摘要：云計(jì)算是在網(wǎng)格計(jì)算基礎(chǔ)上提出的一種新型的計(jì)算模式，是下一代網(wǎng)絡(luò)計(jì)算平臺(tái)的核心技術(shù)。該文介紹了云計(jì)算的基本概念，借鑒了云計(jì)算存儲(chǔ)與計(jì)算分離的思想，降低了計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和維護(hù)成本，提高了計(jì)算機(jī)資源的利用率，構(gòu)建了虛擬計(jì)算平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；虛擬；計(jì)算平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jì)算機(jī)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)室引起人們的注意。高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室不僅承擔(dān)著學(xué)生的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)課程，也承擔(dān)著高校的科研任務(wù)，因此對(duì)于實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)的需求越來越高。為了滿足教學(xué)、科研需求，各高校每年都會(huì)購進(jìn)一批高性能的計(jì)算機(jī)，淘汰一些年久老化的計(jì)算機(jī)，這樣往往會(huì)造成計(jì)算機(jī)硬件資源的浪費(fèi)。另外，高校實(shí)驗(yàn)室沒有教學(xué)、科研任務(wù)的時(shí)候，往往不對(duì)外開放，這樣資源的浪費(fèi)，得不到合理的利用。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的維護(hù)人員來說，檢查每臺(tái)計(jì)算機(jī)的性能，做好日常的維護(hù)工作，安裝各種操作系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件，以應(yīng)對(duì)各種需求，無異于是越來越重。

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

2 云計(jì)算概述

云計(jì)算是以虛擬化技術(shù)為基礎(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)為載體提供基礎(chǔ)架構(gòu)、平臺(tái)、軟件等服務(wù)為形式，整合大規(guī)?？蓴U(kuò)展的計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)、應(yīng)用等分布式計(jì)算資源進(jìn)行協(xié)同工作的超級(jí)計(jì)算模式[2]。云系統(tǒng)的后臺(tái)有大量的集群使用虛擬機(jī)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(chǔ)和計(jì)算、高擴(kuò)展性、高可用性、用戶良好性等特征。[3]

3 虛擬計(jì)算平臺(tái)的總體架構(gòu)及功能劃分

3.1 虛擬計(jì)算機(jī)平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)

基于云計(jì)算的高校虛擬計(jì)算平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于云計(jì)算的虛擬計(jì)算平臺(tái)提供了強(qiáng)大的資源整合功能，其技術(shù)平臺(tái)采用了多層的云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)。

平臺(tái)物理層主要是底層硬件設(shè)備，包括物理計(jì)算機(jī)，服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫，交換機(jī)等，提供計(jì)算，存儲(chǔ)，寬帶等服務(wù)，是所有功能的基礎(chǔ)。

平臺(tái)管理層主要提供了資源管理、安全管理和負(fù)載均衡管理的功能。資源管理主要是針對(duì)云計(jì)算中物理計(jì)算機(jī)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(hù)與刪除等。安全管理主要包括用戶驗(yàn)證、用戶權(quán)限管理（管理員和用戶）、訪問安全管理、網(wǎng)絡(luò)安全管理、數(shù)據(jù)中心安全管理等。負(fù)載均衡管理主要是針對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各個(gè)資源節(jié)點(diǎn)上的負(fù)載均衡管理，主要包括：負(fù)載均衡管理、流量管理、用戶任務(wù)調(diào)度管理等。

平臺(tái)服務(wù)層主要是在物理計(jì)算機(jī)上安裝虛擬機(jī)以及虛擬機(jī)上的操作系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)或可研有關(guān)的各種應(yīng)用軟件。

客戶端主要應(yīng)用在個(gè)人計(jì)算機(jī)或者實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)上，實(shí)現(xiàn)形式為硬件專用機(jī)終端或者登錄終端系統(tǒng)軟件等。

3.2 虛擬計(jì)算平臺(tái)的功能模塊劃分

整個(gè)虛擬計(jì)算平臺(tái)可以劃分為三個(gè)功能模塊：

1）用戶管理模塊：主要包括用戶注冊(cè)、身份認(rèn)證、用戶信息管理、用戶權(quán)限管理；

2）任務(wù)管理模塊：包括用戶任務(wù)申請(qǐng)、資源申請(qǐng)、任務(wù)信息、任務(wù)反饋、虛擬計(jì)算機(jī)的添加、刪除、更新等操作；

3）集群監(jiān)測(cè)模塊：主要包括動(dòng)態(tài)的顯示集群工作狀態(tài)、任務(wù)進(jìn)度、物理計(jì)算機(jī)的負(fù)載情況。

4 虛擬計(jì)算平臺(tái)的具體實(shí)現(xiàn)

4.1 虛擬計(jì)算平臺(tái)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖2所示為高校虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。主要分為兩部分：節(jié)點(diǎn)和用戶操作。節(jié)點(diǎn)有分為物理存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，物理計(jì)算節(jié)點(diǎn)和管理機(jī)。

其中，物理存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)用于存儲(chǔ)用VMware WorkStation制作的虛擬機(jī)鏡像文件模板、用戶的FTP數(shù)據(jù)。

物理計(jì)算節(jié)點(diǎn)安裝了VMware WorkStation虛擬機(jī)，用來運(yùn)行運(yùn)行用戶申請(qǐng)的虛擬機(jī)系統(tǒng)，完成用戶的各項(xiàng)任務(wù)。

