虛擬化技術在數字化校園建設中的研究與應用

胡麗平

(江西財經大學現代教育技術中心，江西 南昌 330013)

1.引言

隨著高校信息化建設的不斷發展，信息系統越來越多，由于操作系統版本不同、軟件開發平臺不同、應用不同等因素，為了避免相互干擾，傳統解決方案是把同一應用安裝在一臺或多臺物理服務器上，造成服務器數量直線上升，導致服務器利用率低、可管理性差、擴容需要停機進行造成應用中斷、兼容性差、服務器和存儲的購置成本高，給服務器的運維管理工作帶來巨大挑戰[1]。虛擬化建設模式可以避免傳統服務器采購和運維管理模式的弊端，通過虛擬化軟件對服務器硬件資源進行有效的整合，消除舊的“一臺服務器、一個應用程序”模式，采用在每臺物理機上運行多個虛擬機的方式，同時通過統一的管理中心對多臺服務器的所有虛擬機實現統一控制和管理，充分實現服務器資源的任意劃分和調配，提高服務器硬件資源的利用率，大大地降低服務器的設備總投資成本和設備能耗。

2.虛擬機技術簡介

所謂虛擬機，顧名思義就是虛擬出來的計算機，利用虛擬機軟件可以在一臺實體計算機上虛擬出若干臺計算機，這些虛擬出來的計算機和真實的實體計算機幾乎完全一樣，每臺虛擬機可以運行單獨的操作系統而互不干擾。虛擬化技術是指使用特定的程序對計算機資源進行邏輯表示，使之不受物理運行環境的限制，從而可以采用通用的方式查看、訪問及維護資源。虛擬化包括對處理器虛擬化、內存虛擬化、I/O虛擬化和網絡虛擬化等[2]。

服務器虛擬化技術是一個抽象層，它將物理硬件與操作系統分開，從而提供更高的IT資源利用率和靈活性。它通過虛擬化層的實現使得在單一的物理服務器上可以獨立并行運行多個虛擬服務器，虛擬服務器上可以安裝不同的操作系統和應用程序。虛擬化具有很多優點，諸如分區、隔離和封裝，從而高效整合了服務器資源，提高了硬件資源利用率，降低了機房能耗、使用空間、硬件成本、環境成本及管理成本等，同時，服務器虛擬化部署也提高了數據中心的安全性、可用性和容災能力。

3.數字化校園虛擬化部署方案

3.1 虛擬化平臺架構

虛擬化應用實現服務器資源整合和統一管理：綜合采用虛擬服務器和物理服務器部署方式分別滿足不同的校園信息化應用系統部署需求（如：虛擬服務器集群模式部署數字化校園應用系統；物理服務器集群模式部署數字化校園身份認證、數據庫等平臺），有效地實現了數據中心硬件資源整合、提高硬件資源利用率、加快業務系統的部署并簡化了系統的管理；

在統一的網絡傳輸平臺上同時支持數據網絡和存儲網絡的數據交換和傳送，從而簡化服務器后端以及在SAN環境中等方面的布線，所有的服務器通過10GE/DCE/FCoE網絡技術上聯到冗余架構的統一控制器系統和存儲系統，隨著學校業務應用系統的不斷擴展，可以在同樣的管理單元里靈活地添加硬件服務器數量，可實現高度可擴展的體系架構；

通過單一控制臺，能夠全方位管理所有服務器的配置（系統身份、固件版本、網卡(NIC)設置、HBA設置和網絡配置文件等），無需為單個系統組件配備單獨的管理，從而不僅提高了數據中心的效率，而且在需要的時候，可以快速實現資源的擴張；

通過對服務器屬性（UUID、MAC地址I/O接口類型等）進行抽象，可以靈活地定義不同的邏輯服務器與物理服務器綁定，真正做到集成式“無狀態”計算，同時可以簡單地實現系統在不同的服務器之間進行遷移，可以靈活部署應用和分配資源。虛擬化平臺架構如圖1所示。

