虛擬化技術(shù)在高校數(shù)字化校園建設(shè)中的應(yīng)用研究

林仙土

摘要：隨著高校數(shù)字化校園建設(shè)的不斷深入，各項(xiàng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)逐漸增多，高校面臨的嚴(yán)峻問題是需要繼續(xù)增加硬件資源的投入，但當(dāng)前服務(wù)器資源利用率低、運(yùn)維成本高、服務(wù)保障水平低，難以滿足信息化建設(shè)的要求。本文通過構(gòu)建基于VMware虛擬化技術(shù)的數(shù)字化校園系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了資源的統(tǒng)一規(guī)劃和管理，提高了資源的利用率，增強(qiáng)了系統(tǒng)的整體安全性，保障了高校數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化校園；虛擬化；VMware；高可用性；分布式資源調(diào)度

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2016）23-0106-05

數(shù)字化校園現(xiàn)狀與問題

隨著高校信息化建設(shè)的不斷推進(jìn)，數(shù)字化校園建設(shè)已成為學(xué)校教學(xué)、辦公和科研等工作的有力保障。但隨著業(yè)務(wù)系統(tǒng)和應(yīng)用平臺(tái)需求的日益增長，若建設(shè)過程中仍采用“一套應(yīng)用一套系統(tǒng)”的模式，學(xué)校數(shù)據(jù)中心則需要不斷增加服務(wù)器的數(shù)量，而這種傳統(tǒng)服務(wù)器架構(gòu)的管理模式存在諸多不利因素，突出表現(xiàn)在：

①服務(wù)器資源的利用率低。為保證業(yè)務(wù)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，一般根據(jù)系統(tǒng)的峰值資源要求配置服務(wù)器的性能，但大部分服務(wù)器不會(huì)被經(jīng)常訪問，加上一臺(tái)服務(wù)器只運(yùn)行一個(gè)操作系統(tǒng)，受系統(tǒng)和平臺(tái)不同的限制，服務(wù)器的CPU、內(nèi)存等使用率一般不超過10%，資源閑置浪費(fèi)嚴(yán)重。

②投入成本高。隨著業(yè)務(wù)系統(tǒng)的增加，服務(wù)器數(shù)量不斷增多，還要增加相應(yīng)的配套設(shè)施，導(dǎo)致建設(shè)成本遞增且占用較多的物理空間。同時(shí)，針對不同廠家、不同型號(hào)的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理難度很大，而單臺(tái)式的維護(hù)方式工作量較大，對機(jī)房管理人員造成了較大的壓力。此外，部分服務(wù)器過了保修期，維護(hù)、維修的費(fèi)用也是不小的開支。

③服務(wù)保障水平低。目前大部分應(yīng)用系統(tǒng)采用單臺(tái)服務(wù)器的部署方式，一旦服務(wù)器出現(xiàn)故障，就會(huì)導(dǎo)致服務(wù)中斷，并且系統(tǒng)維護(hù)、擴(kuò)容或升級(jí)時(shí)需要停機(jī)，也會(huì)造成應(yīng)用服務(wù)的中斷，嚴(yán)重影響學(xué)校各項(xiàng)工作的正常開展。

④能耗高。隨著服務(wù)器的不斷增多，設(shè)備耗能和空調(diào)耗能加劇，學(xué)校數(shù)據(jù)中心的能耗費(fèi)用劇增，每年僅支付的電費(fèi)就達(dá)到數(shù)十萬元。[1]

⑤部署新業(yè)務(wù)的時(shí)間周期較長。當(dāng)有新的應(yīng)用需要部署時(shí)，需要經(jīng)過預(yù)算、采購、系統(tǒng)安裝、調(diào)試、測試、上線等多個(gè)環(huán)節(jié)，無法做到及時(shí)響應(yīng)。

