基于云計算的虛擬計算平臺的研究與構建

摘要：云計算是在網(wǎng)格計算基礎上提出的一種新型的計算模式，是下一代網(wǎng)絡計算平臺的核心技術。該文介紹了云計算的基本概念，借鑒了云計算存儲與計算分離的思想，降低了計算機實驗室的建設和維護成本，提高了計算機資源的利用率，構建了虛擬計算平臺。

關鍵詞：云計算；虛擬；計算平臺

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）10-2319-03

1 概述

隨著我國高等教育的不斷發(fā)展，各高校用于計算機教學的實驗室引起人們的注意。高校計算機實驗室不僅承擔著學生的計算機實驗課程，也承擔著高校的科研任務，因此對于實驗室計算機的需求越來越高。為了滿足教學、科研需求，各高校每年都會購進一批高性能的計算機，淘汰一些年久老化的計算機，這樣往往會造成計算機硬件資源的浪費。另外，高校實驗室沒有教學、科研任務的時候，往往不對外開放，這樣資源的浪費，得不到合理的利用。對于實驗室的維護人員來說，檢查每臺計算機的性能，做好日常的維護工作，安裝各種操作系統(tǒng)以及應用軟件，以應對各種需求，無異于是越來越重。

針對這種現(xiàn)象，我們提出了在高校計算平臺的構建中采用云計算的計算模式。云計算的基本原理是用戶所需要的應用程序并不需要運行在用戶的個人電腦、手機等終端設備上，而是運行在互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模服務器集群中。用戶所處理的數(shù)據(jù)也并不存儲在本地，而是存儲在互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心里面[1]。

2 云計算概述

云計算是以虛擬化技術為基礎，以網(wǎng)絡為載體提供基礎架構、平臺、軟件等服務為形式，整合大規(guī)?？蓴U展的計算、存儲、數(shù)據(jù)、應用等分布式計算資源進行協(xié)同工作的超級計算模式[2]。云系統(tǒng)的后臺有大量的集群使用虛擬機的方式，通過高速的互聯(lián)網(wǎng)互連，組成大型的虛擬資源池。這些資源池可自主管理和配置，用數(shù)據(jù)冗余的方式保證虛擬資源的高可用性。并具有分布式存儲和計算、高擴展性、高可用性、用戶良好性等特征。[3]

3 虛擬計算平臺的總體架構及功能劃分

3.1 虛擬計算機平臺的體系結構

基于云計算的高校虛擬計算平臺體系結構如圖1所示。

基于云計算的虛擬計算平臺提供了強大的資源整合功能，其技術平臺采用了多層的云計算體系結構。

平臺物理層主要是底層硬件設備，包括物理計算機，服務器，數(shù)據(jù)庫，交換機等，提供計算，存儲，寬帶等服務，是所有功能的基礎。

平臺管理層主要提供了資源管理、安全管理和負載均衡管理的功能。資源管理主要是針對云計算中物理計算機資源的管理，包括資源狀態(tài)的監(jiān)控、資源的分配與回收、資源的更新、添加、維護與刪除等。安全管理主要包括用戶驗證、用戶權限管理（管理員和用戶）、訪問安全管理、網(wǎng)絡安全管理、數(shù)據(jù)中心安全管理等。負載均衡管理主要是針對實驗平臺各個資源節(jié)點上的負載均衡管理，主要包括：負載均衡管理、流量管理、用戶任務調度管理等。

平臺服務層主要是在物理計算機上安裝虛擬機以及虛擬機上的操作系統(tǒng)和實驗或可研有關的各種應用軟件。

客戶端主要應用在個人計算機或者實驗室計算機上，實現(xiàn)形式為硬件專用機終端或者登錄終端系統(tǒng)軟件等。

3.2 虛擬計算平臺的功能模塊劃分

整個虛擬計算平臺可以劃分為三個功能模塊：

1）用戶管理模塊：主要包括用戶注冊、身份認證、用戶信息管理、用戶權限管理；

2）任務管理模塊：包括用戶任務申請、資源申請、任務信息、任務反饋、虛擬計算機的添加、刪除、更新等操作；

3）集群監(jiān)測模塊：主要包括動態(tài)的顯示集群工作狀態(tài)、任務進度、物理計算機的負載情況。

4 虛擬計算平臺的具體實現(xiàn)

4.1 虛擬計算平臺的拓撲結構

如圖2所示為高校虛擬計算機實驗平臺的拓撲結構。主要分為兩部分：節(jié)點和用戶操作。節(jié)點有分為物理存儲節(jié)點，物理計算節(jié)點和管理機。

