某校圖書館信息中心虛擬化探討

張培賓

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 圖書館，河南 鄭州 450015）

某校圖書館信息中心虛擬化探討

張培賓

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 圖書館，河南 鄭州 450015）

針對(duì)目前該校圖書館存在的服務(wù)器故障、數(shù)字資源安全性、服務(wù)保障水平和管理難度等問(wèn)題，進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出了機(jī)房改造解決方案，并總結(jié)了采用新方案后可達(dá)到的預(yù)期目標(biāo)。

圖書館；服務(wù)器虛擬化；存儲(chǔ)虛擬化；Vmware

1.背景

圖書館作為學(xué)校的文獻(xiàn)信息資源中心、學(xué)習(xí)交流中心和知識(shí)傳播的重要基地，擁有豐富的圖書文獻(xiàn)資源和數(shù)字資源。該校圖書館的信息中心部門負(fù)責(zé)校園網(wǎng)的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行、管理和維護(hù)工作，利用現(xiàn)代化的教學(xué)手段為學(xué)校的教學(xué)和科研服務(wù)。

目前學(xué)校的新校區(qū)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)已經(jīng)基本完成，當(dāng)前主要任務(wù)是如何發(fā)揮機(jī)房服務(wù)器的最大作用，如何方便的管理配置服務(wù)器，如何處理圖書館海量的數(shù)字資源，以及如何安全合理高效的利用服務(wù)器資源。

目前圖書館信息中心存在的問(wèn)題有：

（1）基礎(chǔ)設(shè)施復(fù)雜，管理工作量大。目前有20余臺(tái)服務(wù)器和大量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

（2）單點(diǎn)故障多，服務(wù)保障水平較低。系統(tǒng)安全存在隱患，缺乏系統(tǒng)冗余和安全備份，如服務(wù)器宕機(jī)，當(dāng)前服務(wù)馬上終止，影響正常的教學(xué)和辦公活動(dòng)；部分服務(wù)器沒有提供數(shù)據(jù)備份功能，一旦硬件損壞或是受到惡意攻擊將會(huì)造成不可挽回的損失。

（3）軟硬件資源分配不合理。如DNS和DHCP服務(wù)負(fù)荷較輕，但仍占用一臺(tái)服務(wù)器；由于各院系部Web站點(diǎn)共用一臺(tái)服務(wù)器，導(dǎo)致負(fù)荷過(guò)大。由于圖書館對(duì)資源存儲(chǔ)容量要求很高，而目前只有一臺(tái)磁盤陣列，考慮到以后的需求和數(shù)據(jù)的安全備份與共享，應(yīng)依據(jù)實(shí)際情況增加存儲(chǔ)設(shè)備。

（4）應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，統(tǒng)一管理困難。目前的應(yīng)用主要有流量控制、防火墻、身份認(rèn)證、郵件服務(wù)、Web站點(diǎn)、SSL VPN等多種服務(wù)，這些服務(wù)分散在各個(gè)服務(wù)器上面。

（5）機(jī)房空間不足。當(dāng)實(shí)驗(yàn)或測(cè)試新業(yè)務(wù)時(shí)，缺乏硬件支持，無(wú)法搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

2.虛擬化技術(shù)

2.1 服務(wù)器虛擬化

服務(wù)器虛擬化（Server Virtualization）是指多個(gè)操作系統(tǒng)在同一時(shí)間一起運(yùn)行在同一臺(tái)主機(jī)上。通過(guò)這種技術(shù)，一臺(tái)機(jī)器可以支持像Linux、Windows、Unix等操作系統(tǒng)一起運(yùn)行，而不需要重啟機(jī)器以切換操作系統(tǒng)。簡(jiǎn)單地講，服務(wù)器虛擬化是將物理機(jī)器、操作系統(tǒng)及其應(yīng)用程序“打包”成為一個(gè)文件，稱之為Virtual Machine（VM）。虛擬化將提高服務(wù)器的利用率，減少系統(tǒng)管理的復(fù)雜度，促進(jìn)服務(wù)器的可用性，減少服務(wù)器的需求數(shù)量，節(jié)省投資和維護(hù)成本[1]。

2.2 存儲(chǔ)虛擬化

數(shù)據(jù)是數(shù)字圖書館的核心，它和各種應(yīng)用接口一起運(yùn)行在整個(gè)信息系統(tǒng)的底層，是圖書館各項(xiàng)業(yè)務(wù)正常運(yùn)行的基石， 為此要為它提供一個(gè)保證數(shù)據(jù)安全的環(huán)境。由于目前內(nèi)部存儲(chǔ)存在一些限制，如計(jì)算機(jī)機(jī)箱大小、操作系統(tǒng)支持硬盤數(shù)量、擴(kuò)充卡數(shù)量、無(wú)法適應(yīng)集群環(huán)境等問(wèn)題，需要采用存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)的來(lái)應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題。

虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，是指把多個(gè)物理上獨(dú)立存在的存儲(chǔ)體通過(guò)軟件或硬件的手段集中管理起來(lái)，形成一個(gè)邏輯上的虛擬存儲(chǔ)單元供主機(jī)訪問(wèn)[2]。從用戶角度看，使用存儲(chǔ)空間而不是使用物理存儲(chǔ)硬件，管理存儲(chǔ)空間而不是管理物理存儲(chǔ)部件。

2.2.1 三種主要的存儲(chǔ)虛擬化方法

要存儲(chǔ)海量的數(shù)字資源，需要結(jié)合實(shí)際情況，選擇合適的存儲(chǔ)方式。目前存儲(chǔ)虛擬化有三種技術(shù)[3]：

方法1：基于主機(jī)的虛擬存儲(chǔ)

基于主機(jī)的虛擬存儲(chǔ)依賴于代理或管理軟件，它們安裝在一個(gè)或多個(gè)主機(jī)上，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)虛擬化的控制和管理。由于控制軟件是運(yùn)行在主機(jī)上，這就會(huì)占用主機(jī)的處理時(shí)間。因此，這種方法的可擴(kuò)充性較差，實(shí)際運(yùn)行的性能不是很好?；谥鳈C(jī)的方法也有可能影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，因?yàn)橛锌赡軐?dǎo)致不經(jīng)意間越權(quán)訪問(wèn)到受保護(hù)的數(shù)據(jù)。這種方法要求在主機(jī)上安裝適當(dāng)?shù)目刂栖浖?，因此一個(gè)主機(jī)的故障可能影響整個(gè)SAN（Storage Area Network存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)）系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的完整性。軟件控制的存儲(chǔ)虛擬化還可能由于不同存儲(chǔ)廠商軟硬件的差異而帶來(lái)不必要的互操作性開銷，所以這種方法的靈活性也比較差。

但是，因?yàn)椴恍枰魏胃郊佑布?，基于主機(jī)的虛擬化方法最容易實(shí)現(xiàn)，其設(shè)備成本最低。使用這種方法的供應(yīng)商趨向于成為存儲(chǔ)管理領(lǐng)域的軟件廠商，而且目前已經(jīng)有成熟的軟件產(chǎn)品。這些軟件可以提供便于使用的圖形接口，方便地用于SAN的管理和虛擬化，在主機(jī)和小型SAN結(jié)構(gòu)中有著良好的負(fù)載平衡機(jī)制。從這個(gè)意義上看，基于主機(jī)的存儲(chǔ)虛擬化是一種性價(jià)比不錯(cuò)的方法。

方法2：基于存儲(chǔ)設(shè)備的虛擬化

基于存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)虛擬化方法依賴于提供相關(guān)功能的存儲(chǔ)模塊。如果沒有第三方的虛擬軟件，基于存儲(chǔ)的虛擬化，只能提供一種不完全的存儲(chǔ)虛擬化解決方案。對(duì)于包含多廠商存儲(chǔ)設(shè)備的SAN存儲(chǔ)系統(tǒng)，這種方法的運(yùn)行效果并不是很好，利用這種方法意味著最終將鎖定某一家單獨(dú)的存儲(chǔ)供應(yīng)商。

方法3：基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬存儲(chǔ)

基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬化方法是在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)虛擬化功能，是目前發(fā)展的方向?；诰W(wǎng)絡(luò)的虛擬化分為帶內(nèi)（in-band）虛擬和帶外（out-of-band）虛擬。帶內(nèi)虛擬是在應(yīng)用服務(wù)器和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通路內(nèi)部實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)，控制數(shù)據(jù)（Metadata）和需要存儲(chǔ)的實(shí)際數(shù)據(jù)在同一個(gè)數(shù)據(jù)通路內(nèi)傳遞。帶內(nèi)虛擬具有較高的安全性，黑客很難侵入存儲(chǔ)系統(tǒng)。但是，在服務(wù)器層面看，帶內(nèi)存儲(chǔ)會(huì)占用較多的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬來(lái)傳輸控制數(shù)據(jù)，因而容易在服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備之間產(chǎn)生性能瓶頸。帶外虛擬是在數(shù)據(jù)通路外的服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)的虛擬功能，也就是將控制數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)安排在不同的數(shù)據(jù)通路上傳輸。這種方式減少了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的流量，有助于提高系統(tǒng)性能，但是一般需要安裝專用軟件，也容易受到攻擊。

