★北京廣利核系統工程有限公司劉高生，王桂蘭，董曉峰，彭立

關鍵詞：核電行業；數字化；虛擬化技術；虛擬機

1　引言

隨著核電行業正在加快數字化轉型的速度，IT基礎設施建設規模不斷擴大，功能強大的計算機數量越來越多。在傳統的IT環境中，硬件資源很難實現動態分配與資源共享。一些計算機因為負載高而性能下降，另一些計算機則因負載低而資源閑置，造成了使用不均衡和資源浪費，影響了IT運行效率和成本控制^[1-5]。核電行業中某些高價值數據存儲在計算機中，當遭到惡意攻擊時，這些數據容易損壞甚至丟失^[6-8]。針對這些挑戰，核電行業的研究人員將目光轉向了虛擬化技術。他們積極探索虛擬化技術在行業內的應用，為解決以上問題提供了一種新的解決方案。隨著研究的深入，虛擬化技術在核電行業的應用愈加廣泛，其在服務器虛擬化、網絡虛擬化、存儲虛擬化、桌面虛擬化等方面均有具體的應用，提高了基礎資源利用率，降低了運營成本，降低了因硬件故障導致的服務宕機，提升了業務系統穩定性。本文主要對虛擬化技術在核電數字化中的應用現狀進行了綜述，并提出了其在當前應用中存在的不足，為相關研究人員提供了其應用研究進展與發展趨勢方面的介紹。

2　虛擬化技術概述

2.1　虛擬化技術

虛擬化技術是一種資源管理技術^[9]，它將計算機資源抽象化，通過模擬和抽象物理硬件資源，創建出多個邏輯上相互隔離但是物理資源共享的虛擬環境。其核心在于將單一的物理資源切分為多個虛擬資源，使得這些虛擬資源可以同時運行并且相互獨立，每個虛擬資源都可以在其中運行自己的操作系統和應用程序。也就是說，虛擬化技術是模擬了物理的計算機資源，比如中央處理器（central processing unit，CPU）、內存、硬盤、存儲和網絡等，突破了物理資源的原有限制，使得用戶在使用虛擬資源時與使用物理計算機沒有任何區別^[10]。

虛擬化技術的核心是虛擬化層^[11]。該層位于操作系統和硬件之間，被稱為虛擬機監視器或虛擬機管理程序（virtual machine monitor，VMM），負責各個操作系統間的硬件資源協調。它在物理硬件和虛擬機之間添加了一個底層硬件平臺，多個虛擬機共享這個底層硬件平臺，負責管理和控制虛擬機的創建、銷毀以及虛擬機對底層物理硬件資源的訪問。

圖1虛擬化技術原理圖

虛擬化技術在資源的有效利用、動態分配和高可靠性方面都有著很大的優勢。利用虛擬化機，能夠實現硬件資源共享、按需動態分配和隔離，提高了硬件資源的利用率和安全性，用戶可以更加充分地利用原有的資源。虛擬化技術原理圖如圖1所示。

2.2　虛擬化技術應用類型

虛擬化技術的應用范圍日益擴大，其在教育^[10]、電力^[12]、醫療^[13,14]等行業得到了更加廣泛的應用。根據應用范圍可將其劃分為多種類型，如圖2所示，本文主要介紹了服務器虛擬化、桌面虛擬化、網絡虛擬化、存儲虛擬化、CPU虛擬化以及文件虛擬化。這些虛擬化類型都有各自的應用場景和優勢。

圖2虛擬化技術應用分類

2.2.1　服務器虛擬化

服務器虛擬化是指將服務器物理資源抽象成邏輯資源，讓一臺服務器變成多臺互相隔離的虛擬服務器，不再受制于物理上資源的界限。比如，CPU、內存、磁盤、輸入輸出（input/output，I/O）等硬件變成了可以動態管理的“資源池”，從而提高了資源的利用率^[15,16]，簡化了系統管理，實現了服務器的整合。

