虛擬化技術在數字化校園建設中的應用

宋曉光，楊哂哂，呂淵鳴

(上海商學院網絡中心，上海，201400)

虛擬化技術在數字化校園建設中的應用

宋曉光，楊哂哂，呂淵鳴

(上海商學院網絡中心，上海，201400)

隨著高校信息化建設的發展與深入，服務器的管理中涉及的問題逐漸暴露出來。本文主要提出了其間存在的一些迫切需要解決的問題及使用虛擬化技術的必要性，并針對某高校的實際情況，結合主流虛擬化技術，提出了相應的硬件部署、備份、存儲的解決方案。結果表明，虛擬化解決方案不僅節省了成本，而且大大提高了設備的利用率和系統的可用性，保證了數字化校園的可持續性發展。

虛擬化； 備份； 存儲； VMware

Abstract:With the high development of information construction in Universities, the issues involved in the server management have been exposed gradually. This paper presents some existing problems needed to be resolved and the significance to utilize virtualization technology. And take a university’s situation as an example, combined with mainstream virtualization technology, giving the hardware deployment, backup and storage solutions accordingly. The result shows that the virtualization solution not only saves cost but also improves equipment utilization and system availability, ensures the sustainable development of the digital campus.

Key words:Virtualization, Backup, Storage, VMware

1.引言

20世紀60年代開始，美國的計算機學術界就出現了虛擬技術的萌芽。1965年IBM公司進行了一系列計算機項目試驗，其中的M44/44X計算機項目，定義了虛擬內存管理機制，應用程序可以運行在虛擬的內存中，對于用戶來說，這些虛擬內存就好像一個“虛擬機”。在1998年，實現了在Windows NT上通過VMware來啟動Windows 95的虛擬技術。VMware把虛擬化技術引入到了一個通用的體系應用架構中，使它可以應用于x86平臺，更多的用戶開始嘗試虛擬化技術。

當人們認識到服務器資源的利用率低下，以及服務器整合的必要性時，虛擬化開始吸引更多廠商的關注。尤其是64位、多核x86處理器的出現，讓單臺x86服務器的性能越來越強大。Intel已經推出了內建虛擬技術的處理器，以實現硬件輔助虛擬化，從而改善了原來僅通過軟件實現虛擬化時性能和穩定性方面的不足。虛擬化技術也在各個領域的研究迅速開展，包括CPU、服務器、存儲、操作系統、管理軟件等[1]。

2.高校網絡中心存在的問題和發展方向

CPU在高速發展，但操作系統相對滯后，應用就更為落后。這使得用戶花費大量的成本購買新的服務器，運行的卻是老的應用。那些已經運行數年的應用可能并不需要更大容量的內存和最新的CPU，但為了保證系統的可靠和對新硬件的支持，用戶別無選擇。許多用戶一旦實施新的采購，總會突破最初的預算底線。而一臺中端的服務器采用虛擬化技術后，一般能替代6或者7臺低端的服務器。其節省下來的費用有時會超過最初購買的成本。如果在加上后期增加CPU、維修以及空調等的費用，其節省下來的費用會更多。因此就目前高校網絡中心的運行現狀來講，部署虛擬化是一個勢不可擋的趨勢。

目前，高校的網絡中心主要存在以下幾個問題：

1. 電力、制冷能力要求較高：目前設備能耗和空調能耗已經達到1∶1；

2. 維護量增大，管理水平偏低；

3. 故障率偏高，服務保障水平較低。雖然購買了4小時的上門服務，但是硬件故障仍然會引起業務中斷。一份來自Intel公司1995年的數據顯示，硬盤是計算機故障的主要來源（軟、硬、XP），如圖1所示；

4. 資源分配不合理，利用率較低；

5. 兼容性差：系統和應用遷移到其他服務器，需要和舊系統兼容的系統。新的軟件包括操作系統和應用軟件無法運行在老的硬件平臺，而老的代碼有時候也很難移植到新的硬件平臺上；

