云計(jì)算虛擬化架構(gòu)在三明學(xué)院數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

劉孫發(fā)，張武威

（三明學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，福建 三明 365004）

云計(jì)算虛擬化架構(gòu)在三明學(xué)院數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

劉孫發(fā)，張武威

（三明學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，福建 三明 365004）

數(shù)據(jù)中心是地方本科院校數(shù)字化校園建設(shè)的核心。通過對三明學(xué)院數(shù)據(jù)中心現(xiàn)狀的分析，提出了利用云計(jì)算虛擬化來架構(gòu)數(shù)據(jù)中心的方案，重點(diǎn)是應(yīng)用VMware vSphere對三明學(xué)院數(shù)據(jù)中心進(jìn)行虛擬化架構(gòu)部署與實(shí)施，實(shí)踐表明：數(shù)據(jù)中心利用云計(jì)算底層核心的虛擬化架構(gòu)，有利于節(jié)約資金成本，提高服務(wù)器資源的空間利用率；同時(shí)也便于應(yīng)用系統(tǒng)的部署與管理，提高了應(yīng)用服務(wù)和資源運(yùn)行的可靠性、安全性和穩(wěn)定性。

云計(jì)算；虛擬化架構(gòu)；數(shù)據(jù)中心

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，國內(nèi)外各大廠商陸續(xù)推出采用云計(jì)算虛擬化架構(gòu)建設(shè)數(shù)據(jù)中心解決方案，其中應(yīng)用比較廣泛的有VMware vSphere、Google App engine、Microsoft Azure、Amazon EC2、IBM Blue Cloud[1]。這些廠商推出的虛擬化架構(gòu)解決方案都集中于解決減少數(shù)據(jù)中心的資金投入、提高硬件資源的利用率、提供便攜的維護(hù)與管理、提高應(yīng)用服務(wù)和資源的可靠性。近年來，隨著高校數(shù)字化的不斷發(fā)展，地方本科院校數(shù)據(jù)中心對可提供的服務(wù)要求越來越多，各種軟硬件需求不斷增加，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心模式在資金投入、場地環(huán)境需求、硬件資源利用率、部署管理、服務(wù)的可靠性上都突顯出不同程度的困難。云計(jì)算在解決各大IT業(yè)巨頭數(shù)據(jù)中心難題的同時(shí)，也被運(yùn)用到了高校的數(shù)據(jù)中心建設(shè)中。通過對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行虛擬化架構(gòu)的部署與實(shí)施，節(jié)省了資金投入、節(jié)約了機(jī)房空間、提高服務(wù)器資源的利用率、便于了部署與管理、提高應(yīng)用服務(wù)和資源的可靠性。我國教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》明確提出，要求利用先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的信息技術(shù)，整合資源，構(gòu)建先進(jìn)、高效、實(shí)用的高等教育信息基礎(chǔ)設(shè)施[2]。云計(jì)算的虛擬化架構(gòu)為教育信息化建設(shè)開拓了新思路。

1 三明學(xué)院數(shù)據(jù)中心的現(xiàn)狀

三明學(xué)院校園網(wǎng)數(shù)據(jù)中心建于2001年，于2008年進(jìn)行了機(jī)房搬遷，配有不間斷供電系統(tǒng)、機(jī)房精密空調(diào)系統(tǒng)、場地環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、綜合布線系統(tǒng)，服務(wù)器30多臺，現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)有：OA系統(tǒng)、郵件系統(tǒng)、教務(wù)系統(tǒng)、一卡通系統(tǒng)、網(wǎng)站群系統(tǒng)、財(cái)務(wù)系統(tǒng)、科研管理系統(tǒng)、視頻點(diǎn)播系統(tǒng)、精品課程系統(tǒng)、用戶上網(wǎng)認(rèn)證系統(tǒng)、用戶上網(wǎng)日志系統(tǒng)、綜合檔案管理系統(tǒng)等，為用戶提供的服務(wù)有：WWW、FTP、EMAIL、VPN、VPDN、VOD、DNS、DHCP等。三明學(xué)院數(shù)據(jù)中心虛擬化前的服務(wù)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。此傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在的問題：資金的需求量大，場地環(huán)境因素已經(jīng)飽和；資源利用率低，平均利用率為10%-15%[3]；部署與管理難，擴(kuò)展性差；穩(wěn)定運(yùn)行安全性差等。

