VMware vSphere在構建Linux虛擬機實驗平臺中的應用

郭　蕓, 吳　嫻, 張　魁

(蘇州大學 計算機科學與技術學院, 江蘇 蘇州　215006)

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VMware vSphere在構建Linux虛擬機實驗平臺中的應用

郭蕓, 吳嫻, 張魁

(蘇州大學 計算機科學與技術學院, 江蘇 蘇州215006)

為有效解決Linux實驗管理過程中的一些常見問題,提出一種利用VMware vSphere構建Linux虛擬機實驗平臺的方案。闡述了該方案的設計與實現過程。該平臺能為實驗教學靈活、快速地定制個性化的Linux操作系統環境,并實現數據保護、云訪問等多項功能,使用、管理和維護極為方便,可大大降低硬件資源和維護成本。該方案比傳統方案有諸多優勢,是一種較為理想的高校Linux實驗平臺構建方案。

實驗平臺； 虛擬化技術； VMware vSphere； Linux系統

1　Linux實驗平臺虛擬化的必要性

在高校Linux操作系統實驗平臺的建設[1-4]和管理中,實驗室管理人員需要面對3個問題:一是目前Windows是主流操作系統,每臺計算機都需要安裝Windows系統,而Linux相對屬于專業系統；二是Linux存在多種版本,主流的有Red Hat、Fedora、Ubuntu等,不但它們的配置方法有區別,而且版本的更新速度也非常快；三是不同的Linux實驗需要配置不同的系統環境、不同的系統版本、不同的實驗配置。

對于第一個問題,一般采用安裝雙系統的方式來解決,安裝方式主要有硬盤直接安裝、虛擬機方式、Live CD、Live USB等。它們各有優勢,但共同的問題是難以兼顧節約硬盤資源和實現底層操作,而底層操作對于Linux實驗是非常重要的。

對于第二個問題,一般的解決方式是選擇一種Linux版本來安裝,例如統一安裝Ubuntu,管理員需要時常對系統進行升級以保持版本最新。只安裝一種版本有一個缺憾,就是學生無法體驗和學習不同的Linux版本。

對于第三個問題,一般只能被動地根據實驗的具體要求反復配置環境。這種簡單的應對方式大大增加了管理的難度和成本。

隨著云計算技術熱潮的興起,采用虛擬化技術已成為企業合理利用資源的首選方式[5]。高校實驗教學平臺的構建也應順應這一發展趨勢[6-10]。按照這一思路,我們開發了一款基于VMware vSphere4.x的虛擬機實驗平臺。該平臺使用VMware Web Service API來開發,實現了虛擬機申請、虛擬機模板制作與備份、虛擬機部署、虛擬機管理和使用等多項功能。通過該虛擬機管理平臺,任課教師和學生可根據需要申請虛擬機資源,為實驗靈活、快速地定制Linux操作系統。學生可在實驗中接觸到更多、更新的Linux系統版本,實驗室管理人員的工作負擔也大大減輕。此外,由于使用了Hadoop HDFS來存儲用戶的虛擬機文件和數據,學生個人信息的完備性和私密性也可以得到保障,例如保護學生在虛擬機實驗平臺中所做的作業、所寫的文檔不被剽竊等。該虛擬機實驗平臺為Linux操作系統課程的實驗環節創造了一個堅實的基礎平臺支撐。下面簡單介紹一下該平臺,希望能為相關實驗人員提供參考。

2　Linux實驗平臺的設計與實現

VMware vSphere是一套基于云的數據中心虛擬化平臺,提供了包括虛擬化基礎架構、監控、集中管理等在內的一整套解決方案,可實現服務器、網絡和存儲器的全方位虛擬化。它主要包括VMware ESXi Server、VMware vSphere Clien和VMware vCenter Server 3個組件。

作為一個比較特殊的管理平臺,虛擬機管理平臺介于服務器和用戶之間,如圖1所示。它可以處理虛擬機申請,也可以對虛擬機進行監控和管理。

圖1　環境整體結構圖

為了方便用戶的使用,系統采用B/S結構；為了提高虛擬機模板及虛擬機災備還原的速度,使用Hadoop的HDFS的文件存儲；利用云終端提供可靠的訪問控制；為實現臨時信息互訪而使用了JavaBean技術。在我校2013級計算機學院學生的Linux操作系統課程中試用了該實驗平臺。在試用的過程中,對機房管理人員、授課教師和學生進行了培訓,并收集反饋信息完善系統。

