王良瑩

(遼寧對外經(jīng)貿(mào)學(xué)院)

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基于VMware虛擬架構(gòu)的數(shù)字化校園平臺解決方案

王良瑩

(遼寧對外經(jīng)貿(mào)學(xué)院)

隨著高校信息化建設(shè)的飛速發(fā)展，越來越多的學(xué)校事務(wù)應(yīng)用需要龐大數(shù)量的服務(wù)器來支持.數(shù)量眾多的服務(wù)器為建設(shè)數(shù)字化校園提供了硬件支撐，但是也帶來了高成本、資源浪費和運維管理難度大等困擾.本文在簡述服務(wù)器虛擬化技術(shù)及其優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，以遼寧對外經(jīng)貿(mào)學(xué)院數(shù)字化校園建設(shè)為例，詳細論述了基于VMware的服務(wù)器虛擬化解決方案.

數(shù)字化校園；服務(wù)器虛擬化； VMware

0 引言

隨著高校信息化建設(shè)的不斷深入，數(shù)字化校園建設(shè)得到了長足發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的運行在不同操作系統(tǒng)和軟件開發(fā)平臺下具有不同功能的信息系統(tǒng).為了減少互相影響，一般情況下把不同的應(yīng)用程序安裝在不同的服務(wù)器上，這樣做的結(jié)果是導(dǎo)致服務(wù)器數(shù)量的飆升，同時增加了大量的運行維護工作.虛擬化運行模式通過虛擬化技術(shù)將服務(wù)器等硬件資源整合起來，可以有效避免上述弊端，極大地提高服務(wù)器資源的使用效率，因而得到越來越多用戶的青睞[1，6].

1 高校數(shù)字化校園建設(shè)現(xiàn)狀

數(shù)字化校園建設(shè)就是要建設(shè)數(shù)字化的教學(xué)、科研與管理環(huán)境，它通過校園網(wǎng)的建設(shè)來實現(xiàn)信息與資源的共享互通，從而為教學(xué)、科研等管理活動服務(wù)[2].其建設(shè)目標(biāo)定位為：通過數(shù)據(jù)共享和應(yīng)用集成將各種校園應(yīng)用整合在一個統(tǒng)一的門戶下，為用戶提供一站式資源管理和個性化服務(wù).近年來，大部分高校都完成了數(shù)字化校園的基礎(chǔ)建設(shè)，并以此為依托擴展了在基礎(chǔ)教學(xué)、日常辦公、課程實訓(xùn)等多維度的應(yīng)用.可是現(xiàn)在的硬件平臺還存在諸多問題：(1)服務(wù)器利用率較低.大多數(shù)服務(wù)器的容量利用率不足15%.(2)運維成本居高不下.大量的服務(wù)器需要巨額采購資金，而且增加了機房密度，服務(wù)器管理和應(yīng)用部署工作量很大.(3)核心業(yè)務(wù)的可靠性和高可用性有待提高.目前大部分核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)還是采用單機服務(wù)器來實現(xiàn)，若服務(wù)器出現(xiàn)故障將會導(dǎo)致應(yīng)用中斷，數(shù)據(jù)恢復(fù)成本昂貴、操作復(fù)雜.

2 服務(wù)器虛擬化技術(shù)綜述

2.1 服務(wù)器虛擬化技術(shù)簡介

虛擬化技術(shù)是當(dāng)今IT領(lǐng)域研究的一個熱點.服務(wù)器虛擬化技術(shù)有兩種，一種是將一臺物理服務(wù)器虛擬成多臺虛擬服務(wù)器以運行不同的應(yīng)用；另一種是將離散的多臺物理服務(wù)器連結(jié)在一起形成分布式云計算，提供并行處理和高性能計算.由于該技術(shù)可以將集群內(nèi)包括服務(wù)器在內(nèi)的資源進行有效的整合，形成可以動態(tài)管理的資源池，從而提高硬件資源的使用效率，保證業(yè)務(wù)系統(tǒng)的敏捷性和適應(yīng)能力[3].

