服務器虛擬化技術在高校校園網中的應用

徐琦

（陜西師范大學 網絡信息中心，陜西 西安710062）

一、引言

隨著高校數字化校園的快速發展，越來越多的系統得以實施應用，服務器的數量也隨之快速增長。在服務器數量迅速增長的情況下，傳統的一個或多個應用固定使用一臺服務器的方式給服務器的管理帶來了很大的難度，服務器資源利用率不均衡，數據備份和系統遷移困難，系統軟件維護等都已經成為網絡管理人員亟需解決的問題。服務器虛擬化技術以及在其基礎上“云計算”的成熟為這一系列問題的解決提供了可能。筆者以陜西師范大學為例，將服務器虛擬化技術應用到校園網服務器管理中去，利用虛擬化技術的優勢，實現了校園網服務器虛擬化集群式管理，有效地整合和分配服務器硬件資源，簡化了服務器管理模式，提高了服務器的利用率和安全性。

二、虛擬化技術的概述

1.服務器虛擬化技術

服務器虛擬化沒有一個統一的定義，但其核心思想都是基于資源請求的優先級及當時服務器資源的負載情況，將資源在多個應用系統之間合理分配和回收，從而提高資源的利用率，簡化管理流程，提高工作效率。服務器虛擬化技術是在同一臺服務器上運行多個獨立的虛擬操作系統，多個操作系統之間共享服務器物理資源（CPU、內存、硬盤、緩存等），物理資源根據各個虛擬操作系統的實時負載情況動態分配和回收。此種方式不但可以通過控制在服務器上的虛擬操作系統的數量有效利用服務器的物理資源，而且可以通過對服務器物理資源的升級，提高服務器的使用強度和降低硬件采購和維護的費用。

虛擬機軟件是實現服務器虛擬化的主要手段。利用虛擬機軟件，可以在一臺服務器上運行多臺虛擬服務器，這些虛擬服務器之間獨立運行，互不干涉，對使用者而言，其使用過程中和使用獨立服務器沒有任何區別。目前主流的服務器虛擬化軟件有VMware的ESX Server、思杰的XenServer、微軟的Hyper-V、Parallels的Virtuozzo等。 筆者所在的陜西師范大學根據服務器管理需求，選擇VMware的vSphere系列軟件實現服務器的虛擬化管理，以下服務器虛擬化技術的介紹和實現都將圍繞這一軟件展開。

2.VMware虛擬化技術

VMware虛擬化技術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，這個軟件層包含一個虛擬機監視器（或稱“管理程序”），用于動態和以透明方式分配硬件資源，實現同時運行在該計算機上的多個操作系統共享硬件資源。由于多個虛擬操作系統使用同樣的硬件資源（CPU、內存、網絡接口等），其對x86操作系統、應用程序和設備驅動的兼容性要求完全一致，從而使得同時運行的多個虛擬操作系統之間的資源分配、回收和管理成為可能。

2009年4月21日VMware公司發布其下一代虛擬系統管理軟件vSphere，該軟件是業界第一款云操作系統，是VMware Infrastructure 3的下一代產品。該產品不僅繼承了上一代虛擬平臺VMware Infrastructure 3的各種優勢，而且還加以擴展和完善，為內部云計算和外部云計算奠定基礎。現有的vSphere已經不是單一的虛擬化軟件，其系列產品包含兩大核心軟件：作為虛擬化管理器的VMware ESX和用于整合與管理的VMware vCenter。

三、服務器虛擬化技術在陜西師范大學校園網中的應用

1.校園網中應用服務器現狀

筆者所在高校最早應用的服務器是由學校各二級單位自行采購和管理，此種模式下，各個單位單獨采購需要大量的資金，但從實際應用情況來看，大部分單位的服務器利用率僅在5%～15%左右。同時由于網管人員水平、機房等的限制，服務器沒有得到有效的管理，宕機、計算機病毒、網絡攻擊等現象不能得到有效的控制。自2005年開始，二級單位的服務器陸續交給網絡信息中心托管，服務器得到了有效的管理。

