基于云計算的虛擬化實驗室設(shè)計與實現(xiàn)

賀建偉 樊成立

【摘 要】云計算將改變我們獲取計算資源、存儲資源、數(shù)據(jù)資源的方式，基于云計算IaaS構(gòu)建虛擬化實驗室是私有云的應(yīng)用。文中給出了一個私有云的創(chuàng)建案例?；谠朴嬎鉏aaS構(gòu)建虛擬化實驗室必須有一個好的管理系統(tǒng)，這個系統(tǒng)功能虛擬機鏡像管理、實驗方案管理、虛擬機管理、用戶管理等。構(gòu)建虛擬化實驗室要考慮資源的調(diào)度和分配，與傳統(tǒng)機房相比虛擬化實驗室具有節(jié)省經(jīng)費、方便管理、利用率高、開放性、方便實踐教學(xué)等特點，還能做一些在傳統(tǒng)機房不能開設(shè)實驗，有助于提升學(xué)生動手實踐和創(chuàng)新能力。

【關(guān)鍵詞】云計算；虛擬化；管理系統(tǒng)

一、引言

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的計算機實驗教學(xué)環(huán)境弊端多多，表現(xiàn)為：①實驗時間短暫且時間固定、地點固定，致使實驗現(xiàn)場操作環(huán)境無法保留，長周期、連續(xù)性實驗無法開展，昂貴服務(wù)器等資源經(jīng)常閑置。而學(xué)生大量空余時間又難以利用；②實驗室軟硬件配置固定，不能滿足層次化實驗教學(xué)模式要求，束縛了學(xué)生的創(chuàng)新意識，不利于創(chuàng)新人才培養(yǎng)；③高校辦學(xué)經(jīng)費有限，計算機等設(shè)備更新相對滯后，部分實驗因設(shè)備性能不足無法進行等等。為此構(gòu)建真正能實現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)開放的校園計算機實驗教學(xué)環(huán)境非常必要。

云計算依照提供方式分為三種：IaaS（提供基礎(chǔ)設(shè)施作為服務(wù)）、PaaS（提供平臺作為服務(wù)）、SaaS（提供軟件作為服務(wù)）。IaaS主要通過虛擬化技術(shù)，向用戶提供虛擬機。用戶可以在虛擬機中安裝軟件、進行各種操作，當然用戶也可以安裝自己希望的操作系統(tǒng)。云計算是計算與存儲技術(shù)的發(fā)展方向，它將改變我們使用計算機的方式。PaaS和SaaS將成為人們接受計算服務(wù)的主要方式，構(gòu)建基于云計算IaaS虛擬化實驗室（以下簡稱虛擬化實驗室）真正能夠解決全網(wǎng)絡(luò)開放的校園計算機實驗教學(xué)。

二、虛擬化實驗室優(yōu)勢

（1）節(jié)省經(jīng)費：虛擬機的硬件是從云端的資源池中獲取的，而云中的資源池通常被認為是“無限的”。當然，作為云基礎(chǔ)的硬件，也需要更新?lián)Q代，但是云的硬件通常是服務(wù)器級別的計算機，容易通過擴展提高性能，比普通PC淘汰的速度慢。

（2）管理更加方便：虛擬化實驗室的所有虛擬機都在云端，一般都有配套的管理軟件，在操作系統(tǒng)安裝、軟件部署、安全防范等方面都比傳統(tǒng)實驗室更加方便快捷有效，節(jié)省人力物力。

（3）開放性：傳統(tǒng)實驗室出于安全和工作安排，只在工作時間開放，虛擬化實驗室可以一年365天一天24小時開放。

（4）資源利用率更高：云中的資源是動態(tài)分配的?？梢园讶５馁Y源都集中一起管理，動態(tài)分配，按需分配，使資源分配合理，利用率提高。

（5）具有不可替代性：從長遠來看，PaaS和SaaS是云計算兩種主要方式，但在PaaS和SaaS沒有普及以前，IaaS將會優(yōu)先普及。而且，依賴于操作系統(tǒng)本身的課程學(xué)習(xí)，必須使用云計算IaaS方式構(gòu)建虛擬化實驗室。因此虛擬化實驗室具有不可替代性。

