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摘要 通过分析现有气象信息业务系统运行状况和服务器资源利用率，提出利用微软虚拟化平台Hyper-V实现气象信息主要业务系统虚拟化的方案；以具体实例介绍虚拟机的创建、备份和恢复过程；通过实施前后的性能对比分析，说明虚拟化技术在提升系统资源利用率、降低能耗、节省开支和空间、提高业务系统可靠性等方面具有优势。
关键词 气象信息业务；资源整合；虚拟化； Hyper-V
中图分类号 S163 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）06-0198-02
The Virtualization of Hunan Meteorological Information System Based on Hyper-V
LUO Lin-yan， ZHANG Ji-guang， LIU Xiao-bo et al （Hunan Meteorological Information Center， Changsha， Hunan 410118）
Abstract In this paper， via analyzing the operation and server resource utilization of the currently existing meteorological information system， a virtualization solution based on Hyper-V platform is presented which involves creating virtual machine， backup and restore. Compared to the performance before the virtualization solution introduced， its advantages of raising resource utilization， reducing energy consumption， saving money and improving system reliability are illustrated.
Key words Meteorological information service；Resource integration；Virtualization；Hyper-V
随着气象现代化研究的不断深入和气象业务的不断增加，对服务器资源的需求也逐渐增大。传统的业务部署方式是增加一项业务就配备1台或多台服务器，以满足业务运行的要求，往往造成服务器资源利用率低、管理开销大、耗电量大、服务器运维成本高等问题[1-3]。随着云计算技术的发展，服务器虚拟化以资源整合、应用部署灵活、资源利用率高可节约空间等优势得到广泛应用[4]。通过服务器虚拟化，可将一台物理的计算机软件环境分割为多个独立分区，各分区均可按需求模拟出完整的计算机（虚拟机），实现资源利用的最大化，使得气象信息业务系统资源整合成为可能。笔者通过分析现有气象信息业务系统运行状况和服务器资源利用率，提出利用微软虚拟化平台Hyper-V实现气象信息主要业务系统虚拟化的方案，并对该方案的实现进行了详细分析。
1 现状分析
目前，湖南省气象信息网络机房部署的服务器、网络设备、存储设备等有170余台，72个机柜已有72%被占用。其中湖南气象信息业务系统分别运行在32台服务器和12 台PC 上，涉及资料收集、分发、加工处理、数据共享等业务，实时业务系统一般都要求24 h不间断运行，但系统服务器资源利用率普遍在5%～20%，只有少数服务器资源利用率在70%左右。任务量小的业务程序分别部署在不同的服务器上，使得硬件的过度部署和设备实际利用率不足的矛盾日益突出，有必要利用虚拟化技术实现设备资源的集约化管理。
Hyper-V作为主流的服务器虚拟化方案，可支持多达64个CPU 和1 TB 内存，具有实时迁移（live migration） 功能，即将运行中的虚拟机从一个Hyper-V 物理主机迁移到另一个物理主机，不干扰服务，且对Windows、Linux系统的兼容性好。Hyper-V采用“硬件—Hyper-V—虚拟机”的三层构架体系，虚拟机执行效率非常高，可充分利用硬件资源，实现虚拟机系统性能优化。考虑到气象信息系统主要运行在Windows 操作系统下，且现有Windows Server 2012正版操作系统中包含Hyper-V角色，可实现服务器虚拟化功能，因此采用Hyper-V实现湖南气象信息业务系统虚拟化。
2 气象信息业务的虚拟化实现
选择4台物理服务器作为虚拟化的硬件基础（其配置如表1所示），在保证不影响正常业务服务的原则下分步实施業务系统的虚拟化。Hyper-V作为Windows Server 2012的一个组件[5-6]，可作为Windows Server 2012的角色被安装。利用Hyper-V进行服务器虚拟化，首先为物理服务器安装Windows Server 2012操作系统，其次安装Hyper-V组件，最后利用Hyper-V新建虚拟机，并在虚拟机上按需安装操作系统。将现有18台物理服务器上的气象信息业务按新增计划任务、本省内部资料处理、资料共享、资料上传、行业用户等进行分类，部署至虚拟机上，实现气象信息业务的整合。