隨著近年來應用系統的不斷增多，在原有各二級單位網站的基礎上，更多的應用系統上線投入使用，如近百門的精品課程、數字化校園、OA等。如果按照原有的管理思路，就需要購置更多的服務器，在現有服務器的效能未得到充分利用的前提下，盲目增加服務器不但需要更多的資金，而且大大增加了管理的難度和成本。為了解決一系列的問題，我中心經過調研，決定采用服務器虛擬化集群技術，通過服務器的虛擬化，大大減少服務器的硬件數量，簡化管理難度，為學校節省大量的成本，為今后建立校園云平臺打好基礎。

2.服務器虛擬化技術的實施方案

陜西師范大學的二級單位網站和精品課程都屬于網站平臺，操作系統要求單一，我們采用的是Parallels的Virtuozzo虛擬化軟件實現虛擬化。該虛擬化軟件屬于操作系統虛擬化，可以快速通過模板方式建立虛擬主機，但缺點是虛擬主機的操作系統都是同一系列版本，目前學校部署的Virtuozoo軟件只能虛擬Windows平臺，所以只能提供給Windows系統的服務器進行使用。而校園網中還有部分應用系統譬如大學生英語平臺、學生選課系統、學工管理系統等，不僅操作系統多樣化（如Unix或Linux），同時涉及大型數據庫及其他插件。這些應用系統進一步增加了服務器的管理難度，針對這部分需求，我們使用Vmware vSphere虛擬化系列軟件對這部分應用服務器進行虛擬化改造。

目前我中心部署了七臺物理服務器通過安裝VMware ESX建立HA集群，另外一臺服務器安裝配置VirtualCenter管理軟件，建立各個ESX服務器之間的聯系，實現了對這些虛擬服務器的集群式管理。物理服務器包括兩臺Dell poweredge R610、5臺HP proliant dl360 G6。存儲方面我們采用的是共享存儲來承載虛擬機和數據，這種存儲方式比本地存儲提供更好的I/O性能，尤其是在多虛擬機環境下。另外，一些虛擬化的高可用性功能如vMotion、HA及FA等也需要共享存儲來支持。根據學校目前應用系統的數量及并發I/O量，我們最終選擇了高性能的iSCSI SAN存儲設備，這種以太網絡傳輸數據的存儲，不僅硬件成本低，操作方便，而且維護成本較低。另外，我們使用一臺低性能的iSCSI存儲作為日常備份，保證虛擬主機數據的安全性。具體實施方案如圖1所示。

圖1 陜西師范大學VMware虛擬服務器部署方案

通過這個服務器虛擬化方案，在7臺物理服務器共計虛擬了76臺虛擬服務器，提供7*24小時服務，合計已使用存儲空間約5T。其中包括大學生英語平臺、校醫院體檢系統、開放課程、資源共享平臺、軟件下載平臺、郵件、郵件網關等大型應用平臺，系統運行穩定。同時網絡管理人員可以通過VMware vSphere Client登錄到VMware vCenter server上實現集中管理：虛擬機的停止、啟動，資源分配，監控運行狀態等，如圖2示。同時可以通過登錄控制臺進入主機系統，對任意一臺虛擬主機進行維護和管理，如圖3所示。

圖2 通過vCenter Server系統管理

同時，服務器虛擬化需要對原有的物理服務器進行虛擬化、遷移、整合和集中管理。我們使用VMware vCenter Converter工具將現有服務器進行虛擬化改造。其提供的多種方式可以實現物理機在線或離線遷移到虛擬機、VMware各虛擬機產品之間或和hyper-V之間的轉換，以及把第三方的備份鏡像遷移入虛擬機，例如Symantec backup exec System Recovery的備份文件。

3.服務器虛擬化的應用效果

圖3 虛擬主機的控制臺管理

通過服務器虛擬化集群技術的應用，我校實現了全校軟件、硬件設備及運行環境資源的共享，降低了各個二級單位的技術成本。截至目前，我校已經開通虛擬化主機190個，其中為部門、學院提供近100多個，為精品課程、科研機構和重點實驗室提供80多個。服務器虛擬化技術的實施給陜西師范大學校園網建設和管理帶來了顯著的好處，主要體現在以下幾個方面：

