周期长，即使是标准化的业务模块建设（哪怕是系统的复制性建设），软硬件采购成本、调试运行成本与业务实现周期并没有显著下降。标准化并没有给系统带来灵活性，集中的大规模IT基础设施出现了大量系统利用率不足的问题，不同的系统运行在独占的硬件资源中，效率低下，数据中心的能耗和空间问题逐步凸显出来。因此，以降低成本、提升IT运行灵活性、提升资源利用率为目的的虚拟化开始在数据中心进行部署。

虚拟化屏蔽了不同物理设备的异构性，将基于标准化接口的物理资源虚拟化成逻辑上也完全标准化和一致化的逻辑计算资源（虚拟机）和逻辑存储空间。虚拟化可以将多台物理设备（服务器、存储、网络设备）整合成单台，实现物理资源利用率的提升，由于虚拟化环境可以实现计算、存储和网络资源的逻辑化变更，使得数据中心IT实施的灵活性大幅提升，数据中心服务器数量可大为减少且计算能效提升，使得数据中心的空间与能耗问题得到控制。

总的来说，第二阶段过程提升了企业IT架构的灵活性，数据中心资源利用率有效提高，运行成本降低。

（3）云计算

对企业而言，数据中心的各种系统（包括软硬件与基础设施）是一大笔资源投入。新系统（特别是硬件）在建成后一般经历3～5年即逐步老化，需要更换，而软件技术则不断面临升级的压力。另一方面，IT的投入难以匹配业务的需求，即使虚拟化后，也难以解决不断增加的业务对资源的变化需求，在一定时期内扩展性总是有所限制。

于是企业IT产生新的期望蓝图：IT资源能够弹性扩展、按需服务，将服务作为IT的核心，提升业务敏捷性，进一步大幅降低成本。因此，面向服务的IT需求开始演化到云计算架构上。云计算架构可以由企业自己构建，也可采用第三方云设施，但基本趋势是企业将逐步采取租用IT资源的方式来实现业务需要，如同水力与电力资源一样，计算、存储和网络将成为企业IT运行的一种被使用的资源，无须自己建设，可按需获得。

从企业角度，云计算解决了IT资源的动态需求和最终成本问题，使得IT部门可以专注于服务的提供和业务运营。这一趋势将改变基础设施架构规划的方向和重点，也将对IT运营模式和管控模式带来影响。

云计算系统的架构和传统架构既有相似之处，又有本质上的区别。“云”从某种角度来看，可以被视为一台能力超强的大型计算机。这台计算机同样具有软硬件资源的管理能力，也具备运行系统软件和应用软件的功能。但是云计算系统的底层硬件资源管理不仅仅限于硬件设备，而是由大量分布在相同或不同地域，利用网络连接起来的物理或虚拟服务器、存储设备构成的基础设施资源池。云计算系统的操作系统和传统计算机系统架构类似，也实现了资源管理、任务调度和文件数据存储管理等功能。云计算系统的系统软件层能够运行于云操作系统之上，为上层的应用软件提供数据库、各类计算机语言虚拟机、应用和消息中间件、应用运行框架等。云计算系统的应用软件可以充分享受云计算环境带来的优越条件，利用云计算的软件开发工具（SDK），使用各类开发语言，开发具有并行计算能力和海量存储能力的云端应用。

虽然云计算具有诸多优势，但大部分的政府和大型企业对推进云计算却心存疑虑，最主要的担忧是信息安全，在这样的情况下，大型组织的云计算策略是构建私有云平台或混合云平台，即将核心系统部署到私有云平台上，外围系统部署到公有云平台上。不管是哪种模式都会涉及两个问题：一是生产中心与灾备中心如何协同；二是在一个数据中心中如何构建完善的云平台。下面分别对这两个问题进行论述。

2.分布式“双活”数据中心建设

前面华为讲过，大型企业为了提高业务连续性，会按照“两地三中心”的要求建设多个数据中心，但在这种传统的灾备模式下，两个数据中心的地址是一样的，或者利用域名进行切换，系统间关系复杂，切换影响较大，一般都需要停机窗口，通常是必须生产中心倒掉，灾备中心才能起来，两个中心同时起来会发生冲突，而“双活”数据中心可以规避这个问题。

