虚拟机技术在上海磁浮线的应用

摘 要：该文主要介绍了虚拟机技术，阐述了准虚拟化技术和泛虚拟化技术的工作原理，并针对这两项技术进行了对比。在此理论基础上，着重描述了虚拟化技术在上海磁浮线上的应用。与一般情况下使用虚拟机技术以达到节约成本的目的不同，上海磁浮线虚拟机技术应用完全是为了解决实际中遇到的硬件和软件兼容性问题。该文以上海磁浮线升级改造项目作为一个实际案例，为虚拟机技术的实际应用拓宽思路，也为遇到类似问题的企业提供一个解决途径。

关键词：虚拟机技术 准虚拟化技术 完全虚拟化技术 上海磁浮线

中图分类号：U237 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）12（b）-0014-02

1 虚拟机技术简介

传统方式下运行一台计算机需要一个操作系统，而无论选择windows还是linux操作系统，都无法实现直接在windows操作系统上直接运行linux操作系统，反之亦然。一般情况，安装了双系统的计算机，只能通过重启计算机硬件来切换操作系统。然而，随着计算机应用的普及，越来越多的企业服务器或者个人电脑都需要跨平台（即多操作系统）使用计算机。用户的需求促进了虚拟机技术的飞速发展。

虚拟机技术的主要原理是在现有的计算机硬件平台上，通过安装一个虚拟机监控（Virtual Machine Monitor，VMM）软件来实现虚拟一个新的操作系统。对于使用者来说，使用虚拟的操作系统就像在一立计算机硬件上运行操作系统完全一样，拥有独立的CPU、内存、硬盘等硬件。不过，这些硬件都是虚拟出来的，除了内存必须划出独立的物理内存供虚拟操作系统使用，其他硬件都是底层操作系统和虚拟操作系统共享的。

根据VMM软件运行方式的不同，可以将虚拟机技术分为两大类。第一类称之为准虚拟化（Para-virtualization，PV），此类VMM软件集成在主操作系统中，在运行VMM软件时，客户操作系统就可以直接访问计算机硬件，从而提高客户操作系统的访问和处理速度以及稳定性；第二类称之为完全虚拟化（Full-virtualization，FV），该类VMM软件等同于主操作系统的一个应用程序，在运行VMM软件时，客户操作系统需要通过VMM软件这个媒介间接访问计算机硬件。相比之下，准虚拟化由于VMM软件直接访问硬件设备，所以相对完全虚拟化具有更好的性能和稳定性。两种类型虚拟机结构图示意图如图1所示。

虚拟机技术的优点也得到了广泛的共识，并应用于诸多领域。虚拟机技术最广泛的被网站运营商和游戏运营商所使用，由于网络运营商是根据服务器机柜数量收取租赁费用，所以为了节约成本，网站运营商和游戏运营商使用虚拟机技术，利用有限的硬件服务器虚拟出几十甚至上百台服务器来，从而大大地节约了运营成本。此外，一些软件开发人员利用虚拟机对开发软件进行兼容性测试。在我国，由于高校招生规模扩张，学校的硬件资源紧缺，虚拟机技术也被广泛地应用在学校的教学实验室。

2 上海磁浮线的虚拟机技术应用

上海磁浮线在2014年对列车牵引供电监控和诊断系统进行了改造升级，此次升级主要是将虚拟机技术应用于牵引供电监控系统的10台服务器和17台客户端计算机。上海磁浮线采用了VMware公司的虚拟机软件。

2.1 上海磁浮线牵引供电监控和诊断系统简介

上海磁浮线牵引监控系统采用西门子SIMATIC WinCC软件。其中，牵引WinCC系统主要负责磁浮线高功率变频器（12台）、中功率变频器（2台）和低功率变频器（2台）的运行监控工作；供电WinCC系统主要负责整个110kV供电网络以及母排以上350kV市政供电开关的运行监控工作。

上海磁浮线列车牵引供电的监控和诊断设备如表1。

2.2 改造背景

上海磁浮快速列车项目牵引供电监控和诊断系统的所有计算机硬件需替换，原因在于线上使用的监控和诊断计算机硬件正处于老化阶段，故障率上升，而库存备件逐渐用尽，该类硬件在市面上面临停产威胁。

改造面临着一大难题。一方面，由于上海磁浮线建设于2000年，当时的操作系统为windows2000，新采购的替换硬件如果安装windows2000则会因为缺少驱动以及原有牵引供电监控系统软件的非兼容性而不可使用，所以需要采用新的操作系统。另一方面，原有软件又不能运行在新的操作系统例如windows7，特别是X64版本。且经过第三方评估，这些软件已明确不能在新版本的操作系统上得到许可使用。替换新硬件因为兼容性问题所以必须升级操作系统，而升级了操作系统原有软件又无法运行，这个矛盾的问题十分棘手。