2.1云平臺的搭建

本系統使用2臺裝有Windows Server 2003 Enterprise x64的服務器，分別完成云平臺的管理工作(即VMware vSphere服務端)和活動目錄(Active Directory)功能。部署2臺裝有VMware ESXi服務的服務器作為虛擬主機平臺。VMware vSphere客戶端為1臺裝有Windows XP的普通PC機。另外,配置3臺裝有CentOS 6.3和Linux的計算機，分別運行虛擬機管理平臺和Hadoop集群系統。

當VMware vSphere服務端加入活動目錄后,就由它統一管理部署ESXi服務的計算機,從而實現VMware中一些高級的虛擬化功能,例如虛擬機的實時遷移、高可用性管理、分布式的資源調度等。

為了實現虛擬機模板的備份、增強系統的可靠性,使用了Linux系統中的虛擬文件功能，調用Hadoop分布式文件系統中的API實現模板文件的遠程備份。

2.2基本功能實現

虛擬機管理平臺的基本功能主要包括:虛擬機的申請、虛擬機模板的制作與備份、虛擬機的部署、虛擬機的管理以及虛擬機的使用。根據Linux操作系統課程的教學需求,分別針對每項功能研究了實現方法和關鍵技術。

(1) 虛擬機申請。為了方便師生的使用,按照簡單、直觀的原則來設計虛擬機申請使用界面,并提供預先制作的虛擬機模板供用戶選擇?？紤]到申請單數據上傳到后臺的數據比較大、參數類型也比較多,我們使用JavaBean來實現臨時信息的交互,解決多參數傳遞問題,從而減輕服務器的負擔。在提交申請時,本系統將數據存放在JavaBean中,并由Java的數據訪問接口將數據記錄在數據庫中,由此管理員就可以看到相關的申請信息,因而用戶提交申請時不需要過多考慮申請是否滿足要求。

(2) 虛擬機模板制作與備份。供用戶申請時選擇的虛擬機模板由系統管理員預先制作,同時為了保證部署的快速調用,模板還需要通過上傳模塊放在云存儲上。需要通過vSphere Client訪問服務器來完成模板的制作。系統管理員根據不同需要配置軟硬件環境,生成OVF模板,例如根據Linux操作系統的版本更新需求或教師的教學要求添加虛擬機,配置CPU數量、內存大小和虛擬網絡類型等參數,制作并導出相應的OVF虛擬機模板,最后上傳至云存儲備份。

(3) 虛擬機部署。系統管理員審批用戶提交的申請后,在審批頁面上選擇ESXi主機/vCenter服務器,并根據命名規則對虛擬機命名然后提交,如圖2所示。隨后,通過調用后臺數據庫DAO文件,頁面Java代碼將信息傳送給部署代碼,完成虛擬機的部署。

圖2　審批和部署虛擬機

(4) 虛擬機管理。虛擬機管理分為基本管理和高級管理?；竟芾碇笌熒鷮ψ约旱奶摂M機的管理,包括啟動、關閉、重啟等。我們設計了使用便捷的管理界面,如圖3所示。只要點擊某個虛擬機名稱所在行的“Power On”、“Power Off”或“Restart”按鈕后,就能實現該臺虛擬機的啟動、關閉或重啟；也可勾選幾臺虛擬機,然后按左下角的“Power On”按鈕,就能同時啟動多臺虛擬機。另外,為了保障虛擬機能安全、正常地運行,使用虛擬機克隆技術對虛擬機進行備份,并對主機/服務器/虛擬機進行實時監控。這些功能屬于高級管理。

圖3　虛擬機基本管理界面

(5) 虛擬機使用。用戶登錄后,可通過搜索功能查看虛擬機的占用資源情況。若有已啟動的虛擬機,虛擬機使用頁面上會給出提示信息,如圖4所示。根據提示信息,用戶可通過智能手機、普通PC等云終端的遠程連接來訪問相應的虛擬機。

圖4　虛擬機使用頁面

3　實踐效果

我?！癓inux操作系統”課程的實驗主要分為命令行的操作和圖形界面的操作兩大類。由于Linux的發行版本很多,任課教師也各有所好,實驗平臺無法固定。近幾年來,我們選擇過Red Hat 9、Red Hat Enterprise 4、Fedora、CentOS、Ubuntu等各種Linux的發行版本。由于各種發行版在圖形界面和命令界面都有非常大的區別,任課教師和實驗室管理人員每次開課前都需要為本學期的課程重新設計實驗大綱和搭建實驗平臺。

根據軟件安裝這個有代表性的實驗可以說明發行版之間的區別。

在我校2012年編寫的Linux實驗教學大綱中有一個軟件安裝實驗。該實驗要求學生為Red Hat Enterprise Linux 4安裝pidgin-2.6.6,并提供了rpm形式的安裝文件。該實驗連續用于2屆學生,此后因為實驗平臺變更為Ubuntu 14,實驗要求就改為:利用dpkg命令和apt-get命令為Ubuntu安裝google-chrome瀏覽器,并為學生提供了deb形式的安裝文件。在實驗過程中,也不斷有學生詢問是否可以在Fedora系統中練習使用yum命令安裝軟件。