（6）高可靠性：“虛擬化”使用了數(shù)據(jù)多副本容錯、計算節(jié)點同構(gòu)可互換等措施來保障服務(wù)的高可靠性，使用虛擬化計算比使用本地計算機可靠。

三、虛擬化實驗室設(shè)計與實現(xiàn)

（一）虛擬化實驗室的基本架構(gòu)

建設(shè)虛擬化實驗室的主要思路是：建立私有云或者由服務(wù)商提供云，用戶通過云終端獲取云中的計算資源、存儲資源、數(shù)據(jù)資源等。云使用高性能硬件提供資源池，包括計算池、存儲池、網(wǎng)絡(luò)池、數(shù)據(jù)池等。使用虛擬化技術(shù)創(chuàng)建所需虛擬機，用戶通過云終端（通常是瀏覽器）遠程訪問虛擬機。虛擬機中能夠進行的操作和操作方式，與在真實計算機中進行操作是一樣的。虛擬化實驗室總體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 虛擬化實驗室總體架構(gòu)圖

其中虛擬化資源中心邏輯圖如圖2所示，最底層為硬件資源池，提供計算、存儲等資源。資源池上面是計算機群集和虛擬化工具，作用是調(diào)用資源池中的資源，創(chuàng)建虛擬機。常用服務(wù)器虛擬化軟件品牌有 VMWare、思杰、KVM、微軟（Hyper-V）等，VMWare 的 vSphere 相對比較成熟，可以安裝大多數(shù)操作系統(tǒng)。虛擬化軟件不同，調(diào)用硬件資源的方式也不同，有的直接調(diào)用硬件資源，有的要通過操作系統(tǒng)或虛擬軟件調(diào)用。因此這兩層的關(guān)系因為使用的虛擬化軟件不同而不同，我校使用的是免費的XenServer。虛擬化實驗室管理系統(tǒng)通過虛擬化工具實現(xiàn)對虛擬機的管理。另外虛擬化實驗室管理系統(tǒng)還要實現(xiàn)用戶管理、實驗方案管理、計費管理等，用戶最終通過局域網(wǎng)或Internet訪問云計算中心虛擬化實驗室管理系統(tǒng)，經(jīng)過認證后即可獲得IaaS服務(wù)。

圖2 虛擬化資源中心邏輯圖

（二）虛擬化實驗室云端硬件

虛擬化實驗室云端硬件主要由計算模塊、管理模塊、交換模塊和客戶端硬件等組成。

（1）計算模塊16套，標配（1×XEON 5560，4*4G， 2×1TSATA），最大可擴展到32G內(nèi)存，最大支持6塊硬盤。標配500W高效電源模塊，最大能支持150臺虛擬機環(huán)境。

（2）管理模塊1套，標配一個，可選另一個模塊，實現(xiàn)冗余，可實現(xiàn)共享KVM切換、開關(guān)機等全方位管理控制監(jiān)視功能；可選KVM Over IP功能模塊；

（3）交換模塊2套16口千兆交換機，可實現(xiàn)計算模塊的內(nèi)部高速互聯(lián)以及外部高速擴展

（4）客戶端硬件：不需要另外添置，使用淘汰的PC機即可。也可以使用瘦客戶機。

（三）虛擬化實驗室管理系統(tǒng)

虛擬化實驗室管理系統(tǒng)由以下模塊組成：群集管理模塊、虛擬機鏡像管理模塊、實驗方案管理模塊、虛擬機管理模塊、用戶管理模塊、虛擬網(wǎng)絡(luò)管理模塊、計費管理模塊、作業(yè)模塊、監(jiān)控模塊。

群集管理模塊的功能包括機柜的添加、刪除和查詢，物理機的添加刪除和查詢，虛擬機的遷移等。

虛擬機鏡像是創(chuàng)建虛擬機的模板，新建一個虛擬機就是從相應(yīng)的虛擬機鏡像復(fù)制出一個新的虛擬機文件。虛擬機鏡像管理模塊的功能包括：創(chuàng)建、修改、刪除和編輯虛擬機鏡像，設(shè)置虛擬機磁盤個數(shù)、大小，設(shè)置虛擬機使用的CPU個數(shù)（或核數(shù)）。