2.3 虛擬化軟件

2.3.1 服務(wù)器虛擬化軟件VMware Infrastructure 3

VMWARE公司的VMware Infrastructure 3就是一款比較成熟的服務(wù)器虛擬化軟件。VMware虛擬平臺(tái)作為獨(dú)立的一層系統(tǒng)軟件直接運(yùn)行在硬件平臺(tái)上，作為計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)和虛擬機(jī)操作系統(tǒng)的通信層，它完全獨(dú)立地響應(yīng)所有虛擬機(jī)操作系統(tǒng)對(duì)硬件資源的訪問(wèn)。在虛擬服務(wù)器上，可以安裝不同的虛擬操作系統(tǒng)，獨(dú)立運(yùn)行，互不干涉，就像單獨(dú)的物理服務(wù)器一樣。

VMware Infrastructure 3主要用于服務(wù)器端虛擬化，通過(guò)在一臺(tái)物理服務(wù)器上虛擬出多臺(tái)虛擬機(jī)來(lái)起到服務(wù)器整合和資源優(yōu)化等目的。VMware Infrastructure 3主要可被為兩部分：其一是VMM（虛擬化管理器）部分，VMware ESX 4，其二是用于整合和管理VMM的VMware vCenter。

· ESX Server

ESX Server直接構(gòu)建于硬件層之上，它將處理器、內(nèi)存、存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)和一些I/O設(shè)備資源抽象到多個(gè)虛擬機(jī)中，每個(gè)虛擬機(jī)再在這些抽象的資源上運(yùn)行自己不同的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，這些虛擬機(jī)之間相對(duì)獨(dú)立，各自擁有虛擬的CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)器、網(wǎng)卡等資源，互相不知道對(duì)方的存在，唯一的影響是硬件資源的分配上的爭(zhēng)用與協(xié)調(diào)問(wèn)題[4]。

· VMware vCenter

Virtual Center為IT環(huán)境提供了集中化管理、操作自動(dòng)化、資源優(yōu)化和高可靠性。這些功能使IT環(huán)境具有前所未有的可維護(hù)性和高可用性。VMware vCenter是用于VMware vSphere環(huán)境的管理程序，它作為管理節(jié)點(diǎn)來(lái)控制和整合屬于其域的vSphere主機(jī)，其既可以安裝物理機(jī)的操作系統(tǒng)上，也可以安裝在虛擬機(jī)的操作系統(tǒng)。

2.3.2 存儲(chǔ)虛擬化軟件VMware vStorage

VMware vStorage 是一套技術(shù)和接口，它采用虛擬化技術(shù)創(chuàng)建有效而靈活的存儲(chǔ)池，不僅可以簡(jiǎn)化虛擬機(jī)的存儲(chǔ)操作，還可以直接利用存儲(chǔ)基礎(chǔ)架構(gòu)的各項(xiàng)功能。vStorage 可降低為虛擬化應(yīng)用程序部署存儲(chǔ)資源的復(fù)雜性，并能簡(jiǎn)化常見的存儲(chǔ)操作。

3.方案

3.1 系統(tǒng)資源規(guī)劃

目前機(jī)房的服務(wù)器主要用途使用情況如下：提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)如DNS、NAT、DHCP；銳捷SAM收費(fèi)管理服務(wù)器；郵件服務(wù)器及郵件過(guò)濾系統(tǒng)；提供VOD點(diǎn)播和FTP文件下載的資源服務(wù)器；驅(qū)逐艦殺毒服務(wù)器、流量監(jiān)控服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)服務(wù)器；磁盤陣列；辦公自動(dòng)化系統(tǒng)等，共25臺(tái)服務(wù)器。服務(wù)器基本采用曙光天闊620R和DELL 2950等型號(hào)的老式服務(wù)器。

這里采用服務(wù)器虛擬化軟件，利用一臺(tái)HP DL380服務(wù)器，可以整合目前7臺(tái)老式服務(wù)器。

表2

3.2 虛擬環(huán)境拓?fù)鋱D。

在服務(wù)器HP DL380上創(chuàng)建虛擬機(jī)，在相應(yīng)虛擬機(jī)上安裝相應(yīng)的應(yīng)用軟件。如果應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)相同，可以使用虛擬機(jī)的克隆功能快速部署出一個(gè)新的系統(tǒng)平臺(tái)。圖1是服務(wù)器虛擬化的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2.1 數(shù)據(jù)安全性

在圖中考慮到了數(shù)據(jù)安全性，采用了雙機(jī)熱備，可以根據(jù)具體情況決定是否采用。如果一臺(tái)HP DL380服務(wù)器出現(xiàn)故障，VMware VMotion可以使正在運(yùn)行的整個(gè)虛擬機(jī)能夠瞬間從一臺(tái)服務(wù)器遷移到另一臺(tái)服務(wù)器上。