在云计算环境下，云操作系统将所有数据中心虚拟化后形成统一资源池，外部用户看到的是一个统一的数据中心，云计算天然的虚拟机热备机制使数据中心的“双活”成为可能。在分布式数据中心架构中，两个双活数据中心并行处理业务并互为备份，当应用发生故障时，云操作系统负责将应用请求调度到另一个数据中心，避免业务的中断，有效提高业务连续性。

所谓双活有两层含义，一是两个数据中心之间地位均等，正常模式下协同工作，并行地为业务访问提供服务，实现了对资源的充分利用，避免备份中心处于闲置状态，造成资源与投资浪费，通过资源整合，双活数据中心的服务能力往往双倍甚至数倍于主备数据中心模式；二是在一个数据中心发生故障或灾难的情况下，另一个数据中心可以正常运行并对关键业务或全部业务实现接管，达到互为备份的效果，实现用户的“故障无感知”。

传统的灾备只做数据层面的同步和异步复制，在其他技术层面不需要互联太多，而双活数据中心则要求在信息系统的各个层面都要紧密互联、互动。要实现完备的双活数据中心，则需要在数据中心的各个层面都要考虑双活设计。一般的数据中心可以分为服务器群、存储群、网络架构和应用层四大部分。需要对每个部分都进行双活设计才能实现数据中心整体上的双活。而双活数据中心方案的关键技术就在存储虚拟网关部分，这个重要的功能是要做到数据在两个数据中心之间同步，保障两个数据中心之间的一致性。某企业双活技术的总体架构如图7-12所示。

双活解决方案可以从传输到网络到计算再到数据库上面均实现双活：第一，方案可以使应用活起来；第二，可以实现“数据零丢失，业务零中断”；第三，能够实现可视化运维，对于IT设备的运维人员，只需打开华为的可视化系统观看报表，就可以了解整个系统目前的状况。

双活数据中心虽然具备很多优点，但也存在诸多挑战，双活数据中心的建设不仅涵盖数据中心灾备，还要从宏观角度考虑业务系统的分布式部署，以及对应用与软件系统的流程再造与开发，此外，跨中心的运维协同等内容也对人员组织及流程建设提出更高的挑战。

图7-12 某企业双活数据中心总体架构

3.云数据中心架构创新与应用

相对于传统的数据中心技术而言，云数据中心在服务器、存储、网络和单机等技术应用方面都有很大的不同，虚拟化是其最主要的特征，虚拟化使用软件的方法重新定义划分IT资源，可以实现IT资源的动态分配、灵活调度和跨域共享，提高IT资源利用率，使IT资源能够真正成为社会基础设施，服务于各行各业中灵活多变的应用需求。

（1）服务器虚拟化技术

将服务器物理资源抽象成逻辑资源，让一台服务器变成几台甚至上百台相互隔离的虚拟服务器，华为不再受限于物理上的界限，而是让CPU、内存、磁盘和I/O等硬件变成可以动态管理的“资源池”，从而提高资源的利用率，简化系统管理，实现服务器整合，让IT对业务的变化更具适应力，这就是服务器的虚拟化。

服务器虚拟化主要分为3种：“一虚多”、“多虚一”和“多虚多”。“一虚多”是一台服务器虚拟成多台服务器，即将一台物理服务器分割成多个相互独立、互不干扰的虚拟环境。“多虚一”就是多台独立的物理服务器虚拟为一台逻辑服务器，使多台服务器相互协作，处理同一个业务。另外还有“多虚多”的概念，就是将多台物理服务器虚拟成一台逻辑服务器，然后再将其划分为多个虚拟环境，即多个业务在多台虚拟服务器上运行。

