云計算環(huán)境下數(shù)字圖書館高性能虛擬化資源管理與調(diào)度策略

●陳 臣

（蘭州商學院 網(wǎng)絡中心，蘭州 730020）

1 引言

近年來，云計算技術(shù)已成為數(shù)字圖書館建設、運營、維護、擴展的核心技術(shù)，是云圖書館優(yōu)化IT基礎設施架構(gòu)和提高讀者云閱讀活動滿意度的基礎策略。在關(guān)系云圖書館讀者服務能力和市場競爭力的眾多因素中，云系統(tǒng)安全性、運行效率、能源損耗、可控性和總體擁有成本是構(gòu)成云圖書館可用性評估的主要內(nèi)容，而虛擬化則是關(guān)系云資源大規(guī)模整合、動態(tài)調(diào)度、彈性管理、性能優(yōu)化的支撐技術(shù)。

2 云圖書館虛擬化資源管理內(nèi)容與需求

2.1 云圖書館虛擬化資源管理內(nèi)容

虛擬化是云計算技術(shù)的核心組成部分，也是云圖書館服務平臺構(gòu)建與云服務活動開展的基礎。虛擬化技術(shù)通過對云系統(tǒng)中的操作系統(tǒng)、計算系統(tǒng)、存儲設備、網(wǎng)絡資源、應用軟件、硬件等要素實施虛擬化管理，為用戶提供一個通用的虛擬化資源邏輯訪問接口，從而隱藏系統(tǒng)屬性和應用操作之間的差異，實現(xiàn)了云資源高效、安全、統(tǒng)一、動態(tài)、經(jīng)濟、自動化的管理與調(diào)度。云虛擬化應用內(nèi)容涵蓋數(shù)字圖書館系統(tǒng)規(guī)劃、組織建設、運營維護、擴展升級的各個環(huán)節(jié)，主要分為服務器虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡虛擬化、應用虛擬化、平臺虛擬化和桌面虛擬化。

2.1.1 服務器虛擬化

服務器虛擬化是一種將底層物理設備與上層操作系統(tǒng)、軟件分離的去耦合技術(shù)。它將硬件、操作系統(tǒng)和應用程序統(tǒng)一裝入一個可遷移的虛擬機檔案文件中，利用虛擬化管理軟件將多個物理設備劃分為一個大的資源池統(tǒng)一管理，從而增強了不同物理設備之間的耦合性。

云圖書館可在單一物理服務器上同時運行多個虛擬機，在提高云資源利用率和降低能耗的前提下實現(xiàn)服務器的多用戶共享。此外，服務器虛擬化可根據(jù)云圖書館讀者群數(shù)量和閱讀內(nèi)容，對云資源實施彈性管理與靈活分配，實現(xiàn)了云服務器系統(tǒng)的快速部署、軟件發(fā)布和系統(tǒng)備份。同時，可根據(jù)云應用需求在不同服務器上實現(xiàn)虛擬機的直接遷移，確保虛擬化服務器具有較強的安全性、便捷性、可靠性和可擴展性。[1]

2.1.2 存儲虛擬化

云圖書館存儲虛擬化指利用虛擬化技術(shù)，將多個存儲設備或存儲系統(tǒng)虛擬化為一個大的存儲資源池統(tǒng)一管理，實現(xiàn)了存儲系統(tǒng)資源的邏輯映像與物理存儲設備管理分離。并在存儲資源管理上屏蔽了圖書館云存儲系統(tǒng)底層基礎架構(gòu)的復雜性，為圖書館系統(tǒng)管理員提供了云存儲系統(tǒng)全面、詳細、簡單、無縫的存儲虛擬化結(jié)構(gòu)邏輯視圖。管理員可根據(jù)用戶云存儲服務的內(nèi)容和性能要求，統(tǒng)一、按需、經(jīng)濟、可擴展地為用戶提供數(shù)據(jù)存儲功能服務，實現(xiàn)了云圖書館存儲系統(tǒng)功能的整合、更新、擴展和優(yōu)化。

