云計(jì)算環(huán)境下高校數(shù)據(jù)中心的虛擬化研究與探索

姜軍平

摘要：近年來(lái)，云計(jì)算一躍成為當(dāng)前熱門課題，而數(shù)據(jù)中心提供商如何照使用者的服務(wù)層級(jí)協(xié)議（Service Level Agreement， SLA），用一個(gè)有效決策來(lái)分配數(shù)據(jù)中心（Data Center）儼然成為一個(gè)挑戰(zhàn)。當(dāng)然，在資源管理中的配置安排也必須降低用電量以提高數(shù)據(jù)中心提供商的利潤(rùn)。在此我們定義了一個(gè)Utility 函式，代表的是提供商的獲利滿意度。通過(guò)我們所提出的階層分析處理法（Analytical Hierarchical Process， AHP）來(lái)配置使用者到數(shù)據(jù)中心存取。本文將對(duì)云計(jì)算環(huán)境下高校數(shù)據(jù)中心的虛擬化進(jìn)行研究與探索。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；高校；數(shù)據(jù)中心；虛擬化

近年來(lái)，隨著科技技術(shù)的進(jìn)步與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，人們無(wú)論在任何地點(diǎn)和時(shí)間都可以連上網(wǎng)絡(luò)掌握時(shí)事。云計(jì)算（Cloud Computing）的分布式計(jì)算（Distributed Computing）概念更促使無(wú)論臺(tái)式計(jì)算機(jī)、筆記本電腦還是智能型手機(jī)都能享受強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。云計(jì)算不僅受到工業(yè)界的重視，也在學(xué)術(shù)界成為非常熱門的研究課題。

一、云計(jì)算環(huán)境的相關(guān)理論

（一）云的基礎(chǔ)特征

由于云計(jì)算的盛行，網(wǎng)絡(luò)上許多人開(kāi)始定義它的基礎(chǔ)特征的名詞，但也不符云本身的架構(gòu)，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）定義了以下的名詞，清楚界定云服務(wù)范本：

1.虛擬化功能：虛擬化是云計(jì)算的底層基礎(chǔ)技術(shù)，它將在實(shí)體的硬件資源上虛擬化出使用者需求的環(huán)境。通過(guò)虛擬化技術(shù)，我們可以達(dá)到資源配置最佳化。

2.高可靠度：云計(jì)算由數(shù)百和數(shù)千臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，當(dāng)使用者使用的計(jì)算機(jī)故障時(shí)，可由其他計(jì)算機(jī)做替換的動(dòng)作。

3.高擴(kuò)展和規(guī)模性：云計(jì)算是由眾多臺(tái)在各地的服務(wù)器所組成，因此可分擔(dān)單一臺(tái)計(jì)算機(jī)所不能承受的流量狀況，也可以隨時(shí)因應(yīng)需要，增添硬件設(shè)施，擴(kuò)充計(jì)算儲(chǔ)存的容量。

4.資源快速部署與彈性的部署：IaaS（Infrastructure as a Service）提供者依使用者的地點(diǎn)和使用量來(lái)分配資源，并且可快速提供、擴(kuò)展和釋放資源。

5.使用成本低：使用者需要時(shí)向云請(qǐng)求即可，不需要就釋放，不需要自己添購(gòu)與維護(hù)硬設(shè)備，因此不需要花費(fèi)高額費(fèi)用。

（二）云服務(wù)的模式

云的好處就是將現(xiàn)有資源整合，再將它提供給消費(fèi)者使用，使用者則依自己需求向不同供貨商求購(gòu)。

1.軟件即服務(wù)（Service as a Service）：通過(guò)因特網(wǎng)存取云的應(yīng)用程序，使用者只須用瀏覽器就能使用其應(yīng)用程序，并不需要掌握操作系統(tǒng)、軟件和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)。

2.平臺(tái)即服務(wù)（Platform as a Service）：它提供一個(gè)信息開(kāi)發(fā)人員平臺(tái)，讓使用者編寫(xiě)自己程序，在開(kāi)發(fā)環(huán)境上提供服務(wù)、工具、部署、維護(hù)開(kāi)發(fā)程序，使用者不需擔(dān)心平臺(tái)更新、維護(hù)等問(wèn)題。