（1）通過部署這種服務器虛擬化技術，顯著提升了服務器的利用率。每個服務器的平均利用率從5%～15%提高到50%～70%，并且將部署應用所需要的物理服務器大幅度降低，從而降低了硬件購置成本和運行維護成本，為學校節省了大量的購置資金。另外，節約能源，減少運行成本，包括機房空間、機柜、網線、耗電量、冷氣空調和人力成本。

（2）由于整合了多臺物理服務器，利用VmwarevSphere Client可以對所有虛擬主機集中管理，靈活的資源配置、方便的系統維護使網絡管理人員的工作量大大減輕。

（3）利用服務器虛擬化技術，將所有服務器作為一個資源池統一進行管理，并按需自動進行動態資源調配，并統一管理各個虛擬服務器的運行狀況，此舉明顯提高了物理服務器及其CPU的資源利用率,將服務器的利用率最大化。

（4）提高了服務器安全性和可靠性，極大地降低了單點故障率，所有的應用全部運行在各自的虛擬機中，每個虛擬機之間是完全隔離的，如果其中一個虛擬機宕機或者被攻擊，不會影響其他的虛擬機運行，極大地提高了服務器的安全性。另外，如果一臺物理服務器出現故障或者宕機，不會影響其下的虛擬機運行，通過虛擬機的集群化管理，可以實現這個服務器下的虛擬主機自動遷移到另外一臺物理服務器上，保證了服務的可靠性和業務的連續性。

（5）服務器虛擬化技術提供了便捷的備份和恢復功能，譬如可以使用VMware Consolidated Backup軟件，它可以通過一個備份代理服務器對虛擬服務器進行集中化的備份，這種方式只需要在備份代理服務器上安裝備份軟件的客戶端，而不需要像傳統備份一樣在每臺服務器上安裝客戶端，節省了客戶端安裝的費用。并且通過這個軟件可以實現快速修復系統故障，使應用服務的穩定性和質量得到了有效保障。

服務器虛擬化技術雖然有諸多優勢，但值得注意的是，對于校園網服務器虛擬化的道路需要循序漸進，在應用服務器虛擬化技術之前，必須評估應用系統的具體要求，選擇適用的虛擬化技術，同時還要確保虛擬化的實施不會影響到業務系統的性能。目前我們僅僅對學校應用壓力較小的服務器應用系統平臺進行了虛擬化，而對一些應用系統壓力相對較大的應用平臺，例如數字化校園平臺、學生選課系統、視頻點播系統、網絡直播系統等仍采用獨立服務器進行管理。另外，對于一些需要加密狗加密的應用平臺，服務器虛擬化技術實現也較為復雜，故不推薦采用。

四、結束語

本文提出的服務器虛擬化方案，已經成功應用于陜西師范大學校園網管理中，實踐證明，虛擬服務器的運行是穩定和高效的。

在“云計算”的潮流下，虛擬化將成為未來發展的一個趨勢，隨著高校數字化校園的快速發展和服務器需求的日益增大，選擇服務器虛擬化技術也將會成為未來校園網服務器發展的一個方向。而對于云計算與虛擬化需求緊密相關的數據中心體系，如果沒有對存儲系統實施虛擬化就無法完成，因此下一步服務器和存儲的虛擬化是搭建云平臺的基礎。

[1]服務器與存儲虛擬化專題[EB/OL].http://www.enet.com.cn/server/zhuanti/xnh/.

[2]VMware虛擬機及其虛擬機軟件[EB/OL].http://www.vmware.com/cn/virtualization/virtualization/whatis-virtualization.

[3]吳海洪，鄭民，張偉勝.基于VMware的校園網服務器虛擬化管理[J].計算機與信息技術,2008(10).

[4]吳乾清.基于VMware的數字圖書館服務器虛擬化研究與應用[J].科技情報開發與經濟，2010(21).

[5]李洪民.基于VMware的高校數據中心虛擬化設計與研究[J].數字技術與應用，2011(10).