在諸如網(wǎng)絡(luò)服務(wù)一類課程的實驗中，每一個學(xué)生需要幾臺虛擬機才能完成實驗，其中的虛擬機操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)連接、磁盤數(shù)量等配置都可能不同。在一個實驗中所需求的所有虛擬機、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等，我們稱之為一個實驗方案。實驗方案管理模塊的功能包括：創(chuàng)建、編輯、刪除實驗方案，在創(chuàng)建實驗方案時要選擇虛擬機鏡像和數(shù)量、設(shè)置虛擬機的網(wǎng)絡(luò)連接、設(shè)置虛擬機的內(nèi)存大小。

根據(jù)一個實驗方案生成的一套虛擬機稱為一個實例。虛擬機管理模塊的功能包括：創(chuàng)建、編輯、刪除虛擬機實例等。創(chuàng)建虛擬機時要選擇實驗方案，根據(jù)實驗方案創(chuàng)建虛擬機，確定實例數(shù)量，選擇虛擬機的部署方式。虛擬機的部署方式有橫向和縱向兩種。橫向部署時虛擬機被平均部署在所有不同的物理機上，各個物理機負載比較均衡；縱向部署虛擬機時優(yōu)先部署在前面的物理機上，前面的物理機滿載后再部署在后面的物理機上。

用戶管理模塊：用戶分為4級用戶。1級用戶可以添加、刪除機柜、物理機；2級用戶可以添加、刪除虛擬機鏡像；3級用戶可以添加、刪除實驗方案，添加刪除4級用戶或批量導(dǎo)入4級用戶，創(chuàng)建虛擬機實例，為4級用戶分配虛擬機實例；4級用戶可以登錄分配給自己的各個虛擬機進行實驗操作。

虛擬機管理模塊可以添加、刪除虛擬網(wǎng)絡(luò)，計費管理模塊可以對用戶計時收費、強制關(guān)機等，作業(yè)模塊可以分發(fā)和提交作業(yè)，監(jiān)控模塊可以監(jiān)控學(xué)生進行的操作。

（四）云中資源的分配

一般認為，云中的資源是無限的。但作為私有云，硬件資源總是有限的，那么虛擬機的數(shù)量也是有限的。一般來說，要估算一臺虛擬機對資源的需求，必須結(jié)合虛擬機中運行的程序?qū)Y源的需求來考慮。虛擬機的用途不同，需要運行的程序也不同，對資源的需求也不同。但虛擬機中操作系統(tǒng)對資源的需求還是容易估算的，參考操作系統(tǒng)的硬件配置需求即可。需要注意的是，不同于PC機，云中的資源是動態(tài)分配的，所以要考慮整體資源的分配。創(chuàng)建虛擬機必須占用磁盤空間，開啟虛擬機必須要占用內(nèi)存，所以云中磁盤總量決定了可以創(chuàng)建的虛擬機的數(shù)量，云中的內(nèi)存總量決定了可以同時開啟的虛擬機數(shù)量。虛擬軟件Hyper-V具有差異磁盤功能，VMware具有連接克隆功能，這些功能可以節(jié)省很多磁盤空間。設(shè)置虛擬機有較大的內(nèi)存，虛擬機運行更加流暢，但同時能開啟的虛擬機數(shù)量會減少；相反，設(shè)置虛擬機較小的內(nèi)存，虛擬機運行流暢性變差，但能同時開啟更多的虛擬機。

四、總結(jié)

云計算將改變我們獲取計算資源、存儲資源、數(shù)據(jù)資源的方式。我校在構(gòu)建私有云方面做了有益的嘗試，基于云計算IaaS構(gòu)建的虛擬化實驗室經(jīng)過2年的運行，取得了一些經(jīng)驗和可喜的成效，節(jié)省了經(jīng)費，方便了管理，提高了實驗室的利用率，還為教師和學(xué)生科研等提供了更好的實驗環(huán)境，達到了預(yù)期的目的。

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