虛擬化技術(shù)于高校教學(xué)資源共享化的應(yīng)用與研究

張竹 任艷 韓鵬程 徐子洋

摘要：本文通過利用虛擬化平臺Vmware vSphere實現(xiàn)高校數(shù)據(jù)中心設(shè)備與應(yīng)用的整合，在現(xiàn)今全球的云計算數(shù)據(jù)中心逐步興建的背景下，提供高校數(shù)據(jù)中心虛擬化技術(shù)整合的一系列相關(guān)步驟，推出利用搭建虛擬化平臺解決校園物理客戶機(jī)設(shè)備不足、教學(xué)資源短缺及使用成本過高等問題，運用虛擬化技術(shù)改善IT基礎(chǔ)架構(gòu)以提高性能及效率。

關(guān)鍵詞：虛擬化技術(shù);Vmvare vSphere;Vmvare ESX Server

中圖分類號：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）18-0297-03

服務(wù)器虛擬化的功能是可以將服務(wù)器的物理資源抽象成邏輯資源，讓一臺服務(wù)器變成多臺虛擬服務(wù)器，并且相互隔離，不受物理條件上的限制，同時方便動態(tài)管理cpu、內(nèi)存、磁盤、I/O等硬件 “資源池”，從而提高資源的利用率，降低IT設(shè)備成本。與傳統(tǒng)的物理服務(wù)器對比，通過虛擬化整合后，資源利用率提高了50%～65%。在降低成本的同時，也減少了復(fù)雜性，降低了對機(jī)房設(shè)備的要求，也便于管理。

1 虛擬化平臺技術(shù)及搭建目標(biāo)

1.1虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)（Virtualization Technology，VT）可以實現(xiàn)將各種計算及存儲資源充分整合和高效利用的效果。虛擬化技術(shù)主要是對IT基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改善，同時也方便對資源的訪問。數(shù)據(jù)中心虛擬化平臺包括：計算虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、存儲虛擬化及安全虛擬化，其中計算虛擬化主要是對于虛擬化平臺中各個虛擬機(jī)分配合適的計算資源，進(jìn)行優(yōu)化、達(dá)到最優(yōu)的cpu分配。通過使用虛擬化技術(shù)，可以將單一的服務(wù)器虛擬成多臺服務(wù)器，且不妨礙應(yīng)用，相互獨立，如圖1所示。

1.2虛擬化平臺搭建目標(biāo)

本項目主要是為高校的教學(xué)管理及教學(xué)資源的最大化使用提供服務(wù)，通過搭建虛擬化平臺降低系統(tǒng)的故障、提升物理服務(wù)器應(yīng)用可靠性，并實現(xiàn)虛擬機(jī)及資源的實時遷移與備份操作，使得服務(wù)器及數(shù)據(jù)中心易于使用與管理維護(hù)。本項目所涉及虛擬化平臺搭建工作分兩大階段。

1）項目前期所完成的目標(biāo)包括：

（1） 完成搭建虛擬化平臺的基礎(chǔ)配置，設(shè)計網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，完善網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

（2） 安裝虛擬化層操作系統(tǒng)（ESXI） ，使用Vcenter實現(xiàn)對服務(wù)器的集中管理。

（3） 創(chuàng)建可共享的存儲，確定虛擬機(jī)VMotion功能正常，查看虛擬化平臺是否運行正常。

2）項目后期所完成的目標(biāo)包括：

（1）? 物理服務(wù)器遷移至虛擬機(jī)（p2v）。

（2）? 云桌面的部署搭建及測試。

（3）? 研究Linux方向虛擬技術(shù)。

2 實施方案

2.1虛擬化平臺搭建過程

數(shù)據(jù)中心虛擬化平臺由承載虛擬機(jī)的物理機(jī)、磁盤陣列、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等構(gòu)成。在物理主機(jī)上部署Vmware ESX Server，用來實現(xiàn)共享其CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)等資源，并承載虛擬機(jī)的正常運行。磁盤陣列為物理機(jī)提供共享存儲空間。通過在管理服務(wù)器部署vCenter Server，管理員可登錄對虛擬化平臺的虛擬機(jī)、存儲空間及虛擬網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一管理。虛擬機(jī)通過主機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)，提供服務(wù)。具體搭建步驟如下：

步驟1：搭建ESXI6.5服務(wù)器

在物理設(shè)備上安裝ESX server，使用ESX系統(tǒng)光盤進(jìn)行引導(dǎo)安裝，主要包括下載ESXI6.5鏡像和client客戶端，將ISO寫入到U盤或是刻錄光盤然后啟動安裝。

