服務(wù)器虛擬化技術(shù)在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐應(yīng)用

摘要：利用服務(wù)器虛擬化技術(shù)可以非常經(jīng)濟(jì)地搭建出先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)?；谔摂M技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠以簡(jiǎn)單的方式模擬出各種IT環(huán)境，起到了支持各學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用，符合計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)。文章在探討多種服務(wù)器虛擬化產(chǎn)品特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)，給出了一個(gè)具有應(yīng)用價(jià)值的、基于虛擬化技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)解決方案。

關(guān)鍵詞：虛擬化技術(shù)；服務(wù)器虛擬化；x86平臺(tái)；計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)；Hypervisor；Citrix XenServer

0 引言

隨著我國(guó)大學(xué)教育從精英教育發(fā)展到大眾教育的階段，大學(xué)生的“就業(yè)難”問(wèn)題也隨之突出，其原因之一是大學(xué)畢業(yè)生普遍存在著動(dòng)手能力不強(qiáng)、創(chuàng)新能力差、綜合競(jìng)爭(zhēng)能力不強(qiáng)、不能很快進(jìn)入崗位角色等問(wèn)題，缺乏滿足企業(yè)實(shí)際工作需要的知識(shí)和技能。出現(xiàn)這些問(wèn)題的根源在于高校的學(xué)科設(shè)置和教育模式偏離了社會(huì)發(fā)展的需要。

為解決上述問(wèn)題，各類高校都大力倡導(dǎo)素質(zhì)教育，紛紛通過(guò)調(diào)整專業(yè)、課程設(shè)置。使教學(xué)盡可能地與社會(huì)需求接軌，同時(shí)重視建設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)中心，全天候開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，增加學(xué)生動(dòng)手的機(jī)會(huì)，加強(qiáng)技能教學(xué)。

計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)是實(shí)踐性極強(qiáng)、更新極快的學(xué)科，雖然高校IT設(shè)備的投入很大，但是實(shí)驗(yàn)室建好后很快又落后于技術(shù)的發(fā)展，無(wú)法滿足高校教育的需要。針對(duì)當(dāng)前存在的問(wèn)題，我校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室綜合多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中引入服務(wù)器虛擬化技術(shù)和產(chǎn)品，建立了新一代實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，由此，不僅提高了計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的服務(wù)能力和支撐水平，也提高了資金和設(shè)備的利用率，降低了設(shè)備管理和維護(hù)的工作量。

本文探討了多種服務(wù)器虛擬化技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上介紹了基于Citrix XenServer產(chǎn)品的虛擬化教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)方案。

1 服務(wù)器虛擬化技術(shù)探討

1.1 概念和起源

虛擬化的概念在20世紀(jì)60年代首次出現(xiàn)，利用它可以對(duì)稀有而昂貴的大型機(jī)硬件進(jìn)行分區(qū)。后來(lái)虛擬化技術(shù)又在小型機(jī)上得到了應(yīng)用，把一臺(tái)小型機(jī)虛擬成幾臺(tái)小型機(jī)使用。隨著時(shí)間的推移，微型計(jì)算機(jī)和x86服務(wù)器已可提供更有效、更經(jīng)濟(jì)的方法來(lái)分配處理能力。因此到20世紀(jì)80年代，虛擬技術(shù)已不再被廣泛使用。到了20世紀(jì)90年代，研究人員開(kāi)始探索如何利用虛擬化技術(shù)解決與廉價(jià)硬件激增相關(guān)的一些問(wèn)題，例如。利用率不足、管理成本不斷攀升和易受攻擊等，虛擬化技術(shù)再次得到了廣泛認(rèn)可。x86平臺(tái)上虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)，首次向人們展示了虛擬化技術(shù)應(yīng)用的廣闊前景，因?yàn)閤86平臺(tái)可以提供便宜的、高性能和高可靠的服務(wù)器群，可以將物理服務(wù)虛擬化。

第一代的虛擬化產(chǎn)品通過(guò)一個(gè)Hypervisor或者是主機(jī)的架構(gòu)提供服務(wù)器的分區(qū)能力。第二代的虛擬化技術(shù)增加了虛擬化的管理、生產(chǎn)力的規(guī)劃、物理服務(wù)器到虛擬機(jī)的遷移以及其它的工具用于整合生產(chǎn)服務(wù)器。第三代虛擬架構(gòu)(V13)代表了下一代的虛擬化技術(shù)，該虛擬架構(gòu)重新定義了一個(gè)新的IT標(biāo)桿，它將工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器和存儲(chǔ)虛擬化成了一個(gè)整體，聚合成一個(gè)動(dòng)態(tài)的可集中管理的資源池，可使任何應(yīng)用或操作系統(tǒng)保持持續(xù)優(yōu)化和高可用狀態(tài)。它使得企業(yè)有能力去轉(zhuǎn)化、管理和優(yōu)化他們的IT系統(tǒng)架構(gòu)。