2.1 虚拟机的创建和配置
以服务器1为例，成功安装Windows Server 2012操作系统后，在服务器管理器选择安装Hyper-V，然后在Hyper-V管理器中新建虚拟机。通过“新建虚拟机向导”进行虚拟机名称设置，并设置存储位置、分配内存及配置网络等操作。因部分服务器运行在整点的时候可能出现内存占用的峰值，而部分服务器程序运行所需的内存并不大，在气象信息系统的虚拟化过程中，充分利用Hyper-V动态内存分配[6]技术，根据虚拟机中的应用优先级自动调整虚拟机对物理内存的占用大小，实现性能优化。 2.2 虛拟机的备份和恢复
因虚拟化是在性能较高的服务器上创建多台虚拟机，没有建立服务器集群，当某台物理服务器出现故障时，为保证气象信息业务正常运行，需快速在其他物理服务器上恢复虚拟机的运行，故设计中采用了虚拟机的导出、导入的冷备份方法。通过VHD文件导出、导入来进行虚拟机备份，其流程如图1所示。
3 性能改进
利用Hyper-V技术，在4台物理服务器上共部署了18台虚拟服务器，分别为资料处理服务器、图片生成服务器、卫星快显接收服务器、中小尺度网络服务器、质量控制服务器、风能服务器、土壤水分中心站、新一代长江流域共享服务器、报文复制服务器等。虚拟服务器分别安装了Windows Server 2003、Windows Server 2008、Windows Server 2012、SUSE Linux等操作系统。相较于传统业务部署方式，基于虚拟化技术的气象信息业务在以下4个方面具有明显优势。
3.1 减少系统部署的时间成本
若按传统气象信息业务部署方式，需经历服务器上架、连线、安装系统、驱动安装等步骤，至时耗时3～4 h。利用Hyper-V的虚拟机模板克隆方式来部署虚拟服务器，仅需10～30 min，极大地提高了服务器部署效率。此外，传统物理服务器重启过程耗时3～10 min，而虚拟服务器的重启只需几十秒钟。可见，采用Hyper-V虚拟化方式部署气象信息业务可大幅度缩减时间成本。
3.2 提高服务器资源利用率
利用Hyper-V实现服务器虚拟化后，1台物理服务器在保证业务正常运行的前提下，承担了几倍于传统物理服务器的业务量，提高了服务器的资源利用率。从服务器CPU、内存的使用率来看，虚拟化后，服务器CPU利用率和内存利用率均大幅度提高。对比虚拟化前后服务器的资源利用情况可知，服务器2的CPU平均利用率由1.17%提升至89.41%，服务器3的CPU平均利用率由4.95%提升至23.42%（图2）；服务器2和服务器3的内存利用率分别由34.57%和22.63%提升至50.8%和84.34%（图3）。
3.3 节约成本和空间、降低能耗
此次用于实现湖南省气象信息业务虚拟化的物理服务器共4台，对比传统业务部署方式所需的18台，空闲出14台性能相对较弱的服务器用于其他业务，极大地节约了服务器购买成本。从机房空间利用率来看，原有18台物理服务器占用机柜空间36 U，用于虚拟化的4台物理服务器仅占8 U机柜空间，节约了近8成的机柜空间。从能耗的角度来看，按照每台服务器200 W 的功耗计算，18台物理服务器每天耗电86.4 kW，采用虚拟化后4台服务器每天耗电19.2 kW，一年能节约用电7 000.0 kW。
3.4 提高业务系统的可靠性
为保证气象信息业务运行稳定性，对虚拟机实施备份，以应对物理服务器可能出现故障的情况十分必要。Hyper-V提供的虚拟机导入导出和备份功能，能够确保业务系统的连续运行。虚拟机的导入导出功能可以将虚拟机通过文件方式进行转移，实现虚拟机的备份，极大地提升了气象信息业务系统的稳定性和可靠性。
4 结语
通过分析湖南省现有气象信息业务系统运行状况和服务器资源利用率，在服务器数量多、占用机柜空间大、维护成本高、资源利用率低等现状下，提出利用虚拟化平台Hyper-V实现业务系统虚拟化的运行方案。此方案在保证了原有业务系统的正常运行前提下，空闲出14台性能较弱的服务器用于后继业务开展，极大地节约了服务器购置成本。对实施前后性能进行对比分析可见，虚拟化技术在提升系统资源利用率、降低能耗、节省开支和空间、提高业务系统可靠性等方面有较大的优势。基于Hyper-V的气象信息业务虚拟化实现，将在后续集约化数据环境的建设中起到重要作用。
参考文献
[1] 汪华，黄笞，方斌.贵州省气象信息业务系统的虚拟化实现[J].成都信息工程学院学报，2012，27（2）：186-191.
[2] 刘国宏，余东昌，刘旭林，等.虚拟化技术在气象业务中的应用[J].计算技术与自动化，2013，32（4）：119-122.
[3] 李亚，李婧，张贵芳，等.虚拟化技术在信息化资源整合中的方案探究[J].计算机光盘软件与应用，2013（20）：305-306.
[4] 张庆玉，刘军万.基于Hyper-V R2的服务器虚拟化资源分配优化[J].电脑知识与技术，2011，7（7）： 1680-1683.