圖1 三明學(xué)院數(shù)據(jù)中心虛擬化前的服務(wù)器拓?fù)鋱D

2 云計(jì)算及其核心技術(shù)虛擬化

2.1 云計(jì)算的概述

自2006年由Google首席執(zhí)行官埃里克·施密特在搜索引擎大會（SES）首次提出“云計(jì)算”的概念后，由于其具有超大規(guī)模、虛擬化、高可靠性、通用性、高可擴(kuò)展性、按需服務(wù)和極其廉價(jià)等特點(diǎn)，云計(jì)算被社會各界廣泛運(yùn)用，成為繼1980年代大型計(jì)算機(jī)到客戶端-服務(wù)器的大轉(zhuǎn)變之后的又一種巨變。但是，有關(guān)云計(jì)算的概念，目前為止還沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義。其中，最廣為接受的是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）定義：云計(jì)算是一種按使用量付費(fèi)的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問，進(jìn)入可配置的計(jì)算資源共享池（資源包括網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器，存儲，應(yīng)用軟件，服務(wù)），這些資源能夠被快速提供，只需投入很少的管理工作，或與服務(wù)供應(yīng)商進(jìn)行很少的交互[4]。這樣的云計(jì)算模式不僅提高了資源的利用率，而且還具有“按需自助服務(wù)、無所不在的網(wǎng)絡(luò)訪問、快速彈性能力、可計(jì)量的服務(wù)、共享的資源池”等基本特性和“軟件即服務(wù)、平臺即服務(wù)、基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)”等交付方式，以及具有“私有云、社區(qū)云、公有云、混合云”等4種部署模式[5]。

2.2 云計(jì)算的虛擬化技術(shù)

“云計(jì)算，是將大量計(jì)算機(jī)、服務(wù)器和交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成一個(gè)動態(tài)的資源池來統(tǒng)一進(jìn)行管理，用戶可根據(jù)自己的需求從資源池中動態(tài)索取所需的服務(wù)；該資源池通過虛擬化技術(shù)為用戶提供服務(wù)，軟件和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)都是在云中運(yùn)行或存儲的，用戶不需要擁有硬件基礎(chǔ)設(shè)施?！盵6]因而，虛擬化是云計(jì)算基礎(chǔ)平臺的核心部分[7]。

虛擬化技術(shù)，即是將硬件資源和操作平臺虛擬化，通過高性能服務(wù)器虛擬出多個(gè)虛擬機(jī)，每臺虛擬機(jī)有自己的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，可以在同一臺物理機(jī)上實(shí)現(xiàn)不同操作系統(tǒng)和多個(gè)應(yīng)用程序的運(yùn)行。虛擬化的核心技術(shù)有：（1）VMotion在線遷移技術(shù)以使虛擬機(jī)在正常運(yùn)行狀態(tài)下從一臺物理服務(wù)器移動到另一臺物服務(wù)器，而服務(wù)不中斷。（2）VMware DRS（distributed resource scheduler）分布式資源調(diào)度，基于自定義規(guī)則的智能跨資源池動態(tài)調(diào)整計(jì)算資源。（3）VMware HA（high availability）高可用性，當(dāng)有一服務(wù)器發(fā)生故障時(shí)，自動啟動新的虛擬機(jī)。虛擬化架構(gòu)數(shù)據(jù)中心利用這些核心技術(shù)使資源利用率提高，部署管理便捷，應(yīng)用服務(wù)和資源的可靠性提高。

3 虛擬化架構(gòu)在地方本科院校數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)與實(shí)施

3.1 虛擬化架構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)

利用VMware vSphere云計(jì)算操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)架構(gòu)中的服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)等全面虛擬化，將數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)變?yōu)樵朴?jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)的虛擬化管理模式，改變了數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)模式下的服務(wù)器與應(yīng)用服務(wù)“一對一”或“一對多”不合理部署，使數(shù)據(jù)中心的資源得到充分利用，減少管理和運(yùn)行成本，提高了應(yīng)用服務(wù)與資源的運(yùn)行質(zhì)量和效率。而且，還能提供安全、可靠、靈活、低風(fēng)險(xiǎn)的云服務(wù)模式。

3.2 虛擬化架構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

VMware vSphere拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由4部分組成：存儲器網(wǎng)絡(luò)和陣列、網(wǎng)絡(luò)資源、x86虛擬化服務(wù)器、vCenter Server和vSphere Client，如圖2所示。

