基于XENServer 的數(shù)字圖書(shū)館云服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)研究

趙華茗，李春旺，周 強(qiáng)

（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家科學(xué)圖書(shū)館 北京100190）

1 引言

信息多源和爆發(fā)促使互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算資源的組織分配及使用模式走向了虛擬化，促使信息服務(wù)走向了規(guī)?；⒓s化和專(zhuān)業(yè)化。云計(jì)算因其具有靈活、低成本、綠色節(jié)能、動(dòng)態(tài)可伸縮的IT基礎(chǔ)架構(gòu)，成為實(shí)現(xiàn)信息服務(wù)規(guī)?；⒓s化和專(zhuān)業(yè)化的主要技術(shù)途徑之一，云計(jì)算也因此成為當(dāng)今企業(yè)界、學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。

“云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的大眾參與的計(jì)算模式，其計(jì)算資源包括計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、交互能力等等，都是動(dòng)態(tài)的，被虛擬化了的，而且是以服務(wù)的方式提供”，將有益于信息服務(wù)規(guī)模化、集約化和專(zhuān)業(yè)化的云計(jì)算平臺(tái)應(yīng)用到作為信息資源重要載體的數(shù)字圖書(shū)館，無(wú)疑會(huì)為數(shù)字圖書(shū)館信息服務(wù)帶來(lái)革命性的轉(zhuǎn)變，有力提升信息互動(dòng)和知識(shí)融合及創(chuàng)新能力。2009年，我們以“數(shù)字圖書(shū)館云計(jì)算應(yīng)用研究”為題，致力于云計(jì)算在數(shù)字圖書(shū)館信息服務(wù)建設(shè)中的應(yīng)用研究，搭建支持個(gè)性化、學(xué)科化服務(wù)的高效、節(jié)能減排、綠色的云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)，提供簡(jiǎn)單、靈活、多樣的信息服務(wù)布署與遷移能力。本文將從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等方面介紹中國(guó)科學(xué)院國(guó)家科學(xué)圖書(shū)館（以下簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)科圖）云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)的構(gòu)建過(guò)程。

2 國(guó)科圖云服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

隨著國(guó)科圖知識(shí)化、學(xué)科化服務(wù)的深入推進(jìn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息環(huán)境的依賴(lài)越來(lái)越大，依托網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為課題組提供綜合信息服務(wù)的需求也越來(lái)越多，伴隨綜合信息服務(wù)所出現(xiàn)的相對(duì)應(yīng)的軟、硬件支撐需求也越來(lái)越龐大。在這種情況下，提供有針對(duì)性、虛擬、可快速部署的服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)將是很好的選擇和解決方案。國(guó)科圖的解決方案就是搭建數(shù)字圖書(shū)館云服務(wù)平臺(tái)，旨在解決以下兩個(gè)問(wèn)題。

·有效防止服務(wù)器蔓延。通過(guò)虛擬技術(shù)將類(lèi)似的應(yīng)用服務(wù)器整合到相對(duì)集中的資源池中，提高應(yīng)用穩(wěn)定性的同時(shí)提高計(jì)算資源的利用效率。網(wǎng)絡(luò)管理人員可以通過(guò)可視化監(jiān)控界面動(dòng)態(tài)配置、調(diào)整調(diào)度服務(wù)器及存儲(chǔ)設(shè)備，有效整合現(xiàn)有計(jì)算資源，逐步形成減排、綠色節(jié)能的網(wǎng)絡(luò)資源中心。

·加速個(gè)性化信息服務(wù)布署能力。通過(guò)通用服務(wù)應(yīng)用映像模板，用戶(hù)可以簡(jiǎn)單、靈活地創(chuàng)建具有基礎(chǔ)應(yīng)用軟件的虛擬服務(wù)器，減少傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)及相關(guān)應(yīng)用軟件的安裝配置時(shí)間，使信息服務(wù)人員更專(zhuān)注于個(gè)性化的業(yè)務(wù)創(chuàng)新建設(shè)和服務(wù)發(fā)布，形成快速、簡(jiǎn)單靈活、多樣的信息發(fā)布與服務(wù)能力。

2.2 整體架構(gòu)