[5] 李晓明，王伟达，时文，等. Hyper-V虚拟技术在广电的应用及展望[J].广播与电视技术，2014，41（2）：70-73.
[6] Windows Server[EB/OL].[2016-10-11].http：//technet.microsoft.com/zh-cn/windowsserver/default.
关键词 气象信息业务；资源整合；虚拟化； Hyper-V
中图分类号 S163 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）06-0198-02
The Virtualization of Hunan Meteorological Information System Based on Hyper-V
LUO Lin-yan， ZHANG Ji-guang， LIU Xiao-bo et al （Hunan Meteorological Information Center， Changsha， Hunan 410118）
Abstract In this paper， via analyzing the operation and server resource utilization of the currently existing meteorological information system， a virtualization solution based on Hyper-V platform is presented which involves creating virtual machine， backup and restore. Compared to the performance before the virtualization solution introduced， its advantages of raising resource utilization， reducing energy consumption， saving money and improving system reliability are illustrated.
Key words Meteorological information service；Resource integration；Virtualization；Hyper-V
随着气象现代化研究的不断深入和气象业务的不断增加，对服务器资源的需求也逐渐增大。传统的业务部署方式是增加一项业务就配备1台或多台服务器，以满足业务运行的要求，往往造成服务器资源利用率低、管理开销大、耗电量大、服务器运维成本高等问题[1-3]。随着云计算技术的发展，服务器虚拟化以资源整合、应用部署灵活、资源利用率高可节约空间等优势得到广泛应用[4]。通过服务器虚拟化，可将一台物理的计算机软件环境分割为多个独立分区，各分区均可按需求模拟出完整的计算机（虚拟机），实现资源利用的最大化，使得气象信息业务系统资源整合成为可能。笔者通过分析现有气象信息业务系统运行状况和服务器资源利用率，提出利用微软虚拟化平台Hyper-V实现气象信息主要业务系统虚拟化的方案，并对该方案的实现进行了详细分析。
1 现状分析
目前，湖南省气象信息网络机房部署的服务器、网络设备、存储设备等有170余台，72个机柜已有72%被占用。其中湖南气象信息业务系统分别运行在32台服务器和12 台PC 上，涉及资料收集、分发、加工处理、数据共享等业务，实时业务系统一般都要求24 h不间断运行，但系统服务器资源利用率普遍在5%～20%，只有少数服务器资源利用率在70%左右。任务量小的业务程序分别部署在不同的服务器上，使得硬件的过度部署和设备实际利用率不足的矛盾日益突出，有必要利用虚拟化技术实现设备资源的集约化管理。
Hyper-V作为主流的服务器虚拟化方案，可支持多达64个CPU 和1 TB 内存，具有实时迁移（live migration） 功能，即将运行中的虚拟机从一个Hyper-V 物理主机迁移到另一个物理主机，不干扰服务，且对Windows、Linux系统的兼容性好。Hyper-V采用“硬件—Hyper-V—虚拟机”的三层构架体系，虚拟机执行效率非常高，可充分利用硬件资源，实现虚拟机系统性能优化。考虑到气象信息系统主要运行在Windows 操作系统下，且现有Windows Server 2012正版操作系统中包含Hyper-V角色，可实现服务器虚拟化功能，因此采用Hyper-V实现湖南气象信息业务系统虚拟化。
2 气象信息业务的虚拟化实现
选择4台物理服务器作为虚拟化的硬件基础（其配置如表1所示），在保证不影响正常业务服务的原则下分步实施業务系统的虚拟化。Hyper-V作为Windows Server 2012的一个组件[5-6]，可作为Windows Server 2012的角色被安装。利用Hyper-V进行服务器虚拟化，首先为物理服务器安装Windows Server 2012操作系统，其次安装Hyper-V组件，最后利用Hyper-V新建虚拟机，并在虚拟机上按需安装操作系统。将现有18台物理服务器上的气象信息业务按新增计划任务、本省内部资料处理、资料共享、资料上传、行业用户等进行分类，部署至虚拟机上，实现气象信息业务的整合。
