虛擬化技術(shù)在數(shù)字化校園建設(shè)中的研究與應(yīng)用

胡麗平

(江西財(cái)經(jīng)大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，江西 南昌 330013)

1.引言

隨著高校信息化建設(shè)的不斷發(fā)展，信息系統(tǒng)越來越多，由于操作系統(tǒng)版本不同、軟件開發(fā)平臺不同、應(yīng)用不同等因素，為了避免相互干擾，傳統(tǒng)解決方案是把同一應(yīng)用安裝在一臺或多臺物理服務(wù)器上，造成服務(wù)器數(shù)量直線上升，導(dǎo)致服務(wù)器利用率低、可管理性差、擴(kuò)容需要停機(jī)進(jìn)行造成應(yīng)用中斷、兼容性差、服務(wù)器和存儲的購置成本高，給服務(wù)器的運(yùn)維管理工作帶來巨大挑戰(zhàn)[1]。虛擬化建設(shè)模式可以避免傳統(tǒng)服務(wù)器采購和運(yùn)維管理模式的弊端，通過虛擬化軟件對服務(wù)器硬件資源進(jìn)行有效的整合，消除舊的“一臺服務(wù)器、一個(gè)應(yīng)用程序”模式，采用在每臺物理機(jī)上運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)的方式，同時(shí)通過統(tǒng)一的管理中心對多臺服務(wù)器的所有虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制和管理，充分實(shí)現(xiàn)服務(wù)器資源的任意劃分和調(diào)配，提高服務(wù)器硬件資源的利用率，大大地降低服務(wù)器的設(shè)備總投資成本和設(shè)備能耗。

2.虛擬機(jī)技術(shù)簡介

所謂虛擬機(jī)，顧名思義就是虛擬出來的計(jì)算機(jī)，利用虛擬機(jī)軟件可以在一臺實(shí)體計(jì)算機(jī)上虛擬出若干臺計(jì)算機(jī)，這些虛擬出來的計(jì)算機(jī)和真實(shí)的實(shí)體計(jì)算機(jī)幾乎完全一樣，每臺虛擬機(jī)可以運(yùn)行單獨(dú)的操作系統(tǒng)而互不干擾。虛擬化技術(shù)是指使用特定的程序?qū)τ?jì)算機(jī)資源進(jìn)行邏輯表示，使之不受物理運(yùn)行環(huán)境的限制，從而可以采用通用的方式查看、訪問及維護(hù)資源。虛擬化包括對處理器虛擬化、內(nèi)存虛擬化、I/O虛擬化和網(wǎng)絡(luò)虛擬化等[2]。

服務(wù)器虛擬化技術(shù)是一個(gè)抽象層，它將物理硬件與操作系統(tǒng)分開，從而提供更高的IT資源利用率和靈活性。它通過虛擬化層的實(shí)現(xiàn)使得在單一的物理服務(wù)器上可以獨(dú)立并行運(yùn)行多個(gè)虛擬服務(wù)器，虛擬服務(wù)器上可以安裝不同的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。虛擬化具有很多優(yōu)點(diǎn)，諸如分區(qū)、隔離和封裝，從而高效整合了服務(wù)器資源，提高了硬件資源利用率，降低了機(jī)房能耗、使用空間、硬件成本、環(huán)境成本及管理成本等，同時(shí)，服務(wù)器虛擬化部署也提高了數(shù)據(jù)中心的安全性、可用性和容災(zāi)能力。

3.數(shù)字化校園虛擬化部署方案

3.1 虛擬化平臺架構(gòu)

虛擬化應(yīng)用實(shí)現(xiàn)服務(wù)器資源整合和統(tǒng)一管理：綜合采用虛擬服務(wù)器和物理服務(wù)器部署方式分別滿足不同的校園信息化應(yīng)用系統(tǒng)部署需求（如：虛擬服務(wù)器集群模式部署數(shù)字化校園應(yīng)用系統(tǒng)；物理服務(wù)器集群模式部署數(shù)字化校園身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)庫等平臺），有效地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心硬件資源整合、提高硬件資源利用率、加快業(yè)務(wù)系統(tǒng)的部署并簡化了系統(tǒng)的管理；

