基于Solaris的虛擬機(jī)管理平臺設(shè)計與實現(xiàn)

伍世楊

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院信息與教育技術(shù)中心，廣東佛山528000）

基于Solaris的虛擬機(jī)管理平臺設(shè)計與實現(xiàn)

伍世楊

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院信息與教育技術(shù)中心，廣東佛山528000）

設(shè)計并實現(xiàn)一個基于Solaris系統(tǒng)的虛擬機(jī)管理平臺，該系統(tǒng)的作用是對Solaris Container中的虛擬機(jī)Zone進(jìn)行管理。為了實現(xiàn)目標(biāo)，本項目需要解決兩個問題：節(jié)點脆弱性和低可擴(kuò)展性。由于采用Solaris Zone虛擬化技術(shù)，本項目通過使用代理模式，避免了無代理模式固有的脆弱性與可擴(kuò)展性低的問題，從而提高了系統(tǒng)的健壯性與可擴(kuò)展性。

Solaris；zone；虛擬機(jī)；管理平臺

近年來智能手機(jī)快速普及，國內(nèi)手機(jī)用戶的人數(shù)急劇飆升，呈現(xiàn)出井噴的現(xiàn)象。為了應(yīng)付日益增長的業(yè)務(wù)需求，提高服務(wù)質(zhì)量，國內(nèi)各大電信運營商的服務(wù)器規(guī)模也越來越大。每天的移動業(yè)務(wù)在不同時段中的密度差別很大，在某些時段特別集中，而在某些時段又顯得相對較少，呈現(xiàn)出峰值性的特點，為了應(yīng)對每天的業(yè)務(wù)需要，在設(shè)計服務(wù)器規(guī)模的時候自然需要考慮系統(tǒng)可能的最大負(fù)載量。而在業(yè)務(wù)需求較少的時段中，服務(wù)器的負(fù)載就比較少，這樣就會造成一部分服務(wù)器資源的閑置。

虛擬化技術(shù)可以為這個問題的解決提供一個方法。虛擬化技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代的IBM大型機(jī)系統(tǒng)，在70年代的System 370系列中逐漸流行起來［1］。這些服務(wù)器通過一種叫虛擬機(jī)監(jiān)控器（Virtual Machine Monitor，VMM）的程序在物理硬件之上生成許多可以運行獨立操作系統(tǒng)軟件的虛擬機(jī)（Virtual Machine）實例。運用虛擬化軟件，可以在這些服務(wù)器資源上建立一個抽象層，對這些資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，從而使得服務(wù)器的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等各種資源都能夠動態(tài)、可伸縮地加以利用。虛擬化技術(shù)已經(jīng)在系統(tǒng)仿真、云計算和計算系統(tǒng)等方面有廣泛的應(yīng)用［2-4］?，F(xiàn)在廣泛使用的虛擬化軟件有VMware系列產(chǎn)品等等［5-6］，可是，VMware系列產(chǎn)品是基于X86架構(gòu)的，一般用在中小型企業(yè)。而電信運營商的服務(wù)器中，X86架構(gòu)的只占很少一部分，絕大部分為小型機(jī)，對應(yīng)的操作系統(tǒng)一般有三種：AIX、Solaris 和HP Unix。所以在針對小型機(jī)的應(yīng)用環(huán)境中，就不能使用VMware系列產(chǎn)品了。

本文針對小型機(jī)的應(yīng)用環(huán)境，開發(fā)一個動態(tài)可控的虛擬機(jī)管理平臺。項目采用Solaris系統(tǒng)作為具體的應(yīng)用環(huán)境。由于系統(tǒng)采用了模塊化的開發(fā)方法，因此只要將與虛擬機(jī)操作相關(guān)的shell腳本更換成Aix和HP Unix中具有同等功能的腳本，系統(tǒng)就可以在Aix和HP Unix系統(tǒng)中完成相同的功能。