具體而言，最新一代的虛擬化技術(shù)——服務(wù)器虛擬化技術(shù)，通過(guò)將服務(wù)器物理資源抽象成邏輯資源，讓一臺(tái)服務(wù)器變成幾臺(tái)甚至上百臺(tái)相互隔離的虛擬服務(wù)器，或者讓幾臺(tái)服務(wù)器變成一臺(tái)服務(wù)器，人們使用時(shí)感覺(jué)不再受限于物理上的界限，讓CPU、內(nèi)存、磁盤、I／O等硬件變成可以動(dòng)態(tài)管理的“資源池”，從而提高資源的利用率，簡(jiǎn)化系統(tǒng)管理，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器整合，讓IT對(duì)業(yè)務(wù)的變化更具適應(yīng)力。

1.2 解決的問(wèn)題

現(xiàn)在的服務(wù)器主機(jī)群，除一部分用于大型數(shù)據(jù)處理的小型機(jī)外，大部分是由PC服務(wù)器主機(jī)構(gòu)成，并隨著用戶需求的不斷增加，PC服務(wù)器的數(shù)量也在不停地增加。但是，終端用戶還是覺(jué)得訪問(wèn)速度慢(而此時(shí)網(wǎng)絡(luò)流量實(shí)際很少)，利用率極低。所以如此，部分原因是服務(wù)器資源沒(méi)有整合，造成資源分配的不合理。有些系統(tǒng)在設(shè)計(jì)當(dāng)初是沒(méi)有問(wèn)題的，但是，運(yùn)行一段時(shí)間后數(shù)據(jù)量增加，使得系統(tǒng)變得很慢。為此，需要將這些資源(主要是CPU、內(nèi)存)作為一個(gè)共享池，對(duì)相應(yīng)的應(yīng)用進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配，重新動(dòng)態(tài)分配資源。這就是基礎(chǔ)架構(gòu)的虛擬化。

在具體實(shí)現(xiàn)中，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)、集中備份，以及充分利用虛擬架構(gòu)中虛擬機(jī)可動(dòng)態(tài)在線從一臺(tái)物理服務(wù)器遷移到虛擬服務(wù)器上的特性等，需要利用光纖存儲(chǔ)陣列產(chǎn)品與冗余的光纖交換機(jī)(或者iSCSI存儲(chǔ)設(shè)備)組成標(biāo)準(zhǔn)的SAN集中存儲(chǔ)架構(gòu)，由虛擬架構(gòu)套件生產(chǎn)出來(lái)的虛擬機(jī)的封裝文件都存放在SAN存儲(chǔ)陣列上。通過(guò)共享的SAN存儲(chǔ)架構(gòu)，可以最大化地發(fā)揮虛擬架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，在線地遷移正在運(yùn)行的虛擬機(jī)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)的資源管理和集中的基于虛擬機(jī)快照技術(shù)的LAN Free的整合備份等，而且可為以后的容災(zāi)打下基礎(chǔ)。

1.3 服務(wù)器虛擬化產(chǎn)品介紹

在典型的分層架構(gòu)中，提供平臺(tái)虛擬化的層稱為Hypervisor(有時(shí)稱為虛擬機(jī)管理程序或VMM)。來(lái)賓操作系統(tǒng)稱為虛擬機(jī)(VM)，對(duì)這些VM而言，硬件是專門針對(duì)它們虛擬化的。

1.3.1 Hypervisor的分類

Hypervisor可以劃分為兩大類：直接運(yùn)行在物理硬件之上的Type 1 Hypervisor和運(yùn)行在另一個(gè)操作系統(tǒng)(如運(yùn)行在物理硬件之上的各種Windows)中的Type 2 Hypervisor。

在Type 1中，Hypervisor是一個(gè)存在于操作系統(tǒng)下面的軟件層，直接位于硬件之上。這種模型保證虛擬機(jī)最大可能地提高性能，并且可以使得它們以在真實(shí)機(jī)上運(yùn)行的速度運(yùn)行。Hypervisor不需要自己驅(qū)動(dòng)，利用支持虛擬化的處理器，例如啟動(dòng)了AMD-V或者Intel VT的處理器。這使得Hypervisor可以做得非常小并且效率很高。由于上述特點(diǎn)，Type 1 Hypervisor在生產(chǎn)及企業(yè)級(jí)應(yīng)用中被普遍采用，目前主流的服務(wù)器虛擬化平臺(tái)產(chǎn)品都采用這種技術(shù)。