圖1 服務(wù)器集群后形成的資源池

2.2 主要的服務(wù)器虛擬化技術(shù)

2.2.1 硬件分區(qū)

硬件虛擬技術(shù)就是將硬件資源虛擬成分別擁有獨立的處理器、存儲和操作系統(tǒng)的多個分區(qū).采用硬件分區(qū)后，可以實現(xiàn)多個不同的應(yīng)用程序?qū)嵗\行在同一臺物理服務(wù)器之上.這種分區(qū)方法的局限性在于不能對資源進行靈活的調(diào)配[4].

2.2.2 完全虛擬化

完全虛擬化技術(shù)的代表產(chǎn)品是VMware的ESX server和Microsoft的Virtual PC、Virtual Server.該技術(shù)通過使用hypervisor在虛擬機和物理服務(wù)器之間建立一個中間層，能夠讓操作系統(tǒng)不做修改就可以安裝在VM上.Hypervisor作為主機操作系統(tǒng)直接運行在裸機上，而由其管理的虛擬服務(wù)器運行客戶端操作系統(tǒng).但是hypervisor會帶來處理器開銷.

2.2.3 準(zhǔn)虛擬化

準(zhǔn)虛擬化技術(shù)又叫做半虛擬化.它通過修改用戶的操作系統(tǒng)，使其能夠與hypervisor協(xié)同工作，從而減輕了完全虛擬化情況下CPU的負荷.思杰的Xen是該技術(shù)的一個代表，由于需要對操作系統(tǒng)進行某些核心層面的修改，所以Xen只適用于對Linux、Solaris等開源操作系統(tǒng)的虛擬化處理.

2.2.4 操作系統(tǒng)層虛擬化

操作系統(tǒng)層虛擬化就是在操作系統(tǒng)層面增加虛擬服務(wù)器功能.在操作系統(tǒng)層虛擬化環(huán)境下，主機操作系統(tǒng)負責(zé)多個VM之間的硬件資源分配，所有VM要求運行相同的操作系統(tǒng)，并且彼此獨立[5].由于使用了相同的操作系統(tǒng)，在運維管理方面相比異構(gòu)環(huán)境更容易些.該技術(shù)的主要優(yōu)點是本機的運行速度較快，性能較高；缺點就是不夠靈活.Windows server 2008中集成了Hyper-V，提供虛擬化功能.

2.3 服務(wù)器虛擬化的技術(shù)優(yōu)勢

2.3.1 整合優(yōu)化IT投資，提高資源利用率

在一臺服務(wù)器上安裝多個虛擬機來運行不同的應(yīng)用程序，這種技術(shù)使得服務(wù)器的需求大大降低，節(jié)省了能源，機房也不再那么擁擠，服務(wù)器利用率提高到80%，資金和運營成本可節(jié)省50%之多[6].虛擬化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)資源池的動態(tài)集中管理，使得IT架構(gòu)具有良好的擴展能力和柔性化，并且能靈活應(yīng)對業(yè)務(wù)需求的改變.

2.3.2 簡化管理和提高工作效率

在虛擬化環(huán)境下，服務(wù)器數(shù)量的銳減使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得相對簡單，從而能夠讓用戶在管理和分配服務(wù)器的工作負載上，具有充分的選擇空間.同時虛擬化提供的虛擬隔離層，能幫助管理人員進行硬件維護和故障排除[6]，并實現(xiàn)了程序更新的自動化.

2.3.3 提高數(shù)據(jù)災(zāi)備和遷移的可靠性

服務(wù)器虛擬化可以將傳統(tǒng)的應(yīng)用程序變成可移動的文件，能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的動態(tài)遷移和業(yè)務(wù)連續(xù)不間斷運行的高可用服務(wù)器環(huán)境，是一種理想的數(shù)據(jù)災(zāi)備解決方案[6].