依據(jù)上述目標(biāo)，國(guó)科圖云服務(wù)平臺(tái)由資源管理子系統(tǒng)和服務(wù)門(mén)戶(hù)子系統(tǒng)兩部分組成。資源管理子系統(tǒng)部署在所有云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)環(huán)境中的物理設(shè)備上，是管理和控制網(wǎng)絡(luò)計(jì)算資源的系統(tǒng)，對(duì)信息服務(wù)人員（終端用戶(hù)）不可見(jiàn)，網(wǎng)絡(luò)管理人員通過(guò)它動(dòng)態(tài)整合計(jì)算資源，包括服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備，具有集中式多節(jié)點(diǎn)管理、多服務(wù)器資源共享以及實(shí)時(shí)遷移等多種強(qiáng)大的功能。服務(wù)門(mén)戶(hù)子系統(tǒng)部署在與資源管理子系統(tǒng)同一網(wǎng)段上的物理服務(wù)器或虛擬服務(wù)器上，是為信息服務(wù)人員提供的簡(jiǎn)單、個(gè)性化、虛擬化的信息服務(wù)器管理門(mén)戶(hù)，其功能包括虛擬服務(wù)器的創(chuàng)建、運(yùn)行、卸載等整個(gè)生命周期過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)。整體架構(gòu)如圖1所示。

2.3 技術(shù)思路

以虛擬技術(shù)（XENServer）作為整個(gè)云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)的基礎(chǔ)構(gòu)架和支撐，通過(guò)XENServer軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)物理設(shè)備資源的規(guī)?；刂坪驼?；通過(guò)XENCenter軟件實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、動(dòng)態(tài)調(diào)配物理設(shè)備資源、存儲(chǔ)設(shè)備資源和虛擬設(shè)備資源，形成對(duì)計(jì)算資源的規(guī)?；图s化管理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)虛機(jī)實(shí)時(shí)遷移等高可用性應(yīng)用；通過(guò)Eclipse集成開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單的面向信息服務(wù)人員的虛擬服務(wù)器管理門(mén)戶(hù)平臺(tái)，結(jié)合XENServer API和Tomcat信息服務(wù)器為信息服務(wù)人員提供專(zhuān)業(yè)化的虛擬服務(wù)器使用界面，形成簡(jiǎn)單、靈活、多樣的信息服務(wù)布署與遷移能力；通過(guò)postgresDB[1]數(shù)據(jù)庫(kù)保存并同步云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)環(huán)境中資源層和應(yīng)用門(mén)戶(hù)層之間的虛擬設(shè)備使用狀態(tài)參數(shù)。云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)的技術(shù)構(gòu)架如圖2所示。

3 XENServer虛擬技術(shù)

虛擬技術(shù)是整個(gè)云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)基礎(chǔ)構(gòu)架技術(shù)。目前，典型的虛擬機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)有 Critrix XENServer[2，3]、VMware ESXServer[4]、Microsoft Hyper-V[2]等。相較其他兩種，Citrix XENServer具有更好的安全性、兼容性和開(kāi)源性。

Citrix XENServer是在XEN開(kāi)源系統(tǒng)管理程序基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，支持裸金屬硬件虛擬化架構(gòu)，使用半虛擬化和硬件加速組合技術(shù)，保證虛擬機(jī)的高性能和更簡(jiǎn)單的瘦虛擬機(jī)管理。使用特權(quán)域管理設(shè)備驅(qū)動(dòng)，具有較好的兼容性、安全性和穩(wěn)定性，特權(quán)域是XENServer系統(tǒng)的一部分，無(wú)需單獨(dú)安裝，運(yùn)行在虛擬機(jī)管理程序之上，是固化好的Linux實(shí)例。XENServer支持包括 Windows、Linux等在內(nèi)的操作系統(tǒng)。目前，除“Citrix Essentials for XENServer”外，都是免費(fèi)的，包括動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)遷移、智能服務(wù)器維護(hù)、共享虛擬機(jī)臨時(shí)庫(kù)等。

圖2 國(guó)科圖云服務(wù)平臺(tái)技術(shù)構(gòu)架

4 國(guó)科圖云服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

4.1 資源管理子系統(tǒng)

國(guó)科圖云服務(wù)平臺(tái)的資源管理子系統(tǒng)是提高計(jì)算資源利用率的關(guān)鍵，負(fù)責(zé)整個(gè)虛擬環(huán)境中的硬件和虛擬硬件的生命周期管理及資源使用情況的監(jiān)控處理，如服務(wù)器開(kāi)關(guān)機(jī)及動(dòng)態(tài)遷移、存儲(chǔ)空間的使用率和服務(wù)器處理器及內(nèi)存的使用率等，是整個(gè)國(guó)科圖云服務(wù)平臺(tái)的基礎(chǔ)平臺(tái)。資源管理子系統(tǒng)由免費(fèi)的XENServer軟件、服務(wù)器及存儲(chǔ)設(shè)備等計(jì)算資源硬件構(gòu)成，其中XENServer將物理服務(wù)器配置成可虛擬化的資源，通過(guò)XENCenter整合已安裝配置XENServer的物理服務(wù)器形成可伸縮的虛擬化環(huán)境。服務(wù)門(mén)戶(hù)子系統(tǒng)通過(guò)XENServer API的XE CLI(command line interface）實(shí)現(xiàn)對(duì)該基礎(chǔ)構(gòu)架平臺(tái)的控制和簡(jiǎn)單管理。技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