當(dāng)前，在行業(yè)中已經(jīng)有一些商業(yè)化的虛擬機(jī)管理平臺了?？傮w上來講，按照這些管理平臺是否已經(jīng)采用了代理可以把它們分為兩類：代理模式和無代理模式。

代理模式是指管理平臺在管理計算資源的時候，采用一個總的控制器，同時在每一個計算節(jié)點上，都運行一個服務(wù)（Agent）。這些服務(wù)接受控制器的實時監(jiān)控，并執(zhí)行由控制器發(fā)出的指令。

無代理模式是指總控制器通過SSH等方式登錄到各個計算節(jié)點上，在節(jié)點上通過調(diào)用已經(jīng)定義好的shell指令來完成相應(yīng)的操作。無代理模式的不足之處在于：

（1）脆弱性。它通過SSH“指揮”計算節(jié)點，當(dāng)SSH協(xié)議或者端口被禁用，將無法對計算節(jié)點做任何的操作，整個系統(tǒng)將無法工作。

（2）可擴(kuò)展性低。無代理模式中，在計算節(jié)點沒有運行本地的服務(wù)，所有指令直接由控制端下發(fā)，在本地即時執(zhí)行，因此在計算節(jié)點只能執(zhí)行一些簡單的操作。計算節(jié)點能完成的操作或者說能提供的服務(wù)會緊緊依賴于shell的命令，其功能的可擴(kuò)展性也就依賴于shell命令的靈活性。因為shell腳本語言是針對系統(tǒng)管理的編程語言，它適合系統(tǒng)管理員對系統(tǒng)進(jìn)行實時、交互的操作，而不適合開發(fā)靈活多變、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的項目。由于用戶需求的多變性，在計算節(jié)點上會為項目的開發(fā)帶來較大的難度。例如，虛擬機(jī)遷移功能的實現(xiàn)，需要控制端對計算節(jié)點進(jìn)行實時監(jiān)控，并按照順利完成創(chuàng)建共享區(qū)域，掛載文件系統(tǒng)，在遷移目標(biāo)區(qū)域配置本地虛擬機(jī)，添加新的虛擬機(jī)到本地虛擬機(jī)列表等一系列的操作。盡管這些操作都可以由shell命令來實現(xiàn)，可是最關(guān)鍵的地方在于怎樣對這些shell腳本按正確順序進(jìn)行調(diào)用。這一點如果僅僅用shell腳本來實現(xiàn)，難度很大。

如果采用代理模式，就可以有效地避免這個問題。開發(fā)者只需要在計算節(jié)點上采用C/C++開發(fā)一個代理服務(wù)軟件，由軟件對這些腳本進(jìn)行調(diào)用，不僅可以降低開發(fā)難度，還可以按用戶的需求靈活地調(diào)用這些腳本，以實現(xiàn)特定的功能。在代理模式中，開發(fā)者就可以修改代理服務(wù)程序，很方便地增加所需要的功能。

基于上述對代理模式優(yōu)點的分析，本文將設(shè)計并實現(xiàn)采用代理模式的虛擬機(jī)管理平臺，以此來克服無代理模式固有的脆弱性與可擴(kuò)展性低問題，提高基于Solaris系統(tǒng)虛擬機(jī)管理平臺的健壯性與可擴(kuò)展性。

1　需求分析

在本項目中，某運營商已經(jīng)有一個使用中的云計算管理平臺，它的現(xiàn)有功能是管理所有基于X86架構(gòu)的虛擬機(jī)，可是它缺少一個針對Solaris小型機(jī)的管理功能。本項目的目標(biāo)是完成一個基于Solaris的虛擬機(jī)管理平臺，能對Solaris所在的服務(wù)器的物理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并管理Solaris container中zone的創(chuàng)建、啟動、停止和刪除等操作。根據(jù)運營商的要求，本管理平臺將會以一個管理模塊的形式加入到運營商已有的云計算管理平臺中。由于運營商已有的云計算管理平臺中有適用的用戶界面（UI），所以在本項目的設(shè)計和開發(fā)中，沒有用戶界面這一部分。本管理平臺的功能和狀態(tài)將與原有的云計算管理平臺的用戶界面進(jìn)行無縫銜接。