2.1.3 網(wǎng)絡虛擬化

網(wǎng)絡虛擬化主要由網(wǎng)絡核心層虛擬化、網(wǎng)絡接入層虛擬化和虛擬機網(wǎng)絡交換組成。核心層網(wǎng)絡虛擬化是云圖書館數(shù)據(jù)中心核心網(wǎng)絡設備的虛擬化，其主要目標為提高網(wǎng)絡核心層交換系統(tǒng)的安全性、利用率、靈活性、可擴展性，為云系統(tǒng)資源的動態(tài)伸縮和靈活調(diào)度提供高效的核心層網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換支持。網(wǎng)絡接入層虛擬化技術(shù)確保數(shù)據(jù)中心接入層支持新的以太網(wǎng)技術(shù)，使用戶可以多種靈活的部署方式接入網(wǎng)絡。虛擬機網(wǎng)絡交換通過創(chuàng)建虛擬網(wǎng)絡交換機和對物理網(wǎng)卡實施虛擬化，在同一物理設備內(nèi)部為不同的虛擬機提供虛擬化數(shù)據(jù)流量交換和虛擬網(wǎng)卡數(shù)據(jù)傳輸功能。

網(wǎng)絡虛擬化通過對不同用戶和虛擬機邏輯上的隔離，使其虛擬設備數(shù)據(jù)傳輸具有相對獨立性和可監(jiān)控性，確保虛擬化網(wǎng)絡安全、可管、彈性、可擴展，為云圖書館虛擬化應用和云閱讀服務數(shù)據(jù)提供科學、安全、可控、經(jīng)濟的虛擬化數(shù)據(jù)傳輸服務。[2]

2.1.4 平臺與應用虛擬化

平臺虛擬化是為提高云圖書館管理和應用服務程序開發(fā)效率，由云圖書館管理員集成各種開發(fā)資源而虛擬出的一個面向開發(fā)人員的統(tǒng)一接口。云圖書館管理和應用服務程序開發(fā)者可根據(jù)管理和讀者云服務應用系統(tǒng)需求，在集成的虛擬平臺中開發(fā)各種管理和應用軟件并嵌入到云計算系統(tǒng)中，以提高云圖書館的管理效率和讀者云閱讀服務質(zhì)量。

應用虛擬化是把云應用對底層系統(tǒng)和硬件的依賴抽象出來，通過虛擬化技術(shù)屏蔽了底層可能與其他應用產(chǎn)生沖突的內(nèi)容，從而解除應用與操作系統(tǒng)和硬件的耦合關(guān)系，使云應用系統(tǒng)降低了對操作系統(tǒng)和硬件設備的依賴性，提高了應用系統(tǒng)在云計算環(huán)境中的獨立性、可移植性和可擴展性。

2.2 云圖書館虛擬化資源管理需求

2.2.1 虛擬機的可遷移性需求

圖書館讀者云閱讀活動具有突發(fā)性和云資源需求海量的特點，如果采取人工靜態(tài)的資源分配方式，則無法滿足圖書館云系統(tǒng)管理和開展云閱讀服務活動，對虛擬機創(chuàng)建與云資源分配的即時性需求。因此，虛擬機資源應根據(jù)云圖書館運營需求實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整和實時遷移。為了確保云系統(tǒng)高效管理和不間斷服務，要求虛擬機在遷移過程中不停機并保證云服務的連續(xù)性，安全、實時、快速、無縫地完成虛擬機在不同物理服務器間的遷移。加強對虛擬機遷移過程的監(jiān)控、管理，要求虛擬機在遷移過程中不應增加虛擬化網(wǎng)絡拓樸結(jié)構(gòu)的復雜度，以及降低云系統(tǒng)運營的效率與安全性。

