基于校園網(wǎng)中彈性云虛擬技術(shù)的頁(yè)面主機(jī)效能探析

王春麗

摘 要：隨著校園網(wǎng)中各種信息服務(wù)需求的不斷增長(zhǎng)，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源和降低網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本尤為重要，而彈性云虛擬技術(shù)為解決這一問(wèn)題提供了新思路。在探討彈性云和虛擬技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析影響頁(yè)面服務(wù)器效能的主要因素，仿真測(cè)試虛擬化網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器在一臺(tái)實(shí)體主機(jī)內(nèi)運(yùn)行時(shí)虛擬機(jī)數(shù)量與效能的關(guān)聯(lián)性，提高校園網(wǎng)資源利用效率。

關(guān)鍵詞：校園網(wǎng)；虛擬化技術(shù)；頁(yè)面主機(jī)；效能分析；彈性云

DOIDOI：10.11907/rjdk.1511033

中圖分類號(hào)：TP302

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2015）009002802

0 引言

目前，彈性云已成為熱門(mén)研究課題，但其本身并不代表一項(xiàng)技術(shù)，僅是一種計(jì)算機(jī)運(yùn)算方法和概念，其通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的龐大運(yùn)算資源，提供個(gè)人與組織按需索取的運(yùn)算服務(wù)。而虛擬化技術(shù)是彈性云的重要元素，能節(jié)約服務(wù)器各種成本與量化運(yùn)算資源，從而大大提高管理與使用彈性。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)計(jì)算能力快速發(fā)展，常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)具有雙核甚至四核，但校園網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不需要使用如此大的計(jì)算資源，如一個(gè)網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器平常CPU負(fù)載率尚不足5%～10%，如仍占用一臺(tái)主機(jī)，需花費(fèi)較多空間、硬件、人力和電力成本。使用虛擬化技術(shù)整合服務(wù)器資源，可有效節(jié)約運(yùn)行成本，非常適合校園網(wǎng)[ 1 ]。本文探討虛擬化技術(shù)在整合網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器中的可行性，并進(jìn)行實(shí)際效能測(cè)試與分析。

1 彈性云與虛擬化技術(shù)

1.1 彈性云

彈性云（Elastic Compute Cloud—EC2）[ 2 ]，是一種在云計(jì)算中提供可彈性的運(yùn)算機(jī)制，其目的是便于服務(wù)器開(kāi)發(fā)人員把握網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器規(guī)模。彈性云簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接口使服務(wù)成本開(kāi)銷(xiāo)最小化，并實(shí)現(xiàn)服務(wù)器資源調(diào)節(jié)自主化和對(duì)計(jì)算資源的完全控制權(quán)，大大縮短資源獲取以及服務(wù)器連接的時(shí)間，并根據(jù)計(jì)算需求快速調(diào)節(jié)資源容量，同時(shí)彈性云為程序開(kāi)發(fā)提供了針對(duì)應(yīng)用錯(cuò)誤的開(kāi)發(fā)工具，將計(jì)算中的故障在運(yùn)行過(guò)程中孤立出來(lái)，以減少與其它運(yùn)算之間的相互影響。

彈性云落地部署方案為Infrastructure as a Service，即“基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)”。IaaS將內(nèi)存空間、I/O接口與計(jì)算能力整合為一個(gè)虛擬資源池，為用戶提供所需資源存儲(chǔ)和虛擬化服務(wù)器等相關(guān)服務(wù)。Amazon Web Service與IBM BlueCloud[ 3 ]均為此類型。

1.2 虛擬化技術(shù)

虛擬化的基本原理是在硬件裸機(jī)或主機(jī)操作系統(tǒng)上植入一個(gè)名為Hypervisor系統(tǒng)管理程序的虛擬層，并在上一層運(yùn)行虛擬機(jī)。通常將在實(shí)體機(jī)上執(zhí)行的宿主操作系統(tǒng)稱為Host Operating System，而將在虛擬機(jī)上執(zhí)行的客戶操作系統(tǒng)稱為Guest Operating System。

