虛擬化數(shù)字校園平臺(tái)研究

呂愛麗　葉小濤

摘要：針對(duì)高校數(shù)據(jù)中心建設(shè)中存在的資源利用率低，管理維護(hù)困難等問題，該文引入了虛擬化技術(shù)，論述了虛擬化技術(shù)及其分類，構(gòu)建了基于VMware Infrastructure的虛擬化數(shù)字校園平臺(tái)，介紹其功能設(shè)計(jì)、體系結(jié)構(gòu)、實(shí)施步驟等。有效地節(jié)約了服務(wù)器資源，降低了數(shù)據(jù)中心的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)成本。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；VMware；虛擬化

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）30-7012-02

隨著基于校園網(wǎng)的教學(xué)、科研和管理辦公等應(yīng)用系統(tǒng)的相繼建成和使用，校園網(wǎng)上運(yùn)行的應(yīng)用系統(tǒng)日益增長(zhǎng)?？焖僭鲩L(zhǎng)的應(yīng)用需要部署大量的服務(wù)器和存儲(chǔ)資源作為硬件支撐平臺(tái)。如何保證各種應(yīng)用服務(wù)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，如何最大化利用硬件平臺(tái)的所有資源、降低資源管理的難度，建立統(tǒng)一、綠色的數(shù)據(jù)中心是我們目前急需解決的問題。虛擬化技術(shù)是推動(dòng)數(shù)據(jù)中心綠色應(yīng)用的重要標(biāo)志。虛擬化技術(shù)需要解決如下問題：1）通過硬件分割，實(shí)現(xiàn)多程序可共享。2）使軟件在多OS之間可移植。3）原有應(yīng)用系統(tǒng)可正常運(yùn)行于新環(huán)境中。

本文采用VMware Infrastructure 虛擬化方案，輔以成熟的、主流的、符合未來發(fā)展趨勢(shì)的技術(shù)建立一個(gè)全校統(tǒng)一的虛擬化服務(wù)計(jì)算平臺(tái)，將所有資源整合為一個(gè)統(tǒng)一的、可度量的整體資源池，并精確劃分資源可分配單位，按一定的策略和原則對(duì)資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配。

1 虛擬化技術(shù)介紹

虛擬化[1]是指對(duì)物理資源的邏輯表示（而非簡(jiǎn)單的抽象），通常是將一組物理資源虛擬為多組邏輯資源，或者將多組物理資源虛擬為一組邏輯資源。虛擬化可以分為服務(wù)器虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等。

1.1 服務(wù)器虛擬化技術(shù)

所謂服務(wù)器虛擬化是指將來自服務(wù)器的各種資源進(jìn)行抽象，不再受限于物理界限，將多臺(tái)物理服務(wù)器變?yōu)橐慌_(tái)邏輯服務(wù)器，從而使內(nèi)存、CPU、磁盤等硬件設(shè)備成為動(dòng)態(tài)管理的對(duì)象，完成相應(yīng)的功能，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器的邏輯整合[2]。

1.2 存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)

存儲(chǔ)虛擬化[3]是將底層物理設(shè)備映射成一個(gè)邏輯整體，屏蔽底層設(shè)備的物理異構(gòu)，應(yīng)用服務(wù)器面對(duì)的只是一個(gè)映射好的單獨(dú)存儲(chǔ)卷，用戶無需關(guān)心存儲(chǔ)陣列分配空間、處理數(shù)據(jù)的方式，只需對(duì)虛擬存儲(chǔ)卷進(jìn)行統(tǒng)一管理即可。

本文采用網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)虛擬技術(shù)，通過在原存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中增加虛擬管理服務(wù)器平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)中間件等軟硬件設(shè)備，把各種應(yīng)用系統(tǒng)和物理存儲(chǔ)進(jìn)行隔離，將物理異構(gòu)的設(shè)備和存儲(chǔ)資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，并按需劃分大小不同的虛卷，將這些虛卷按一定的讀寫授權(quán)分配給存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上的各種應(yīng)用服務(wù)器。

2 虛擬化數(shù)字校園平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 虛擬化數(shù)字校園平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)