2.2.2 虛擬化網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸高效性需求

云計算環(huán)境下，數(shù)字圖書館虛擬化網(wǎng)絡具有網(wǎng)絡拓樸結(jié)構(gòu)復雜、易變，虛擬化核心鏈路數(shù)據(jù)交換任務重，網(wǎng)絡內(nèi)部虛擬機分布不均衡且突發(fā)虛擬化數(shù)據(jù)流量大的特點。因此，科學規(guī)劃虛擬化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)并減少虛擬交換設備的數(shù)量以及有效均衡虛擬化核心鏈路數(shù)據(jù)傳輸壓力，是提高虛擬化網(wǎng)絡傳輸效率的關(guān)鍵。在正確規(guī)劃物理網(wǎng)絡設備（交換機、路由器、防火墻等）拓樸結(jié)構(gòu)的同時，應加強虛擬交換設備的創(chuàng)建、管理和安全界限劃分，實現(xiàn)虛擬化網(wǎng)絡設備與虛擬數(shù)據(jù)流量的有效監(jiān)控和可視化管理，不斷提高虛擬化網(wǎng)絡安全策略部署的科學性和有效性，確保虛擬化數(shù)據(jù)傳輸安全、高效、經(jīng)濟、可控。[3]

2.2.3 虛擬化資源調(diào)度的科學性需求

云閱讀應用服務是由圖書館云管理、云計算、云存儲、云網(wǎng)絡等多系統(tǒng)共同支持，通過對云資源的合理分配、調(diào)度而實現(xiàn)云服務系統(tǒng)效率最優(yōu)和低碳運營。

（1）云系統(tǒng)資源調(diào)度應根據(jù)讀者云閱讀服務活動的優(yōu)先級別、任務量、服務標準、云系統(tǒng)總效率而制定分配策略，確保調(diào)度策略具有較高的時效性和可執(zhí)行性，能夠在降低云資源消耗成本的前提下簡化資源調(diào)度復雜度。（2）圖書館云資源調(diào)度應符合相應的云計算標準，可確保云資源在不同系統(tǒng)、不同用戶、不同應用層面之間自由調(diào)度。（3）圖書館云數(shù)據(jù)中心虛擬資源管理應堅持統(tǒng)一部署、集中管理、按需調(diào)配、分布使用的原則，實現(xiàn)資源的智能自動化部署、管理、監(jiān)控和優(yōu)化。

2.2.4 實現(xiàn)虛擬化資源的細粒度管理需求

云圖書館虛擬化資源管理具有涉及內(nèi)容廣泛、過程復雜、低層物理設備差異性強、智能自動化要求高的特點。因此，在云計算復雜環(huán)境中實現(xiàn)虛擬化資源的細粒度管理，是大幅提高云圖書館系統(tǒng)資源使用效率和降低運營成本的關(guān)鍵。

（1）云圖書館虛擬化資源調(diào)度、管理中，要求虛擬化資源管理系統(tǒng)對服務器、存儲器、網(wǎng)絡設備、操作系統(tǒng)、中間件、應用程序的云資源有效實施監(jiān)控，并根據(jù)云虛擬化池資源總量和云系統(tǒng)應用資源需求，智能、自動化地進行云資源細粒度管理與分配。（2）在云虛擬化資源管理中，要求監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)所監(jiān)測到的云資源分配、使用和利用效率數(shù)據(jù)，對云資源管理、分配策略進行動態(tài)優(yōu)化。

2.2.5 保證資源管理過程的規(guī)范、連續(xù)性

圖書館云數(shù)據(jù)中心資源管理過程可分為資源發(fā)現(xiàn)、資源監(jiān)控、資源存儲和資源調(diào)度四部分。（1）要求資源管理系統(tǒng)能夠快速、自動地發(fā)現(xiàn)用戶所需要的虛擬資源，實現(xiàn)所發(fā)現(xiàn)虛擬資源與物理設備之間的邏輯關(guān)聯(lián)。資源監(jiān)控系統(tǒng)可自動監(jiān)測基礎硬件設施資源的狀態(tài)、 性能，以及資源實現(xiàn)虛擬化后的管理、分配狀況和效率。（2）資源監(jiān)控系統(tǒng)能夠自動監(jiān)測虛擬資源的狀態(tài)、 性能，及時將虛擬資源的創(chuàng)建、劃分、分配、釋放、回收信息傳輸?shù)椒治鱿到y(tǒng)，以提高資源的管理效率。（3）資源調(diào)度系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌馁Y源管理、調(diào)度策略進行評判，并依據(jù)所監(jiān)控的管理效率數(shù)據(jù)進行云資源調(diào)度系統(tǒng)的自我完善，實現(xiàn)資源調(diào)度策略的最優(yōu)化配置。[4]