（1）XENServer服務(wù)器的主要安裝配置過(guò)程

·XENServer要求安裝在64位X86服務(wù)器上（因?yàn)椋?2位服務(wù)器不支持64位的虛擬機(jī)），并且不支持多系統(tǒng)和多系統(tǒng)引導(dǎo)，不能再安裝運(yùn)行其他應(yīng)用程序，有需要的話，原服務(wù)器上的數(shù)據(jù)和資料要注意另行妥善保存；

·下載刻錄XENServer安裝盤(pán)，重啟服務(wù)器，并按提示開(kāi)始安裝；

·配靜態(tài)IP地址，因?yàn)楹笃谫Y源池不支持DHCP動(dòng)態(tài)IP；

·如果在后面的資源池中只托管Windows虛擬機(jī)，那么在提示放入第二張CD（FREE_XENServer-5.5.0-linux-cd.iso）時(shí)，可以選擇“NO”跳過(guò)；

·Root Passwd要記住，后期連接X(jué)ENServer host時(shí)要用到；

·NTP Server可配置為默認(rèn)的“pool.ntp.org”，設(shè)備之間的時(shí)間同步很重要；

完成安裝并重啟服務(wù)器，重啟后，該服務(wù)器資源情況可使用“xsconsole”命令進(jìn)入系統(tǒng)配置接口，也可以使用安裝在其他服務(wù)器上的XENCenter管理器，通過(guò)“xsconsole”命令進(jìn)入。

（2）XENCenter管理器的安裝配置過(guò)程

·XENCenter安裝要求有.NET framework version2.0 or above支持；

·安裝前，確認(rèn)沒(méi)有老版本的 XENCenter，否則要在“添加/刪除程序”中卸載；

·點(diǎn)擊“XenCenter.msi”開(kāi)始安裝，安裝過(guò)程中要注意XENCenter的安裝路徑，推薦修改為“C:CitrixXenCenter”，以確保后期調(diào)用XENServer API時(shí)不會(huì)出現(xiàn)路徑指向問(wèn)題；

（3）通過(guò)XENCenter管理器整合物理資源、管理虛擬資源

安裝XENCenter后，需要連接X(jué)ENServer服務(wù)器，形成完整的虛擬環(huán)境。為充分利用虛擬平臺(tái)的動(dòng)態(tài)資源調(diào)度特性，要注意以下幾點(diǎn)：

·創(chuàng)建資源池，所有XENServer主機(jī)需要有靜態(tài)地址，

其中一臺(tái)為資源池的管理機(jī)，其他物理主機(jī)作為普通服務(wù)器加入，所有主機(jī)的管理員和密碼最好相同；

·創(chuàng)建資源池級(jí)的存儲(chǔ)庫(kù)，在創(chuàng)建基于NFS VHD存儲(chǔ)庫(kù)的 “New Storage Repository”窗口中，注意”Share Name:”的填寫(xiě)格式，原提示不準(zhǔn)確，正確的格式為“:/”，NFS服務(wù)器要提前配置好。

4.2 服務(wù)門(mén)戶(hù)子系統(tǒng)

國(guó)科圖云服務(wù)平臺(tái)的服務(wù)門(mén)戶(hù)子系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的虛擬應(yīng)用映像和虛擬服務(wù)器的管理門(mén)戶(hù)。通過(guò)它信息服務(wù)人員可以簡(jiǎn)單、靈活地完成個(gè)性化的虛擬服務(wù)器創(chuàng)建和快速部署。主要功能包括信息服務(wù)人員的認(rèn)證管理、虛擬服務(wù)器管理、虛擬應(yīng)用映像模板管理、地址管理和虛擬環(huán)境的監(jiān)控等。

