高金金，李潞洋

(1.山西財(cái)經(jīng)大學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，山西 太原 030051；2.山西省自動化研究所，山西 太原 030012)

基于CAS的服務(wù)器虛擬化在高校實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用

高金金1，李潞洋2

(1.山西財(cái)經(jīng)大學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，山西 太原 030051；2.山西省自動化研究所，山西 太原 030012)

虛擬化技術(shù)的應(yīng)用可以解決高校實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器管理和維護(hù)困難的問題，提高計(jì)算資源的利用率。本文討論了傳統(tǒng)服務(wù)器管理方式的一些問題，介紹了虛擬化技術(shù)帶來的便利及其優(yōu)勢，最終實(shí)現(xiàn)了基于H3C CAS虛擬化平臺的高校實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器的虛擬化設(shè)計(jì)與部署。

服務(wù)器虛擬化；高校實(shí)驗(yàn)室；CAS

伴隨著高校信息化建設(shè)的推進(jìn)，應(yīng)用于科研、教學(xué)和管理方面的信息化系統(tǒng)相繼建設(shè)完成并逐步擴(kuò)大系統(tǒng)的規(guī)模。系統(tǒng)建設(shè)初期，承載的業(yè)務(wù)量較小，無需過高的計(jì)算能力，在管理方面也不存在太復(fù)雜的問題，但是隨著業(yè)務(wù)量的增加，系統(tǒng)需通過改造和擴(kuò)容來提高其業(yè)務(wù)能力，系統(tǒng)就會變得非常復(fù)雜，計(jì)算資源也難以得到快速有效地調(diào)配，在系統(tǒng)擴(kuò)展的過程中，現(xiàn)有系統(tǒng)極有可能被新的系統(tǒng)完全取代，隨后被停用，這樣不僅造成了計(jì)算資源的浪費(fèi)，而且系統(tǒng)的建設(shè)與日常運(yùn)維成本也會成倍提升。

虛擬化[1]技術(shù)的出現(xiàn)有效解決了傳統(tǒng)信息系統(tǒng)計(jì)算資源利用率低、調(diào)配困難、可擴(kuò)展性差、管理困難等問題，本文將以山西財(cái)經(jīng)大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)室設(shè)施的虛擬化，深入闡述虛擬化技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用。

1 物理計(jì)算資源所面臨的問題

1.1 運(yùn)行現(xiàn)狀

高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心一般都承擔(dān)著全校不同專業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。而不同學(xué)科的實(shí)驗(yàn)室會不同程度地利用計(jì)算機(jī)信息化技術(shù)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供技術(shù)支撐。為保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的順利進(jìn)行，各類實(shí)驗(yàn)室分別安裝了不同類型復(fù)雜的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，這些業(yè)務(wù)系統(tǒng)各自配備了相應(yīng)的管理服務(wù)器、業(yè)務(wù)服務(wù)器、業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)和客戶端。

1.2 管理困難

不同學(xué)科實(shí)驗(yàn)室的業(yè)務(wù)系統(tǒng)基本相互獨(dú)立，這就需要購置大量的信息業(yè)務(wù)設(shè)備，占用了大量的空間資源，地理位置分布方面也往往十分分散，實(shí)驗(yàn)室管理人員常常奔波于各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)所在的不同樓層甚至于不同建筑物之間，同時(shí)還要面對大量的物理硬件，很難集中高效地進(jìn)行服務(wù)器的管理和維護(hù)工作。

1.3 資源利用率低

為保障各個(gè)實(shí)驗(yàn)信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)的獨(dú)立性，各實(shí)驗(yàn)室針對自己的實(shí)驗(yàn)業(yè)務(wù)大多配備了獨(dú)立的服務(wù)器資源和網(wǎng)絡(luò)資源。但有些實(shí)驗(yàn)業(yè)務(wù)對計(jì)算能力要求有限，配備服務(wù)器的運(yùn)算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了實(shí)驗(yàn)業(yè)務(wù)的需求，造成了運(yùn)算資源的浪費(fèi)。有些實(shí)驗(yàn)室在地理位置上比較接近，卻依然獨(dú)享自己的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)資源長期處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，造成了較低的網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