圖1

3.2.2 存儲(chǔ)需要

因?yàn)槟壳皥D書館對(duì)海量存儲(chǔ)要求很高，特別是各種期刊電子圖書數(shù)據(jù)庫(kù)、光盤資源庫(kù)、在線視頻講座等需要本地鏡像，所以要采用大規(guī)模的IP SAN網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)，同時(shí)虛擬機(jī)文件也可存放在磁盤陣列中。

3.2.3 安裝虛擬機(jī)

在HP DL380服務(wù)器上安裝7個(gè)虛擬機(jī)，提供相應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)。

3.3 要實(shí)現(xiàn)效果

通過(guò)對(duì)圖書館服務(wù)器進(jìn)行虛擬化，具體到本館館情可以實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo)：

（1）最大化服務(wù)器利用率并降低采購(gòu)數(shù)量。利用虛擬化技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)一管理維護(hù)，通過(guò)集中管理控制臺(tái)對(duì)多臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行集中管理，極大降低管理工作量。

（2）由于虛擬構(gòu)架可使虛擬機(jī)具有動(dòng)態(tài)可遷移性，可以進(jìn)行快速的維護(hù)和升級(jí)，不用擔(dān)心某臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)影響到整個(gè)應(yīng)用平臺(tái)。

（3）降低單點(diǎn)故障，提高服務(wù)保障水平。服務(wù)器合并后降低了所需要管理的物理服務(wù)器數(shù)目，減輕管理負(fù)擔(dān)。

（4）提高了服務(wù)器資源利用率，為實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建專用的服務(wù)器環(huán)境；可快速部署新的虛擬服務(wù)器，大量節(jié)約實(shí)驗(yàn)室成本和實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)。物理服務(wù)器虛擬分割成多個(gè)虛擬環(huán)境，為學(xué)生和其他科研人員提供專用的服務(wù)器環(huán)境。利用虛擬機(jī)技術(shù)大量節(jié)約了服務(wù)器環(huán)境部署時(shí)間，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)環(huán)境的準(zhǔn)備過(guò)程，最大程度地滿足科研及教學(xué)實(shí)踐對(duì)專用服務(wù)器環(huán)境的需求。

（5）只有選用安全且大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與保護(hù)方式，才能為整個(gè)數(shù)據(jù)中心提供完整的集中數(shù)據(jù)備份。采用虛擬化存儲(chǔ)后，用戶可方便地劃分、擴(kuò)展、縮小虛擬存儲(chǔ)空間，只需要簡(jiǎn)單地更改配置就可在線增加新的物理存儲(chǔ)設(shè)備。用戶將注意力集中在存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量和安全模式的需求上，而不必關(guān)心存儲(chǔ)系統(tǒng)的硬件容量、類型或者其他物理磁盤的特性，提高存儲(chǔ)資源的利用率，最大程度滿足用戶對(duì)存儲(chǔ)資源的空間需求。

（6）降低能源消耗。采用虛擬化技術(shù)，可以減少5臺(tái)服務(wù)器，每年僅電費(fèi)就能節(jié)約數(shù)萬(wàn)元。同時(shí)發(fā)機(jī)房發(fā)熱量減少，使空調(diào)負(fù)荷降低。

4.總結(jié)

通過(guò)服務(wù)器初步整合，我們將9臺(tái)服務(wù)器成功整合到6臺(tái)服務(wù)器、1套IP SAN設(shè)備里，明顯地提高了每個(gè)物理服務(wù)器及其CPU的資源利用率。同時(shí)采用雙機(jī)備援規(guī)則，不但減少了物理服務(wù)器的擴(kuò)充數(shù)量，大大地降低硬件成本，同時(shí)保證了圖書館業(yè)務(wù)的運(yùn)行穩(wěn)定。

虛擬化技術(shù)的應(yīng)用使得服務(wù)器的利用率提高了30～50%，服務(wù)器的性能得到充分發(fā)揮，并減少了物理服務(wù)器的數(shù)量，節(jié)省了設(shè)備經(jīng)費(fèi)。利用虛擬機(jī)的快照功能對(duì)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，可以快速修復(fù)系統(tǒng)故障，使應(yīng)用服務(wù)的穩(wěn)定性和質(zhì)量得到了保障。

[1] 湯小康.服務(wù)器虛擬化技術(shù)在校園網(wǎng)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2009，2.

[2] 李華子，等.數(shù)字圖書館中的數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)[J].情報(bào)科學(xué)，2006，5.

[3] 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)虛擬化的三種方法完全對(duì)比[EB/OL].http://tech.watchstor.com/tech-29514.htm，2010-05-25.

[4] 張巍.企業(yè)虛擬化實(shí)戰(zhàn)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

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