1.1系統(tǒng)運行環(huán)境

表1是在基于運營商的實際部署環(huán)境之后得到的。只有了解了運營商實際的部署環(huán)境，在設(shè)計和開發(fā)的過程中，才能夠有的放矢，開發(fā)出符合需求的產(chǎn)品。

表1　系統(tǒng)運行環(huán)境

1.2系統(tǒng)功能需求

系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

圖1中的門戶網(wǎng)站是云計算管理平臺的用戶界面。用戶通過門戶網(wǎng)站與云計算管理平臺進(jìn)行交互。用戶可以通過瀏覽器，登錄到門戶網(wǎng)站。在門戶網(wǎng)站上，用戶可以看到自己所擁有的虛擬機(jī)資源，并能對這些資源進(jìn)行操作和管理。

云計算管理平臺是運營商已有的一個針對虛擬化環(huán)境的管理平臺，它主要的功能是管理X86架構(gòu)之上的虛擬機(jī)，包括Linux虛擬機(jī)管理模塊和Windows虛擬機(jī)管理模塊。本項目的目的就是為云計算管理平臺增加一個小型機(jī)管理模塊。

本項目的管理平臺包括三部分：Server端、Agent端和數(shù)據(jù)庫。

（1）Server端：小型機(jī)模塊分為兩個部分，一個是Server端，Sever端提供與數(shù)據(jù)庫的接口，與上層以WebService方式進(jìn)行交互，接收云計算管理平臺的頁面下發(fā)的控制命令，將這些控制命令下發(fā)到各Agent端，并等待這些命令的返回。

（2）Agent端：小型機(jī)模塊的另外一端是指分布在各個小型機(jī)服務(wù)器上的Agent端，該部分主要是完成對各個小型機(jī)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、命令執(zhí)行、命令返回等采集和控制功能。Agent保存并執(zhí)行與虛擬機(jī)實例Zone相關(guān)的操作的shell腳本。Solaris Container提供了一個完整的應(yīng)用程序運行環(huán)境，使得對Zone的管理大大簡化，降低了代理服務(wù)程序的開發(fā)難度。

（3）數(shù)據(jù)庫：該數(shù)據(jù)庫位于系統(tǒng)的主數(shù)據(jù)庫中，有4張表為小型機(jī)模塊使用，并且這些表都能讓頁面來讀取數(shù)據(jù)和顯示到頁面，可以給整個產(chǎn)品提供更豐富的功能和數(shù)據(jù)展示。

1.3Server端功能需求

Server端提供如下功能：

（1）管理模塊：功能是處理各種控制命令、查看隊列的消息以及定時掃描和刷新LINK和LINK_SERVER表。

（2）數(shù)據(jù)庫模塊：完成對數(shù)據(jù)庫的接口調(diào)用、操作，對數(shù)據(jù)庫表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行增加、刪除、修改操作，完成數(shù)據(jù)的初始化、更新、增加、刪除和修改。

（3）消息隊列模塊：完成對消息隊列的初始化工作，并提供隊列數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送、屬性查看等處理接口供其他模塊使用。

（4）日志模塊：完成系統(tǒng)運行日志記錄，控制命令操作記錄、數(shù)據(jù)接收記錄，以及其他重要事件的記錄，每個記錄均包含發(fā)生的時間點。

（5）發(fā)送模塊：完成命令數(shù)據(jù)的發(fā)送，其中包含控制命令的接收、解析。

（6）命令處理模塊：把上層平臺發(fā)送來的命令封裝成命令發(fā)送到客戶端。

（7）接收模塊：完成來自所有鏈路的數(shù)據(jù)接收、解包、分析和報文確認(rèn)，數(shù)據(jù)的解析按照指定的歸約來進(jìn)行，以保證接收到的數(shù)據(jù)的正確性和有效性。

