虛擬化技術(shù)在智慧校園云服務(wù)平臺IaaS層中的應(yīng)用

拜亞萌 張燕玲

智慧校園信息服務(wù)平臺采用云計(jì)算三層服務(wù)架構(gòu)作為基礎(chǔ)，其中，IaaS基礎(chǔ)層主要通過云計(jì)算技術(shù)將現(xiàn)有的異構(gòu)系統(tǒng)、硬件資源、分散的數(shù)據(jù)資源進(jìn)行虛擬化處理，搭建數(shù)據(jù)存儲和計(jì)算集群，并利用云計(jì)算集群對作業(yè)執(zhí)行的資源調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化處理，整合成不同類型的虛擬資源池，為上層提供分布式數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)計(jì)算的PaaS支撐服務(wù)，同時(shí)為上層應(yīng)用系統(tǒng)提供必要的運(yùn)行環(huán)境和開發(fā)環(huán)境。

1.智慧校園云計(jì)算平臺總體架構(gòu)

對整個(gè)智慧校園信息服務(wù)平臺進(jìn)行總體層次架構(gòu)設(shè)計(jì)，自上而下分為用戶展示層、軟件應(yīng)用層、支持層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)層，其體系架構(gòu)如圖1所示。其中，軟件應(yīng)用層是SaaS服務(wù)的主要實(shí)現(xiàn)層，用戶展示層、支持層以及數(shù)據(jù)層則是PaaS服務(wù)的主要實(shí)現(xiàn)層，而基礎(chǔ)層則是IaaS服務(wù)的主要實(shí)現(xiàn)層。通過各層之間相互協(xié)作，不僅為智慧校園提供了基于云計(jì)算的信息服務(wù)支撐平臺，而且確保了不同用戶可以采用不同終端對服務(wù)平臺進(jìn)行統(tǒng)一信息訪問和一站式信息訪問，同時(shí)確保了不同應(yīng)用和教育資源的數(shù)據(jù)統(tǒng)一和數(shù)據(jù)共享。

圖1 基于云計(jì)算的智慧校園總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

其中，基礎(chǔ)層是云計(jì)算服務(wù)模式中IaaS服務(wù)的主要實(shí)現(xiàn)層，基礎(chǔ)層主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：系統(tǒng)軟件、網(wǎng)絡(luò)管理以及云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施管理。其中，系統(tǒng)軟件、網(wǎng)絡(luò)管理主要是對操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、中間件管理系統(tǒng)、云管理系統(tǒng)、虛擬專用網(wǎng)絡(luò)、入侵檢測系統(tǒng)等進(jìn)行部署；云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施主要采用虛擬化技術(shù)，負(fù)責(zé)組織大量硬件資源形成虛擬資源池，并對各種資源池，如虛擬服務(wù)器資源池、虛擬網(wǎng)絡(luò)資源池等虛擬資源進(jìn)行管理，同時(shí)對虛擬資源的調(diào)度進(jìn)行算法優(yōu)化和配置，從而更好地為上層應(yīng)用提供透明的IaaS服務(wù)。

2.基于虛擬化技術(shù)的IaaS層設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

智慧校園信息服務(wù)平臺IaaS層是云計(jì)算支撐平臺的基礎(chǔ)，主要負(fù)責(zé)將校園內(nèi)的存儲資源、服務(wù)器資源、網(wǎng)絡(luò)資源等硬件或軟件資源進(jìn)行整合，利用虛擬化技術(shù)將各種資源形成虛擬資源池，為上層應(yīng)用提供必要的資源服務(wù)。虛擬化技術(shù)不僅提高了各種資源的利用率，而且對各種資源進(jìn)行了集中式管理，提高了系統(tǒng)的工作效率。圖2是基于虛擬化技術(shù)的智慧校園信息服務(wù)平臺IaaS層總體架構(gòu)圖。