2.2.2　桌面虛擬化

桌面虛擬化是指將計算機的桌面進行虛擬化，以達到桌面使用的安全性和靈活性。桌面虛擬化依賴于服務器虛擬化，以數據中心的服務器進行服務器虛擬化，生成大量的獨立的桌面操作系統（虛擬機或者虛擬桌面），同時根據專有的虛擬桌面協議發送給終端設備。用戶終端通過以太網登錄到虛擬機上，其只需要記住用戶名和密碼以及網關信息，即可隨時隨地通過網絡訪問自己的桌面系統，從而實現了單機多用戶。

2.2.3　網絡虛擬化

網絡虛擬化是將以前基于硬件的網絡轉變為基于軟件的網絡。與所有形式的IT虛擬化一樣，網絡虛擬化的基本目標是在物理硬件與使用該硬件的應用和服務之間引入一個抽象層。網絡虛擬化允許用戶獨立于硬件來交付網絡功能、硬件資源和軟件資源，即虛擬網絡。它可以用來合并許多物理網絡，或者將一個這樣的網絡進一步細分，或者與虛擬機連接起來。

2.2.4　存儲虛擬化

存儲虛擬化是對存儲硬件資源進行抽象化表現，即在存儲設備上加入一個邏輯層，將具體的存儲設備或存儲系統同服務器操作系統分隔開來，與存儲設備的能力、接口協議等無關。將不同存儲設備進行格式化，將各種存儲資源轉化為統一管理的數據存儲資源，可以用來存儲虛擬機磁盤、虛擬機配置信息、快照等。其為存儲用戶提供統一的虛擬存儲池，該虛擬化的存儲資源是一個資源存儲池，用戶不會看到具體的存儲介質，不必關心數據如何到達存儲設備。

2.2.5　CPU虛擬化

CPU虛擬化是將物理CPU資源進行抽象和分離，形成多個獨立的CPU資源，是對硬件虛擬化方案的優化和加強。通過CPU虛擬化技術^[17-20]，實現了多個操作系統同時運行在一個物理CPU上，提高了CPU利用率和管理效率。

2.2.6　文件虛擬化

文件虛擬化是在文件服務器和訪問這些文件服務器的客戶端之間創建一個抽象層，管理跨服務器的文件和文件系統，允許管理員向客戶端提供一個所有服務器的邏輯文件掛接，將分布在多臺服務器的文件數據虛擬成一臺服務器，檢索文件不需要去不同服務器上查找。

2.3　虛擬化技術的應用優勢

2.3.1　資源優化與共享

虛擬化技術的核心優勢之一是對IT資源的優化與共享。其通過將物理資源進行抽象和再劃分，使得不同的虛擬機可以依據實際需求動態地分配和使用資源。這種按需分配的方式大大提高了資源的利用率，減少了資源的浪費。同時，虛擬化技術還使得不同虛擬機之間的資源可以相互共享，進一步提高了整體資源的利用效率。

2.3.2　高可用性與災備

虛擬化技術提供了高可用性和災備的解決方案，確保了業務的連續性和數據的完整性。通過虛擬化技術，可以輕松地實現虛擬機的備份、恢復和遷移等操作，確保在物理硬件故障或者災難發生時，業務能夠迅速恢復并繼續運行。此外，虛擬化技術還支持跨地域的災備部署，使得數據可以在不同的地理位置進行備份和存儲，以應對各種可能的災害風險。

2.3.3　安全性與隔離性

虛擬化技術提供了強大的安全性和隔離性保障，每個虛擬機都運行在獨立的虛擬環境中，彼此之間相互隔離，避免了潛在的安全風險。同時，虛擬化技術還提供了豐富的安全特性，如訪問控制、加密通信等，確保虛擬機之間的通信和數據傳輸的安全性。這種安全性和隔離性使得虛擬技術在處理敏感數據和保護關鍵業務方面具有重要優勢。