除了該實驗外,還有許多Linux操作系統下的實驗受Linux版本的限制而具有不同的操作方法,如圖形桌面的使用和管理、用戶和磁盤管理等。而利用我們開發的基于VMware vSphere的Linux實驗教學平臺,只需簡單設置就能快速部署不同版本的實驗環境。該平臺已在我校2013級計算機學院學生中使用,取得了很好的教學效果,得到了師生的廣泛好評。

通過實際使用效果的對比可以發現,基于VMware vSphere的Linux實驗教學平臺較之原來采用的“直接安裝”和“虛擬機”兩種方式,更具有以下優勢。

(1) 設計人性化,使用方便。該實驗平臺中有關虛擬機的申請、使用和管理、監控等功能的設計都是以方便用戶使用為主導思想的。用戶在申請、使用虛擬機時,不必關心后端服務器集群是如何運作的。這大大提高了虛擬機的使用效率和服務器的資源利用率。

(2) 可創建模板,部署靈活。管理員可以將部署好的基礎應用平臺虛擬機創建成模板,再根據具體課程的教學計劃,通過模板為上課的學生快速部署實驗虛擬機。管理員再也不需要耗費大量時間重裝操作系統、配置系統和安裝應用。

(3) 數據的安全性較高。管理員可以通過對學生用戶的權限設置對服務器關鍵數據進行保護,可以有效地控制學生實驗課上的操作行為,并有效防范病毒、木馬、黑客程序對實驗平臺系統的破壞。

(4) 學生可隨時隨地訪問實驗平臺。學生可以在宿舍通過校園網、在校外通過互聯網隨時隨地訪問實驗平臺,有利于學生在課余時間及時對所學知識進行鞏固復習,讓有限的教學資源得到充分的利用,有助于提高教學靈活性和教學質量。

(5) 有效節省系統運行和維護成本。通過虛擬化整合方案,可以減少服務器采購數量、降低采購成本。實驗室的實體設備數量減少了,也可以降低用電、空調等方面的成本。更重要的是,由于系統實現了集中管理,復雜度得到降低,從而節省了大量人工維護成本。

4　結語

Linux操作系統課程對系統環境要求較高,本文構建的基于VMware vSphere的實驗教學平臺能很好地滿足課程對環境的要求。學生只要通過云終端設備訪問平臺,并根據實驗所需環境提出申請,便可獲得符合要求的虛擬機系統。這既不需要占用本地的硬盤資源,又能獲得與本地直接安裝Linux操作系統相同的使用體驗,從而可以順利實行Linux的底層操作。實驗平臺可以很好地解決多版本問題,版本的更新、升級也極為方便,只要管理員更改虛擬機的配置便可實現。災備功能的設計能讓用戶數據和系統在故障出現后及時得到恢復。因虛擬機保存在云存儲中,所以用戶的

虛擬機及硬件設備都能得到有效的管理和維護并降低維護成本。該平臺為高校Linux實驗教學平臺建設提供了一個可借鑒的方案。

該實驗平臺不僅能夠運用于Linux操作系統課程,還可以繼續向操作系統原理、程序設計、計算機網絡、物聯網等實踐性較強的課程推廣。該平臺的研發對高校實驗室虛擬化建設方向的發展是一個推動,同時對提高服務器資源的管理效率、規范服務器資源的使用也起到了很好的示范作用。

References)

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Application of VMware vSphere in construction of Linux virtual experimental platform

Guo Yun, Wu Xian, Zhang Kui

(School of Computer Science and Technology, Soochow University, Suzhou 215006, China)

A scheme of constructing Linux virtual experimental platform with VMware vSphere is proposed to effectively solve some common problems in the process of Linux experimental management. The design and implementation of the scheme are described. The platform is easy to use, manage and maintain, on which personalized Linux operating system environment can be quickly customized for experimental teaching and a number of functions, such as data protection, cloud access, etc., can be realized. The hardware resources and maintenance costs can be greatly reduced. Practical results show that the proposed scheme has many advantages over traditional ones and is ideal for constructing university Linux experimental platform.

experimental platform; virtualization technology; VMware vSphere; Linux system

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.035

2015-12-02

江蘇省高校自然科學研究項目(12KJB520017)；蘇州大學高等教育教改研究課題(5731504613)

郭蕓(1979—),女,江蘇蘇州,碩士,講師,主要研究領域為操作系統和信息安全.

E-mail：guoyun@suda.edu.cn

TP316.8

B

1002-4956(2016)6-0136-04