4.2.1 開(kāi)源開(kāi)發(fā)環(huán)境及實(shí)現(xiàn)工具

開(kāi)源技術(shù)由于其自身開(kāi)放性和免費(fèi)等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)應(yīng)用實(shí)例越來(lái)越多，在開(kāi)發(fā)服務(wù)門(mén)戶(hù)子系統(tǒng)時(shí)也廣泛采用開(kāi)源技術(shù)，同時(shí)考慮到系統(tǒng)擴(kuò)展可能遇到的跨平臺(tái)和可移植性問(wèn)題。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境和工具使用如下組合：開(kāi)發(fā)語(yǔ)言使用Jsp腳本，開(kāi)發(fā)環(huán)境是Eclipse6.0，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件采用的是PostgreDB，信息服務(wù)器發(fā)布平臺(tái)是Tomcat5.5。目前的系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境是Windows Server 2003操作系統(tǒng)。

4.2.2 關(guān)鍵技術(shù)接口實(shí)現(xiàn)

（1）數(shù)據(jù)庫(kù)接口

國(guó)科圖云服務(wù)平臺(tái)開(kāi)發(fā)使用通用的異構(gòu)跨平臺(tái)技術(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)接口方式是JDBC[5]。JDBC是實(shí)現(xiàn)Java應(yīng)用與各種不同數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)話的方式或一種機(jī)制，使用JDBC可以很容易地把SQL語(yǔ)句傳送到任何關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中。換言之，用戶(hù)不需要為每一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)單獨(dú)寫(xiě)一個(gè)程序。JDBC允許開(kāi)發(fā)者利用 Java平臺(tái)的”Write once，run anywhere”這一特性，開(kāi)發(fā)者甚至可以在不同環(huán)境下連接各種不同的數(shù)據(jù)庫(kù)。國(guó)科圖云服務(wù)平臺(tái)使用的是連接開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)PostgresDB的JDBC接口，具體配置略有不同。

關(guān)鍵代碼如下：

（2）遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)配置接口

遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)配置接口是在系統(tǒng)中通過(guò)簡(jiǎn)單配置直接在遠(yuǎn)端完成目標(biāo)服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)配置修改功能。國(guó)科圖云服務(wù)平臺(tái)通過(guò)該接口主要完成對(duì)虛擬服務(wù)器創(chuàng)建后的網(wǎng)絡(luò)配置任務(wù)。這里我們主要用到PsExec[6]和Netsh[7]兩個(gè)配置工具。

PsExec是一個(gè)輕型的 Telnet替代工具，它使您無(wú)需手動(dòng)安裝客戶(hù)端軟件即可執(zhí)行其他系統(tǒng)上的進(jìn)程，并且可以獲得與控制臺(tái)應(yīng)用程序相當(dāng)?shù)耐耆换バ?。?guó)科圖云服務(wù)平臺(tái)通過(guò)PsExec將封裝好的Netsh網(wǎng)絡(luò)配置文件上傳到遠(yuǎn)端虛擬服務(wù)器并執(zhí)行它，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)配置。

關(guān)鍵代碼如下：

注意事項(xiàng)：

·某些反病毒掃描程序會(huì)報(bào)告其中的一個(gè)或多個(gè)工具感染了“遠(yuǎn)程管理”病毒。這些 PsTools都不帶病毒，但是如果病毒使用了這些工具，則它們可能觸發(fā)病毒通知。

· PsExec 可在 Windows Vista、NT 4.0、Windows 2000、Windows XP和Server 2003（包括 64位版本的Windows）上運(yùn)行。

Netsh 是 Windows 2000、Windows XP、Windows Server 2003操作系統(tǒng)自身提供的命令行腳本實(shí)用工具，它允許用戶(hù)在本地或遠(yuǎn)程顯示或修改當(dāng)前正在運(yùn)行的計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)配置。為了存檔、備份或配置其他服務(wù)器，Netsh也可以將配置腳本保存在文本文件中。通過(guò)Netsh命令對(duì)服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置進(jìn)行備份，簡(jiǎn)單、方便且快速、有效，無(wú)需其他軟件輔助。

關(guān)鍵代碼如下：

遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)配置接口注意事項(xiàng)：

PsTools工具對(duì)于中文識(shí)別有問(wèn)題，address name一般都為“本地連接”。如果通過(guò)PsExec執(zhí)行遠(yuǎn)程的cmd命令，那將無(wú)法正確執(zhí)行Netsh的命令，除非address name的值是英文的。所以，國(guó)科圖云服務(wù)平臺(tái)的所有映像模板的網(wǎng)絡(luò)連接名稱(chēng)都改為“l(fā)ocal”。