針對上述問題，本文提出了基于虛擬化技術(shù)構(gòu)建一個(gè)安全、高可用性的數(shù)字化校園硬件平臺(tái)。

虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)是最近幾年較熱門的技術(shù)之一，它是通過映射或抽象的方式屏蔽物理資源的復(fù)雜性，簡化基礎(chǔ)設(shè)施的管理，同時(shí)超出其物理局限性，解決異構(gòu)平臺(tái)的管理難度，提高資源的利用率和靈活性。[2-3]服務(wù)器虛擬化是指將來自服務(wù)器的各種資源抽象成邏輯資源，不受物理上的限制，使CPU、內(nèi)存等硬件資源成為可動(dòng)態(tài)管理的資源池，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)物理服務(wù)器上運(yùn)行多臺(tái)相互隔離的虛擬機(jī)，提高資源的利用率，達(dá)到服務(wù)器的邏輯整合。

目前市場上已有一些成熟的虛擬化產(chǎn)品，如vSphere、Hyper-v、FusionSphere等。vSphere是基于云計(jì)算的新一代虛擬化套件，提供了虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)、高可用性、分布式資源調(diào)度、快速數(shù)據(jù)備份還原、集中管理等一整套的解決方案，是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的虛擬化平臺(tái)，其包含三個(gè)基本組件：ESXi Server、vCenter Server和vSphere Client。ESXi Server是一款支持硬件虛擬化并可以獨(dú)立安裝和運(yùn)行在裸機(jī)上的系統(tǒng)，通過對物理服務(wù)器進(jìn)行虛擬化，提供創(chuàng)建和運(yùn)行虛擬機(jī)的虛擬化平臺(tái)，安裝之后的服務(wù)器我們稱之為ESXi主機(jī)。作為vSphere的神經(jīng)中樞，vCenter Server主要用來管理整個(gè)虛擬化環(huán)境，為所有的主機(jī)和服務(wù)器提供集中化管理和性能監(jiān)控。vSphere Client是用戶用來連接vCenter Server或單個(gè)ESXi Server的交互工具，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)和管理。[4-5]

VMotion是威睿（VMware）公司的一項(xiàng)獨(dú)特技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在兩臺(tái)服務(wù)器不停機(jī)的情況下實(shí)時(shí)遷移虛擬機(jī)，通過內(nèi)存克隆技術(shù)，不影響用戶的使用，是所有vSphere高級(jí)功能的基礎(chǔ)。[6]分布式資源調(diào)度功能，簡稱DRS，是指通過創(chuàng)建資源池，可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求在資源池中動(dòng)態(tài)分配資源。由于每個(gè)應(yīng)用所需的資源不同，可以制定出DRS的各項(xiàng)閾值和規(guī)則，協(xié)調(diào)可用資源和預(yù)定義業(yè)務(wù)優(yōu)先順序，實(shí)現(xiàn)資源配置的智能化管理。高可用性功能，簡稱HA，實(shí)現(xiàn)為集群中的多臺(tái)主機(jī)提供快速中斷恢復(fù)。當(dāng)某臺(tái)主機(jī)硬件或操作系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)應(yīng)用的正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的高可用性。[7-8]VMware Data Protection（簡稱VDP）作為vSphere中全新的備份還原工具[9-10]，可為虛擬化環(huán)境提供簡單、經(jīng)濟(jì)高效、無代理的備份還原方式，相對于傳統(tǒng)的VCB和VDR，其備份恢復(fù)數(shù)據(jù)更快，消除重復(fù)效果更好。

服務(wù)器虛擬化在數(shù)字化校園中的應(yīng)用

臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院數(shù)字化校園系統(tǒng)是一個(gè)由統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換平臺(tái)、統(tǒng)一身份認(rèn)證平臺(tái)、統(tǒng)一信息門戶平臺(tái)和諸多業(yè)務(wù)系統(tǒng)組成的大型項(xiàng)目，為提升系統(tǒng)運(yùn)行的質(zhì)量，學(xué)校考慮構(gòu)建數(shù)字化校園服務(wù)器虛擬化平臺(tái)。

1.系統(tǒng)資源規(guī)劃

根據(jù)數(shù)字化校園建設(shè)的需要，學(xué)校新購了8臺(tái)惠普刀片服務(wù)器HPBL460c Gen8和一臺(tái)HP存儲(chǔ)MSA2040，結(jié)合原有的部分硬件資源，淘汰過保的舊服務(wù)器，重新對應(yīng)用平臺(tái)進(jìn)行部署，如表1所示。