圖2 基于虛擬化的智慧校園信息服務(wù)平臺IaaS層架構(gòu)圖

通過虛擬化技術(shù)，可以將一臺服務(wù)器變成若干臺虛擬服務(wù)器，并對處理器、內(nèi)存、I/O等資源進(jìn)行虛擬化處理，可創(chuàng)建出虛擬Web服務(wù)器、虛擬FTP服務(wù)器、虛擬郵件服務(wù)器等不同的服務(wù)器計(jì)算集群。虛擬化技術(shù)有效地將各種計(jì)算資源進(jìn)行分布式部署，不僅滿足了智慧校園的各類系統(tǒng)對計(jì)算資源的需求，而且還對各種分散的資源進(jìn)行了充分利用。

下面分別對服務(wù)器虛擬化方案、網(wǎng)絡(luò)虛擬化方案以及存儲虛擬化方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2.1 服務(wù)器虛擬化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

目前大多數(shù)高校所選用的服務(wù)器都是由微機(jī)服務(wù)器或小型服務(wù)器組成，其中，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器大多是Microsoft Server SQL、Oracle等中性關(guān)系型數(shù)據(jù)庫組成，Web服務(wù)器也都集中在Microsoft IIS、Apache Tomcat等產(chǎn)品。利用虛擬技術(shù)，對服務(wù)器進(jìn)行虛擬化處理，確保所產(chǎn)生的各種虛擬服務(wù)器具有物理服務(wù)器同樣的計(jì)算性能和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載能力。

服務(wù)器虛擬化創(chuàng)建流程如圖3所示，主要分為虛擬服務(wù)器創(chuàng)建流程和部署流程兩個(gè)方面。其中，虛擬服務(wù)器創(chuàng)建流程主要分為創(chuàng)建基礎(chǔ)虛擬鏡像、創(chuàng)建虛擬器件鏡像、發(fā)布虛擬器件鏡像、遷移到虛擬化環(huán)境等四個(gè)核心配置過程；虛擬服務(wù)器部署流程則分為規(guī)劃部署環(huán)境、部署虛擬器件、激活虛擬器件等多個(gè)核心配置過程。

圖3 虛擬服務(wù)器創(chuàng)建及配置流程

（1）虛擬服務(wù)器創(chuàng)建步驟。創(chuàng)建基礎(chǔ)虛擬鏡像是整個(gè)流程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，該過程主要包括創(chuàng)建虛擬機(jī)、安裝操作系統(tǒng)、保存配置等三個(gè)配置環(huán)節(jié)；創(chuàng)建虛擬器件鏡像則主要完成中間以及基本應(yīng)用軟件的安裝和配置；發(fā)布虛擬器件鏡像則根據(jù)OVF國際標(biāo)準(zhǔn)，利用虛擬化軟件直接服務(wù)器虛擬化配置信息的發(fā)布和服務(wù)器部署；遷移到虛擬化環(huán)境則通過P2V技術(shù)，將物理服務(wù)器整體性地遷移到虛擬環(huán)境中，圖4描述了P2V虛擬化遷移流程圖。

圖4 P2V虛擬化遷移示意圖

（2）虛擬服務(wù)器部署流程。規(guī)劃部署環(huán)境是虛擬服務(wù)器部署流程的基礎(chǔ)和前提，要根據(jù)智慧校園規(guī)劃體系中對各種服務(wù)器資源的總體規(guī)劃，選擇相應(yīng)的虛擬化平臺；部署虛擬器件是虛擬服務(wù)器部署的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，主要完成虛擬器件向虛擬機(jī)的轉(zhuǎn)變；當(dāng)虛擬器件成功部署到虛擬機(jī)上，最后通過讀取OVF配置文件，來完成虛擬器件的配置，最終完成定制軟件虛擬機(jī)的部署。

綜上所述，并根據(jù)實(shí)際需求，本系統(tǒng)選用VMware Infrastructure 3實(shí)現(xiàn)在兩臺應(yīng)用服務(wù)器上虛擬出多臺服務(wù)器。