虛擬化可分為全虛擬HVM化與半虛擬化PVM。前者所用的硬件為虛擬，除CPU、內(nèi)存之外，其它諸如顯卡、聲卡、網(wǎng)卡等都被虛擬化。該虛擬化的優(yōu)勢(shì)是便于虛擬機(jī)在同一虛擬化平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)不同硬件實(shí)體機(jī)之間的遷移，當(dāng)一個(gè)服務(wù)器因?yàn)樽陨碡?fù)載增加需要收回共享內(nèi)存或服務(wù)器無(wú)法正常提供服務(wù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)或被動(dòng)地啟動(dòng)數(shù)據(jù)同步操作，遷移數(shù)據(jù)備份到其它服務(wù)器上[ 4 ]。全虛擬的虛擬機(jī)也可執(zhí)行和實(shí)體機(jī)不同的操作系統(tǒng)，因此具備很強(qiáng)的彈性機(jī)制，同時(shí)也會(huì)造成實(shí)體機(jī)負(fù)載較大，而半虛擬化并不虛擬硬件，只是通過(guò)虛擬機(jī)監(jiān)控器VMM[ 5 ]使用真實(shí)硬件。半虛擬化的優(yōu)點(diǎn)是速度快、效能比全虛擬化高，缺點(diǎn)是彈性較差，很難實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)在不同硬件的實(shí)體平臺(tái)上遷移。虛擬化計(jì)算機(jī)能動(dòng)態(tài)提供一種或多種統(tǒng)一計(jì)算和存儲(chǔ)資源，并在服務(wù)提供者和服務(wù)消費(fèi)者之間協(xié)商靈活調(diào)配[ 6 ]。圖1為全虛擬化主機(jī)架構(gòu)。

2 網(wǎng)頁(yè)主機(jī)虛擬化

虛擬機(jī)技術(shù)可將各種類型的實(shí)體機(jī)虛擬化，包括桌面計(jì)算機(jī)、網(wǎng)頁(yè)主機(jī)、郵件服務(wù)器和FTP服務(wù)器等，本文以網(wǎng)頁(yè)主機(jī)即網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器為對(duì)象探討虛擬化環(huán)境下運(yùn)作效能。按照運(yùn)算復(fù)雜程度、流量、數(shù)據(jù)量和網(wǎng)頁(yè)結(jié)構(gòu)大小，網(wǎng)頁(yè)主機(jī)可分為靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器主機(jī)和動(dòng)態(tài)網(wǎng)服務(wù)器主機(jī)。動(dòng)態(tài)頁(yè)面根據(jù)客戶端、時(shí)間、事件等因素的差異，又分為邏輯運(yùn)算型和數(shù)據(jù)庫(kù)型。邏輯運(yùn)算型網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器按照獲得數(shù)據(jù)的不同，計(jì)算并為客戶端反饋不同結(jié)果；數(shù)據(jù)庫(kù)型服務(wù)器收到客戶端請(qǐng)求后，觸發(fā)一系列邏輯運(yùn)算，并向數(shù)據(jù)庫(kù)獲取數(shù)據(jù)，如Google新聞組、論壇、留言版。當(dāng)客戶端向服務(wù)器請(qǐng)求發(fā)送所需主題后，經(jīng)服務(wù)器檢索數(shù)據(jù)、獲取數(shù)據(jù)、判斷時(shí)間、排列組合成網(wǎng)頁(yè)，最終呈現(xiàn)在客戶端上。Web服務(wù)器類型劃分如圖2所示。

圖1 全虛擬化主機(jī)架構(gòu)

圖2 Web服務(wù)器劃分

3 彈性云中的主機(jī)效能測(cè)試及分析

3.1 影響因素與環(huán)境設(shè)置

本文重點(diǎn)探討校園網(wǎng)中網(wǎng)頁(yè)宿主主機(jī)與客戶虛擬機(jī)效能。宿主主機(jī)與客戶虛擬機(jī)涉及效能因素如表1所示。