在統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺上同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和存儲網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換和傳送，從而簡化服務(wù)器后端以及在SAN環(huán)境中等方面的布線，所有的服務(wù)器通過10GE/DCE/FCoE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上聯(lián)到冗余架構(gòu)的統(tǒng)一控制器系統(tǒng)和存儲系統(tǒng)，隨著學(xué)校業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的不斷擴(kuò)展，可以在同樣的管理單元里靈活地添加硬件服務(wù)器數(shù)量，可實(shí)現(xiàn)高度可擴(kuò)展的體系架構(gòu)；

通過單一控制臺，能夠全方位管理所有服務(wù)器的配置（系統(tǒng)身份、固件版本、網(wǎng)卡(NIC)設(shè)置、HBA設(shè)置和網(wǎng)絡(luò)配置文件等），無需為單個(gè)系統(tǒng)組件配備單獨(dú)的管理，從而不僅提高了數(shù)據(jù)中心的效率，而且在需要的時(shí)候，可以快速實(shí)現(xiàn)資源的擴(kuò)張；

通過對服務(wù)器屬性（UUID、MAC地址I/O接口類型等）進(jìn)行抽象，可以靈活地定義不同的邏輯服務(wù)器與物理服務(wù)器綁定，真正做到集成式“無狀態(tài)”計(jì)算，同時(shí)可以簡單地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在不同的服務(wù)器之間進(jìn)行遷移，可以靈活部署應(yīng)用和分配資源。虛擬化平臺架構(gòu)如圖1所示。

3.2 實(shí)體服務(wù)器到虛擬機(jī)的遷移

首先根據(jù)業(yè)務(wù)需求，收集數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的配置及資源利用率數(shù)據(jù)，分析采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行虛擬化前的整合評估與計(jì)算。目前硬件有：三臺I/O性能強(qiáng)大的DELL PowerEdge R910主機(jī)，每臺主機(jī)支持4路CPU（10核）高端服務(wù)器，128G內(nèi)存，2T硬盤容量，安裝了VMware ESX Server4.1.0的虛擬機(jī)操作系統(tǒng)；四臺基于VMFS的光纖存儲，每臺容量2T用于虛擬機(jī)的共享存儲；一臺4路CPU（6核），16G內(nèi)存的DELL服務(wù)器用作客戶管理機(jī)，操作系統(tǒng)為windows server2008并安裝了Virtual Center和vSphere Client用于管理虛擬機(jī)和客戶操作系統(tǒng)。

圖1 虛擬化平臺架構(gòu)

以江西財(cái)經(jīng)大學(xué)的選課系統(tǒng)為例，每個(gè)學(xué)期的一次大規(guī)模集中選課并發(fā)量非常大，為了處理大并發(fā)訪問，部署的WEB服務(wù)器就有將近10臺。為了協(xié)調(diào)好數(shù)據(jù)庫和統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)的處理能力，目前能做到1500人同時(shí)在線選課，能在短時(shí)間內(nèi)很好地完成選課任務(wù)。但是每學(xué)期選課只有一次，其余時(shí)間段基本閑置，造成服務(wù)器資源的極大浪費(fèi)。本文針對江西財(cái)經(jīng)大學(xué)選課系統(tǒng)，將WEB應(yīng)用從實(shí)體服務(wù)器遷移到虛擬機(jī)上。