（8）數(shù)據(jù)校驗?zāi)K：檢驗物理服務(wù)器的狀態(tài)。如果有新增加的物理服務(wù)器，則把該物理服務(wù)器的信息添加到鏈路服務(wù)器的表中，為新增加的物理服務(wù)器指定管理服務(wù)器數(shù)量最小的鏈路；如果有狀態(tài)為已刪除的物理服務(wù)器，則更新數(shù)據(jù)庫中相關(guān)表的信息，能有效的保持表信息的實時性及精簡性。

（9）鏈路模塊：完成對鏈路的狀態(tài)判斷、控制和轉(zhuǎn)換，接收已鏈接鏈路的原始數(shù)據(jù)報文，判斷報文的合法性和有效性，并將接受到的原始數(shù)據(jù)報文發(fā)送到recv消息隊列。

（10）監(jiān)聽模塊：完成對所有網(wǎng)絡(luò)連接的監(jiān)聽，并對連接成功的鏈路進(jìn)行判斷，確保連接的正確性和有效性。

（11）網(wǎng)絡(luò)模塊：完成網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端、客戶端和數(shù)據(jù)讀寫接口的一系列初始化，使它們可以供其他模塊調(diào)用。

（12）線程模塊：完成一部分線程操作的封裝。創(chuàng)建一個線程之后只需調(diào)用相應(yīng)的入口函數(shù)就可以進(jìn)入到創(chuàng)建線程。

1.4Agent端功能需求

Agent的功能模塊圖如圖2所示。

圖2　Agent端功能模塊圖

（1）獲取小型機(jī)的實時統(tǒng)計信息模塊：小型機(jī)的客戶端會每隔一定間隔（可調(diào)整，現(xiàn)為5 s），重新統(tǒng)計小型機(jī)的實時信息，并將實時信息發(fā)送給服務(wù)端。實時信息包括CPU相關(guān)、內(nèi)存相關(guān)、存儲相關(guān)和網(wǎng)絡(luò)相關(guān)等部分。

（2）獲取小型機(jī)zone的實時統(tǒng)計信息模塊：小型機(jī)的客戶端會每隔5 s，重新對各個小型機(jī)zone的實時信息進(jìn)行統(tǒng)計，并將實時信息發(fā)送給服務(wù)端。實時信息包括CPU相關(guān)、內(nèi)存相關(guān)、存儲相關(guān)和網(wǎng)絡(luò)相關(guān)等部分。

（3）接受服務(wù)端發(fā)送的命令報文模塊：報文類型包括：接收服務(wù)端命令報文、解析命令報文、執(zhí)行相應(yīng)命令的腳本和返回服務(wù)端執(zhí)行結(jié)果報文。

2　系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)采用MVC（Model-View-Controller）結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。MVC結(jié)構(gòu)是為那些需要用不同的視圖展示同樣數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序來設(shè)計的，它能夠很好地分離數(shù)據(jù)層與表示層。MVC是一種通用的開發(fā)模型，在分布式應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛使用。MVC把一個分布式的交互系統(tǒng)分解成了三大部分：模型、視圖、控制器，使得三個部分都能彼此獨立地設(shè)計和實現(xiàn)。

（1）視圖：是系統(tǒng)和用戶之間的交互界面，它能夠以特定的形式向用戶展現(xiàn)模型數(shù)據(jù)和邏輯關(guān)系。視圖從模型獲得顯示信息，對于相同的信息可以有多個不同的視圖。在本項目中，視圖在瀏覽器中以門戶網(wǎng)站的形式來呈現(xiàn)。在門戶網(wǎng)站中，用戶可以購買虛擬機(jī)、計算資源、存儲資源等資源，也可以對這些資源進(jìn)行操作，例如創(chuàng)建虛擬機(jī)、啟動或者停止虛擬機(jī)等等。用戶從門戶網(wǎng)站登錄進(jìn)去，就可以看到已經(jīng)購買的所有資源，并按照自己的需要對其進(jìn)行管理。