表1 宿主主機(jī)與客戶虛擬機(jī)效能因素

宿主實(shí)體機(jī)效能 []客戶虛擬機(jī)效能

CPU頻率、核心數(shù)量[]虛擬CPU頻率、核心數(shù)量

CPU緩存大小[]RAM分配到容量大小

主存儲(chǔ)器容量大小[]被分配到虛擬硬盤(pán)容量

主存儲(chǔ)器帶寬、數(shù)據(jù)發(fā)生頻率[]

硬盤(pán)容量、存儲(chǔ)效能[]網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器設(shè)定

網(wǎng)卡數(shù)量、吞吐能力[]

宿主實(shí)體機(jī)同時(shí)執(zhí)行虛擬機(jī)臺(tái)數(shù)量[]是否調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)

宿主操作系統(tǒng)狀況[]是否安裝防火墻等

無(wú)論是宿主端還是客戶端，CPU緩存都影響運(yùn)算能力，且由于網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器“行為”較為固定，因此CPU緩存越大對(duì)效能幫助越大。當(dāng)執(zhí)行虛擬機(jī)時(shí)，使用獨(dú)立內(nèi)存空間，因此主存儲(chǔ)器容量大小直接影響宿主端可以同時(shí)執(zhí)行的虛擬機(jī)數(shù)目；主存儲(chǔ)器帶寬與數(shù)據(jù)頻率越高，CPU對(duì)主存儲(chǔ)器存取效率就越高。網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器主機(jī)需要與若干客戶端聯(lián)機(jī)，網(wǎng)卡穩(wěn)定性與效能就顯得尤為重要。各虛擬機(jī)共享硬件資源，如CPU、內(nèi)存與總線等，故同時(shí)運(yùn)行的虛擬機(jī)越多，實(shí)體機(jī)負(fù)載也就越大，效能就越低。設(shè)定網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器主機(jī)，如聯(lián)機(jī)數(shù)限制、連接池及會(huì)話參數(shù)是否處于最佳狀態(tài)也會(huì)影響效能判斷；若網(wǎng)頁(yè)需要存取數(shù)據(jù)庫(kù)，則網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器主機(jī)必須與數(shù)據(jù)庫(kù)間展開(kāi)交互以及傳輸數(shù)據(jù)，也會(huì)增加開(kāi)銷(xiāo)時(shí)間。虛擬機(jī)內(nèi)運(yùn)行防火墻、殺毒軟件會(huì)占用CPU、內(nèi)存與硬盤(pán)讀寫(xiě)資源，導(dǎo)致效能降低。本測(cè)試軟硬件環(huán)境如表2所示。

表2 宿主系統(tǒng)/客戶系統(tǒng)軟硬件環(huán)境

設(shè)備[]宿主系統(tǒng)[]客戶系統(tǒng)

CPU[]Intel Core 2 Duo Q6600 2.4GHz/4 Cores/8 MB L2 Cache[]Intel Core 2 Duo Q6600 2.4GHz1 Core （被分配）

RAM[]DDR2800MHZ 8GB ECC REG Dual Channel 128 bit[]512 MB （被分配）

Storage[]Seagate 640GB 7200 RPM Sata2[]6 GB 虛擬

NIC[]HP NC110T PCI-E Gigabit Server Adapter[]虛擬

Platform[]Citrix XenServer[]Windows XP Service Pack 3

Web Server[]EasyPHP 1.8[]