服务器虚拟化实现形式有以下几种。

1）硬件虚拟化：不需要操作系统支持，可直接实现对硬件资源进行划分，任一分区内的操作系统和硬件故障都不影响其他分区。

2）逻辑虚拟化：不需要操作系统支持。在系统硬件和操作系统之间以软件和固件的形式存在，任一分区的操作系统故障不影响其他分区。相对硬件虚拟模式而言，逻辑虚拟模式会占用一定比例的系统资源。目前大型主机的虚拟效率一般在95%以上，虚拟化损耗大约为2%～3%，而x86架构上的虚拟效率则在80%左右，虚拟化损耗大约为20%。

3）软件虚拟化：需要主操作系统支持。在主操作系统上运行一个虚拟层软件，可以安装多种客户操作系统，任何一个客户系统的故障都不影响其他用户的操作系统。

4）应用虚拟化：需要主操作系统支持。在单一操作系统上使用，在操作系统和应用之间运行虚拟层，任何一个应用包的故障都不影响其他软件包。

4种技术的实现原理分别如图7-13所示。

这4种技术的比较如表7-3所示。

表7-34 种服务器虚拟化技术对比

图7-13 4种服务器虚拟化技术实现原理

（2）云存储技术架构

云存储是在云计算概念上延伸和发展出来的一个新的概念，是一种新兴的网络存储技术，是指通过集群应用、网络技术或分布式文件系统等功能，将网络中大量各种不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作，共同对外提供数据存储和业务访问功能的一个系统。

云存储系统的结构模型由4层组成，具体如图7-14所示。

图7-14 云存储技术总体架构图

1）存储层。存储层是云存储最基础的部分。存储设备可以是FC光纤通道存储设备，可以是NAS和iSCSI等IP存储设备，也可以是SCSI或SAS等DAS存储设备。云存储中的存储设备往往数量庞大且分布在不同地域，彼此之间通过广域网、互联网或者FC光纤通道网络连接在一起。存储设备之上是一个统一存储设备管理系统，可以实现存储设备的逻辑虚拟化管理、多链路冗余管理，以及硬件设备的状态监控和故障维护。

2）基础管理层。基础管理层是云存储最核心的部分，也是云存储中最难以实现的部分。基础管理层通过集群、分布式文件系统和网格计算等技术，实现云存储中多个存储设备之间的协同工作，使多个存储设备可以对外提供同一种服务，并提供更大、更强、更好的数据访问性能。CDN内容分发系统和数据加密技术保证云存储中的数据不会被未授权的用户所访问，同时，通过各种数据备份、容灾技术和措施可以保证云存储中的数据不会丢失，保证云存储自身的安全和稳定。(www.daowen.com)

3）应用接口层。应用接口层是云存储最灵活多变的部分。不同的云存储运营单位可以根据实际业务类型，开发不同的应用服务接口，提供不同的应用服务，比如视频监控应用平台、IPTV和视频点播应用平台、网络硬盘引用平台，以及远程数据备份应用平台等。

4）访问层。任何一个授权用户都可以通过标准的公用应用接口来登录云存储系统，享受云存储服务。云存储运营单位不同，云存储提供的访问类型和访问手段也不同。

（3）网络虚拟化技术

云计算的发展对网络层面提出了更高的要求。虚拟化的计算资源和存储资源最终都需要通过网络为用户所用。如何让云平台中各种业务系统尽可能安全地使用云平台网络，如何让业务便利地接入和使用云计算服务，以及通过网络满足数据中心间的数据传输和配置迁移，如何通过虚拟化技术提高网络的利用率，并让网络具有灵活的可扩展性和可管理性，这些都是云计算网络要解决的问题。

对于网络，从云平台整个网络架构上来说，可以分为3个层面：数据中心网络、跨数据中心网络及云接入网络，如图7-15所示。

数据中心网络包括连接服务器、存储，以及4～7层各类服务器的数据中心局域网，以及边缘虚拟网络，即主机虚拟化之后，虚拟机之间的多虚拟网络交换网络，包括分布式虚拟交换机、虚拟桥接和I/O虚拟化等；跨数据中心网络主要用于不同数据中心间的网络连接，实现数据中心间的数据备份、配置迁移、多数据中心间的资源优化，以及多数据中心混合业务提供等；接入网络用于数据中心与终端用户互联，为公众用户或企业用户提供云计算服务。本节着重介绍数据中心网络及跨数据中心网络两个层次的技术特点及部署方式。