3 云圖書館高性能虛擬化資源管理與調(diào)度策略

3.1 以讀者云服務業(yè)務為核心的虛擬資源管理與調(diào)度

圖書館讀者云服務業(yè)務開展的內(nèi)容、對象、有效性與經(jīng)濟性，是決定云虛擬化資源管理、調(diào)度模式、安全、效率與策略的主要因素。因此應確立以讀者云服務業(yè)務為核心的虛擬資源管理、調(diào)度策略，提高虛擬化應用的云資源保障水平。

（1）應提高云圖書館虛擬化資源管理系統(tǒng)對云計算、云存儲、云網(wǎng)絡資源的虛擬化協(xié)調(diào)管理水平，實現(xiàn)對云系統(tǒng)虛擬化資源的完全、絕對控制與調(diào)度，管理系統(tǒng)應具有較強的開放性。（2）虛擬化管理、調(diào)度系統(tǒng)接口符合云計算標準規(guī)范，可兼容不同廠家、不同性能、不同操作系統(tǒng)、不同程序語言環(huán)境為開展云閱讀服務業(yè)務，自動實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的任務部署和資源分配?？砷_展基于讀者云服務應用管理的質(zhì)量監(jiān)控和評估，自動、智能化地實現(xiàn)對虛擬資源管理與調(diào)度活動的優(yōu)化。（3）虛擬化管理、調(diào)度系統(tǒng)可根據(jù)讀者云服務業(yè)務的遷移，而實現(xiàn)安全策略的自動化遷移。能夠為每個虛擬化應用劃分相應的安全管理策略組，并依據(jù)安全需求對策略組進行即時調(diào)整和規(guī)劃、管理。虛擬化應用遷移后，及時根據(jù)遷移后虛擬化安全環(huán)境變化特點采取新的安全策略，并應用到新的虛擬化設備資源管理與調(diào)度活動中。[5]

3.2 加強虛擬化管理、調(diào)度平臺的功能性建設

云計算環(huán)境中，虛擬化資源具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、遷移性強、虛擬環(huán)境穩(wěn)定性差、管理過程可控性低的特點。因此在云圖書館虛擬化管理、調(diào)度平臺建設中，首先應堅持平臺管理與調(diào)度對象廣泛、過程簡單、服務交互、成本低廉的原則，重點加強管理與調(diào)度平臺的安全管理、資源管理、策略管理、監(jiān)控管理的水平建設，在平臺虛擬化資源管理過程中實現(xiàn)可視化、可控化管理。其次，由于虛擬機的動態(tài)遷移和網(wǎng)絡拓樸結(jié)構(gòu)具有不穩(wěn)定性，且系統(tǒng)與網(wǎng)絡邊界變得模糊、易變。為了提高管理、調(diào)度平臺對虛擬化資源的可控性，應提高平臺對虛擬化資源的整合與分解能力，根據(jù)云資源總量與用戶實際需求實現(xiàn)動態(tài)資源調(diào)配。第三，在虛擬化管理、調(diào)度平臺界面設計中，應提高管理界面的可視化、友好性設計水平。管理員可通過可視化界面，實現(xiàn)對所有物理服務器、虛擬機運行情況的即時監(jiān)控，實現(xiàn)對全部虛擬資源的管理、維護及部署等操作。最后，在虛擬化管理、調(diào)度平臺功能設計中，應確保管理與調(diào)度任務統(tǒng)一界面、統(tǒng)一部署、統(tǒng)一管理和統(tǒng)一維護，提高管理與調(diào)度工作的統(tǒng)一、協(xié)調(diào)性。

3.3 提高服務器虛擬化效率和靈活性

服務器虛擬化的主要內(nèi)容可分為對物理設備CPU、內(nèi)存及I/O接口實現(xiàn)虛擬化。提高云圖書館服務器虛擬化效率和靈活性，是實現(xiàn)虛擬機快速部署和科學配置，加強虛擬機遷移有效性、云資源動態(tài)分配、虛擬機負載均衡和云系統(tǒng)讀者服務保障力的關(guān)鍵。