2.3.4　節約成本與便捷管理

虛擬化技術也能帶來顯著的成本降低和便捷管理。其通過整合物理資源，減少了對硬件的需求，降低了采購成本。同時虛擬化技術簡化了資源管理和維護的工作流程，減少了人力成本，管理員可以通過統一的界面和工具對多個虛擬機進行集中管理，提高了管理效率。此外虛擬化技術還支持自動化和智能化的管理功能，使得資源管理和維護更加便捷高效。

3　虛擬化技術在核電數字化中的應用

目前，虛擬化技術已經在核電行業中得到了應用，主要在核電數字化設計方向、模擬仿真和應用系統部署方面有所實踐。其實踐的應用類型如圖3所示。

圖3核電行業虛擬化技術應用

3.1　服務器虛擬化

吉艷紅等^[21]針對VVER機組全范圍模擬機的工藝和儀控系統軟件對硬件依賴性高、軟件與新硬件無法匹配的問題，提出了對全范圍模擬機服務器硬件進行虛擬化的方案，并選用了VMware vSphere虛擬化軟件，對模擬機服務器和網絡進行了單機和多機虛擬化部署。在按方案具體實施后，作者進行了性能、功能、穩定性的測試，測試結果均符合預期，精簡了在線服務器數量，減少了模擬機軟件對硬件的依賴。作者通過服務器虛擬化，建立了VVER機組全范圍模擬機仿真通用平臺，優化了VVER機組各模擬機成本，維護管理并提高了模擬機培訓的有效性。

姚建凡等^[22]在對核設計平臺進行研究時，發現傳統核設計平臺存在如下問題：（1）在軟硬件資源配置上運算效率不高，大部分時間計算資源處于空閑狀態；（2）因硬件故障易導致運算中斷、數據丟失等；（3）不同核設計任務的工作站和軟件分散，不利于統一管理和監控。基于以上幾點，作者提出了基于虛擬化集群的核設計平臺系統架構，利用VMware對服務器進行虛擬化，建立虛擬化集群，并采用LSF平臺對集群中的系統資源進行調度，實現平臺的高可用和負載均衡；劉湘中^[23]和劉凱^[24]等針對核電設計行業服務器設備數量增多，但資源未能高效利用、總體資源利用率無法提高的問題，引入了服務器虛擬化技術，利用vSphere和VMware建設了核電設計行業虛擬化平臺，整合了大部分資源利用率較低的服務器，解決了服務器資源利用率不高的問題。

李昌銀等^[25]梳理了核電企業的多應用系統的安全訪問、多個復雜系統能否提供可持續性服務，以及數據存儲、應急恢復、容災等問題，結合虛擬化技術與集群技術，以VMware vSpere虛擬化架構為基礎，提出了高可用應用服務平臺結構，并實現了高可用應用服務平臺。該平臺由VMware vSpere5.1虛擬化平臺整合4臺IBM物理服務器和1臺EMC存儲設備組成，應用服務部署在服務器上，數據存儲在本地存儲。虛擬化架構的HA可保證集群中虛擬機出現故障后，在極短時間內重啟虛機，從而恢復集群完整功能。對虛擬機配置FT功能后，當主節點出現故障時，平臺能夠無縫切換至鏡像節點，自動接管柱節點上的所有任務。作者對平臺的性能進行了故障切換、啟動時間和新節點部署測試，測試指標顯示高可用應用平臺在以上三點均優于一般應用服務架構。

隨著核電企業新業務和新需求增加，業務系統的可靠性要求不斷增加，需要提高服務器、存儲、網絡等現有基礎設施的利用率。蘇菁等^[26]在山東核電實施了IBM Power VM虛擬化項目，構建了虛擬化平臺，將山東核電調試及生產期系統所有應用虛擬化部署，利用了服務器資源，降低了系統的維護及管理成本；李雪北等^[27]分析了山東核電虛擬化應用現狀，在服務器虛擬化方面，采用VMware vSphere和IBM Power VM兩種虛擬化技術，將門戶網站、管理軟件、門禁系統等采用服務器虛擬化，提高了服務器、存儲等基礎設計資源的利用率，實現了主機的高可靠性，減少了主機恢復時間和宕機時間。