图7-15 云计算中的网络层次

1）数据中心网络虚拟化。由于云计算技术的逐步发展，使得传统的数据中心网络已经不能满足新一代数据中心网络高速、扁平、虚拟化的要求。引入虚拟化技术之后，在不改变传统数据中心网络设计的物理拓扑和布线方式的前提下，可以实现网络各层的横向整合，形成一个统一的交换架构。数据中心网络虚拟化分为3个方面。

● 核心层虚拟化。核心层网络虚拟化主要指的是数据中心核心网络设备的虚拟化。它要求核心层网络具备超大规模的数据交换能力，以及足够的万兆接入能力；提供虚拟机箱技术，简化设备管理，提高资源利用率，提高交换系统的灵活性和扩展性，为资源的灵活调度和动态伸缩提供支撑。

● 接入层虚拟化。接入层虚拟化可以实现数据中心接入层的分级设计。根据数据中心的走线要求，接入层交换机要求能够支持各种灵活的部署方式和新的以太网技术。

● 虚拟机网络交换。虚拟机网络交换包括物理网卡虚拟化和虚拟网络交换机，在服务器内部虚拟出相应的交换机和网卡功能。虚拟交换机在主机内部提供了多个网卡的互联，以及为不同的网卡流量设定不同的VLAN标签功能，使得主机内部如同存在一台交换机，可以方便地将不同的网卡连接到不同的端口。虚拟网卡是在一个物理网卡上虚拟出多个逻辑独立的网卡，使得每个虚拟网卡具有独立的MAC地址和IP地址，同时还可以在虚拟网卡之间实现一定的流量调度策略。

2）跨数据中心网络。数据中心之间会有计算或存储资源的迁移和调度，对于大型的集群计算，可以构建大范围的二层互联网络，对于采用多个虚拟数据中心提供云计算服务，可以构建路由网络连接。采用二层网络的好处是对虚拟机的透明化，通过简化数据中心的二层互联设计，就可以利用网络虚拟化技术在更短时间内完成确定性二层链路恢复，同时不影响L3链路，这与传统的MSTP+VRRP设计有所不同。此外，虚拟化能够在跨数据中心网络各层间横向扩展，这有利于数据中心规模的扩大，同时又不影响网络管理拓扑。但为了保证网络的高性能和可靠性，需要解决网络环路问题。

（4）桌面云技术

桌面云是云计算的一种应用形态。桌面云是将个人计算机桌面环境通过云计算模式从物理机器分离出来，个人桌面环境所需的计算和存储资源集中于中央服务器上，以取代客户端的本地计算及存储资源，个人端只需要一个瘦客户端设备，或者其他任何可以连接网络的设备，通过专用程序或浏览器，就可以访问驻留在服务器端的个人桌面及各种应用，且用户体验和使用传统的个人计算机是等同的。中央服务器的计算及存储资源同时也是共享的、可伸缩的，使得不同个人桌面环境资源按需分配与交付，达到提升资源利用率、降低整体拥有成本的目的。

目前，业界的桌面云有以下两种实现方法。

1）应用虚拟化：应用虚拟化是一种基于服务计算的技术，多个用户可以并行地访问多用户虚拟化服务器，虚拟化服务器为每个用户建立独立的多用户共享同一套文件系统、应用程序等资源，独立运行应用程序。技术本质上是一种基于操作系统会话的技术。在这种技术下，多个用户其实是共享了一个操作系统，其中每个用户都是登录到这个系统的一个会话。

2）桌面虚拟化：桌面虚拟化是一种基于虚拟机的虚拟桌面技术。在这种技术下，每个用户所访问的“计算机”都是独立的虚拟机。其核心是将不同桌面用户的计算机硬件、操作系统、用户配置文件和应用分离，使最终用户可以通过网络随时随地访问各自的桌面工作环境。