6. 安全控制與數據備份困難[2]；

就目前來講，比較成熟的虛擬化方案有VMware公司的VMware Infrastructure3，它主要由VMware ESX Server和Virtual center以及VMware Infrastructure C1ient三個部分組成。VMware ESX Server直接構建于硬件層之上，它將處理器、內存、存儲器、網絡和一些I/O設備資源抽象到多個虛擬機中。這些虛擬機之間相對獨立，各自擁有虛擬的CPU、內存、存儲器、網卡等資源，每個虛擬機再在這些抽象的資源上運行自己不同的操作系統和應用程序。支持Windows、 Linux、Netware、Solaris等32位與64位的操作系統。VMware ESX Server是目前校園網數據中心這類中型虛擬化應用的最佳軟件平臺[3]。

VMware虛擬化軟件的工作原理是，直接在計算機硬件或主機操作系統上面插入一個精簡的軟件層。該軟件層包含一個以動態和透明方式分配硬件資源的虛擬機監視器。多個操作系統可以同時運行在單臺物理機上，彼此之間共享硬件資源。由于是將整臺計算機封裝起來，因此虛擬機可與所有標準的x86操作系統、應用程序和設備驅動程序完全兼容。可以同時在單臺計算機上安全運行多個操作系統和應用程序，每個操作系統和應用程序都可以在需要時訪問其所需的資源[4]。

圖1 計算機故障主要來源

3.虛擬服務器技術在數字化校園建設的研究

以某高校為例：網絡中心支持著全校多個業務系統的運行，這些業務系統包括Web系統、郵件管理系統、SSL-VPN系統、教務管理系統、DNS域名服務系統、課程中心、視頻點播等。隨著信息化的逐步深入的建設，出現了上述的各種各樣問題。該高校最終決定在數字化校園一期建設中，將統一身份認證平臺、門戶和OA三個關鍵的系統在虛擬機中運行。具體的虛擬化服務器部署方案如圖2所示。2臺虛擬主機，1臺運行數據庫服務器、統一身份認證（IDS）服務器、應用服務器；另外一臺運行OA服務器，雙機互為熱備份。虛擬機的數據采用ISCSI協議，用千兆交換機，將存儲設備連接在一起，對數據進行存儲。在執行本部署方案時，有3點值得注意：

第一，考慮到虛擬化是將服務器的資源分配給多個虛擬機使用，因此本案例使用了2臺DELL的服務器，雙4核處理器，滿足了數據庫的高讀取需求。虛擬化軟件采用的是VMware公司的 EXSi版本。

圖2 某高校網絡中心虛擬化服務器的部署方案

第二，數據的備份方案。由于虛擬機上運行的都是關鍵的應用而且涉及的數據量比較大，因此如何能夠保證服務的連貫性及數據的完整性，備份的問題就顯得尤為重要。本案主要采用本地和異地備份，全備份和增量備份并存的兩種方式。全備份指在某時間點上對生產卷上的所有數據進行完整備份；增量備份復制上次全備份或者最近發生的增量備份以來修改的數據。由于僅限于修改的數據進行備份，這種備份非常快，但是恢復起來卻很耗時。

本地備份包括全備份和增量備份兩種方式，情況見圖3。兩臺DELL服務器安裝了同樣的VMware環境和應用，主要是一個雙機互為備份的考慮。全備份鏡像是一個星期一次，增量備份是每天一次；本地備份主要是保證，如果一臺服務器宕機并且在短時間內不能恢復的情況下，另外一臺備份服務器可以迅速啟動并投入服務。異地備份主要是全備份，一個月一次。異地備份主要是考慮建立一個數據容災，該異地備份是本地關鍵應用數據的一個可用復制。在本地數據及整個應用系統出現災難時，系統至少在異地保存有一份可用的關鍵業務的數據。該數據可以是與本地生產數據的完全實時復制，也可以比本地數據略微落后，但一定是可用的。全備份是對虛擬鏡像的一個整體備份，增量備份是在上次全備份的基礎上，以每日為還原點，每日數據的變化為增量，進行備份。這種備份方式，一次備份的數據量不會太大，增加了備份的效率，而且以天為還原點，最大程度地保證了數據的完整性。

