基于虛擬化技術(shù)的分級(jí)資源分配策略研究

關(guān)慶娟　楊燕梅

摘要：虛擬化技術(shù)作為云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)之一受到廣泛關(guān)注和研究，對(duì)高校圖書館來(lái)說(shuō)，如何按需部署虛擬化環(huán)境并合理分配服務(wù)器硬件資源，顯得尤為重要。論文以新疆醫(yī)科大學(xué)圖書館為例，基于服務(wù)器虛擬化技術(shù)，提出符合圖書館實(shí)際應(yīng)用需求的三種分級(jí)資源分配策略，并對(duì)其進(jìn)行服務(wù)器資源利用率增益分析，為高校圖書館預(yù)先評(píng)估服務(wù)器資源利用率、按需分配服務(wù)器資源提供思路，為建設(shè)云計(jì)算環(huán)境下的數(shù)字圖書館提供高性價(jià)比的硬件基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；服務(wù)器虛擬化；資源利用率；數(shù)字圖書館

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）34-0186-03

Abstract： In recent years，virtualization has been widely concerned and studied，as a key technology of cloud computing，it is very important for university libraries to deploy the virtual environment and allocate the server hardware resources reasonably. This paper takes Xinjiang Medical University library as an example， proposes three hierarchical resource allocation strategies based on virtualization ， and server resource utilization ratio gain is analyzed. It provides an approach to evaluate the server resource utilization and hardware basis to Construct the Digital Library in the cloud computing for university libraries.

Key words： cloud computing； virtualization； resource utilization rate； digital library

服務(wù)器虛擬化技術(shù)[1]，是指多個(gè)操作系統(tǒng)在同一時(shí)間運(yùn)行在同一臺(tái)主機(jī)上，將服務(wù)器的硬件資源虛擬化成資源池（如CPU、內(nèi)存等），并以虛擬機(jī)的形式對(duì)外提供應(yīng)用服務(wù)的技術(shù)。服務(wù)器虛擬化技術(shù)主要包括硬件抽象層虛擬化、操作系統(tǒng)虛擬化、編程語(yǔ)言級(jí)虛擬化和ISA層虛擬化等技術(shù)[2]。目前主流的虛擬化軟件有VMWare、Citrix、Hyper-v等，相較于傳統(tǒng)服務(wù)器維護(hù)模式，這些虛擬化軟件在提高服務(wù)器利用率、降低服務(wù)器購(gòu)置數(shù)量、減少管理和維護(hù)成本、快速遷移故障服務(wù)器降低故障恢復(fù)時(shí)間等方面都表現(xiàn)出了其強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，文獻(xiàn)[3]從功能應(yīng)用的角度對(duì)主流虛擬化軟件進(jìn)行了比較，指出VMWare的相對(duì)優(yōu)勢(shì)。由于虛擬化技術(shù)的諸多好處，該技術(shù)引起了各高校的廣泛關(guān)注，并被積極應(yīng)用于各高校[4-6]，達(dá)到提高服務(wù)器資源利用率、降低購(gòu)置與維護(hù)成本的目的。

隨著云計(jì)算技術(shù)的興起，云計(jì)算逐步被應(yīng)用于高校數(shù)字圖書館成為必然[7-8]，而作為其關(guān)鍵技術(shù)的虛擬化技術(shù)，如果被提前合理地部署于高校圖書館，將為之后快速引入云計(jì)算提供良好的硬件基礎(chǔ)。因此，論文通過(guò)對(duì)服務(wù)器硬件資源利用情況進(jìn)行調(diào)研，提出三種分級(jí)資源分配策略，并對(duì)其進(jìn)行服務(wù)器資源利用率增益分析，以期預(yù)先評(píng)估和有效提高服務(wù)器資源利用率。

1 服務(wù)器硬件資源利用現(xiàn)狀分析

以新疆醫(yī)科大學(xué)圖書館為例，通過(guò)統(tǒng)計(jì)待安裝至VMware虛擬化服務(wù)器中的應(yīng)用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)資源平臺(tái)，并分析服務(wù)器硬件資源使用現(xiàn)狀，論文根據(jù)館內(nèi)實(shí)際應(yīng)用需求，提出了引入虛擬化技術(shù)時(shí)需要的服務(wù)器設(shè)備購(gòu)置方案。