其中，物理存儲節(jié)點用于存儲用VMware WorkStation制作的虛擬機鏡像文件模板、用戶的FTP數(shù)據(jù)。

物理計算節(jié)點安裝了VMware WorkStation虛擬機，用來運行運行用戶申請的虛擬機系統(tǒng)，完成用戶的各項任務。

管理機則是作為網(wǎng)絡后臺、監(jiān)控計算節(jié)點的運行狀態(tài)、存儲數(shù)據(jù)庫而存在的。

4.2 虛擬計算機平臺的具體實現(xiàn)

在高校計虛擬計算平臺中，物理存儲節(jié)點上存儲不同的虛擬計算機鏡像文件，這些鏡像文件包括不同的操作系統(tǒng)以及在不同操作系統(tǒng)上安裝的不能軟件。當用戶提出申請?zhí)摂M機時，系統(tǒng)則根據(jù)物理計算機的負載情況進行分析，找到一個性能最優(yōu)的物理計算機，在它上面創(chuàng)建一臺新的虛擬計算機，以便于用戶的使用，如圖3所示。圖（a）中物理計算節(jié)點1創(chuàng)建了三臺虛擬計算機，虛擬計算機A（Linux/Redhat）、虛擬計算機B（Windows 2003）、虛擬計算機C（Windows XP）；物理計算節(jié)點2上創(chuàng)建了兩臺虛擬計算機，虛擬計算機D（Linux/Redhat）、虛擬計算機E（Windows 2003）。如果用戶再創(chuàng)建一臺新的虛擬計算機，則該系統(tǒng)會分析物理計算機1、2的負載情況，其中包括物理計算機的CPU利用率、內存使用情況、硬盤使用情況、物理計算機上創(chuàng)建的虛擬計算機的個數(shù)等，選擇系統(tǒng)性能最優(yōu)的物理計算節(jié)點2，，在物理計算節(jié)點2上創(chuàng)建虛擬計算機F，如圖（b）所示。當物理計算機的各項資源得到充分利用的時候，如果用戶再申請?zhí)摂M機的創(chuàng)建，則會進行等待，直到另一個用戶完成任務操作，釋放虛擬計算機資源，才會分配給該用戶，完成虛擬計算機的創(chuàng)建。

虛擬計算平臺實現(xiàn)的對高校計算機實驗室資源的合理分配和管理，可以充分提高計算機硬件和軟件資源使用效率以及充分發(fā)揮計算機系統(tǒng)的性能。用戶使用實驗室資源的時候，是通過終端系統(tǒng)（硬件或軟件）登陸到虛擬計算機上，而用戶具體登陸到哪臺物理計算機上，對用戶來說是透明的，即用戶是不知道的，如圖4所示。在某一時刻T，用戶A申請了兩臺虛擬計算機，分別是虛擬計算機A（Linux/Redhat）、虛擬計算機D（Linux/Redhat）。用戶B申請了三臺虛擬計算機虛擬計算機，虛擬計算機B（Windows 2003）、虛擬計算機C（Windows XP）、虛擬計算機F（Windows XP）。用戶C申請了一臺虛擬計算機E（Windows 2003）。虛擬計算機A、B、C創(chuàng)建在物理計算節(jié)點1上，虛擬計算機D、E、F創(chuàng)建在物理計算節(jié)點2上，而這些信息對于用戶來說是透明的。系統(tǒng)平臺根據(jù)用戶的需求和每臺物理計算機的負載情況以及資源的性能特點，為用戶進行資源的合理分配，以達到資源的利用最大化。

5 結束語

在高校虛擬計算平臺的構建中，借鑒云計算的存儲和計算相分離的思想，用戶數(shù)據(jù)存儲在存儲節(jié)點，計算則是在虛擬計算機上，能夠有效地解決高校實驗室物理計算機頻繁更新的問題。此外在學生申請?zhí)摂M計算機的時候，能夠能夠根據(jù)各自需求，在物理計算機上創(chuàng)建不同的虛擬計算機，不僅能夠滿足實驗和科研要求，同時也解決物理計算機維護工作量大的問題，方便了物理計算機的維護工作，減少資源的浪費，提高了物理計算機的硬件資源和軟件資源的使用率，充分發(fā)揮了物理計算機的性能，為高校實驗室計算機資源的合理分配、提高實驗室計算機資源的利用率提供了一個良好的解決方案。

參考文獻：

[1] 王萍，張際平.云計算與網(wǎng)絡學習[J].現(xiàn)代教育技術，2008（11）.

[2] 吳吉義，平玲娣，潘學增，等.云計算：從概念到平臺[J].計算機研究與發(fā)展，2009（11）.

[3] 陳全，鄧倩妮.云計算及關鍵技術[J].計算機應用，2009（11）.