（3）XENServer的 API

國(guó)科圖云服務(wù)平臺(tái)通過(guò)XENServer的API將服務(wù)門(mén)戶(hù)子系統(tǒng)和資源管理子系統(tǒng)無(wú)縫連接起來(lái)，結(jié)合Runtime.getRuntime().exec方法執(zhí)行接口命令，屏蔽復(fù)雜的服務(wù)器資源管理，提供簡(jiǎn)單靈活的應(yīng)用布署能力。

關(guān)鍵代碼如下：

虛擬服務(wù)器生命周期相關(guān)的XENServer API命令：

計(jì)算資源監(jiān)控相關(guān)的XENServer API命令 （資源緊張時(shí)，門(mén)戶(hù)平臺(tái)將彈出“無(wú)法創(chuàng)建新的虛擬服務(wù)器”的提示）：

（4）Tomcat信息服務(wù)器參數(shù)配置

為方便國(guó)科圖云服務(wù)平臺(tái)的布署、開(kāi)發(fā)、多語(yǔ)言支持和終端用戶(hù)使用，作如下參數(shù)改動(dòng)：修改Tomcat的默認(rèn)根目錄為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)目錄，端口號(hào)為80，添加對(duì)世界通用的語(yǔ)言編碼uft-8字符集的支持；所有參數(shù)修改都在Tomcat安裝目錄下面conf目錄下的server.xml配置文件中完成。

關(guān)鍵代碼如下（斜體部分為修改的部分）：

5 國(guó)科圖云服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)效果

國(guó)科圖云服務(wù)平臺(tái)已在測(cè)試運(yùn)行中，注冊(cè)用戶(hù)通過(guò)“選模板→創(chuàng)建服務(wù)器→啟動(dòng)服務(wù)器→服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)配置→完成（服務(wù)器重啟）”即可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)虛擬服務(wù)器的創(chuàng)建。通過(guò)關(guān)閉、重啟、Web遠(yuǎn)程桌面、FTP數(shù)據(jù)傳輸?shù)孺溄涌珊?jiǎn)單實(shí)現(xiàn)對(duì)所創(chuàng)建的虛擬服務(wù)器的多層次管理。虛擬服務(wù)器管理界面如圖4所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)科圖云服務(wù)平臺(tái)有效地整合了現(xiàn)有計(jì)算資源，提高了資源利用率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了信息服務(wù)布署與遷移的簡(jiǎn)單、靈活、多樣。系統(tǒng)基礎(chǔ)框架選擇的XENServer是一款較為成功的虛擬化基礎(chǔ)資源構(gòu)架平臺(tái)；個(gè)性化虛擬環(huán)境參數(shù)保存使用開(kāi)源的postgresDB數(shù)據(jù)庫(kù)，可以在一定程度上保證整個(gè)云服務(wù)平臺(tái)的穩(wěn)定；開(kāi)源技術(shù)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中的廣泛使用也將為進(jìn)一步的功能拓展打下良好的基礎(chǔ)。

筆者通過(guò)一個(gè)實(shí)際的數(shù)字圖書(shū)館云服務(wù)平臺(tái)開(kāi)發(fā)過(guò)程，詳細(xì)介紹如何搭建此類(lèi)型服務(wù)平臺(tái)的思路和整體解決方案，希望能夠?yàn)榫哂邢嗤枨蟮耐刑峁┮欢ǖ膮⒖己徒梃b，有助于指導(dǎo)數(shù)字圖書(shū)館云計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域問(wèn)題的解決。后續(xù)工作是增加對(duì)Linux虛擬服務(wù)器的創(chuàng)建和管理的支持，拓展國(guó)科圖云服務(wù)平臺(tái)的適用性和靈活性。

1 Postgresql，http://www.postgresql.org，2010

2 Ian P，Keir F，Steven H，et al.XEN 3.0 and the Art of Virtualization，http://www.linuxsymposium.org/2005/linuxsymposium_procv2.pdf，2010

3 Technical and commercial comparison of Citrix XENServer and VMware，http://www.citrix.com/site/resources/dynamic/salesdocs/XS_vs_VMware_comparison.pdf，2010

4 VMware vSphere，http://www.vmware.com/products/esx，2010

5 Java SE Technologies，http://java.sun.com/javase/technologies/database，2010

6 PsExec，http://technet.microsoft.com/en-us/sysinternals/bb897553.aspx，2010

7 Using Netsh，http://www.microsoft.com/resources/documentation/windows/xp/all/proddocs/en-us/netsh.mspx，2010