1.4 運(yùn)算資源難以調(diào)配

通過總結(jié)以往實(shí)驗(yàn)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)對計(jì)算能力要求較高的實(shí)驗(yàn)課程的數(shù)量在全部實(shí)驗(yàn)課程中占有比重較低，而對計(jì)算能力要求一般的實(shí)驗(yàn)課程在全部實(shí)驗(yàn)課程中往往占有較高的比重，這就導(dǎo)致了我們不得不為對計(jì)算能力要求較高的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)立性能足夠強(qiáng)大的信息業(yè)務(wù)設(shè)備，但較低的使用頻度卻使得這些昂貴的計(jì)算資源在更多的時(shí)間里處于閑置狀態(tài)，無法為其他較低性能要求的實(shí)驗(yàn)課程提供服務(wù)，造成運(yùn)算資源調(diào)配的困難。

1.5 可擴(kuò)展性差

隨著實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的豐富、實(shí)驗(yàn)方式的探索與改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的計(jì)算能力需求提高、存儲容量也需要隨之?dāng)U充。然而通過升級硬件來提升服務(wù)器的計(jì)算能力和存儲空間往往投資巨大、效果卻依然有限，甚至需要廢棄當(dāng)前的服務(wù)器平臺，造成資產(chǎn)的損失。

1.6 運(yùn)維成本較高

因?yàn)閷?shí)驗(yàn)信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)存在的這些問題，導(dǎo)致我們需要安排大量的實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)管理人員負(fù)責(zé)這些系統(tǒng)的日常維護(hù)，而大量的硬件設(shè)備在運(yùn)行過程中也消耗著大量的電力資源和易損耗材料，尤其是隨著業(yè)務(wù)系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)張，運(yùn)維成本增加所帶來的弊端也會進(jìn)一步被放大。

2 服務(wù)器虛擬化技術(shù)及其優(yōu)勢

服務(wù)器虛擬化是指將服務(wù)器物理資源抽象成邏輯資源，讓一臺服務(wù)器變成幾臺甚至上百臺相互隔離的虛擬服務(wù)器。虛擬化平臺[2]為服務(wù)器虛擬化提供了集成解決方案，通過虛擬化平臺可以將各類虛擬的業(yè)務(wù)服務(wù)器獨(dú)立地運(yùn)行在物理服務(wù)器集群上，虛擬化平臺負(fù)責(zé)將物理服務(wù)器集群的各類資源合理地分配給各個(gè)虛擬服務(wù)器，以保障整個(gè)實(shí)驗(yàn)業(yè)務(wù)環(huán)境的高可用性，同時(shí)也可以提高物理服務(wù)器集群各類資源的利用率。虛擬化技術(shù)為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)帶來的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下三方面：

2.1 計(jì)算資源虛擬化

計(jì)算資源的虛擬化是指將具有強(qiáng)大運(yùn)算能力的物理運(yùn)算資源虛擬成為一個(gè)計(jì)算資源池，計(jì)算資源池中的計(jì)算資源可以部分或者全部分配給某一虛擬實(shí)驗(yàn)業(yè)務(wù)服務(wù)器，而每一臺虛擬實(shí)驗(yàn)業(yè)務(wù)服務(wù)器所享有的計(jì)算資源是獨(dú)立于其他的虛擬服務(wù)器的。計(jì)算資源主要包括CPU和內(nèi)存，虛擬化平臺將物理服務(wù)器集群的CPU以核心為單位虛擬化成為共享CPU池，將物理服務(wù)器集群的內(nèi)存以字節(jié)為單位虛擬化成為共享內(nèi)存池，各個(gè)虛擬業(yè)務(wù)服務(wù)器可以自由地分配CPU核心數(shù)量和內(nèi)存容量以保障其可用性。虛擬化平臺可根據(jù)各虛擬業(yè)務(wù)服務(wù)器的負(fù)載量動態(tài)調(diào)整其享有的計(jì)算資源的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源的彈性分配，提高了整個(gè)物理服務(wù)器集群的計(jì)算資源利用率。在未來需要擴(kuò)充整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算能力時(shí)，只需要在物理服務(wù)器集群中增加計(jì)算節(jié)點(diǎn)，無需對當(dāng)前系統(tǒng)的邏輯業(yè)務(wù)做過多調(diào)整。