为此改造必须找到一个解决方案，解决上述问题。另外，从长远方面考虑，由于硬件和操作系统发展日新月异，未来还将面临硬件更新以及操作系统版本陈旧的问题，还需要进一步确保在将来更新升级硬件和操作系统的可行性。

为了解决上述一系列问题，最终形成了应用虚拟机技术的改造方案。将牵引供电监控系统升级成新软件版本（诊断系统软件仍采用旧版本），并在虚拟计算机环境中运行而不依赖于将来硬件的变化，这样，在未来系统可以很容易地升级硬件版本。并且，那些没有升级新版本的系统软件或在新操作系统下无许可的其它系统软件，也可以在虚拟计算机环境中旧的操作系统下运行使用。

2.3 虚拟化方案

上海磁浮线牵引供电监控和诊断系统升级项目中，10台牵引供电监控服务器全部采用准虚拟化（PV）结构，软件选取VMware ESXI V5.0；其余17台牵引供电监控客户端、牵引供电中央和分区诊断计算机、OTN诊断计算机和网络计算机均采用完全虚拟化（FV）结构，软件选取VMware Workstation V9.0，如表2。

2.3.1 牵引和供电监控服务器虚拟化

在此次牵引和供电服务器升级改造项目中，WinCC服务器从WinCC5.1 SP1升级到WinCC7.0 SP3版本，相应地，虚拟机的客户操作系统为Microsoft Windows Server 2008 R2（64位版本）。

利用VMware的程序管理ESXI5.0完成虚拟化，此方案具有高可靠性低功耗特点。虚拟机在ESXI上运行，并通过Direct I/O技术，直接连接到必要的Profibus CP5613 A2硬件上。串口和LAN口作为虚拟硬件设置在虚拟机内。虚拟机的操作系统和软件配置与未虚拟化的WinCC服务器相同。

可直接操作的WinCC服务器不配置显示器，虚拟服务器通过VNC进行远程管理。通过VMware vSphere 客户端实现ESXI Hypervisor远程管理。在开启关断或者配置操作虚拟机时，如果须与客户操作系统或者ESXI软件交互操作，则使用VMware vSphere客户端。此客户程序安装在网络计算机（NET-CC-1， NET-CC-2）。如果需与服务器计算机发生任何直接交互操作，都通过网络计算机完成。

2.3.2 牵引和供电监控多客户端虚拟化

在此次牵引和供电多客户端升级改造项目中，WinCC客户端同WinCC服务器相同，也是升级到WinCCV7.0SP3版本，WinCC多客户端使用Windows7SP1（X64）作为客户操作系统。

在两台监控器上直接操作WinCC，采用VMware Workstation 9.0作为虚拟软件完成虚拟化改造。主操作系统是windows 7 SP1 （X64）。windows7系统环境下，通过以太网，利用NTP-client完成时间同步。

2.3.3牵引和供电中央/分区诊断计算机虚拟化

所有诊断计算机升级改造方式和监控客户端升级改造方式相同，采用完全虚拟化（FV）结构。由于诊断软件无需更新，所以所有新计算机将在原有的操作系统，原诊断软件及原有内在配置下安装虚拟机。主操作系统为windows 7 X64，安装VMware Workstation 9.0运行虚拟机。

2.3.4OTN诊断计算机虚拟化

为确保安装在上海的OTN诊断软件与OTN部件的兼容性，此次升级改造项目中，所有OTN软件版本未作改变。为此，新的计算机将在原有操作系统下，且保留原有OTN诊断软件及内在配置，安装虚拟机。主操作系统为windows 7 x64，安装VMware Workstation 9.0运行虚拟机。

2.3.5网络计算机虚拟化

为确保网络配置软件与安装在上海的网络部件的兼容性，此次升级改造项目中，网络计算机在原有操作系统下，且保留原有软件及内在配置，安装虚拟机。主操作系统为windows 7 x64，安装VMware Workstation 9.0运行虚拟机。

为管理VMware ESXI服务器安装在牵引供电监控WinCC服务器上的虚拟机，安装VMware vSphere Client在网络计算机上。这样，WinCC服务器的应用进程可通过网络在两台网络计算机上查看，或者也可以在网络内其他计算机上使用Win VNC查看。

3 结语

与一般情况下使用虚拟机技术以达到节约成本的目的不同，上海磁浮线牵引供电监控和诊断系统升级改造项目使用了虚拟机技术，完全是从自身实际情况出发，解决了目前软硬件兼容以及未来再次升级的兼容性问题。该文以上海磁浮线升级改造项目作为一个实际案例，为虚拟机技术的实际应用拓宽思路，也为有类似问题的企业提供一个解决途径。

参考文献

[1] 董耀祖，周正伟.基于X86架构的系统虚拟机技术与应用[J].计算机工程，2006，32（13）：71-73.

[2] 刘爱军，耿国华.基于x86的虚拟机技术现状、应用及展望[J].计算机技术与发展，2007，17（11）：250-252.

[3] 王建红，赵丽红.浅论虚拟化及其应用[J].科技广场，2007（7）：238-239.