3.2　桌面虛擬化

魏欣南等^[28]針對核電設計具有多堆型、異地協同設計、靈活多樣的設計模型和嚴格的安全保障等特點，分析了核電設計存在的3個典型問題，結合虛擬化技術的遠程接入、網絡隔離的優勢，設計并建設了一套基于虛擬應用技術、可滿足核電設計各種接入需求的解決方案，歸納了3種典型應用場景適合發布的應用類型，給出了總體技術架構；李雪北等^[27]和白偉等^[29]在桌面虛擬化方面，討論并實現了Citrix虛擬化平臺，提高了管理效率，滿足了不同地點、不同公司用戶、多種操作系統訪問業務系統的需求，降低了桌面運維人員工作量，保障了系統安全性和穩定性。

3.3　存儲虛擬化

孫哲等^[30]在對核電企業多應用系統運行時產生的海量數據進行安全性和可用性分析時，結合云計算平臺與虛擬化技術，構建了一個高可用云存儲系統。該存儲系統利用vSphere與DeDu的結合，避免了因硬件故障導致的系統崩潰，保障了數據的高可用與安全性；其利用HBase保存文件的哈希值作為索引，提升了查詢性能，使用HDFS管理海量數據，利用vSphere技術保障了物理服務器與虛擬服務器的穩定性和可靠性。申立平^[31]觀察到核電企業經過多年IT發展，核電業務不斷擴充、業務量不斷增加，數據存儲方面遇到了不少問題，比如存儲彈性和擴展性、大規模集群下容錯和復雜性等。為解決這些問題，作者提出了構建核電的云存儲架構，并按照存儲標準化、虛擬化、自動化逐步遞進實現。作者對每一個階段需要開展的工作都進行了詳細描述，并給出了存儲系統建設規劃中的設計思路，為后續云存儲系統的發展提供了方向。

3.4　網絡虛擬化

祁蔚等^[32]為了提高“華龍一號”設計仿真驗證平臺的整理體運維效率、向多網格、分布式的并行計算過渡以及擴展精細化仿真驗證能力，對設計驗證平臺進行了升級改造，實現了虛擬化與并行化在設計驗證業務場景下的部署。作者使用基于華為的Fusion Sphere私有云虛擬化產品實施虛擬化改造，整套設計驗證平臺通過虛實結合方式構成，DCS二層的數據分發服務器與OWP操作員站采用虛擬機方式，數據源由實體模型服務器產生。作者還給出了設計驗證平臺虛擬化與并行化改造后的架構，并對改造后的華龍一號仿真平臺進行了性能和仿真工況運行測試。測試結果表明架構配置可行，能夠滿足實際要求。

4　應用存在的不足與未來的研究工作

當前，在核電行業數字化的應用過程中，虛擬化技術主要存在的不足和其未來的研究方向有：

高可用技術的深度應用研究。當前服務器虛擬化等虛擬化技術在核電的實際應用部署中，容易發生單一物理機故障影響多個虛擬機的情況，比如當物理機硬件發生故障可造成部分虛擬機或整個虛擬化環境癱瘓，無法對外提供服務，其影響范圍遠超傳統IT架構的單點影響范圍。其核心原因就是虛擬化將資源高度集中，單個物理機承載密度通常達50個虛擬機，故障域將被指數級放大。相關研究人員已經研究通過增加硬件，實現硬件層冗余來避免單一故障風險。除此之外，還可對以下兩個方面進行深入研究：（1）加深對彈性集群架構的研究，通過反親和性策略強制性地將關鍵業務虛擬機分散至不同物理機或者是數據中心，單點故障時自動切換至其他物理機或是其他集群，能夠保證服務恢復時間控制在秒級。（2）使用虛擬化管理平臺，啟動實時遷移和故障切換組合策略，根據VMware的官方技術文檔，VMware設置HA策略，當通過心跳檢測機制檢測到節點故障后，默認3個周期內觸發虛擬機遷移，其支持的內存壓縮技術能夠將16GB的虛擬機遷移時間縮短至90秒；KVM的Kexec機制支持內核級快速重啟，故障恢復速度較傳統方案提升了將近3倍。應用這些策略，能夠降低單點故障對整個系統的影響。