圖2 VMware vSphere架構(gòu)拓?fù)鋱D

存儲器網(wǎng)絡(luò)和陣列是虛擬化的基礎(chǔ)，由vSphere來統(tǒng)一分配存儲資源，這些資源在同一個(gè)數(shù)據(jù)中心之間的虛擬機(jī)可以共享，物理存儲資源可以來自服務(wù)器本地 SCSI、SATA或SAS硬盤，光纖通道SAN存儲陣列。三明學(xué)院數(shù)據(jù)中心采用HUAWEI O-ceanStor S2200T 存 儲 ，Cisco MDS9124光纖交換機(jī)。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將為整個(gè)虛擬化的數(shù)據(jù)中心提供可靠的網(wǎng)絡(luò)連接，包含虛擬機(jī)之間的相互連接或虛擬機(jī)連接到外部的物理網(wǎng)絡(luò)等，三明學(xué)院數(shù)據(jù)中心物理網(wǎng)絡(luò)采用的是RG-S8610萬兆交換機(jī)。

x86服務(wù)器主機(jī)是用來運(yùn)行ESXi的虛擬層，將 CPU、內(nèi)存、存儲器和資源虛擬化為多個(gè)虛擬機(jī)。在部署了vCenter Server的群集當(dāng)中，物理主機(jī)可以動態(tài)添加或從群集移除。三明學(xué)院數(shù)據(jù)中心采用Sun Blade X6270 M3服務(wù)器。源統(tǒng)一在一起，使這些資源在整個(gè)數(shù)據(jù)中心中的各個(gè)虛擬機(jī)共享；vSphere Client客戶端是用來管理vCenter Server的人機(jī)交互通道。三明學(xué)院數(shù)據(jù)中心vCenter Server管理服務(wù)器采用IBM X3650。其虛擬化架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)施中所需要的服務(wù)器及其相關(guān)設(shè)備，如表1所示。

表1 三明學(xué)院數(shù)據(jù)中心虛擬化架構(gòu)服務(wù)器及其相關(guān)設(shè)備一覽表

3.3 虛擬化架構(gòu)在地方本科院校數(shù)據(jù)中心的實(shí)施成效

3.3.1 節(jié)約資金與節(jié)約空間，提高服務(wù)器資源的利用率

目前，三明學(xué)院數(shù)據(jù)中心部署的2臺ESXi主機(jī)已經(jīng)共計(jì)虛擬40臺虛擬服務(wù)器，實(shí)際使用的物理資源如CPU和內(nèi)存還沒有達(dá)到50%，還可以進(jìn)一步部署更多的虛擬服務(wù)器，如表2所示。按計(jì)算可以生成80臺虛擬服務(wù)器，若都換成2U物理機(jī)架服務(wù)器，估計(jì)也需要240萬元左右，需要42U的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜5個(gè)左右。顯然極大的減小了資金的投入，也節(jié)約了空間，同時(shí)也提高了服務(wù)器資源的利用率。

表2 ESXi主機(jī)虛擬服務(wù)器數(shù)量 及CPU、內(nèi)存使用情況

3.3.2 便于部署與管理，提高應(yīng)用服務(wù)和資源的可靠性

(1)VMware VMotion在線遷移技術(shù)，可以在服務(wù)應(yīng)用不中斷的情況下，完成虛擬機(jī)操作系統(tǒng)、內(nèi)存數(shù)據(jù)和虛擬機(jī)配置的遷移，從一個(gè)主機(jī)到另一個(gè)主機(jī)的過程，相比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心要停機(jī)與中斷服務(wù)，虛擬化架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心更方便硬件維護(hù)的升級。實(shí)證表明，通過手動方式將其中一臺ESXi主機(jī)的虛擬服務(wù)器VMotion到另一臺ESXi主機(jī)上并正常工作是件非常容易的事。

(2)VMware DRS（distributed resource scheduler）分布式資源調(diào)試功能持續(xù)地監(jiān)控Resource pool資源池的利用率，同時(shí)為虛擬機(jī)動態(tài)地分配合理的資源。通過調(diào)整相應(yīng)的優(yōu)先權(quán)可以設(shè)定相應(yīng)服務(wù)的重要等級，確保重要業(yè)務(wù)優(yōu)先服務(wù)。如學(xué)校主頁虛擬機(jī)優(yōu)先級別可以設(shè)置相對高，這樣可以確保學(xué)校主頁服務(wù)總能優(yōu)先獲得資源；選課期間的教務(wù)管理系統(tǒng)虛擬機(jī)都可以把規(guī)則中的優(yōu)先權(quán)提高，以保證相應(yīng)服務(wù)的質(zhì)量。實(shí)證表明，在一臺ESXi運(yùn)行的虛擬服務(wù)器上做并發(fā)壓力測試時(shí)，該臺ESXi上的部分虛擬服務(wù)器VMotion到了另一臺ESXi主機(jī)工作。