步驟2：安裝vCenter Server

安裝vCenter server，vSphere的很多高級功能只有在vCenter下才可以配置實現(xiàn)，并且它的很多管理模塊只能集成安裝在vCenter環(huán)境里，無法獨立安裝，并且vCenter server需安裝在64位的Windows操作系統(tǒng)上。與傳統(tǒng)安裝方法不同，本項目選擇在虛擬機(jī)中安裝vCenter，優(yōu)勢是不必為vCenter系統(tǒng)準(zhǔn)備單獨的專用服務(wù)器，此時vCenter服務(wù)器相當(dāng)于虛擬機(jī)里的一個vAPP，而且可以通過vSphere HA為vCenter Server系統(tǒng)提供較高的可用性。創(chuàng)建虛擬機(jī)的快照，并使用快照進(jìn)行備份存檔等操作，直接使用Vmotion將vCenter服務(wù)器在ESX主機(jī)之間進(jìn)行遷移等優(yōu)勢。 對于vCenter Server要使用靜態(tài)IP地址和有效的域名系統(tǒng)（DNS）而非動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（DHCP），若要選擇DHCP，則需驗證DNS中是否記錄了vCenter Server 的正確值。

步驟3：配置vCenter Server Appliance

安裝完成后，登陸vCenter server，對虛擬化平臺進(jìn)行配置。在此之前，安裝了物理設(shè)備，此目的在于虛擬化平臺搭建的準(zhǔn)備工作，良好的硬件支持為后續(xù)平臺穩(wěn)定運行提供保障。根據(jù)本校實際應(yīng)用情況，在配置vCenter Server Appliance時，采用基于中興zxcloud KS3200存儲和基于Open-E 存儲的安裝部署方案，該方案有效地解決了虛擬化的存儲，并將存儲的文件共享給所有虛擬機(jī)使用。

在搭建過程中，需要注意的是必須先新建數(shù)據(jù)中心，才能添加ESXi主機(jī)服務(wù)器或者創(chuàng)建VM。數(shù)據(jù)中心提供虛擬環(huán)境中所有對象的結(jié)構(gòu)化組織：主機(jī)、群集、虛擬機(jī)和目錄以及資源池。數(shù)據(jù)中心必須反應(yīng)根據(jù)地理位置或者功能/部門組織的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。數(shù)據(jù)中心的概念只有在連接到vCenter Server時才存在。創(chuàng)建數(shù)據(jù)中心之后，可以添加ESXi服務(wù)器。這里需要注意的是，可以從數(shù)據(jù)中心內(nèi)的一個群集向另一個群集實施vMtion，但是無法遷移到另一個數(shù)據(jù)中心。

在新建的數(shù)據(jù)中心上建立群集，將主機(jī)添加到群集并修改其設(shè)置，接著進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的配置，在數(shù)據(jù)中心主機(jī)上配置網(wǎng)絡(luò)（vNetwork），以及虛擬交換機(jī)和分布式虛擬交換機(jī)的配置，其中最主要的就是虛擬機(jī)連接虛擬機(jī)、虛擬機(jī)連接物理網(wǎng)絡(luò)。

2.2 虛擬化平臺實施效果

目前在高校中，任何一個項目的實施通常需要搭建一個多客戶端節(jié)點的虛擬測試環(huán)境，需要安裝多臺虛擬機(jī)，一臺一臺的手工安裝部署，就頗為麻煩。因此，本項目通過克隆主機(jī)的手段，按需部署、在線遷移，解決了設(shè)備稀缺、資源緊張而無法繼續(xù)項目實施的問題，具體效果如圖3所示。

該腳本的運行可實現(xiàn)一次性克隆50臺主機(jī)，以防沖突，每臺主機(jī)的IP地址和名稱不可有重復(fù)，通過Vsphere的自定義規(guī)范管理器可以進(jìn)行主機(jī)策略定制供部署克隆虛擬機(jī)時使用，避免了一個個手工更改，節(jié)約時間、方便快捷。

3 實踐應(yīng)用經(jīng)驗

3.1快照節(jié)點，恢復(fù)便捷

從嚴(yán)格意義上講，快照不是備份，因為源數(shù)據(jù)從物理上沒有被復(fù)制到另一個位置，如果數(shù)據(jù)毀壞，僅僅使用快照不可能實現(xiàn)恢復(fù)。