3 基于VMware的數(shù)字化校園平臺虛擬化部署方案

3.1 數(shù)字化校園建設(shè)中的服務(wù)器功能需求

該方案以遼寧對外經(jīng)貿(mào)學(xué)院數(shù)字化校園建設(shè)為例進行闡述.學(xué)校從2003年開始進行校園網(wǎng)建設(shè)，目前已經(jīng)實現(xiàn)了統(tǒng)一的門戶網(wǎng)站、校園一卡通和移動辦公系統(tǒng).目前正在進行數(shù)據(jù)中心建設(shè)，用以實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享與交換平臺和統(tǒng)一的身份認證與授權(quán)平臺.

為了滿足學(xué)校官網(wǎng)和OA系統(tǒng)的高可靠運行，滿足DNS 服務(wù)器和郵件系統(tǒng)的不間斷運行[1]，學(xué)校已經(jīng)部署了近50臺服務(wù)器，但是在處理大并發(fā)訪問的應(yīng)對上還是能力不足.以教務(wù)平臺的使用為例，每學(xué)期期初學(xué)校都會組織在校生進行網(wǎng)上選課，服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫在短時間內(nèi)存在大量的并發(fā)訪問，如果超過1800人同時在線選課系統(tǒng)就宕機了.此外還有學(xué)生成績管理系統(tǒng)和百科園在線考試系統(tǒng)的使用，都要求服務(wù)器有充分的響應(yīng)能力.利用虛擬化平臺可以很方便實現(xiàn)上述目標(biāo)，提高服務(wù)級別的同時還可降低整體擁有成本(TCO).

3.2 服務(wù)器虛擬化方案設(shè)計與實施

根據(jù)學(xué)校數(shù)字化校園建設(shè)的總體思路，本方案建議使用VMware vSphere5對學(xué)校目前的業(yè)務(wù)應(yīng)用進行虛擬化部署.

3.2.1 VMware 虛擬化架構(gòu)

VMware(Virtual Machine ware)公司是世界第四大系統(tǒng)軟件公司，其vSphere系列產(chǎn)品，是VMware的企業(yè)級產(chǎn)品，該產(chǎn)品在虛擬化和云計算基礎(chǔ)架構(gòu)領(lǐng)域一直處于業(yè)界領(lǐng)先地位.中國很多保險公司、商業(yè)銀行以及政府部門在建設(shè)數(shù)據(jù)中心的時候都不約而同地選擇了該產(chǎn)品.

VMware vSphere提供的虛擬化應(yīng)用產(chǎn)品組件具體有：(1)ESX/ESXi：是運行數(shù)據(jù)中心級應(yīng)用的旗艦產(chǎn)品，安裝在裸服務(wù)器上的強大Server，可以利用命令和工具直接在其上創(chuàng)建虛擬機.(2)vCenter：即虛擬中心，用于集中管理ESX/ESXi主機及其上的虛擬機.(3)vClient：客戶端軟件，可以使用戶遠程連接到虛擬中心或單個VMware主機上.(4)vCenter Converter：將物理服務(wù)器和第三方虛擬機快速轉(zhuǎn)換為 VMware 虛擬機的遷移工具.(5)vMotion：在應(yīng)用不中斷的情況下，將正在運行的虛擬機在不同的服務(wù)器之間進行遷移.(6)SMP(Symmetric Multi-Processing)：通過 SMP單個VM可以同時使用主機服務(wù)器中的多個CPU，以處理過重的工作負載，如ERP、數(shù)據(jù)庫等企業(yè)級應(yīng)用的虛擬化.(7)VMFS：一種群集文件系統(tǒng)，它允許對同一個虛擬機的存儲同時進行讀寫操作，支持虛擬機遷移、故障重啟等新型分布式服務(wù).(8)HA(High Availability)：即高可用性，主要提供應(yīng)用程序的快速中斷恢復(fù)服務(wù).(9)DRS(Distributed Resource Scheduler)：DRS借助VMotion遷移功能在一個大的資源池中對分配給每一臺虛擬機的資源進行智能優(yōu)化.(10)Consolidated Backup：提供統(tǒng)一的在線備份功能.