（2）控制：介乎于視圖與模型之間，當(dāng)模型中的數(shù)據(jù)或者業(yè)務(wù)邏輯發(fā)生變化的時候，這些變化的信息就由控制部分進(jìn)行傳達(dá)，以保證用戶界面（也就是視圖）和模型部分的同步。用戶在視圖中的任何輸入都由控制部分傳送給模型進(jìn)行處理，反之亦然。對于Solaris虛擬機(jī)管理系統(tǒng)來說，控制部分包括云計算管理平臺和Server端的消息處理相關(guān)的多個模塊。

（3）模型：保存著系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)和邏輯，這些數(shù)據(jù)能夠由視圖來展示，由控制器來控制，可是這兩者都不負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的保存。模型部分的運作獨立于視圖和控制器，以此來保證數(shù)據(jù)的一致性和降低管理數(shù)據(jù)的復(fù)雜度。模型部分包括了Agent端、數(shù)據(jù)庫以及Server端的命令處理模塊、數(shù)據(jù)庫模塊等。

3　系統(tǒng)展示

目前，本系統(tǒng)已經(jīng)在國內(nèi)某大型電信商部署完成，圖3顯示了系統(tǒng)的部署情況。在綜合考慮了運營商機(jī)房的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之后，本系統(tǒng)采用了分布式的部署方法：運營商的總公司和子公司都部署一個管理服務(wù)器，總公司通過某種策略自動完成公司總部和各子公司的數(shù)據(jù)同步。管理服務(wù)器的作用相當(dāng)于系統(tǒng)設(shè)計方案中的Server端，它以子公司為單位，對公司內(nèi)所有的Solaris小型機(jī)進(jìn)行管理，并將Solaris中虛擬機(jī)的所有服務(wù)進(jìn)行打包，然后通過VPN或者Internet發(fā)布出去。系統(tǒng)用戶可以通過VPN或者Internet來訪問管理服務(wù)器，從而獲得這些資源。

圖3　系統(tǒng)部署架構(gòu)圖

（1）創(chuàng)建虛擬機(jī)。為了創(chuàng)建虛擬機(jī)，用戶需要在自服務(wù)門戶網(wǎng)站上登錄，然后在網(wǎng)站上找到創(chuàng)建虛擬機(jī)服務(wù)的按鈕，進(jìn)入創(chuàng)建虛擬機(jī)頁面，如圖4所示。用戶需要填寫的內(nèi)容有：服務(wù)名稱、資源域、申請時長、申請數(shù)量和描述等。其中所選擇的服務(wù)是由云計算管理平臺根據(jù)特定服務(wù)模板生成。在服務(wù)模板中，已經(jīng)規(guī)定了虛擬機(jī)所需要的CPU數(shù)量、內(nèi)存大小、磁盤大小、網(wǎng)絡(luò)IP等內(nèi)容。為了方便用戶使用，在用戶創(chuàng)建虛擬機(jī)的時候，這些模板的參數(shù)已經(jīng)作為默認(rèn)參數(shù)輸入到系統(tǒng)中。用戶填寫完上述內(nèi)容之后，點擊“立即申請”按鈕即可完成虛擬機(jī)的創(chuàng)建。

圖4創(chuàng)建虛擬機(jī)

圖5顯示了用戶已經(jīng)創(chuàng)建好的虛擬機(jī)，即圖中列表的第2行。服務(wù)狀態(tài)顯示可用，意味著虛擬機(jī)已經(jīng)就緒，可以使用。

圖5　創(chuàng)建好的虛擬機(jī)

（2）啟動虛擬機(jī)的實現(xiàn)。啟動虛擬機(jī)的操作適用于虛擬機(jī)已經(jīng)關(guān)機(jī)的情況下。如圖6所示，用戶只需要點擊“操作”一欄中的按鈕即可啟動虛擬機(jī)。