2.2 分布式存儲

分布式存儲是一種Scale-Out[3]存儲架構(gòu)，相比傳統(tǒng)的SAN(包括FC-SAN和IP-SAN)方式，分布式存儲采用的橫向擴(kuò)展方式更利于存儲容量的擴(kuò)充，在擴(kuò)展容量時(shí)只需要在存儲集群中增加存儲節(jié)點(diǎn)即可，無需過多配置現(xiàn)有存儲設(shè)備，甚至不需要停止當(dāng)前業(yè)務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行就可以完成。

2.3 交換資源虛擬化

網(wǎng)絡(luò)設(shè)施虛擬化可以將各個(gè)虛擬業(yè)務(wù)服務(wù)器通過一個(gè)虛擬的交換網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，摒棄了過去大量的服務(wù)器集群內(nèi)部的業(yè)務(wù)和管理的數(shù)據(jù)鏈接，無需人工接線，在管理上更加快捷方便。同時(shí)也減少了物理交換設(shè)備的使用量，降低了投資和維護(hù)成本。

3 虛擬化平臺實(shí)施與應(yīng)用

3.1 虛擬化平臺選型

在國內(nèi)外眾多的虛擬化產(chǎn)品中，通過對不同平臺在性能、穩(wěn)定性、安全性、資源利用、資源調(diào)度和容災(zāi)等方面分析比較，本方案最終選定H3C CAS作為虛擬化平臺。H3C CAS虛擬化平臺基于第三代虛擬化架構(gòu)，采用高性能的虛擬化內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲、安全虛擬化的全面融合，能夠有效地整合IT基礎(chǔ)設(shè)施資源、精簡服務(wù)器數(shù)量、簡化IT操作，達(dá)到提高物理資源利用率和降低整體擁有成本的效果[4]。

3.2 設(shè)計(jì)與實(shí)施

1) 硬件基礎(chǔ)設(shè)施配置

為保障各實(shí)驗(yàn)信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)的可用性，我們采用了3臺H3C FlexServer R390高性能服務(wù)器組成物理集群為本系統(tǒng)提供計(jì)算資源。其中兩臺為業(yè)務(wù)服務(wù)器，另外一臺為業(yè)務(wù)服務(wù)器兼任管理服務(wù)器。我們分別在三臺服務(wù)器上安裝了CAS虛擬化平臺，并按照表1進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置。

表1 物理服務(wù)器集群配置

2) 分布式存儲配置

該方案選擇H3C零存儲作為分布式存儲系統(tǒng)以便與CAS虛擬化平臺高度整合。每一臺計(jì)算資源服務(wù)器所裝載的存儲系統(tǒng)均作為分布式存儲系統(tǒng)的一個(gè)存儲節(jié)點(diǎn)。為保障分布式存儲物理數(shù)據(jù)的高性能與健壯性，每一個(gè)存儲節(jié)點(diǎn)均需配置RAID1+0。完成磁盤陣列配置后的單個(gè)存儲節(jié)點(diǎn)容量約為8TB，其中留用2TB作為本地系統(tǒng)磁盤，作為CAS和零存儲系統(tǒng)在該節(jié)點(diǎn)存儲支持，其余6TB作為該節(jié)點(diǎn)的橫向共享存儲空間。