云圖書館服務器虛擬化應用具有環(huán)境復雜、安全威脅多、虛擬化應用效率要求高、多用戶共享的特點。因此，服務器虛擬化應堅持面向用戶、面向服務、面向資源、面向應用的原則，提高虛擬化應用的有效性和可用性。（1）應根據(jù)服務器物理設備性能和虛擬機服務的任務特點，嚴格控制虛擬機創(chuàng)建的數(shù)量與規(guī)模，采用虛擬機邏輯隔離方法提高虛擬化應用的安全性和可靠性。（2）當多個虛擬機同時執(zhí)行多個云應用服務任務時，應堅持任務等級優(yōu)先和排隊的原則，確保虛擬化資源分配的公平性與合理性。（3）通過統(tǒng)一的虛擬機管理界面實現(xiàn)對位于同一物理機，或不同物理機上的多個虛擬機的可視化管理，管理內(nèi)容應包括虛擬機的動態(tài)實時生成、啟動、停止、遷移、調(diào)度、負荷、監(jiān)控，實現(xiàn)虛擬機的快速部署、更新、升級和負載均衡。

3.4 確保存儲虛擬化的安全性與可用性

安全、高效的數(shù)據(jù)存儲和管理，是圖書館開展讀者云閱讀服務活動的前提與基礎。（1）云圖書館在數(shù)據(jù)存儲中應將云存儲資源劃分為一個大的資源池統(tǒng)一管理，通過有效屏蔽異構(gòu)存儲系統(tǒng)之間的差異性，來簡化云存儲系統(tǒng)虛擬化資源的劃分、管理、分配、回收過程，并對存儲系統(tǒng)中的內(nèi)存、磁盤等設備采取邏輯隔離方式，保證多用戶環(huán)境下的數(shù)據(jù)存儲安全和具有較低的用戶訪問復雜性。（2）應根據(jù)云圖書館數(shù)據(jù)存取的安全、效率、成本和可用性需求，選取相應的虛擬化存儲方式，在確保數(shù)據(jù)安全性、可用性的前提下降低存儲成本，通過合理的協(xié)議和存儲模式實現(xiàn)云存儲系統(tǒng)的低碳運營。（3）在虛擬化存儲過程中，應將涉及云圖書館安全和讀者云閱讀關(guān)鍵服務的數(shù)據(jù)存儲到獨立的物理設備中，并執(zhí)行有效的安全監(jiān)控、防御策略，采取數(shù)據(jù)存儲加密和訪問身份認證的方式，確保數(shù)據(jù)虛擬化存儲具有較高的安全性與可用性。[6]

3.5 加強虛擬化網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸承載能力

云計算環(huán)境下，數(shù)字圖書館網(wǎng)絡拓樸結(jié)構(gòu)復雜多變，網(wǎng)絡內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸呈現(xiàn)橫向流量逐步減少，而縱向流量不斷增加并向云端匯集的趨勢。此外，由于讀者云個性化閱讀方式的不斷發(fā)展與變革，云圖書館數(shù)據(jù)傳輸也由傳統(tǒng)的小容量數(shù)字文本文件，轉(zhuǎn)變?yōu)橐砸曨l、語音等為主的海量多媒體文件，對網(wǎng)絡的帶寬和即時性傳輸要求高。