1.1應(yīng)用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)資源平臺(tái)安裝需求分析

圖書館將在VMware虛擬化服務(wù)器上安裝31個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)資源平臺(tái)，具體信息見(jiàn)表1。待安裝的應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)以本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)資源平臺(tái)為主，共21個(gè)；OPAC系統(tǒng)、新生入館考試系統(tǒng)等應(yīng)用系統(tǒng)共10個(gè)。每個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)和資源平臺(tái)需要操作系統(tǒng)windows server 2003以上，服務(wù)器資源2個(gè)vcpu（虛擬處理器）和4GB內(nèi)存。因此，若要同時(shí)運(yùn)行31個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)，并保證發(fā)生故障時(shí)可在線遷移，則至少需要服務(wù)器資源128個(gè)vcpu和256GB內(nèi)存。另外，值得一提的是，服務(wù)器資源（vcpu和內(nèi)存）大小可隨實(shí)際需求修改，且因資源由虛擬服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，故各系統(tǒng)占用的總資源不得超過(guò)服務(wù)器總資源80%。

1.2 服務(wù)器硬件資源利用現(xiàn)狀

圖書館有2臺(tái)配置為4顆6核CPU、64GB內(nèi)存PowerEdge M910刀片服務(wù)器、1臺(tái)20TB的存儲(chǔ)，用于部署VMware虛擬化服務(wù)器。利用現(xiàn)有2臺(tái)服務(wù)器，不使用虛擬化技術(shù)時(shí)，每臺(tái)服務(wù)器安裝可以相兼容的系統(tǒng)平臺(tái)約4個(gè)，其服務(wù)器資源使用情況見(jiàn)表2所示，由表可知，服務(wù)器資源利用率低。同時(shí)，若保證31個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)同時(shí)運(yùn)行，則需要8個(gè)與前述配置相同的服務(wù)器，設(shè)備購(gòu)置成本高。此外，當(dāng)系統(tǒng)平臺(tái)發(fā)生故障，故障系統(tǒng)無(wú)法立即恢復(fù)運(yùn)行，故障恢復(fù)等待時(shí)間長(zhǎng)。

根據(jù)服務(wù)器資源需求和當(dāng)前服務(wù)器使用情況，為部署VMware虛擬化服務(wù)器，保證31個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)資源平臺(tái)和應(yīng)用系統(tǒng)投入使用，需將現(xiàn)有的2臺(tái)服務(wù)器內(nèi)存分別擴(kuò)容至256GB，并購(gòu)置2臺(tái)4顆6核CPU、256GB內(nèi)存的服務(wù)器或者1臺(tái)4顆8核CPU、256GB內(nèi)存的服務(wù)器。同時(shí)，配置獨(dú)立存儲(chǔ)，滿足虛擬化存儲(chǔ)需求和容災(zāi)備份需求。

2 基于虛擬化技術(shù)的分級(jí)資源分配策略

針對(duì)前述服務(wù)器資源利用現(xiàn)狀，利用購(gòu)置的服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備，論文以降低設(shè)備購(gòu)置成本、提高服務(wù)器資源利用率、加快故障恢復(fù)速度、降低管理維護(hù)難度、符合圖書館實(shí)際應(yīng)用等需求為目的，在最大化服務(wù)器資源利用率和最小化故障恢復(fù)時(shí)間之間折衷，提出了基于服務(wù)器虛擬化的分級(jí)資源分配策略，并對(duì)策略進(jìn)行服務(wù)器資源利用率增益分析。

2.1 虛擬化環(huán)境下資源分配面臨的問(wèn)題

2.2 分級(jí)資源分配策略

針對(duì)上述問(wèn)題，論文分析對(duì)比各系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)的影響范圍和重要性，并對(duì)其劃分重要性等級(jí)，重要系統(tǒng)為1級(jí)，一般系統(tǒng)為2級(jí)，按等級(jí)分級(jí)分配服務(wù)器資源，達(dá)到盡可能避免閑置資源、有效利用服務(wù)器資源的目的。根據(jù)館內(nèi)資源平臺(tái)實(shí)際，提供三種分配策略。

1） 策略一：在四臺(tái)四顆六核刀片服務(wù)器上，安裝部署VMware虛擬化服務(wù)器平臺(tái)，其中，服務(wù)器1和服務(wù)器3、服務(wù)器2和服務(wù)器4放置于同一個(gè)刀框。根據(jù)物理服務(wù)器配置，每個(gè)虛擬化服務(wù)器可以虛擬出15個(gè)操作系統(tǒng)，且每個(gè)虛擬操作系統(tǒng)分2個(gè)vcpu（vcpu，虛擬處理器）和4GB內(nèi)存資源。值得注意的是，每臺(tái)虛擬化服務(wù)器虛擬的操作系統(tǒng)數(shù)量由具體的vcpu和內(nèi)存等實(shí)際資源分配情況確定，論文以本館實(shí)際需求為準(zhǔn)。