(3)VMware HA（high availability）高可用性，當(dāng)監(jiān)控到集群中有主機(jī)意外故障時(shí)，會自動在其他主機(jī)上啟動故障主機(jī)上之前承載的虛擬機(jī)。實(shí)證表明，將其中一臺ESXi主機(jī)關(guān)機(jī)，在集群中的所有虛擬服務(wù)器都能正常工作，所有的虛擬服務(wù)器已經(jīng)自動VMotion到另一臺ESXi主機(jī)上并正常工作。

4 結(jié)束語

通過云計(jì)算虛擬化架構(gòu)在地方本科院校數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)與實(shí)施表明，虛擬化架構(gòu)數(shù)據(jù)中心有利于節(jié)約資金，節(jié)約空間，提高服務(wù)器資源的利用率；對VMware VMotion、DRS、HA驗(yàn)證表明虛擬化架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心便于部署與管理，提高應(yīng)用服務(wù)和資源的可靠性等優(yōu)點(diǎn)。相比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，借助虛擬化架構(gòu)的云計(jì)算中心具有資源共享和動態(tài)分配、綠色節(jié)能環(huán)保、高自動化和高可用等特點(diǎn)，滿足了數(shù)據(jù)中心發(fā)展的需求[8]。經(jīng)過整個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)施及驗(yàn)證獲得了許多經(jīng)驗(yàn)，為今后的三明學(xué)院數(shù)據(jù)中心建設(shè)提供了可靠的保障。

［1］雷萬云．云計(jì)算技術(shù)、平臺及應(yīng)用案例［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2011．

［2］教育部．教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃 (2011-2010年）［EB／OL］．（2012-03-30）［2014-7-23］．http：／／www．edu．cn／zong_he_870／20120330／t20120330_760603．shtml．

［3］林守林，邵宗有，劉新春，等．一種基于CPU利用率的功率控制策略的研究與實(shí)現(xiàn)［J］．計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2009，31（A1）：282-285．

［4］林偉偉，齊德昱．云計(jì)算資源調(diào)度研究綜述［J］．計(jì)算機(jī)科學(xué)，2012，39（10）：1-6．

［5］許利軍，閃永強(qiáng)．云計(jì)算技術(shù)在數(shù)字化校園建設(shè)中的應(yīng)用研究［J］．新鄉(xiāng)學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，30（5）：346-347．

［6］高雪瑩，吳韶波，陳思錦．云計(jì)算極其安全技術(shù)［J］．物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2014（3）：88-90．

［7］唐彥，肖亮．服務(wù)器虛擬化關(guān)鍵技術(shù)探析［J］．?dāng)?shù)字通信，2012（3）：11-19．

［8］錢瓊芬，李春林，張小慶，等．云數(shù)據(jù)中心虛擬資源管理研究綜述［J］．計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2012，29（7）：2411-2421．

（責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

Application on Virtualization Architecture of Data Center at Sanming Uninversity Based on Cloud Computing

(Modern Education Technology Center,Sanming University,Sanming 365004,China)

The data center is the core of the digital campus construction in local undergraduate university.Through the analysis of the current status of Sanming University data center,the architecture of data center based on cloud computing virtualization technology is proposed in this paper,which the emphasis is put on the deployment and implementation of Sanming University data center by the application of VMware vSphere.The implementation of the data center shows the advantages of saving money and space,improving utilization of the server resource,the convenient deployment and management of application system,improving the reliability,safety and stability of application service and resource operation.

cloud computing;virtualization architecture;data center

G434

A

1673-4343（2014）04-0086-05

10．14098／j．cn35－1288／z．2014．04．016

2014-04-16

全國教育信息技術(shù)研究“十二五”規(guī)劃重點(diǎn)課題（136221309）

劉孫發(fā)，男，福建周寧人，助理實(shí)驗(yàn)師。研究方向：教育技術(shù)。