應用場景適配性研究。服務器虛擬化等技術并不能完全解決提高IT效率過程中遇到的所有問題。以傳統x86架構的服務器為例，將多臺服務器通過虛擬化的方法整合成一個集群，最大程度地提高服務器效率，降低了IT成本，提高了資源利用率。但在核電中一些有特殊需求的應用中，虛擬化技術存在天然短板，虛擬化層的指令翻譯、地址轉換、設備模擬等引入了額外的開銷，無法滿足極端性能需求，比如需要高頻訪問內存、極致發掘IO性能、硬件直通依賴等。相關研究方向應當建立核心物理機、非核心虛擬化以及混合協同的部署策略。關鍵應用使用專屬的物理機部署，針對硬件兼容性要求高的場景，保留物理機獨立運行，使用可靠的接口協議與虛擬化平臺的數據進行交互，實現控制層物理隔離，數據層協同。虛擬化技術性能優化，對于可虛擬化的特殊應用，啟動GPU直通、大頁內存和SR-IOV網絡直通等技術，通過硬件加速技術深度整合。邊緣與中心混合協同，邊緣節點采用物理機運行實時控制業務，中心通過虛擬化對數據進行離線分析。

排錯復雜度降低的方法研究。虛擬化環境是在硬件層基礎上增加了Hypervisor層和虛擬機層，并疊加了應用層的多層架構。當這個復雜的架構出現故障或者錯誤時，比如虛擬化后的網絡安全問題^[33-35]，將給核電的IT運維人員帶來較大的風險，這種風險不僅僅是排查問題解決故障，同時還將在排錯過程中耗費大量時間以及其他成本。再者復雜的排錯過程需要專業的技術支持，這也給當前的運維帶來很大困擾。相關研究也應考慮降低排錯復雜度，研究的主要方向為增加全棧可視化監控與日志聚合和智能化故障分析與根因定位兩方面。部署統一監控平臺，實時采集硬件指標、虛擬化層的數據和應用日志，對這些數據進行集中管理，通過正則表達式與機器學習關聯跨層的日志；引入異常檢測算法或者故障樹分析法，通過采集到的數據進行故障模型的訓練，自動識別資源競爭、配置錯誤等常見問題，定期模擬硬件故障、網絡中斷和存儲過載等場景，驗證自動化恢復流程的健壯性。

5　結語

本文在分析了虛擬化技術的基本概念、實現原理以及應用類型的基礎上，對現階段虛擬化技術在核電數字化中的應用現狀進行了綜述，并從服務器虛擬化、桌面虛擬化、存儲虛擬化和網絡虛擬化四個角度，對當前核電行業的虛擬化技術應用研究現狀和未來的發展趨勢進行了分析，不僅指出了其在進行集中IT管理、應用整合和降低成本等方面存在的積極作用，還指出了其研究不足和未來的發展趨勢主要在高可用技術的深度應用研究、應用場景適配性研究和排錯復雜度降低的方法研究。以這三個研究為基礎，在提高核電行業IT資源利用率的同時，提高虛擬化過程中的網絡安全，使重要數據和應用進行災備、軟硬件成本得到降低，是虛擬化技術在核電行業數字化應用的一個重要方面，也是相關研究人員后續的研究重點。

作者簡介：

劉高生（1989-），男，吉林人，工程師，碩士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事于核安全級儀控系統的軟件研發工作。

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摘自《自動化博覽》2025年8月刊