若不采用分級(jí)策略，在四臺(tái)虛擬服務(wù)器上，為每個(gè)系統(tǒng)預(yù)留遷移所需資源，則4臺(tái)服務(wù)器的平均閑置資源利用率n=1/2。

2.3 服務(wù)器資源利用率增益分析

1） 非虛擬化和虛擬化的服務(wù)器資源利用率比較

根據(jù)館內(nèi)需求，若在四臺(tái)服務(wù)器上安裝31個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)每個(gè)系統(tǒng)占用資源（vcpu和內(nèi)存）相同，則非虛擬化時(shí)每臺(tái)服務(wù)器可使用的服務(wù)器資源僅為4個(gè)系統(tǒng)所占用資源，其他資源閑置，其4臺(tái)服務(wù)器總資源利用率僅為4×4/60=4/15。而采用虛擬化時(shí)，根據(jù)分級(jí)資源分配策略一，4臺(tái)服務(wù)器總資源率為1/2。由此可知，虛擬化的服務(wù)器資源利用率增益η=1/2-4/15=7/30。同時(shí)，采用非虛擬模式，即傳統(tǒng)服務(wù)器維護(hù)模式，并不能保證 “零”故障恢復(fù)時(shí)間，而虛擬化服務(wù)器可以通過(guò)犧牲部分服務(wù)器資源達(dá)到故障快速恢復(fù)的目的。

2） 非分級(jí)和分級(jí)策略的服務(wù)器資源利用率比較

根據(jù)館內(nèi)需求，若三臺(tái)服務(wù)器上安裝31個(gè)系統(tǒng)，采用非分級(jí)分配策略、分級(jí)分配策略二和分級(jí)分配策略三時(shí)的非閑置資源利用率比較見(jiàn)表3所示。從表中可見(jiàn)，分級(jí)分配策略的資源利用率較高于非分級(jí)分配策略。同時(shí)，這三種基于服務(wù)器虛擬化的合理分配策略，其服務(wù)器資源利用率又都高于非虛擬化的分配策略。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)新疆醫(yī)科大學(xué)圖書館實(shí)際應(yīng)用需求，論文提出了不同的分級(jí)資源分配策略，為類似規(guī)模的中小型高校圖書館提供一些應(yīng)用虛擬化技術(shù)的思路。論文中，三種分級(jí)資源分配策略的服務(wù)器總利用率雖然一致，但針對(duì)不同館的實(shí)際需求，采用的分配策略則各不相同，需要折衷考慮影響資源利用率和故障快速恢復(fù)時(shí)間等指標(biāo)，而影響這兩個(gè)指標(biāo)的因素包括不同型號(hào)的服務(wù)器可虛擬的虛擬處理器數(shù)不同、各系統(tǒng)的重要程度不同，各系統(tǒng)占用的服務(wù)器資源需求不同等。

參考文獻(xiàn)：

[1] Bort J. Server Virtualization：Controlling Server Spraul[J].IEEE Communications Magazine， 2003. 41（2）：126-133.

[2] 高翔.基于Ken的虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移算法優(yōu)化[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010：13-16.

[3] 吳乾清.基于Vmware的數(shù)字圖書館服務(wù)器虛擬化研究與應(yīng)用[D].中山大學(xué)，2010.

[4] 宋欣，黃文，馬駿濤，等.服務(wù)器虛擬化技術(shù)在圖書館業(yè)務(wù)整合中的應(yīng)用[J].中華醫(yī)學(xué)圖書情報(bào)雜志，2012，21（8）：70-72.

[5] 段春樂(lè).虛擬化技術(shù)在圖書館服務(wù)器整合中的應(yīng)用——以西安科技大學(xué)圖書館為例[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2014，24（7）：95-96.

[6] 王瑋，都平平.虛擬化技術(shù)在圖書館業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].情報(bào)探索，2014，（10）：74-78.

[7] Srivastava，J.P.Verma，V.K. Cloud computing in libraries：Its needs，applications issues and best practices[A].Emerging Trends and Technologies in Libraries and Information Services （ETTLIS）， 2015 4th International Symposium on.2015.

[8] 羅軍舟，金嘉暉，宋愛(ài)波，等.云計(jì)算：體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)[J].通信學(xué)報(bào)，2011，32（7）：3-21.