1.3.2 產(chǎn)品簡(jiǎn)介

市場(chǎng)上基于Type 1 Hypervisor的主流服務(wù)器虛擬化平臺(tái)(產(chǎn)品)主要有：

VMware Infrastructure 3.5、微軟Windows Server 2008 Hyper-V和Citrix XenServer 5.5等。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)實(shí)例

為了讓學(xué)生掌握實(shí)用的IT技巧，我校在培育計(jì)算機(jī)人才時(shí)非常重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)。開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)離不開(kāi)由各種硬件裝備構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。由于教學(xué)資金有限，在打造實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)時(shí)不僅要斟酌先進(jìn)性的問(wèn)題，還要統(tǒng)籌如何讓有限的資金發(fā)揮出最大的價(jià)值?；贏MD強(qiáng)大的多核計(jì)算技術(shù)，我們僅利用一臺(tái)服務(wù)器和一套虛擬化軟件，就以低投入搭建出了一個(gè)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)不僅能夠以簡(jiǎn)單的方法模仿出各種rr環(huán)境，高效地支撐各學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而且能夠有效地支撐科研工作的開(kāi)展。該平臺(tái)的建成使我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在實(shí)踐和理論上都向前邁進(jìn)了一大步。

2.1 需求

要求新的平臺(tái)能夠搭建數(shù)量更多、復(fù)雜度更高的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，能夠支持更多門類的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。平臺(tái)技術(shù)要開(kāi)放、結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，要能夠穩(wěn)定可靠地模擬并運(yùn)行多種計(jì)算系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，要有非常好的兼容性，能夠提供先進(jìn)的系統(tǒng)管理方案，能夠被輕松地部署、維護(hù)和管理。

2.2 解決方案

經(jīng)過(guò)對(duì)大量資料和技術(shù)方案的調(diào)研，我們最終決定采用服務(wù)器虛擬化技術(shù)來(lái)建設(shè)新一代的強(qiáng)大、靈活、高效的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

采用虛擬化技術(shù)，可以有效保證學(xué)生的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)需要，每人都可獲得一臺(tái)虛擬服務(wù)器。采用虛擬化技術(shù)可以提升老師的教學(xué)平臺(tái)，搭建不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，從而為學(xué)生提供更多的了解網(wǎng)絡(luò)的機(jī)會(huì)。

運(yùn)用虛擬技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵是必需擁有性能強(qiáng)大的服務(wù)器。為了確保虛擬的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)能夠順利建成，我們對(duì)服務(wù)器的選型提出了三點(diǎn)具體要求。

(1)擁有先避的計(jì)算機(jī)架構(gòu)，具有強(qiáng)大的處理能力

服務(wù)器無(wú)論是在主板設(shè)計(jì)上，還是在處理器、內(nèi)存、硬盤和網(wǎng)卡等重要部件上，都必需采用先進(jìn)技術(shù)；必須支持多路多核處理器，并且所采用的處理器必須在硬件層面上高度支持虛擬技術(shù)，確?？梢蕴峁?qiáng)大的并行數(shù)據(jù)處理能力，能夠在根本上支持虛擬體系的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

(2)支持64位計(jì)算，易于升級(jí)

內(nèi)存不足將嚴(yán)重影響虛擬體系的性能，并會(huì)直接限制虛擬機(jī)的數(shù)量。為了能夠盡可能地?cái)U(kuò)大內(nèi)存的空間，處理器必須支持64位帶寬的計(jì)算，能夠突破傳統(tǒng)的4GB內(nèi)存限制，可以做到輕松升級(jí)，可以讓服務(wù)器安排更多的虛擬機(jī)，讓每臺(tái)虛擬機(jī)可以處理更多的事務(wù)。

(3)價(jià)廉物美，長(zhǎng)期擁有成本低

為了充足利用教學(xué)資金，必須選用性價(jià)比高的服務(wù)器。由于多路服務(wù)器的整體價(jià)格在很大水平上是由處理器的價(jià)錢決定的，因此我們要求盡可能選用那些性能強(qiáng)大、價(jià)格經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行穩(wěn)固、能耗低的處理器，這樣不僅可以降低原始采購(gòu)的成本，而且能夠降低長(zhǎng)期的擁有成本。

按照上述原則，我們最終引入基于AMD四核皓龍?zhí)幚砥鞯拇鳡朠E R905服務(wù)器，以及Citrix的XenServer5.5虛擬化軟件打造新一代的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

軟硬件配置：在服務(wù)器的硬件配置上，我們?yōu)榇鳡朠ER905服務(wù)器配備了4顆AMD四核皓龍?zhí)幚砥鳌?4GB內(nèi)存和5塊400GB的SAS硬盤；在軟件方面，我們采取了開(kāi)源的Citrix公司免費(fèi)的XenServer5.5服務(wù)器虛擬化軟件。