3.基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)（Infrastructure as a Service）：IaaS 過(guò)去也被稱為硬件即服務(wù)（Hardware as a Service）。原因是過(guò)去都以硬件的基礎(chǔ)設(shè)施做為服務(wù)，并提供彈性化，現(xiàn)在可以用虛擬化運(yùn)作的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。IaaS 提供公用計(jì)算概念（Utility Computing） ，像儲(chǔ)存空間、CPU、網(wǎng)絡(luò)和虛擬機(jī)器（Virtual Machine）等及其他資源的租用服務(wù)，使用者不須擔(dān)心分享平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)流量或服務(wù)器內(nèi)存等問(wèn)題。

二、云計(jì)算環(huán)境下高校數(shù)據(jù)中心的構(gòu)建

云的發(fā)展非常迅速，越來(lái)越多應(yīng)用云產(chǎn)生，例如企業(yè)云、醫(yī)療云、教育云等。IaaS 服務(wù)提供商提供包括各種不同的實(shí)體及虛擬的硬設(shè)備作為服務(wù)，為提供服務(wù)給不同地域的使用者，云服務(wù)提供者如AmazonEC2等已開(kāi)始在建構(gòu)數(shù)據(jù)中心，因此，在可見(jiàn)的未來(lái)，全球數(shù)據(jù)中心的部署將成為勢(shì)不可擋的趨勢(shì)。

高校數(shù)據(jù)中心構(gòu)建的目標(biāo)如下：（1）拉近數(shù)據(jù)中心與使用者所在地點(diǎn)的距離，加速使用者存取速度。（2）分散風(fēng)險(xiǎn)。全球都有天然的天災(zāi)存在和發(fā)生，就如同一個(gè)籃子避免放太多雞蛋一樣，在不同區(qū)域建立數(shù)據(jù)中心可以分散風(fēng)險(xiǎn)。（3）實(shí)現(xiàn)數(shù)字化校園統(tǒng)一信息編碼，數(shù)字化校園建設(shè)內(nèi)容為實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一身份認(rèn)證，建立一個(gè)門戶，創(chuàng)建一套數(shù)據(jù)，而信息編碼的統(tǒng)一是基礎(chǔ)。（4）實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)新業(yè)務(wù)系統(tǒng)中只存儲(chǔ)部門私有數(shù)據(jù)，需要的公共數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)用共享數(shù)據(jù)中心發(fā)布的Web服務(wù)獲得，使新業(yè)務(wù)系統(tǒng)間不存在冗余數(shù)據(jù)。

云基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)已是新興的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。虛擬化（Virtualization）技術(shù)已逐漸成熟，我們通過(guò)虛擬化技術(shù)將單一個(gè)硬設(shè)備虛擬出多個(gè)虛擬機(jī)器（VM）來(lái)提供服務(wù)，使得資源的利用變得更有效率，例如IaaS 供應(yīng)者，依使用者需求而產(chǎn)生各式的硬件需要和操作系統(tǒng)的虛擬環(huán)境提供服務(wù)，一般常見(jiàn)的虛擬技術(shù)包括Hypervisor 和VMM（Virtual Machine Monitor）進(jìn)行控制及監(jiān)測(cè)虛擬機(jī)器的運(yùn)行操作。近年來(lái)，利用虛擬技術(shù)在資源分配上變得更有彈性而且擴(kuò)充性佳，當(dāng)使用者需要計(jì)算資源時(shí)，可依自己需求及消費(fèi)能力來(lái)選擇，并且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向IaaS 供貨商租用資源。提供商擁有自己的數(shù)據(jù)中心（Data Center） ，里面有大量資源可提供給消費(fèi)者使用，如Amazon EC2 就是很好的例子?，F(xiàn)今有許多開(kāi)放軟件可做部署VM的管理平臺(tái)，如Eucalyptus、OpenNebula等，都是常見(jiàn)的工具，它們可以動(dòng)態(tài)供應(yīng)和保留資源給不同的服務(wù)。Eucalyptus 采用Amazon EC2 的interface，通過(guò)cloud controller、cluster controller 和node controller 來(lái)負(fù)責(zé)資源安排和系統(tǒng)的計(jì)算以建置云計(jì)算平臺(tái)的架構(gòu)。OpenNebula 可以動(dòng)態(tài)布署虛擬機(jī)器在實(shí)體資源上，其最大特色是集中管理VM，使VM 工作量可以平衡。