管理機(jī)則是作為網(wǎng)絡(luò)后臺(tái)、監(jiān)控計(jì)算節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫而存在的。

4.2 虛擬計(jì)算機(jī)平臺(tái)的具體實(shí)現(xiàn)

在高校計(jì)虛擬計(jì)算平臺(tái)中，物理存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上存儲(chǔ)不同的虛擬計(jì)算機(jī)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(dāng)用戶提出申請(qǐng)?zhí)摂M機(jī)時(shí)，系統(tǒng)則根據(jù)物理計(jì)算機(jī)的負(fù)載情況進(jìn)行分析，找到一個(gè)性能最優(yōu)的物理計(jì)算機(jī)，在它上面創(chuàng)建一臺(tái)新的虛擬計(jì)算機(jī)，以便于用戶的使用，如圖3所示。圖（a）中物理計(jì)算節(jié)點(diǎn)1創(chuàng)建了三臺(tái)虛擬計(jì)算機(jī)，虛擬計(jì)算機(jī)A（Linux/Redhat）、虛擬計(jì)算機(jī)B（Windows 2003）、虛擬計(jì)算機(jī)C（Windows XP）；物理計(jì)算節(jié)點(diǎn)2上創(chuàng)建了兩臺(tái)虛擬計(jì)算機(jī)，虛擬計(jì)算機(jī)D（Linux/Redhat）、虛擬計(jì)算機(jī)E（Windows 2003）。如果用戶再創(chuàng)建一臺(tái)新的虛擬計(jì)算機(jī)，則該系統(tǒng)會(huì)分析物理計(jì)算機(jī)1、2的負(fù)載情況，其中包括物理計(jì)算機(jī)的CPU利用率、內(nèi)存使用情況、硬盤使用情況、物理計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建的虛擬計(jì)算機(jī)的個(gè)數(shù)等，選擇系統(tǒng)性能最優(yōu)的物理計(jì)算節(jié)點(diǎn)2，，在物理計(jì)算節(jié)點(diǎn)2上創(chuàng)建虛擬計(jì)算機(jī)F，如圖（b）所示。當(dāng)物理計(jì)算機(jī)的各項(xiàng)資源得到充分利用的時(shí)候，如果用戶再申請(qǐng)?zhí)摂M機(jī)的創(chuàng)建，則會(huì)進(jìn)行等待，直到另一個(gè)用戶完成任務(wù)操作，釋放虛擬計(jì)算機(jī)資源，才會(huì)分配給該用戶，完成虛擬計(jì)算機(jī)的創(chuàng)建。

虛擬計(jì)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的對(duì)高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室資源的合理分配和管理，可以充分提高計(jì)算機(jī)硬件和軟件資源使用效率以及充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。用戶使用實(shí)驗(yàn)室資源的時(shí)候，是通過終端系統(tǒng)（硬件或軟件）登陸到虛擬計(jì)算機(jī)上，而用戶具體登陸到哪臺(tái)物理計(jì)算機(jī)上，對(duì)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(shí)刻T，用戶A申請(qǐng)了兩臺(tái)虛擬計(jì)算機(jī)，分別是虛擬計(jì)算機(jī)A（Linux/Redhat）、虛擬計(jì)算機(jī)D（Linux/Redhat）。用戶B申請(qǐng)了三臺(tái)虛擬計(jì)算機(jī)虛擬計(jì)算機(jī)，虛擬計(jì)算機(jī)B（Windows 2003）、虛擬計(jì)算機(jī)C（Windows XP）、虛擬計(jì)算機(jī)F（Windows XP）。用戶C申請(qǐng)了一臺(tái)虛擬計(jì)算機(jī)E（Windows 2003）。虛擬計(jì)算機(jī)A、B、C創(chuàng)建在物理計(jì)算節(jié)點(diǎn)1上，虛擬計(jì)算機(jī)D、E、F創(chuàng)建在物理計(jì)算節(jié)點(diǎn)2上，而這些信息對(duì)于用戶來說是透明的。系統(tǒng)平臺(tái)根據(jù)用戶的需求和每臺(tái)物理計(jì)算機(jī)的負(fù)載情況以及資源的性能特點(diǎn)，為用戶進(jìn)行資源的合理分配，以達(dá)到資源的利用最大化。

5 結(jié)束語

在高校虛擬計(jì)算平臺(tái)的構(gòu)建中，借鑒云計(jì)算的存儲(chǔ)和計(jì)算相分離的思想，用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算則是在虛擬計(jì)算機(jī)上，能夠有效地解決高校實(shí)驗(yàn)室物理計(jì)算機(jī)頻繁更新的問題。此外在學(xué)生申請(qǐng)?zhí)摂M計(jì)算機(jī)的時(shí)候，能夠能夠根據(jù)各自需求，在物理計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建不同的虛擬計(jì)算機(jī)，不僅能夠滿足實(shí)驗(yàn)和科研要求，同時(shí)也解決物理計(jì)算機(jī)維護(hù)工作量大的問題，方便了物理計(jì)算機(jī)的維護(hù)工作，減少資源的浪費(fèi)，提高了物理計(jì)算機(jī)的硬件資源和軟件資源的使用率，充分發(fā)揮了物理計(jì)算機(jī)的性能，為高校實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)資源的合理分配、提高實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)資源的利用率提供了一個(gè)良好的解決方案。

參考文獻(xiàn)：

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