針對(duì)我校目前信息化現(xiàn)狀，采用虛擬化技術(shù)對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)和存儲(chǔ)資源進(jìn)行整合，建立虛擬化平臺(tái)，構(gòu)建云數(shù)據(jù)中心，提高資源利用率，實(shí)現(xiàn)硬件及應(yīng)用系統(tǒng)的高可用性和高業(yè)務(wù)連續(xù)性。虛擬化數(shù)字校園平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1） 虛擬化硬件平臺(tái)。主要包括ESX運(yùn)行服務(wù)器、校園網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)虛擬數(shù)字平臺(tái)的硬件基礎(chǔ)。

在虛擬化架構(gòu)設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵一點(diǎn)是存儲(chǔ)規(guī)劃。該文采用光纖交換機(jī)將多臺(tái)物理存儲(chǔ)連接構(gòu)成SAN存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，配置存儲(chǔ)虛擬化軟件，將物理存儲(chǔ)虛擬成一個(gè)統(tǒng)一的存儲(chǔ)池，提供給服務(wù)器虛擬化平臺(tái)，按需分配存儲(chǔ)空間。

2） 虛擬化管理監(jiān)控平臺(tái)。主要包括ESX Server，VCMS， VI API等，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理主機(jī)和虛擬機(jī)資源的監(jiān)控、配置和管理。三臺(tái)物理服務(wù)器安裝ESX Server運(yùn)行虛擬機(jī)，虛擬機(jī)文件通過FC SAN、iSCSI SAN或NAS方式存儲(chǔ)在共享存儲(chǔ)中，ESX Server采用多路徑來維持和共享存儲(chǔ)的持續(xù)連接。VCMS提供對(duì)物理主機(jī)和虛擬機(jī)資源的基本配置、管理，它們是實(shí)現(xiàn)虛擬化數(shù)字平臺(tái)的軟件基礎(chǔ)。

3） 虛擬化服務(wù)平臺(tái)。面向用戶提供各個(gè)虛擬的應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化校園各項(xiàng)信息應(yīng)用服務(wù)。

2.2 功能介紹

1） 每臺(tái)VM的vCPU可達(dá)到64個(gè)vCPU，內(nèi)存可達(dá)1TB，可以支持64TB的存儲(chǔ)容量；

2） 每臺(tái)虛擬化服務(wù)器可建512個(gè)VM，可以內(nèi)建分布式虛擬交換機(jī)vSwitch（vDS），每個(gè)vDS可以管理到500臺(tái)虛擬主機(jī)；單臺(tái)服務(wù)器的vMotion并發(fā)數(shù)量可以達(dá)到8個(gè)以上；

3） 數(shù)據(jù)采用實(shí)時(shí)復(fù)制機(jī)制，提供無損停機(jī)恢復(fù)，支持全自動(dòng)故障切換和恢復(fù)，也支持手工發(fā)起切換任務(wù)。支持HA功能，支持在線的VM遷移功能；

4） 具有合理的內(nèi)存調(diào)度機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)存的過量使用，提高內(nèi)存資源利用率；支持動(dòng)態(tài)資源分配功能，可實(shí)現(xiàn)VM所擁有的資源自動(dòng)進(jìn)行再分配，保障業(yè)務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)水平；

5） 每個(gè)虛擬機(jī)可以支持虛擬多路CPU（vSMP）技術(shù)，以滿足高負(fù)載應(yīng)用環(huán)境的要求；具有整合備份功能，能夠利用重復(fù)刪除技術(shù)對(duì)VM進(jìn)行快速備份（全備份或增量備份）和恢復(fù)；同時(shí)提供備份接口，能夠與第三方備份軟件無縫兼容；

6） 具有共享數(shù)據(jù)文件系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)調(diào)整邏輯卷，可以對(duì)異構(gòu)邏輯卷進(jìn)行聚合，并實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)容量的在線增長(zhǎng)；

7） 具有存儲(chǔ)精簡(jiǎn)配置能力，降低存儲(chǔ)要求；支持在線存儲(chǔ)遷移功能，依據(jù)存儲(chǔ)卷容量及性能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)遷移。