圖3 全備份+增量式備份恢復情況

第三，虛擬化服務器的數據存儲。本案存儲設備使用的是基于SAS的iSCSI SAN存儲陣列，配9塊SATA 1G的硬盤，采用“RAID 5+熱備”的部署方式。RAID 5，即帶獨立磁盤和分布式奇偶校驗的分帶陣列，它采用分帶技術，而且不同磁盤上的存儲帶是可以單獨存取的。RAID 5是以數據的校驗位來保證數據的安全，但它不是以單獨硬盤來存放數據的校驗位，而是將數據段的校驗位交互存放于各個硬盤上。這樣，任何一個硬盤損壞，都可以根據其他硬盤上的校驗位來重建損壞的數據，保證了數據的安全性。工作原理如圖4所示。

具體到本案中，8塊硬盤中有7塊是正常運轉的，如果其中有1塊硬盤出現問題，那么剩下的1塊硬盤便會馬上啟動。但如果有2塊硬盤都出現問題的話，這時熱備盤便會啟動，頂替第二塊壞掉的硬盤。數據會自動導入到熱備盤中。這種部署方式最大程度地保護了存儲的數據。

圖4 RAID 5的工作原理

4.研究結果及結論

基于虛擬技術，2臺服務器承擔了幾臺物理主機的任務，這種方式給我們帶來的最直接好處是總體成本大幅降低，系統簡化，更易維護，效益明顯。除成本的節省，虛擬化解決方案大大提高了設備的利用率和系統的可用性。

在上述案例中，得到以下幾點思考和改進：

1.系統的熱備份。在上述案例中，大部分采用的備份方式都是冷備份，即不是實時的在線熱備份。雖然能夠滿足現在大部分的需求，但是隨著學校的發展和對數據實時性需求的加大，在線的熱備份是需要考慮的問題；

2.后續如果學校對系統有更高的性能要求或者學校系統規模增大，則可以動態增加服務器節點，數據庫也可以做負載均衡集群。這樣做的好處首先是可以將大量的并發訪問或數據流量分擔到多臺節點服務器上分別處理，減少用戶等待響應的時間；其次，單個重負載的運算分擔到多臺節點設備上做并行處理，每個節點設備處理結束后，將結果匯總，返回給用戶，系統處理能力得到大幅度提高。

3.增加虛擬化系統的高可用性。一旦出現故障，則無需手動重啟服務器，系統可以自動地為虛擬機提供快速的自動化重啟和故障切換，不會產生物理基礎架構解決方案的成本或復雜性。VMware的High Availability(HA)已經實現了這一需求；在維護性方面，傳統系統維護必須斷電宕機才能更換部件，而VMware Fault Tolerance已經實現了關鍵業務應用即便遭遇硬件故障也可實現零宕機和零數據丟失。VMware Fault Tolerance是HA的有益補充，兩者目前已經在VMware vSphere 4中實現了相互集成。當然VMware VMotion也可以通過將正在運行的虛擬機從一臺服務器實時遷移到另一臺服務器的方式，實現無中斷或無停機，從而減少因服務器維護活動造成的計劃內停機。

以上幾點關于虛擬化的思考可以保證服務的連續與高效，并且管理過程和后續維護極為簡單。

[1] 李群明,余雪麗. 服務器虛擬化技術在高校數據中心的應用. Journal Of Handan Polytechnic College. 2009，22:56-59.

Li Qunming, Yu Xueli. The application of server virtualization technology in Colleagues.Journal Of Handan Polytechnic College. 2009，22:56-59.

[2] 于廣輝. 大連理工大學校園網服務器虛擬化應用. 2009教育信息存儲大會（杭州站和廣州站）.

The application of virtualization technology in Dalian University Of Technology. 2009 educational information.

[3] 周俐軍，林澤東，劉偉科. 基于VMware的高校數據中心虛擬化管理探究.中國管理信息化. 2009，12: 65-66.

Zhou Lijun, Lin Zedong, Liu Weike. The Exploration of virtual management in data center based on VMware. China Management Informationization. 2009(12): 65-66.

[4] 陶樺. 虛擬化技術在數字化校園中的應用實踐. 科技創新導報. 2009，33:30-3.

Tao Ye. The virtual technology in digital campus. Science and Technology Consulting Herald. 2009(33):30-3.