3.2 實體服務器到虛擬機的遷移

首先根據業務需求，收集數據中心服務器的配置及資源利用率數據，分析采集的數據，進行虛擬化前的整合評估與計算。目前硬件有：三臺I/O性能強大的DELL PowerEdge R910主機，每臺主機支持4路CPU（10核）高端服務器，128G內存，2T硬盤容量，安裝了VMware ESX Server4.1.0的虛擬機操作系統；四臺基于VMFS的光纖存儲，每臺容量2T用于虛擬機的共享存儲；一臺4路CPU（6核），16G內存的DELL服務器用作客戶管理機，操作系統為windows server2008并安裝了Virtual Center和vSphere Client用于管理虛擬機和客戶操作系統。

圖1 虛擬化平臺架構

以江西財經大學的選課系統為例，每個學期的一次大規模集中選課并發量非常大，為了處理大并發訪問，部署的WEB服務器就有將近10臺。為了協調好數據庫和統一身份認證系統的處理能力，目前能做到1500人同時在線選課，能在短時間內很好地完成選課任務。但是每學期選課只有一次，其余時間段基本閑置，造成服務器資源的極大浪費。本文針對江西財經大學選課系統，將WEB應用從實體服務器遷移到虛擬機上。

此處使用最簡單的VMware vCenter Converter轉換工具來實現實體機到虛擬機的遷移[3]，VMware vCenter Converter可以執行熱復制，在實體機運轉中進行遷移，直接把實體機的磁盤區轉換成虛擬平臺中可開機的虛擬機，沒有其他中間環節，不會造成系統中斷。實體機的選課系統運行環境為：操作系統為Linux；數據庫為SQL Server2005；Java環境為JDK1.5.0；應用服務器為apache2.0.54+resin3.1.3。利用轉換工具選擇好源系統、目標系統、目標虛擬機、目標存儲位置、為虛擬機分配內存、網卡等，硬件參數配置和實體機相同。將配置好的第一臺虛擬服務器轉換成模板，用于配置其他類似虛擬選課服務器。

4.基于虛擬機與實體機的性能對比分析

在本校122學期學生實際選課過程中，采用實體機和虛擬機混合模式，每臺選課服務器容量均設置為150人，分別取一臺虛擬機和一臺實體機，對其CPU、內存、網絡響應延時、網絡占用帶寬等性能進行對比，采樣時長間隔為5分鐘，分析結果如下列圖所示（其中172.31.5.74為虛擬機地址，210.35.207.178為實體機地址）：

圖2 CPU使用率對比圖

圖3 內存使用率對比圖

圖4 網絡響應延時對比圖

圖5 網絡帶寬占用對比圖

通過對虛擬機和實體機的性能監測對比分析圖，可以看出虛擬機的效果幾乎可以達到實體機的效果，虛擬機具有很強的替代性和推廣型。

5.總結與展望

服務器虛擬化部署可以將多臺物理服務器整合在一臺實體機上，提高機房現有硬件的利用率，降低能耗，節約硬件成本和管理成本。利用虛擬化平臺的高可用性解決方案，可以對服務器資源的使用情況進行統一監控，當資源不足時能進行預警和動態調整。基于虛擬化技術的容災備份方案，保障了數據的安全性和業務應用的連續性。通過對江西財經大學選課系統進行虛擬化實踐驗證了虛擬機性能上和實體機差異不大，說明Web應用服務器從實體機向虛擬機遷移后可以保證服務質量，為今后基于虛擬機技術構建數字化校園服務平臺提供可參考的實踐依據。但最先進的虛擬機技術至少也會給系統帶來5%左右的性能損失，且此結論尚不能推廣到統一身份認證、數據庫等平臺，所以物理機、虛擬機混合運行模式將是未來應用的主流。

[1]巫朝濱.虛擬化技術在圖書館信息化建設中的應用探討[J].圖書情報工作，2010年增刊：261-263.

[2]丁佐杉，滿喜東，許新房.服務器虛擬化部署研究與分析[J].計算機光盤軟件與應用，2012(5)：43-44.

[3]吳志強，徐革，李寧.CALIS教參本地系統從實體服務器到虛擬機的遷移[J].現代圖書情報技術，2009(4)：75-78.