2.3 教學(xué)使用情況

基于PE R905服務(wù)器的強(qiáng)大計(jì)算能力，我們運(yùn)用XenServer服務(wù)器虛擬化軟件將PE R905服務(wù)器虛擬成多個(gè)基本應(yīng)用平臺(tái)，這些基本應(yīng)用平臺(tái)的數(shù)量和性能可以依據(jù)教學(xué)需要隨時(shí)變更。虛擬的應(yīng)用平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要有以下三方面作用。

第一，基本練習(xí)。利用新的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的強(qiáng)大能力，教師在實(shí)驗(yàn)課中可依據(jù)學(xué)生的數(shù)量多少劃分出相應(yīng)的虛擬機(jī)，并給每個(gè)學(xué)生都分配一臺(tái)虛擬化的服務(wù)器，讓學(xué)生在其上實(shí)踐所學(xué)的各種計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)，比如安裝Unix、Linux、Solaris和Windows等操作系統(tǒng)，進(jìn)行應(yīng)用軟件的配置和優(yōu)化等等。

第二，高級(jí)應(yīng)用。利用虛擬系統(tǒng)可以自由分割、隨便組合的特點(diǎn)，教師在實(shí)驗(yàn)課中可將不同的系統(tǒng)，包括DNS系統(tǒng)、網(wǎng)站系統(tǒng)、防火墻系統(tǒng)和安全證書(shū)等安裝在相互獨(dú)立的虛擬機(jī)中，再組合成一個(gè)功能齊全的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境，讓學(xué)生以身臨其境的方法，深入探尋IT網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作規(guī)律。

第三，開(kāi)辟視野。教師可以因材施教，給學(xué)習(xí)得比較深入的學(xué)生分配多個(gè)虛擬機(jī)，讓他們將自己編寫的各種程序放在不同的操作系統(tǒng)平臺(tái)上調(diào)試，或在虛擬的異構(gòu)平臺(tái)上模仿各種應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，使他們實(shí)踐能力和視野得到進(jìn)一步的提高和擴(kuò)展。

新一代的計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬化平臺(tái)的構(gòu)造示意圖如圖3所示。

3 虛擬化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)

教學(xué)實(shí)踐應(yīng)用證明，基于虛擬技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，包括：

(1)穩(wěn)定高效，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于部署、維護(hù)和管理；虛擬操作近乎是‘傻瓜’式的，只需在圖形界面上圈圈點(diǎn)點(diǎn)就能完成非常復(fù)雜的工作。在平臺(tái)上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，系統(tǒng)維護(hù)和管理的工作量可以減輕80％以上。

(2)能夠快速搭建數(shù)量更多、復(fù)雜度更高的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，能夠支持更多門類的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作；現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的資源可以支持同時(shí)建立和啟用高達(dá)100臺(tái)左右的虛擬機(jī)，可以支持DOS、Unix、Linux、Solaris和Windows等不同的操作系統(tǒng)。上百臺(tái)各種類型操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)可以構(gòu)建出功能齊全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。滿足更高層次的教學(xué)實(shí)踐需求。

(3)提高效率，大幅降低建設(shè)成本。只需一臺(tái)服務(wù)器和一套免費(fèi)的虛擬化軟件，可為學(xué)校極大地節(jié)約成本。相較傳統(tǒng)的基于多臺(tái)物理服務(wù)器的平臺(tái)建設(shè)方式，這種虛擬化解決方案最少能夠節(jié)省50％-60％的建設(shè)成本。

(4)延長(zhǎng)了硬件平臺(tái)的使用壽命。硬件平臺(tái)虛擬化之后，要支持更新的操作系統(tǒng)只需要升級(jí)虛擬化軟件即可，無(wú)需對(duì)硬件平臺(tái)進(jìn)行更新，這樣就延長(zhǎng)了系統(tǒng)的使用壽命。

4 結(jié)束語(yǔ)

服務(wù)器虛擬化技術(shù)在我校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用實(shí)踐證明，在購(gòu)置高性能服務(wù)器的基礎(chǔ)上，采用虛擬化技術(shù)建設(shè)虛擬化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是既節(jié)約設(shè)備經(jīng)費(fèi)，又能夠滿足計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的多樣性、復(fù)雜性、實(shí)驗(yàn)性需求的有效手段。

盡管由于投入有限(如我們沒(méi)有建設(shè)SAN存儲(chǔ))，目前的平臺(tái)尚無(wú)法充分發(fā)揮服務(wù)器虛擬化技術(shù)的所有優(yōu)點(diǎn)，虛擬化平臺(tái)的性能還有待進(jìn)一步提高，但隨著虛擬化技術(shù)的日臻完善，虛擬化的理念和虛擬化的解決方案必將在實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)中發(fā)揮更大的作用。