2.2 網(wǎng)絡(luò)虛擬化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文通過虛擬交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的虛擬化創(chuàng)建過程，其虛擬交換實(shí)現(xiàn)過程如圖5所示。虛擬交換技術(shù)通過構(gòu)建虛擬交換層來完成虛擬化平臺與物理網(wǎng)卡之間的相互通信，虛擬交換層可以創(chuàng)建不同的虛擬接口，通過該虛擬接口，實(shí)現(xiàn)虛擬服務(wù)器與外界的通信，從而解決服務(wù)器虛擬化所帶來的網(wǎng)絡(luò)需求。

對于大多數(shù)高校而言，智慧校園的虛擬化服務(wù)器創(chuàng)建相對處于初期建設(shè)水平，所需的虛擬服務(wù)器數(shù)量不多，因此，本文采用基于軟件的虛擬交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化的創(chuàng)建和配置?；谲浖奶摂M交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程簡單，配置過程快捷，通過專業(yè)的虛擬化軟件即可完成網(wǎng)絡(luò)虛擬化交換。

綜上所示，本系統(tǒng)采用專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)虛擬化管理軟件-Cisco Nexus 1000V實(shí)現(xiàn)對虛擬服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)支撐，該虛擬交換軟件可適用于VMware環(huán)境，并可嵌入到VMware ESX基礎(chǔ)虛擬平臺中。

圖5 網(wǎng)絡(luò)虛擬化交換實(shí)現(xiàn)示意圖

2.3 存儲虛擬化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在智慧校園建設(shè)體系中，如何實(shí)現(xiàn)對不同部門、不同系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)的存儲，從而保證數(shù)據(jù)的集中管理，完成存儲資源的統(tǒng)一管理和調(diào)度。利用虛擬化技術(shù)，將分散的異構(gòu)存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯層面的集成整合，形成虛擬存儲資源池，可以有效地實(shí)現(xiàn)存儲資源的集中管理和統(tǒng)一調(diào)度。

本文采用基于存儲服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)存儲虛擬化方案進(jìn)行存儲虛擬化設(shè)計(jì)，其實(shí)現(xiàn)架構(gòu)如圖6所示。通過運(yùn)行服務(wù)器端的存儲虛擬化軟件，實(shí)現(xiàn)虛擬化存儲單元管理，并通過存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)SAN完成各種異構(gòu)存儲設(shè)備的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)集中存儲。該方案的優(yōu)勢在于部署簡單，通過專業(yè)的存儲虛擬化管理軟件即可完成分散數(shù)據(jù)的虛擬化存儲和管理。

圖6 基于存儲服務(wù)器的存儲虛擬化架構(gòu)圖

綜上所述，本系統(tǒng)選用IBM SAN Volume Controller（SVC）實(shí)現(xiàn)對虛擬服務(wù)器的存儲支撐，并提供實(shí)現(xiàn)存儲虛擬化解決方案。SVC可兼容異構(gòu)的存儲設(shè)備，可將校園環(huán)境的多個(gè)異構(gòu)存儲單元映射成相對獨(dú)立的存儲單元MDisk；而后再將獨(dú)立的存儲單元MDisk虛擬成一個(gè)統(tǒng)一的虛擬存儲池MDG；最后，根據(jù)預(yù)設(shè)的分配方案，將虛擬存儲池MDG劃分成多個(gè)相對獨(dú)立的虛擬邏輯存儲單元 Vdisk。

4 結(jié)束語

通過云計(jì)算三層服務(wù)架構(gòu)模型，為智慧校園提供統(tǒng)一的分布式存儲和計(jì)算平臺，并通過虛擬化技術(shù)，將現(xiàn)有的校園網(wǎng)內(nèi)的各類異構(gòu)硬件資源和軟件資源進(jìn)行了集中整合和服務(wù)集成，不僅提高了現(xiàn)有資源的利用率，更節(jié)約了建設(shè)成本。虛擬化技術(shù)在智慧校園云服務(wù)平臺中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了資源共享和數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，從而達(dá)到數(shù)字化校園的智慧型服務(wù)和信息化管理的目的。

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