快照是虛擬化的主要優(yōu)點之一，在VM處于健康狀態(tài)或者重大修改之前獲取，采用快照能夠建立一個簡單回溯解決方案，以防在應(yīng)用程序遷移、新服務(wù)包安裝等操作時出現(xiàn)故障。同一虛擬機(jī)可以執(zhí)行多個快照，以保存多個可以用于恢復(fù)的還原點。

鑒于本校教學(xué)設(shè)備資源有限，部分班級采取雙班制教學(xué)，不同同學(xué)使用同一臺虛擬機(jī)進(jìn)行實驗，每位同學(xué)通過創(chuàng)建自己的快照，在下一次實驗室恢復(fù)快照節(jié)點繼續(xù)進(jìn)行實驗，快照的應(yīng)用效果得以體現(xiàn)。

需要注意的是，在生產(chǎn)環(huán)境中，快照必須在規(guī)定時間內(nèi)使用，以便觀察不正常工作的部分。不建議長期保存vSphere快照，因為修改的數(shù)據(jù)越多，快照就越大，此時不做限制，可能會占據(jù)所有數(shù)據(jù)存儲空間使所有VM處于危險之中，崩潰或者損壞。

3.2統(tǒng)籌資源，優(yōu)化分配

服務(wù)器虛擬化使得物理機(jī)的計算資源得到充分利用，但在使用過程中，需要注意到為Vmware HA、DRS、Vmotion等高級功能的應(yīng)用配置充足的資源，以實現(xiàn)提高應(yīng)用的連續(xù)性、可靠性的目的，虛擬化時，起初的資源分配只是一種初始狀態(tài)，在初始階段是非常有效的，但是不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)增長速度并不相同，進(jìn)行資源的動態(tài)分配調(diào)整是非常有必要的，這為虛擬機(jī)的正常運行提供保障。

遷移過程中需要解決系統(tǒng)穩(wěn)定性和資源擴(kuò)展相關(guān)問題，可以采用在不關(guān)機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行遷移的熱遷移，也可以采取在關(guān)閉服務(wù)器狀態(tài)下，通過光盤啟動冷遷移的方式，并在成功遷移后進(jìn)行必要的相關(guān)資源配置。

3.3共享資源，提供HA

Vmware HA是確保一個公司中一個或多個關(guān)鍵應(yīng)用的本地服務(wù)持續(xù)性的一組機(jī)制，在虛擬化環(huán)境中，由于vSphere的高級特性，提供99%以上級別的服務(wù)持續(xù)性比物理環(huán)境容易得多，為所有的虛擬機(jī)服務(wù)器運行的系統(tǒng)提供了方便實用、經(jīng)濟(jì)高效的高可用性。

ESXi主機(jī)服務(wù)器損壞時，vSphere HA所保護(hù)的VM自動重啟，作為HA群集一部分的所有服務(wù)器必須能夠訪問同一個共享存儲空間。

群集，從根本上說，它是一組相互連接、組成單個邏輯實體的資源。vSphere中的群集是一組具有共享資源，通過vSphere HA、分布式資源調(diào)度器（DRS）或者FT提供高可用性和工作負(fù)載分配的ESXi服務(wù)器。

創(chuàng)建vSphere HA 群集時，F(xiàn)DM代理部署在群集的每一臺ESX i服務(wù)器上，一臺服務(wù)器被選為群集的主服務(wù)器，其余都是從屬服務(wù)器。

4 結(jié)語

高校在應(yīng)用數(shù)據(jù)中心時越來越多地考慮到結(jié)合虛擬化技術(shù)，把應(yīng)用軟件系統(tǒng)從物理主機(jī)上遷移到虛擬機(jī)管理平臺上，虛擬服務(wù)器與存儲系統(tǒng)的緊密結(jié)合，解決了教學(xué)資源短缺的問題，充分發(fā)揮了服務(wù)器的性能，提高了服務(wù)器的利用率，很大程度上解決了傳統(tǒng)教學(xué)管理上的資源浪費、成本過高的棘手問題。服務(wù)器虛擬化的應(yīng)用，減少了物理設(shè)備數(shù)量，進(jìn)而減少了數(shù)據(jù)中心機(jī)房的供配電及溫度環(huán)境控制等配套設(shè)施的建設(shè)與投入。與此同時，也保障了構(gòu)成虛擬化平臺的主機(jī)、存儲和網(wǎng)絡(luò)等這些物理設(shè)備的可靠性、冗余性的運行環(huán)境。在實驗期間，遇到了vsan等高級功能測試無硬件支持等問題，通過將vSphere后端的共享存儲外置磁盤陣列后成功解決了此類問題，為用戶的選型提供了非常高的靈活性。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】