三、云計(jì)算環(huán)境下高校數(shù)據(jù)中心的虛擬化

云計(jì)算服務(wù)器的整合可達(dá)到節(jié)省能源和硬件成本的支出，針對(duì)如何將實(shí)體機(jī)器內(nèi)容復(fù)制到虛擬化環(huán)境，必須去評(píng)估虛擬化本身的虛擬資源。當(dāng)虛擬機(jī)器的資源使用不受限制時(shí)，單一個(gè)要求可完全使用這臺(tái)實(shí)體機(jī)器的資源，會(huì)造成其他要求在同一臺(tái)實(shí)體機(jī)器上運(yùn)行的虛擬機(jī)器得不到任何資源，因此造成資源搶奪與耗費(fèi)。提供商為了監(jiān)控CPU、Memory、頻寬等計(jì)算能力的效能變化，利用MO-GA（Multi-Objective Genetic Algorithm）的方法監(jiān)控，根據(jù)資源使用率和電能耗費(fèi)的變化，減少虛擬機(jī)器的使用使其達(dá)到節(jié)能動(dòng)作。在負(fù)載平衡上，隨著IT 能源消耗量增加，云計(jì)算必須提升資源使用率，但因?yàn)闀r(shí)區(qū)（Time based）和地區(qū)上的不同，而有不同的資源使用效能。在尖峰時(shí)的需求高而資源使用也會(huì)隨時(shí)在滿載情況下，離峰時(shí)因?yàn)殚e置下的實(shí)體機(jī)器無(wú)使用而使得資源使用效能下降，造成資源浪費(fèi)和耗能過(guò)高。因此，我們必須估算使用者需求，并配合云虛擬化，在使用者和服務(wù)質(zhì)量做一個(gè)適合的決策評(píng)估，進(jìn)一步最佳化資源和能源耗損。

通過(guò)這一階段的基于云計(jì)算的虛擬化基礎(chǔ)平臺(tái)構(gòu)建，將極大地提高服務(wù)器整合的效率，大幅度簡(jiǎn)化服務(wù)器群管理的復(fù)雜性，提高整體系統(tǒng)的可用性，同時(shí)還可明顯地減少投資成本，實(shí)現(xiàn)“綠色”IT，具有很好的技術(shù)領(lǐng)先性和性價(jià)比。虛擬技術(shù)由于采用了將傳統(tǒng)服務(wù)器應(yīng)用程序環(huán)境封裝成可移動(dòng)的檔案文件的技術(shù)，很容易實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的連續(xù)不間斷運(yùn)行，針對(duì)應(yīng)用和訪問(wèn)量靈活部署，降低系統(tǒng)總成本。現(xiàn)有系統(tǒng)使用的服務(wù)器差異較大，且多為處理器、內(nèi)存少的服務(wù)器環(huán)境，不適宜作為虛擬化平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器組件，建議根據(jù)服務(wù)器設(shè)計(jì)推薦的服務(wù)器配置，購(gòu)買新服務(wù)器設(shè)備作為虛擬化計(jì)算資源池。

三、結(jié)論

高校的共享數(shù)據(jù)中心是收集、處理和存儲(chǔ)全校公共數(shù)據(jù)和部門間的交換數(shù)據(jù)，并為全校提供信息共享服務(wù)的平臺(tái)。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成和各個(gè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享，在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的同時(shí)有效地將數(shù)據(jù)管理起來(lái)，并提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)的手段，為系統(tǒng)集成和系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享提供平臺(tái)，保證數(shù)據(jù)的及時(shí)性、完整性和一致性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李雄，馮文健. 基于VMwarevSphere的高校數(shù)據(jù)中心虛擬化應(yīng)用[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù)，2017 .

[2]石云輝. 高校數(shù)據(jù)中心構(gòu)建虛擬化云平臺(tái)方案探討[J]. 黔南民族師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2017 .

[3]魯學(xué)亮，陳平. 高校數(shù)據(jù)中心IT基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與應(yīng)用研究[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù)，2017 .

[4]劉麗娟. 基于云計(jì)算的高校數(shù)據(jù)中心的研究與設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2017 .

[5]李勇，楊華芬. 基于vSphere的高校數(shù)據(jù)中心虛擬化構(gòu)建[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018.

編輯/岳鳳