李曉佳，李 楠，劉 萍

（吉林師范大學(xué) 計算機學(xué)院，吉林 四平 136000）

0 引 言

隨著云技術(shù)、虛擬化技術(shù)的快速發(fā)展，云平臺的理念越來越深入高校教學(xué)和科研平臺的建設(shè)中，云計算為用戶提供了海量共享資源和軟件，給教學(xué)和科研提供了優(yōu)質(zhì)的環(huán)境和服務(wù)，其網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化和集成化的優(yōu)點，有效地解決了部署實驗環(huán)境過程中硬件資源匱乏和因大量損耗導(dǎo)致維護成本上升的問題。在實驗平臺的構(gòu)建中，除了利用虛擬化技術(shù)提高教學(xué)效率外，研究中還利用虛擬主機的特點和優(yōu)勢，節(jié)約硬件資源，提高實驗室共享率和優(yōu)化度。

1 虛擬化技術(shù)

虛擬化是在現(xiàn)有的硬件資源中剝離出具有相同硬件配置和完成軟件操作的獨立運行環(huán)境，但資源之間可以相互共享，主控平臺能夠?qū)⒊橄蠡馁Y源進行整合，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理及任務(wù)分配，子節(jié)點接收到主節(jié)點分配的任務(wù)后，繼之以數(shù)據(jù)的運算及執(zhí)行處理，各子節(jié)點資源相對獨立，具有單獨或共享的IP地址，主機資源之間互不影響。虛擬化技術(shù)的提出，可以提高計算機的資源執(zhí)行效率和有效管理，將虛擬化技術(shù)應(yīng)用于高校計算機實驗教學(xué)管理中，將多操作系統(tǒng)、多門實驗環(huán)境與系統(tǒng)服務(wù)資源池相融合，更能凸顯虛擬化平臺的靈活性，優(yōu)化教學(xué)環(huán)境，減少對底層硬件系統(tǒng)的依賴，降低維護成本。

虛擬主機技術(shù)可以充分運用有限的硬件資源，將一個服務(wù)器的資源進行有效邏輯劃分，使用戶在相同的硬件環(huán)境支撐下，仍然可以滿足多用戶操作。虛擬主機的性能與服務(wù)器主機的硬件配置、虛擬主機的數(shù)量密切相關(guān)，因此需要在保證用戶數(shù)量的前提條件下進一步平衡系統(tǒng)資源配置。

2 DHCP的工作原理

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸成熟，客戶對網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和資源的擴充性要求逐步提升，使用DHCP服務(wù)器的優(yōu)勢是為了更加高效地管理和分配IP地址，降低靜態(tài)IP地址分配的出錯率，在集群環(huán)境的搭建和部署中，利用DHCP服務(wù)器動態(tài)地為子節(jié)點配置網(wǎng)絡(luò)信息，包括IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)、DNS服務(wù)器地址，租約等參數(shù)，可以提高配置效率，保證子節(jié)點間網(wǎng)絡(luò)暢通，避免IP地址沖突。在集群的部署過程中，由于子節(jié)點的數(shù)目較多，配置IP的工作量較大，可以利用DHCP服務(wù)器為提出申請的客戶端自動分配IP地址，租約結(jié)束后自動收回，從而實現(xiàn)IP地址的有效再利用。DHCP的工作過程分為以下幾個階段：

（1）發(fā)現(xiàn)階段。主機向全網(wǎng)絡(luò)廣播數(shù)據(jù)包，發(fā)送DHCP Discover報文，DHCP服務(wù)器、主機、主機、主機等安裝TCP/IP協(xié)議的主機都能收到該請求，數(shù)據(jù)包的信息主要包括網(wǎng)卡的MAC地址和計算機名稱等。在廣播請求的過程中，只有DHCP服務(wù)器才可以做出響應(yīng)。主機還不確定自己的網(wǎng)絡(luò)歸屬，因此封包的源地址為0.0.0.0，目的地址為255.255.255.255。具體操作過程如圖1所示。

圖1 發(fā)現(xiàn)階段Fig.1 Discovery stage

（2）提供階段。在網(wǎng)絡(luò)中接收到廣播信息的DHCP服務(wù)器做出響應(yīng)，在IP地址列表中選擇尚未出租的IP地址擬分配給主機，DHCP Offer報文中包括MAC地址、網(wǎng)絡(luò)配置信息、提供的IP地址及租期。這一過程中仍然通過廣播的方式發(fā)送信息，網(wǎng)絡(luò)中的客戶機均能收到此消息。同時DHCP Server為此客戶保留由其提供的IP地址，從而不會為其他DHCP客戶分配此IP地址。具體操作過程如圖2所示。