2.虛擬化實(shí)施

（1）構(gòu)建虛擬化架構(gòu)，下頁圖1是服務(wù)器虛擬化架構(gòu)圖。

（2）為每臺(tái)物理服務(wù)器安裝ESXi系統(tǒng)，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，包括主機(jī)名、IP地址、登錄賬號(hào)和密碼等。

（3）在一臺(tái)用戶機(jī)上通過瀏覽器訪問系統(tǒng)Web頁面，下載并安裝vSphere Client客戶端，然后就可以通過該機(jī)連接到ESXi主機(jī)進(jìn)行管理。

（4）安裝vCenter Server和vCenter數(shù)據(jù)庫，用于對虛擬機(jī)主機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

（5）掛接磁盤陣列。在陣列中劃分LUN，設(shè)置光纖交換機(jī)為陣列和主機(jī)建立數(shù)據(jù)通道，然后在陣列中建立映射，最后配置ESXi主機(jī)，加入陣列中分配的空間。

（6）建立虛擬機(jī)，并部署相應(yīng)的應(yīng)用。創(chuàng)建虛擬機(jī)有兩種方式：一是新建虛擬機(jī)，設(shè)置好相關(guān)硬件參數(shù)，通過加載操作系統(tǒng)的ISO鏡像文件安裝虛擬機(jī)操作系統(tǒng)；二是直接遷移原有系統(tǒng)至虛擬機(jī)。針對一些舊系統(tǒng)或者重新部署應(yīng)用較困難的系統(tǒng)，學(xué)校采用P2V工具將物理機(jī)上的系統(tǒng)遷移至虛擬機(jī)中，并設(shè)置好硬件資源和存儲(chǔ)位置。遷移完畢后，由虛擬機(jī)接替原有系統(tǒng)的工作，關(guān)閉原先的物理服務(wù)器。[11]

（7）通過vSphere Web Client部署VDP虛擬機(jī)，配置好相關(guān)參數(shù)，完成VDP的注冊。[12]

3.虛擬化環(huán)境管理

通過vSphere Client操作控制臺(tái)連接到vCenter，可以方便地對所有EXSi主機(jī)、虛擬機(jī)及其軟硬件資源進(jìn)行管理和配置，如創(chuàng)建虛擬機(jī)、啟動(dòng)和關(guān)閉虛擬機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng)性能和利用率、修改虛擬機(jī)的硬件配置、查看資源映射和拓?fù)鋱D等，甚至根據(jù)需要隨時(shí)遷移虛擬機(jī)至其他主機(jī)或存儲(chǔ)位置，而不影響業(yè)務(wù)的連續(xù)性，圖2為虛擬化平臺(tái)管理窗口。

HA功能作為vSphere的高級(jí)功能之一，是以一群ESXi服務(wù)器為主的集群功能，創(chuàng)建一個(gè)不會(huì)藍(lán)屏的環(huán)境。在HA集群中，每一臺(tái)服務(wù)器持續(xù)監(jiān)測集群中其他服務(wù)器的心跳信號(hào)，如果一臺(tái)服務(wù)器在持續(xù)三個(gè)時(shí)間間隔后仍沒有發(fā)出心跳信號(hào)，那么該服務(wù)器上運(yùn)行的虛擬機(jī)就會(huì)自動(dòng)被轉(zhuǎn)移到集群中的其他服務(wù)器上。學(xué)校為整個(gè)數(shù)字化校園系統(tǒng)創(chuàng)建數(shù)據(jù)中心和集群，開啟HA功能并配置好相關(guān)參數(shù)，這樣就不用擔(dān)心因?yàn)榉?wù)器故障而使學(xué)校網(wǎng)站無法訪問或者OA系統(tǒng)中斷服務(wù)，大大提高了數(shù)據(jù)中心的安全性和高可用性，HA配置界面如圖3所示。