无论是采用应用虚拟化技术还是桌面虚拟化技术，均需采用瘦客户端替代传统的技术，采用相对集中、高性能的服务器部署操作系统及应用，每台远端中央服务器可以部署多个瘦客户端的应用，另外，在一台远端中央服务器上部署多个瘦终端的应用相对于在多台独立PC机上部署应用也能大大节省设备耗电。因此，两种技术具备的通用优点是：高性能、高集成度、高可靠性、高扩展性、低耗电、便于统一管理和维护。

除了共同具有的优点，桌面云目前的两种技术架构也各有优缺点，从而存在不同的适用范围。

应用虚拟化技术对于所部署应用的要求较高，要求所部署的应用均支持在同一操作系统下多用户多实例并行运行。目前B/S架构的应用软件均支持在同一操作系统下多用户多实例并行运行，但C/S架构的应用软件绝大多数均不支持在同一操作系统下多用户多实例并行运行。因此B/S应用虚拟化技术适用于架构的应用软件。另外，应用虚拟化主要基于SBC技术，与VDI技术相比，其优点在于它对资源的占用量很小。而缺点在于用户性能隔离性较差，用户自定制程度低。因此要求每个用户部署的应用相对较少，对资源的占用也较少，用户规模相对较大，便于在服务器上统一部署标准化的应用，降低投资和运维成本。

桌面虚拟化技术对于所部署的应用要求不高，基本的应用均可部署在虚拟机上。桌面虚拟化主要基于VDI技术，其优点在于用户与用户之间的性能隔离性较好，并且用户可以高度定制自己的计算机。缺点在于每个用户都要独占一台虚拟机，因此对资源的占用量较大。每个虚拟机均需要安装独立的操作系统和虚拟化软件，单用户造价较高。因此该技术适用于个性化应用部署较多，操作较为复杂，对安全性和隔离性要求较高，规模相对较小的用户群体。

（5）云计算管理平台架构

虚拟化技术主要实现了对底层物理资源的抽象，成为一个可以自由调度和管理的资源池，但要实现这些资源的管理、分配、计费和计量，就需要云计算管理平台的支撑。云计算管理平台主要包括资源管理平台和业务管理平台两大部分，其中资源管理平台主要包括基础资源管理、虚拟机生命周期管理、资源调度管理、模版管理、接口管理和资源监控度量管理等功能；业务服务管理平台主要是根据用户的需求，以网络的形式为用户提供资源服务，主要包括用户管理、服务管理、计费管理和业务管理等功能。

图7-16所示是某云计算公司的云计算管理平台总体框架。

图7-16 某企业云计算管理平台总体框架

虽然各家的云计算管理平台技术各不相同，但一般应具备以下几项核心功能。

1）自动化部署技术。自动化部署技术是实现云计算管理的平台的自助服务的关键技术之一，主要包括创建虚拟机和虚拟机迁移。

● 创建虚拟机。创建虚拟机首先要选择合适的物理服务器进行虚拟机的创建，服务器的选择主要考虑尽量不启动新的服务器。为了提高资源使用效率，应该尽量选择已经部署了虚拟机的服务器进行创建，同时尽量让各种资源进行互补，虚拟机所承载的业务类型是不同的，有的是CPU消耗型的，有的是内存消耗型的，有的是I/O消耗型的，根据不同类型的业务，采取互补的原则分配到物理主机上。为了简化部署，系统要支持“模版”进行部署。