圖2 提供階段Fig.2 Providing stage

（3）選擇階段。主機可能會收到多臺DHCP服務(wù)器的響應(yīng)，一般會選擇首先到達的信息，并向網(wǎng)絡(luò)中廣播所接收的DHCP服務(wù)器的相關(guān)信息，DHCP Request報文中包含客戶端的MAC地址、接受的租約中的IP地址、提供此租約的DHCP服務(wù)器地址，其他的DHCP服務(wù)器將撤銷由其所提供的IP地址信息。具體操作過程如圖3所示。

圖3 異常行為定位Fig.3 Location of abnormal behaviors

圖3 選擇階段Fig.3 Selection stage

（4）確認階段。當(dāng)DHCP服務(wù)器接收到主機的請求之后，會返回主機確認信息DHCP ACK報文，用廣播通訊的方式將IP地址及其配置信息發(fā)送給主機。主機接收到確認信息后，首先查詢IP地址是否沖突，如果沖突，則拒絕該IP地址并重新廣播。如果網(wǎng)絡(luò)中沒有使用該IP地址，則可以完成IP地址初始化，將IP地址信息與主機的網(wǎng)卡綁定。具體操作過程如圖4所示。

圖4 確認階段Fig.4 Confirmation stage

（5）客戶機租期續(xù)約。DHCP客戶機申請的IP資源不是長久有效的，超出有效的租約期后，客戶機若還想繼續(xù)使用該IP需向DHCP服務(wù)器再次發(fā)送請求?？蛻魴C會在租約結(jié)束之前向DHCP Server發(fā)送消息包，接收到響應(yīng)后，客戶機根據(jù)消息包中的相關(guān)配置參數(shù)完成更新配置，可以繼續(xù)使用原IP地址。如果沒收到響應(yīng)，在租約快結(jié)束時再次申請。若一直沒有續(xù)約成功，則租約有效期過后，客戶機必須放棄這個IP地址，重新申請新的IP資源。具體操作過程如圖5所示。

圖5 租期續(xù)約Fig.5 Lease renewal

3 MAC地址的綁定

由于DHCP服務(wù)器分配地址存在不固定性，并且多個節(jié)點在分配IP的過程中，容易出現(xiàn)設(shè)置重復(fù)，集群之外的其他節(jié)點可能盜用分配好的IP地址，都會導(dǎo)致地址資源的分配和使用上出現(xiàn)混亂。為了解決上述問題，在集群的部署過程中，考慮將IP地址與網(wǎng)卡的MAC地址進行綁定，在地址資源的配置過程中，即使出現(xiàn)IP設(shè)置錯誤或者重復(fù)的問題，也會因MAC地址不匹配而設(shè)置失敗，因MAC地址具有唯一性，通過IP地址與MAC地址的綁定，也可以回溯集群中具有重復(fù)地址資源的計算機名等信息，保證網(wǎng)絡(luò)使用的高效性和暢通性。

IP地址是使用在網(wǎng)絡(luò)層及以上層的地址，注重邏輯標識，設(shè)置相對自由，在同一網(wǎng)絡(luò)中具有唯一性。MAC地址是數(shù)據(jù)鏈路層和物理層使用的地址，燒錄于網(wǎng)卡的EPROM，是基于硬件的標識，一般不做修改。在通信鏈路層中，數(shù)據(jù)幀的交換一般通過交換機或其他2層設(shè)備，需要用到主機間的MAC地址，但主機網(wǎng)卡配置的是IP地址，此時就需要借助ARP協(xié)議，可用于將IP地址轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)接口的硬件地址，以此保障進行通信。主機依靠IP地址與MAC地址的對應(yīng)關(guān)系封裝數(shù)據(jù)幀，對IP地址進行解析后，則檢查ARP表中得到IP地址與MAC地址的綁定關(guān)系，2層設(shè)備在收到含有目標MAC地址的數(shù)據(jù)幀后，與表中的MAC地址進行比較，相符則將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，不相符則丟棄。

4 批量部署虛擬主機節(jié)點

（1）批量創(chuàng)建虛擬主機節(jié)點的配置代碼。研發(fā)得到的配置代碼整體如下。

（2）批量設(shè)置虛擬主機節(jié)點IP的配置代碼。研發(fā)得到的配置代碼整體如下。

5 結(jié)束語

在有限資金投入的前提下，為了搭建更優(yōu)質(zhì)的教學(xué)和科研平臺，引入虛擬主機技術(shù)是十分必要的。虛擬技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以促進實驗教學(xué)方法的創(chuàng)新，全面提升教學(xué)效果，還可以構(gòu)建虛擬仿真實驗環(huán)境，模擬更多的實驗教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境場景，降低實驗和維護成本，充分整合高校計算機資源，滿足多學(xué)科和交叉學(xué)科的實驗教學(xué)要求，使虛擬平臺發(fā)揮更大的作用。