將DRS技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字化校園中，可以對一些具有明顯周期性突發(fā)訪問的系統(tǒng)進(jìn)行資源調(diào)配，如迎新系統(tǒng)，在每年九月份開學(xué)報(bào)到時(shí)，總會(huì)出現(xiàn)非常集中的訪問。按照以往的做法就是為迎新系統(tǒng)配置性能足夠高的硬件平臺(tái)以滿足需求，但是過了迎新階段，這些服務(wù)器資源基本處于閑置狀態(tài)。現(xiàn)在運(yùn)用虛擬化的DRS技術(shù)，只需要在資源池中給迎新系統(tǒng)預(yù)留足夠的資源，以滿足迎新階段集中的訪問量，而在其余時(shí)期可以將這些資源回收用于其他地方。

虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)備份機(jī)制的限制，主機(jī)內(nèi)的每臺(tái)虛擬機(jī)可看作是一個(gè)包含多個(gè)文件的整體。在VMware虛擬化環(huán)境下，使用VDP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的備份和恢復(fù)是一種方便且可靠的方式。VDP可與vCenter Server完成集成，對備份作業(yè)進(jìn)行高效的集中式管理，同時(shí)將備份數(shù)據(jù)存放于經(jīng)過重復(fù)數(shù)據(jù)消除的目標(biāo)存儲(chǔ)中。[13]VDP是針對虛擬機(jī)整機(jī)進(jìn)行備份的，可以實(shí)現(xiàn)整機(jī)恢復(fù)和文件級(jí)恢復(fù)。

高效應(yīng)用服務(wù)的數(shù)據(jù)可分為三類：①有頻繁的數(shù)據(jù)更新且數(shù)據(jù)量較小的應(yīng)用，如資產(chǎn)管理系統(tǒng)、辦公OA系統(tǒng)等。②有較固定的更新時(shí)間且數(shù)據(jù)量不大的應(yīng)用，如迎新系統(tǒng)、招生系統(tǒng)等。③更新時(shí)間不固定且數(shù)據(jù)量較大的應(yīng)用，如精品課程、視頻網(wǎng)站等。對應(yīng)不同的數(shù)據(jù)變化類型，采用分類備份的策略，如表2所示。

4.虛擬化測試

在系統(tǒng)部署并配置完之后，接下來就是對虛擬化環(huán)境進(jìn)行測試，部分測試包括：①模擬主機(jī)故障，將被測主機(jī)關(guān)機(jī)或斷網(wǎng)，通過ping命令測試該主機(jī)上的虛擬機(jī)，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)短暫時(shí)間的丟包，之后就恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)驗(yàn)證，故障主機(jī)上的虛擬機(jī)已經(jīng)遷移到集群中的另一臺(tái)主機(jī)上開始工作。②恢復(fù)測試主機(jī)的正常狀態(tài)，觀察該主機(jī)重新加入集群中，通過資源調(diào)度，部分虛擬機(jī)在不中斷服務(wù)的情況下遷移到該主機(jī)。③消耗系統(tǒng)資源測試資源調(diào)度功能。編寫shell腳本或者采用LoadRunner設(shè)計(jì)腳本，并在被測機(jī)器上運(yùn)行，消耗系統(tǒng)資源使其超載，經(jīng)過一段時(shí)間驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)該臺(tái)主機(jī)上的部分虛擬機(jī)已遷移至其他主機(jī)上繼續(xù)工作，集群中主機(jī)的性能得到平衡。④手動(dòng)遷移多臺(tái)虛擬機(jī)至被測主機(jī)，使其資源消耗趨于滿負(fù)荷，觀察一段時(shí)間發(fā)現(xiàn)部分虛擬機(jī)已自動(dòng)遷出，證實(shí)集群的資源調(diào)度功能能平衡主機(jī)間的負(fù)載。

結(jié)束語

在數(shù)字化校園平臺(tái)建設(shè)中運(yùn)用虛擬化技術(shù)，充分利用系統(tǒng)資源，使原來10%以下的資源利用率提高至50%～60%，同時(shí)解決了資源利用不平衡、故障恢復(fù)慢以及高能耗等問題，整體提升了數(shù)字化校園系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，為全校師生提供了更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。