在三個(gè)存儲節(jié)點(diǎn)上分別安裝H3C vStor零存儲管理平臺，并掛載該節(jié)點(diǎn)的橫向共享存儲空間。以EXT4作為物理存儲文件系統(tǒng)對掛載點(diǎn)進(jìn)行格式化。分別按照表1中存儲網(wǎng)卡的IP配置lich.conf文件中的存儲節(jié)點(diǎn)IP地址，并配置管理服務(wù)器作為零存儲的仲裁節(jié)點(diǎn)。

3) 虛擬業(yè)務(wù)服務(wù)器配置

由各實(shí)驗(yàn)室管理員進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后向虛擬化系統(tǒng)管理員提交申請，CAS管理員創(chuàng)建虛擬服務(wù)器并按照需求對計(jì)算資源進(jìn)行分配。我中心參與首批服務(wù)器虛擬化改造的業(yè)務(wù)服務(wù)器共12臺，它們的12個(gè)虛擬業(yè)務(wù)網(wǎng)卡被連接至名為Vswitch-app的虛擬交換機(jī)上，并且開啟HA和DRS功能來保障虛擬業(yè)務(wù)服務(wù)器的高可用性和彈性計(jì)算分配能力。

4) 業(yè)務(wù)遷移

各實(shí)驗(yàn)室管理員將原有服務(wù)器中的業(yè)務(wù)系統(tǒng)安裝至分配的虛擬服務(wù)器，并將原業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入虛擬服務(wù)器。在遷移工作完成后，停用原有服務(wù)器。圖1為整體業(yè)務(wù)遷移完成后系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行情況圖

4 總結(jié)

服務(wù)器虛擬化技術(shù)解決了高校實(shí)驗(yàn)室管理與維護(hù)兩方面的難題，在完成了首批實(shí)驗(yàn)室信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)服務(wù)器的虛擬化改造后，服務(wù)器計(jì)算能力有了一定的提升，三臺物理服務(wù)器的利用率也始終維持在一個(gè)較為合理的水平。我中心信息系統(tǒng)硬件維護(hù)人員的工作負(fù)荷明顯降低；系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)月以來，電力消耗相比之前減少了1215 kW/h(千瓦時(shí))。隨著虛擬服務(wù)器運(yùn)行穩(wěn)定，我中心計(jì)劃整合原有分散的服務(wù)器，節(jié)省實(shí)驗(yàn)室面積，同時(shí)便于管理。未來，我們將會進(jìn)一步探索虛擬化技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)室多元化應(yīng)用，利用虛擬化桌面[5]實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)客戶端的虛擬化。

[1] 陳康，鄭緯民.云計(jì)算:系統(tǒng)實(shí)例與研究現(xiàn)狀[J].軟件學(xué)報(bào),2009(5):1338.

[2] 肖斐.虛擬化云計(jì)算中資源管理的研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2010:7-9.

[3] 冷志強(qiáng).基于分布式文件系統(tǒng)GlusterFS的橫向擴(kuò)展云存儲的研究與實(shí)現(xiàn)[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2014:14.

[4] H3C CAS虛擬化平臺[OL].http://www.h3c.com.cn/Products_Technology/Products/H3Cloud/Catalog/Cloud_Virtualization/CAS_CVM/.

[5] 林飛躍，林先津.云桌面在教學(xué)管理中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013(10):337.

Application of Server Virtualization Based on CAS in University Laboratory

Gao Jinjin1, Li Luyang2

(1.ExperimentalTeachingCenter,ShanxiUniversityofFinance&Economics,TaiyuanShanxi030051,China;2.ShanxiAutomationResearchInstitute,TaiyuanShanxi030012,China)

Virtualization technology can solve the problems of server management and maintenance in university laboratory, at the same time improve the utilization of computing resources. This article discusses some of the problems of conventional server management, introduces the convenience and advantages of virtualization technology, and ultimately the virtual platform of university laboratory server is designed and applied based on H3C CAS.

server virtualization; university laboratory; CAS

2016-09-18

高金金(1988- )，女，山西呂梁人，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士研究生，研究方向：基于內(nèi)容的圖像檢索。

1674- 4578(2016)06- 0013- 02

TP391

A