● 迁移虚拟机。在进行云资源调度时，要保证在业务不间断的情况下，实现虚拟机从一台服务器上迁移到另一台服务器上。迁移虚拟机的基本原理是将虚拟机操作系统所占用的整个内存进行迁移，并且把所有外设进行迁移，让用户感觉不到虚拟机的变化。当进行内存迁移时，首先复制虚拟机中操作系统所占用的内存到目标虚拟机中，在复制过程中，虚拟机中的操作系统还是会持续往内存写入数据，这就要求将因持续写入而“变脏”的数据继续复制到目标服务器，每一次需要复制的数据会越来越少，等到最后一次复制时，“脏数据”已经非常少了，复制导致的系统停顿时间将非常短，用户将无法察觉变化，这就实现了内存的迁移。外设主要是存储和网卡。云平台应共享一个存储资源，存储的迁移就是让目标虚拟机访问原虚拟机的存储。网卡的迁移就是将虚拟机的网卡配置迁移到目标虚拟机，进行配置后向与之相连的外部交换机发出通知，告知交换机将以后的数据包发送到新的虚拟机上。

2）弹性资源分配技术。云计算不仅要提供虚拟机创建时的静态弹性资源分配服务，同时也要提供虚拟机运行中的动态弹性资源分配服务。弹性资源分配包括纵向和横行两种方式。

纵向的弹性资源分配是指在系统资源负载较高时，通过动态增大系统的资源（包括CPU、内存、硬盘和网络带宽等）来满足应用对系统资源的需求，当系统负载较低时，动态地减少系统的资源。

横向的弹性资源分配是指当系统资源负载较高时，通过创建更多的虚拟机来共同提供服务，分担原来服务器的负载，同时当系统负载较低时，减少虚拟机数目。进行横向的弹性资源分配时，要求平台能自动完成虚拟机的自动部署和多台虚拟机的负载均衡。虚拟机的自动部署就是将原有的虚拟机文件复制，生成新的虚拟机文件，并在另一台物理主机上运行。虚拟机负载均衡有两种：一种是通过应用自己进行负载均衡的实现，即应用中的一个节点专门负责请求调度；另一种由管理平台进行负载均衡实现，即在管理平台上配置好均衡策略进行监控管理。

3）资源监控。要实现资源的管理，首先要对资源进行监控，掌握资源的状态。虚拟化环境中的资源监控包括状态监控、性能监控、容量监控、安全监控和使用量监控。

状态监控：主要是收集系统管理的基础设施和虚拟资源的状态信息，包括物理主机、虚拟化软件VMM、虚拟机、物理交换机与路由器、虚拟交换机与路由器、物理存储和虚拟存储等。

性能监控：主要是监控操作系统、虚拟资源和虚拟机等主要资源的性能。精确的性能监控可以更好地实现云资源的调度管理。

容量监控：是资源长期使用情况的监控。主要包括基础资源和虚拟资源的资源使用率和峰值使用率，以及用户数等信息。

安全监控：包括入侵监测、网络风暴、用户访问行为，以及操作和配置是否规范等。

使用量监控：主要是度量不同组织、团体、个人使用情况和服务的情况，生成资源的使用量或用户账单。通常收集服务使用时间、配置信息和事件信息等。

系统资源监控：主要通过度量所收集的状态、性能等相关数据的方式来实现，主要是通过分析日志来获取。

4）资源调度。云计算的核心问题是资源管理，为了提高资源的利用率，减少固定资产的投资，就需要有强大的资源调度策略作为支持。

现在的资源调度策略主要有以降低云计算数据中心的能耗为目标、以提高系统资源利用率为目标的云资源管理。

以降低云计算数据中心能耗为目标的云资源管理主要是通过动态调整服务器CPU电压或频率和关闭不需要的服务器资源来实现的。

以提高资源利用率为目标的云资源管理主要是监控资源使用情况，按照一定的算法实现虚拟机的部署和动态调度，实现云计算平台的负载均衡，从而提高资源利用率。

5）业务服务管理和计费度量管理。IaaS服务可以向用户提供多种IT资源组合的服务。用户根据自己的需求订购服务，用户获取IaaS服务一般需要经过注册、申请、审批和部署等流程。按资源使用量付费是云计算在商业模式上的显著特征，如果是公共云服务就存在用户计费的问题，用户购买云服务会涉及多种服务，包含计算、存储、负载均衡和监控等，每种服务都有自己的计价策略和度量方式。结算时将单个用户所消费的服务进行汇总，就得到了该用户的消费账单。