3.2 測(cè)試過(guò)程及分析

使用Jmeter程序仿真40人同時(shí)聯(lián)機(jī)，重復(fù)接入100次，共發(fā)出4 000個(gè)聯(lián)機(jī)請(qǐng)求，仿真測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 虛擬機(jī)網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器平均響應(yīng)時(shí)間

f∑T（sec）T（ms）Tmin（ms）Tmax（ms）

1VMs[][]723[][]7 102[][]258[][]17 135

2VMs[]786[]790[]7 752[]7 783[]258[]230[]19 464[]20 196

[][]782[][]7 720[][]285[][]18 731

3VMs[][]1 150[][]11 381[][]566[][]26 741

[]1 155[]1 159[]11 371[]11 395[]399[]281[]28 281[]30 678

[][]1 157[][]11 337[][]351[][]27 423

4VMs[][]1 801[][]17 752[][]462[][]35 191

[]1 802[]1 798[]1 754[]17 878[]556[]454[]35 922[]37 439

[][]1 800[][]17 629[][]710[][]35 291

[][]1 807[][]17 758[][]599[][]35 768

注：T=∑ni=1ti=t1+t2+…+tnn（n≤4）

從表3可看出，單獨(dú)執(zhí)行1臺(tái)虛擬機(jī)網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器與同時(shí)執(zhí)行兩臺(tái)網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器效能差別較小，平均響應(yīng)時(shí)間為63ms；同時(shí)執(zhí)行兩臺(tái)網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器和3臺(tái)網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器就會(huì)出現(xiàn)一定效能差距，達(dá)到369ms；而同時(shí)執(zhí)行3臺(tái)和4臺(tái)網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器的效能差距明顯加大，平均響應(yīng)時(shí)間達(dá)647ms，這是由于本測(cè)試的網(wǎng)頁(yè)鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)不但較消耗CPU資源，也增加了一定硬盤(pán)讀寫(xiě)時(shí)間。當(dāng)多臺(tái)虛擬機(jī)同時(shí)響應(yīng)大量讀請(qǐng)求時(shí)，硬盤(pán)磁頭讀寫(xiě)會(huì)變得更加頻繁。同時(shí)，宿主實(shí)體機(jī)網(wǎng)卡只有一塊，同時(shí)執(zhí)行的虛擬機(jī)越多，每臺(tái)虛擬機(jī)就會(huì)受到越多限制。

因此，虛擬機(jī)可同時(shí)執(zhí)行的數(shù)量受限于實(shí)體機(jī)硬件，畢竟虛擬化會(huì)產(chǎn)生資源額外開(kāi)銷(xiāo)，不適合多負(fù)載量的服務(wù)場(chǎng)景。對(duì)校園網(wǎng)而言，其負(fù)載相對(duì)較輕，利用虛擬化技術(shù)可有效利用網(wǎng)絡(luò)硬件資源，極大提高網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用彈性和靈活性。

4 結(jié)語(yǔ)

彈性云采用虛擬化技術(shù)在節(jié)約各種資源的基礎(chǔ)上提供了更大的彈性與便利。本文重點(diǎn)探討彈性云虛擬化主機(jī)網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器在宿主實(shí)體機(jī)上運(yùn)行虛擬機(jī)數(shù)量和網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器的效能關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明，采用虛擬化技術(shù)對(duì)提高校園網(wǎng)絡(luò)管理效率、縮短部署時(shí)間、增加網(wǎng)絡(luò)服務(wù)可用性等具有重要意義。

參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)：

[ 1 ] VMware[ EB/OL ].http：//www.vmware.com/virtualization/whatisvirtualization.html.

[ 2 ] AMAZON.Amazon elastic compute cloud[ EB/OL ].http：//aws.amazon.com /ec2，20081221/20101001.

[ 3 ] JOHN WILLIS.IBM blue cloud：more than thin air [ EB/OL ].http：//searchcloudcomputing.Techtarget.com/news/column/0，294698，sid201_gci1355054，00.html，20090212/20101101.

[ 4 ] 李亞瓊，宋瑩，黃永兵.一種面向虛擬化云計(jì)算平臺(tái)的內(nèi)存優(yōu)化技術(shù)[ J ].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2011（4）：683693.

[ 5 ] ROSENBLUMM，GARFINKELT.Virtual machine monitors current technology and future trends[ J ].IEEE Computer，2005，38（5）：3947.

[ 6 ] 趙肄江，胡蓉.基于虛擬化的綠色云計(jì)算[ J ].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010（4）：8689.

責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：陳福時(shí)）