圖6　啟動虛擬機(jī)

（3）停止虛擬機(jī)的實現(xiàn)。停止虛擬機(jī)適用于虛擬機(jī)正在運行的情況下。用戶可以參看虛擬機(jī)的“狀態(tài)”一欄，如果顯示“運行中”，那么用戶就可以點擊“操作”一欄中的“停止”按鈕，即可停止虛擬機(jī)，如圖7所示。

圖7　停止虛擬機(jī)

（4）重啟虛擬機(jī)的實現(xiàn)。重啟虛擬機(jī)適用于虛擬機(jī)正在運行的情況下。用戶可以參看虛擬機(jī)的“狀態(tài)”一欄，如果顯示“運行中”，那么用戶就可以點擊“操作”一欄中的“重啟”按鈕，即可重啟虛擬機(jī)，如圖8所示。

圖8　重啟虛擬機(jī)

（5）刪除虛擬機(jī)的實現(xiàn)。刪除虛擬機(jī)適用于虛擬機(jī)正在使用的情況下。用戶可以參看虛擬機(jī)的“服務(wù)狀態(tài)”一欄，如果顯示“可用”，那么用戶就可以點擊“操作”一欄中的“刪除”按鈕，即可刪除虛擬機(jī)，如圖9所示。

圖9　刪除虛擬機(jī)

4　結(jié)語

本項目的目標(biāo)是開發(fā)一個基于Solaris的虛擬機(jī)管理平臺。本文圍繞這個目標(biāo)，需要解決兩個問題，即避免節(jié)點脆弱性和低可擴(kuò)展性。通過使用代理模式，本項目避免了無代理模式固有的節(jié)點脆弱性與可擴(kuò)展性低的問題，從而提高了系統(tǒng)的健壯性與可擴(kuò)展性。從系統(tǒng)開發(fā)完成后的部署情況，以及交付之后針對用戶的需求所做的升級和擴(kuò)展情況來看，本項目完全達(dá)到了原先的目標(biāo)和用戶的要求。

［1］黃志寶.基于虛擬化的容災(zāi)業(yè)務(wù)自動部署和自動遷移研究與實現(xiàn)［D］.長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.

［2］張雅彬，李伯虎，柴旭東，等.基于虛擬化技術(shù)的云仿真資源遷移技術(shù)研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2011，23（6）：1268-1272.

［3］王昊鵬，劉旺盛.虛擬化技術(shù)在云計算中的應(yīng)用初探［J］.電腦知識與技術(shù)，2008（9）：1554.

［4］金海，廖小飛.面向計算系統(tǒng)的虛擬化技術(shù)［J］.中國基礎(chǔ)科學(xué)，2008，10（6）：12-18.

［5］張建勛，古志民，鄭超.云計算研究進(jìn)展綜述［J］.計算機(jī)應(yīng)用研究，2010，27（2）：429-433.

［6］施慶.基于VMware vSphere的高校數(shù)據(jù)中心虛擬化建設(shè)研究［D］.上海：復(fù)旦大學(xué)，2012.

【責(zé)任編輯：王桂珍foshanwgzh@163.com】

Design and implementation of virtual machine management platform based on Solaris

WUShi-yang

（Information and Educational TechnologyCenter，F(xiàn)oshan University，F(xiàn)oshan 528000，China）

This paper designed and implemented a management platform for virtual machines on Solaris.This system is used for managing the virtual machines Zone in Solaris Container.To achieve this goal，two problems need to be solved：increasing the robustness and the scalability.By using the virtualization technology Solaris Zone and the agent pattern，the project avoided the vulnerability and the lowscalability of the agentless pattern，soit increased the robustness and scalabilityofthe system.

Solaris；zone；virtual machine；management platform

TP302

A

1008-0171（2016）04-0023-07

2016-01-15

廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才資助項目（2015KQNCX179）

伍世楊（1987-），男，廣東肇慶人，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院助教。