云圖書館虛擬化網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸承載能力，是云圖書館數(shù)據(jù)中心資源管理和虛擬機運營高效的保障（1）應提高虛擬網(wǎng)絡拓樸結(jié)構(gòu)的科學性和邏輯性水平可根據(jù)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸保障對象特點，利用虛擬化技術(shù)將數(shù)據(jù)中心物理網(wǎng)絡劃分為多個邏輯子網(wǎng)絡確保邏輯子網(wǎng)絡之間具有相對的獨立性和隔離性，保證數(shù)據(jù)傳輸和虛擬機遷移具有較高的安全性。（2）應構(gòu)建云圖書館大規(guī)模的二層交換網(wǎng)絡（主要為數(shù)據(jù)中心內(nèi)部、不同數(shù)據(jù)中心之間二層網(wǎng)絡），實現(xiàn)虛擬化環(huán)境中計算資源在二層網(wǎng)絡范圍內(nèi)的透明化傳輸與遷移，確保虛擬化網(wǎng)絡在廣泛的網(wǎng)絡環(huán)境中具有較高的計算資源傳輸能力，有效實現(xiàn)二層網(wǎng)絡數(shù)據(jù)互訪和云業(yè)務遷移。（3）實現(xiàn)云計算環(huán)境中虛擬化網(wǎng)絡的可視管理。隨著虛擬化網(wǎng)絡復雜性和不穩(wěn)定性增加，虛擬化網(wǎng)絡中虛擬機位置、虛擬數(shù)據(jù)傳輸路徑、虛擬機遷移過程、虛擬化網(wǎng)絡邊界變得更加模糊，云圖書館管理員無法通過可視化監(jiān)控進行網(wǎng)絡現(xiàn)狀分析和故障定位。因此，應通過虛擬化網(wǎng)絡資源視圖，明確物理服務器、虛擬機、虛擬交換機、虛擬網(wǎng)絡系統(tǒng)參數(shù)(端口數(shù)量、端口組、VLAN、物理網(wǎng)卡的地址綁定等)特性，實現(xiàn)虛擬化網(wǎng)絡的故障定位、系統(tǒng)優(yōu)化、策略調(diào)整和參數(shù)設置。

3.6 突出平臺虛擬化、應用虛擬化的有效性與可控性

平臺虛擬化有效性關(guān)系到在圖書館云管理、應用程序開發(fā)過程中，能否有效控制開發(fā)風險、提高開發(fā)效率和降低開發(fā)成本。因此，云圖書館應確保平臺虛擬化具有通用的系統(tǒng)與數(shù)據(jù)接口，能夠支持第三方開發(fā)工具和軟件在平臺上運行。各種開發(fā)軟件（服務）在接入到平臺之前，平臺能夠?qū)﹂_發(fā)軟件的安全性、合法性、可用性和易控性進行審查，并對開發(fā)平臺與云虛擬化環(huán)境的兼容性，以及用戶使用過程的經(jīng)濟性進行評估，確保具有較高的應用軟件開發(fā)安全性、高效性、經(jīng)濟性和可控性。最后，平臺在使用過程中，應根據(jù)用戶需求對平臺進行升級、完善，并通過有效的管理監(jiān)控來防范運營風險。

應用虛擬化的有效性與可控性，決定了云管理與應用系統(tǒng)的管理效率、云服務性能、讀者云閱讀活動滿意度和系統(tǒng)未來可擴展性。（1）應利用屏蔽底層異構(gòu)性技術(shù)來消除虛擬化應用與操作系統(tǒng)、硬件的耦合關(guān)系，確保任何云虛擬化應用服務程序可根據(jù)云虛擬化資源分配實際和用戶服務需求，運行在任意的虛擬化設備中。（2）應用虛擬化應具備良好的應用環(huán)境兼容性，能夠屏蔽底層設備和其他虛擬化應用產(chǎn)生的沖突，用戶可通過自定義方式來個性化選擇虛擬應用環(huán)境。（3）為了提高虛擬化應用的運營效率并降低運營成本，應用程序應選擇在盡量少的物理服務器上運行，以提高單一物理服務器的使用效率。對于關(guān)系到云圖書館安全和用戶服務質(zhì)量的應用，應堅持安全與用戶滿意第一的原則，為虛擬化應用分配單獨的物理服務器。（4）云圖書館必須即時監(jiān)控應用虛擬化的運營效率、安全穩(wěn)定性、關(guān)鍵業(yè)務用戶滿意度、云投資收益率，堅持應用虛擬化效率最優(yōu)和用戶滿意度相結(jié)合的原則，不斷提高云圖書館應用虛擬化服務的整體收益率。

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