此處使用最簡單的VMware vCenter Converter轉(zhuǎn)換工具來實(shí)現(xiàn)實(shí)體機(jī)到虛擬機(jī)的遷移[3]，VMware vCenter Converter可以執(zhí)行熱復(fù)制，在實(shí)體機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中進(jìn)行遷移，直接把實(shí)體機(jī)的磁盤區(qū)轉(zhuǎn)換成虛擬平臺中可開機(jī)的虛擬機(jī)，沒有其他中間環(huán)節(jié)，不會造成系統(tǒng)中斷。實(shí)體機(jī)的選課系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為：操作系統(tǒng)為Linux；數(shù)據(jù)庫為SQL Server2005；Java環(huán)境為JDK1.5.0；應(yīng)用服務(wù)器為apache2.0.54+resin3.1.3。利用轉(zhuǎn)換工具選擇好源系統(tǒng)、目標(biāo)系統(tǒng)、目標(biāo)虛擬機(jī)、目標(biāo)存儲位置、為虛擬機(jī)分配內(nèi)存、網(wǎng)卡等，硬件參數(shù)配置和實(shí)體機(jī)相同。將配置好的第一臺虛擬服務(wù)器轉(zhuǎn)換成模板，用于配置其他類似虛擬選課服務(wù)器。

4.基于虛擬機(jī)與實(shí)體機(jī)的性能對比分析

在本校122學(xué)期學(xué)生實(shí)際選課過程中，采用實(shí)體機(jī)和虛擬機(jī)混合模式，每臺選課服務(wù)器容量均設(shè)置為150人，分別取一臺虛擬機(jī)和一臺實(shí)體機(jī)，對其CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)占用帶寬等性能進(jìn)行對比，采樣時(shí)長間隔為5分鐘，分析結(jié)果如下列圖所示（其中172.31.5.74為虛擬機(jī)地址，210.35.207.178為實(shí)體機(jī)地址）：

圖2 CPU使用率對比圖

圖3 內(nèi)存使用率對比圖

圖4 網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)延時(shí)對比圖

圖5 網(wǎng)絡(luò)帶寬占用對比圖

通過對虛擬機(jī)和實(shí)體機(jī)的性能監(jiān)測對比分析圖，可以看出虛擬機(jī)的效果幾乎可以達(dá)到實(shí)體機(jī)的效果，虛擬機(jī)具有很強(qiáng)的替代性和推廣型。

5.總結(jié)與展望

服務(wù)器虛擬化部署可以將多臺物理服務(wù)器整合在一臺實(shí)體機(jī)上，提高機(jī)房現(xiàn)有硬件的利用率，降低能耗，節(jié)約硬件成本和管理成本。利用虛擬化平臺的高可用性解決方案，可以對服務(wù)器資源的使用情況進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控，當(dāng)資源不足時(shí)能進(jìn)行預(yù)警和動態(tài)調(diào)整?；谔摂M化技術(shù)的容災(zāi)備份方案，保障了數(shù)據(jù)的安全性和業(yè)務(wù)應(yīng)用的連續(xù)性。通過對江西財(cái)經(jīng)大學(xué)選課系統(tǒng)進(jìn)行虛擬化實(shí)踐驗(yàn)證了虛擬機(jī)性能上和實(shí)體機(jī)差異不大，說明Web應(yīng)用服務(wù)器從實(shí)體機(jī)向虛擬機(jī)遷移后可以保證服務(wù)質(zhì)量，為今后基于虛擬機(jī)技術(shù)構(gòu)建數(shù)字化校園服務(wù)平臺提供可參考的實(shí)踐依據(jù)。但最先進(jìn)的虛擬機(jī)技術(shù)至少也會給系統(tǒng)帶來5%左右的性能損失，且此結(jié)論尚不能推廣到統(tǒng)一身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)庫等平臺，所以物理機(jī)、虛擬機(jī)混合運(yùn)行模式將是未來應(yīng)用的主流。

[1]巫朝濱.虛擬化技術(shù)在圖書館信息化建設(shè)中的應(yīng)用探討[J].圖書情報(bào)工作，2010年增刊：261-263.

[2]丁佐杉，滿喜東，許新房.服務(wù)器虛擬化部署研究與分析[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2012(5)：43-44.

[3]吳志強(qiáng)，徐革，李寧.CALIS教參本地系統(tǒng)從實(shí)體服務(wù)器到虛擬機(jī)的遷移[J].現(xiàn)代圖書情報(bào)技術(shù)，2009(4)：75-78.