2.1 虚拟机的创建和配置
以服务器1为例，成功安装Windows Server 2012操作系统后，在服务器管理器选择安装Hyper-V，然后在Hyper-V管理器中新建虚拟机。通过“新建虚拟机向导”进行虚拟机名称设置，并设置存储位置、分配内存及配置网络等操作。因部分服务器运行在整点的时候可能出现内存占用的峰值，而部分服务器程序运行所需的内存并不大，在气象信息系统的虚拟化过程中，充分利用Hyper-V动态内存分配[6]技术，根据虚拟机中的应用优先级自动调整虚拟机对物理内存的占用大小，实现性能优化。 2.2 虛拟机的备份和恢复
因虚拟化是在性能较高的服务器上创建多台虚拟机，没有建立服务器集群，当某台物理服务器出现故障时，为保证气象信息业务正常运行，需快速在其他物理服务器上恢复虚拟机的运行，故设计中采用了虚拟机的导出、导入的冷备份方法。通过VHD文件导出、导入来进行虚拟机备份，其流程如图1所示。
3 性能改进
利用Hyper-V技术，在4台物理服务器上共部署了18台虚拟服务器，分别为资料处理服务器、图片生成服务器、卫星快显接收服务器、中小尺度网络服务器、质量控制服务器、风能服务器、土壤水分中心站、新一代长江流域共享服务器、报文复制服务器等。虚拟服务器分别安装了Windows Server 2003、Windows Server 2008、Windows Server 2012、SUSE Linux等操作系统。相较于传统业务部署方式，基于虚拟化技术的气象信息业务在以下4个方面具有明显优势。
3.1 减少系统部署的时间成本
若按传统气象信息业务部署方式，需经历服务器上架、连线、安装系统、驱动安装等步骤，至时耗时3～4 h。利用Hyper-V的虚拟机模板克隆方式来部署虚拟服务器，仅需10～30 min，极大地提高了服务器部署效率。此外，传统物理服务器重启过程耗时3～10 min，而虚拟服务器的重启只需几十秒钟。可见，采用Hyper-V虚拟化方式部署气象信息业务可大幅度缩减时间成本。
3.2 提高服务器资源利用率
利用Hyper-V实现服务器虚拟化后，1台物理服务器在保证业务正常运行的前提下，承担了几倍于传统物理服务器的业务量，提高了服务器的资源利用率。从服务器CPU、内存的使用率来看，虚拟化后，服务器CPU利用率和内存利用率均大幅度提高。对比虚拟化前后服务器的资源利用情况可知，服务器2的CPU平均利用率由1.17%提升至89.41%，服务器3的CPU平均利用率由4.95%提升至23.42%（图2）；服务器2和服务器3的内存利用率分别由34.57%和22.63%提升至50.8%和84.34%（图3）。
3.3 节约成本和空间、降低能耗
此次用于实现湖南省气象信息业务虚拟化的物理服务器共4台，对比传统业务部署方式所需的18台，空闲出14台性能相对较弱的服务器用于其他业务，极大地节约了服务器购买成本。从机房空间利用率来看，原有18台物理服务器占用机柜空间36 U，用于虚拟化的4台物理服务器仅占8 U机柜空间，节约了近8成的机柜空间。从能耗的角度来看，按照每台服务器200 W 的功耗计算，18台物理服务器每天耗电86.4 kW，采用虚拟化后4台服务器每天耗电19.2 kW，一年能节约用电7 000.0 kW。
3.4 提高业务系统的可靠性
为保证气象信息业务运行稳定性，对虚拟机实施备份，以应对物理服务器可能出现故障的情况十分必要。Hyper-V提供的虚拟机导入导出和备份功能，能够确保业务系统的连续运行。虚拟机的导入导出功能可以将虚拟机通过文件方式进行转移，实现虚拟机的备份，极大地提升了气象信息业务系统的稳定性和可靠性。
4 结语
通过分析湖南省现有气象信息业务系统运行状况和服务器资源利用率，在服务器数量多、占用机柜空间大、维护成本高、资源利用率低等现状下，提出利用虚拟化平台Hyper-V实现业务系统虚拟化的运行方案。此方案在保证了原有业务系统的正常运行前提下，空闲出14台性能较弱的服务器用于后继业务开展，极大地节约了服务器购置成本。对实施前后性能进行对比分析可见，虚拟化技术在提升系统资源利用率、降低能耗、节省开支和空间、提高业务系统可靠性等方面有较大的优势。基于Hyper-V的气象信息业务虚拟化实现，将在后续集约化数据环境的建设中起到重要作用。
参考文献
[1] 汪华，黄笞，方斌.贵州省气象信息业务系统的虚拟化实现[J].成都信息工程学院学报，2012，27（2）：186-191.
[2] 刘国宏，余东昌，刘旭林，等.虚拟化技术在气象业务中的应用[J].计算技术与自动化，2013，32（4）：119-122.
[3] 李亚，李婧，张贵芳，等.虚拟化技术在信息化资源整合中的方案探究[J].计算机光盘软件与应用，2013（20）：305-306.
[4] 张庆玉，刘军万.基于Hyper-V R2的服务器虚拟化资源分配优化[J].电脑知识与技术，2011，7（7）： 1680-1683.
[5] 李晓明，王伟达，时文，等. Hyper-V虚拟技术在广电的应用及展望[J].广播与电视技术，2014，41（2）：70-73.
[6] Windows Server[EB/OL].[2016-10-11].http：//technet.microsoft.com/zh-cn/windowsserver/default.