2.3 實(shí)施步驟和內(nèi)容

1） 評(píng)估：對(duì)我校應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行評(píng)估、分析，確定虛擬化實(shí)施范圍和最終目標(biāo)，進(jìn)行虛擬化可行性分析（包括硬件環(huán)境是否滿足，是否需要重新購置新機(jī)器；應(yīng)用系統(tǒng)能否滿足虛擬化條件，校園網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)設(shè)備是否滿足虛擬化要求等）。

2） 規(guī)劃：①容量規(guī)劃：虛擬化平臺(tái)由4臺(tái)物理服務(wù)器（4路8核）和Vmare虛擬化軟件組成，可以虛擬50臺(tái)左右虛擬機(jī)；②存儲(chǔ)規(guī)劃：虛擬機(jī)需要存儲(chǔ)的文件數(shù)量及所占用的存儲(chǔ)空間。主存儲(chǔ)采用異地雙存儲(chǔ)策略（雙活或鏡像），存儲(chǔ)容量設(shè)計(jì)為20TB，每個(gè)磁盤陣列采用RAID5+1方式，數(shù)據(jù)備份策略采用異地容災(zāi)備份策略；③網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃：服務(wù)器網(wǎng)卡數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)冗余線路、虛擬化網(wǎng)絡(luò)策略。主機(jī)與存儲(chǔ)之間數(shù)據(jù)交換采用雙SAN存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)；④應(yīng)用規(guī)劃：依據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的OS、服務(wù)水平劃分等級(jí)，整合現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)。計(jì)劃在虛擬化平臺(tái)部署迎新、教務(wù)、學(xué)工管理、圖書借閱、一卡通、離校、就業(yè)、校友管理及人事、教學(xué)、科研、財(cái)務(wù)、資產(chǎn)、OA等校園信息化應(yīng)用；⑤擴(kuò)容規(guī)劃：考慮CPU的兼容性以及應(yīng)用平滑過渡的方案。

3） 實(shí)施：安裝VMware組件，配置網(wǎng)絡(luò)、安全策略、帶寬限制等，完成存儲(chǔ)規(guī)劃，建立分區(qū)，設(shè)置防火墻，遷移應(yīng)用系統(tǒng)。

4） 運(yùn)行維護(hù)：監(jiān)控虛擬機(jī)，管理虛擬化架構(gòu)并進(jìn)行優(yōu)化。

2.4 虛擬化成果

目前，高校數(shù)據(jù)中心存在服務(wù)器資源利用率低，平均在10%～15%左右；系統(tǒng)管理復(fù)雜，維護(hù)管理水平低；安全控制與數(shù)據(jù)備份困難等問題。將虛擬化技術(shù)應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心后，能有效解決以上問題。虛擬化數(shù)字校園平臺(tái)運(yùn)行結(jié)果證明，虛擬化技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1） 最大化服務(wù)器利用率并降低采購數(shù)量，服務(wù)器利用率達(dá)到70%左右。

2） 改善資源分配，提高資源利用率。虛擬化技術(shù)可以按照不同業(yè)務(wù)所需資源的不同，動(dòng)態(tài)地對(duì)物理服務(wù)器進(jìn)行虛擬分區(qū)，提高了服務(wù)器的利用率，也使得資源分配更加合理。

3） 提高了管理效率和安全性。利用虛擬化工具對(duì)各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、動(dòng)態(tài)遷移、災(zāi)難預(yù)警和計(jì)劃備份等，極大地提高了管理效率，系統(tǒng)的可用性和數(shù)據(jù)的安全性也得到了提升。

3 結(jié)束語

通過建立虛擬化平臺(tái)可以打破原有的“一臺(tái)服務(wù)器一個(gè)應(yīng)用程序”模式，一臺(tái)物理服務(wù)器可以靈活部署多個(gè)不同操作系統(tǒng)下的應(yīng)用，這樣提高資源的利用率；由于虛擬平臺(tái)可以在不中斷服務(wù)的情況下進(jìn)行安全備份和整個(gè)虛擬環(huán)境遷移，這樣可以提高硬

件和應(yīng)用程序的可用性及業(yè)務(wù)連續(xù)性，同時(shí)還可消除計(jì)劃內(nèi)停機(jī)，并可從計(jì)劃外故障中立即恢復(fù)；此外由于服務(wù)器及相關(guān) IT 硬件減少，因而管理人員的維護(hù)工作量、減少了占地空間、節(jié)約了能耗。

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