圖2 VMware vSphere基本組成

3.2.2 服務(wù)器虛擬化具體實施步驟

1.對服務(wù)器、存儲等資源進行規(guī)劃和部署

要實施服務(wù)器的虛擬化，首先是要對物理服務(wù)器進行分類.學(xué)校里的教務(wù)系統(tǒng)、辦公系統(tǒng)、圖書館、一卡通等諸多業(yè)務(wù)應(yīng)用，它們可能運行在Windows、UNIX、Linux等不同的操作系統(tǒng)平臺之上，訪問的數(shù)據(jù)庫平臺也可能不同，分類時要考慮這些因素.其次是要對虛擬服務(wù)器進行規(guī)劃.規(guī)劃時要考慮到業(yè)務(wù)系統(tǒng)擴展對服務(wù)器處理能力的需求，要結(jié)合負載、并發(fā)訪問量等指標(biāo)，盡量做到科學(xué)合理.最后就是對CPU、存儲等硬件資源和應(yīng)用、服務(wù)等軟件資源進行有效的整合，建立虛擬服務(wù)器的集群[1,6].

具體實施方案是：選用基于Intel Xeon系列處理器的物理服務(wù)器和VMware vSphere5 服務(wù)器虛擬化軟件進行虛擬化部署.將VCenter Server平臺運行在Windows Server 2008 R2系統(tǒng)環(huán)境下，通過其主動管理功能發(fā)揮 vSphere 潛能，提高在虛擬基礎(chǔ)架構(gòu)各個級別上的集中控制和可見性.用戶采用vClient客戶端程序與vSphere 主機或虛擬中心建立連接，并對虛擬機進行管理.

共享存儲網(wǎng)絡(luò)可以使用 EMC 的光纖存儲陣列，VMware vSphere主機通過 HBA 卡與網(wǎng)絡(luò)存儲相連.也可以采用IP SAN (Storage Area Network)或者 NAS (Network Attached Storage)等相對便宜的存儲方式.學(xué)?？梢愿鶕?jù)資金情況自行選擇存儲模式.

該方案具體實施架構(gòu)如圖3所示.

圖3 服務(wù)器虛擬化平臺架構(gòu)圖

2. 虛擬環(huán)境搭建

(1)物理環(huán)境準(zhǔn)備

① 服務(wù)器硬件預(yù)先安裝和配置確認；

② 網(wǎng)絡(luò)交換機安裝和物理環(huán)境確認；

③ 存儲系統(tǒng)安裝和環(huán)境確認.

建議：單臺服務(wù)器配置8核以上的CPU，盡可能將服務(wù)器配置到最大內(nèi)存，至少配置1到3個虛擬交換機.采用同一廠商、同一產(chǎn)品家族和同一代處理器的服務(wù)器組成的集群，可以獲得最好的VMotion兼容能力.

(2)安裝VMware ESXi主機

(3)安裝VMware vCenter和相關(guān)組件，連接到SQL Server數(shù)據(jù)庫

(4)安裝VMware vCenter Converter

(5)配置Data Centers

① 根據(jù)規(guī)劃方案配置VMware Date Center；

② 創(chuàng)建Cluster；

③ 配置HA和DRS；

④ 配置各項監(jiān)控策略參數(shù)和虛擬機默認參數(shù)；

⑤ 開啟VMotion等基礎(chǔ)功能；

⑥ 建立Swap file策略.

(6)添加VMware ESXi主機到VMware vCenter

(7)配置存儲

(8)創(chuàng)建虛擬機網(wǎng)絡(luò)使用的vSwitch(或dvSwitch)

(9)配置虛擬交換機端口的負載均衡和安全

(10)將ESXi主機添加至Cluster

3. 系統(tǒng)遷移

經(jīng)過上述步驟，服務(wù)器虛擬化環(huán)境基本就準(zhǔn)備好了.現(xiàn)在可以對現(xiàn)有的業(yè)務(wù)系統(tǒng)做實時遷移.不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)的遷移要在仔細了解應(yīng)用類型、業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)方式等情況之后才能給出最佳方案.

(1)遷移環(huán)境檢查

主要是物理服務(wù)器硬件配置檢查，服務(wù)器所運行的應(yīng)用系統(tǒng)環(huán)境需要進一步調(diào)研.

(2)數(shù)據(jù)備份

遷移前需對源主機數(shù)據(jù)進行完全備份.

(3)實施遷移

可根據(jù)應(yīng)用遷移的復(fù)雜程度決定虛擬化先后順序：較易實現(xiàn)P2V的應(yīng)用(如可用Converter工具直接遷移的應(yīng)用)可先做遷移，較難或不能做P2V遷移的應(yīng)用可考慮采用重新安裝方式遷移.

物理服務(wù)器的P2V的遷移方法如下：

① 安裝VMware Converter (熱遷)或使用Convert CD(冷遷)，或第三方工具；

② 設(shè)置Converter的網(wǎng)絡(luò)信息；

③ 設(shè)置源機器、目標(biāo)機器的相關(guān)參數(shù)(IP或主機名、用戶賬號、資源池和存儲位置等)；

④ VMware Tool的選項設(shè)置、Custom的選項設(shè)置、電源狀態(tài)選項設(shè)置；

⑤ 進行遷移.

當(dāng)虛擬機運行出現(xiàn)故障或需要負載均衡時，VMware 的HA和DRS功能都會自動啟動VMotion功能，實現(xiàn)幾乎無中斷的虛擬服務(wù)器遷移，其過程如圖4所示：

圖4 用VMotion實現(xiàn)虛擬機的遷移

(4)虛擬化測試

測試階段的工作主要一方面是斷開源物理服務(wù)器，連接目標(biāo)VM，檢查目標(biāo)VM的運行情況；另一方面是要通過模擬各種情況下的突發(fā)故障，檢測系統(tǒng)的可靠性和可用性.此外，可根據(jù)測試的結(jié)果調(diào)整資源分配，進行性能優(yōu)化.

4 結(jié)束語

服務(wù)器虛擬化技術(shù)具有很好的技術(shù)領(lǐng)先性和性價比，在高校數(shù)字校園建設(shè)中值得推廣.VMware的第五代虛擬架構(gòu)vShpere5代表了當(dāng)前主流的虛擬化技術(shù)，它將處理器和存儲等硬件資源整合成一個大的資源池，保證了業(yè)務(wù)系統(tǒng)的敏捷性、適應(yīng)能力以及站點容災(zāi).隨著虛擬化技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展和應(yīng)用成熟，必將為高校數(shù)字化校園平臺建設(shè)提供更先進的技術(shù)、更好的效益以及寬泛的選擇性.

[1] 楊照巖,滕紅麗,谷小青,等.服務(wù)器虛擬化技術(shù)在高校數(shù)據(jù)中心建設(shè)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息, 2013(11).

[2] 任紅軍.高職院校數(shù)字化校園建設(shè)初探[J].鄂州大學(xué)學(xué)報,2012,19(2)：21-25 .

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[6] 盧凱.服務(wù)器虛擬化技術(shù)在數(shù)字校園建設(shè)中的應(yīng)用[J].軟件導(dǎo)刊,2012,11(6)：120-121 .The Solutions of Digital Campus Platform Based on the VMware Virtual Server Architecture

(責(zé)任編輯：李家云)

Wang Liangying

( Liaoning University of International Business and Economics)

With the rapid development of information construction of colleges and universities, more and more of the teaching, management, and other applications require large number of servers to be supported. Because of large-scale hardware platform for various activities in colleges and universities, strong support is provided at the same time, which also brought insufficient resource utilization, wasteful resource and difficult management. On the basis of the brief server virtualization technology and its advantages, Liaoning University of International Business and Economics construction of digital campus as an example, solutions are discussed based on VMware server virtualization.

Digital campus; Server virtualization; VMware

2016-04-03

TP393.18

A

1000-5617(2016)03-0042-04