改進虛擬云平臺實驗室的設計與構建

汪克峰, 葉飛躍, 錢 進

(江蘇理工學院 計算機工程學院, 江蘇 常州 213001)

改進虛擬云平臺實驗室的設計與構建

汪克峰, 葉飛躍, 錢 進

(江蘇理工學院 計算機工程學院, 江蘇 常州 213001)

分析了當今云端平臺的發展趨勢,提出虛擬云平臺實驗室的改進方案。與傳統計算機實驗室進行了比較,改進方案使得實驗室的軟硬件成本低、后期維護工作量小、集中管理數據,并且大大提高了數據的安全性。目前云計算與大數據、機器學習以及深度學習相互結合,建設一套更全面、更完善的虛擬云平臺實驗室是當今計算機實驗室發展的趨勢和方向。

虛擬云平臺； 改進虛擬云； 實驗室建設

目前,云計算在各行各業中得到了廣泛的應用,特別是近幾年興起的“互聯網+”、大數據、機器學習和深度學習,很多高校和企業都在新建云計算或云平臺實驗室。江蘇理工學院目前有一個虛擬云平臺實驗室,筆者根據該實驗室構建以及后期使用管理的經驗,提出改進虛擬云平臺架構設計的思路與建議。

1 傳統虛擬云平臺架構

虛擬云平臺的結構通常是利用幾臺服務器虛擬出幾十臺小規模的虛擬機作為虛擬機管理器(OVP),利用其中一臺服務器兼作為虛擬桌面控制器(OVD),通過交換機把虛擬機數據傳送給專用存儲設備。整個虛擬云平臺實驗室采用云終端+云桌面的方式來管理。

傳統的桌面虛擬化平臺是對每臺服務器虛擬出一定數量的專屬虛擬機,不能隨機分配,因而對后期節點的增加有很大的限制,難以處理服務器的突發故障。傳統的桌面虛擬化平臺,其管理節點必須是一臺單獨的服務器或者虛擬機,一旦管理平臺發生故障,則會失去對整個虛擬化平臺的控制,存在嚴重的單點故障風險[1]。

虛擬云平臺是利用桌面虛擬化技術,在一臺性能強大的服務器上虛擬出若干臺虛擬機(VM)。用戶可以在虛擬機中安裝操作系統和應用程序,系統管理員可以根據需要將1臺或多臺虛擬機分配給1個或多個用戶,而用戶不再需要獨立的PC機,只需要部署一臺安全、易管理的云計算終端就可以連接并使用該服務器中的虛擬機,通過網絡把服務器端的虛擬主機傳輸到客戶端,以PC機的形式供用戶使用[2]。

這種傳統模式的虛擬化云平臺有以下幾點特點：

(1) 只適用于小規模范圍,而且服務器大部分都是相互獨立的,有些是小集群模式,后期VM節點擴展與管理不變；

(2) 只能進行正常的計算,其功能相當于入門級PC機,不能勝任3D、多媒體制作、軟件測試等耗資源的程序,也不適于大數據學習、機器學習和深度學習；

(3) 中心網絡采用百兆網線LAN,所有的數據都要通過服務器,對網絡要求非常高,播放在線高清視頻會出現卡頓現象；

(4) 云終端配置低,只有內置的Linux系統,當虛擬機出現問題時終端就不能使用,而且終端電源與虛擬機內系統電源管理沒有相互響應,使用起來很不便。

2 虛擬云平臺架構的改進

2.1 改進的多路桌面控制器

傳統的桌面虛擬化平臺,用以管理桌面創建和用戶授權的桌面連接控制器 (connection server),是一臺單獨的服務器或者某臺物理服務器內的一臺虛擬機。當大量用戶同時接入虛擬桌面時,需要由桌面控制器進行認證。此時,桌面控制器會因為并發請求太多,從而引發連接啟動風暴,導致部分用戶接入虛擬桌面失敗,需要重復連接。情況嚴重時,桌面控制器將崩潰,并導致后續所有用戶無法接入虛擬桌面。因此,傳統的桌面控制器無法有效地解決連接啟動風暴的問題,即使通過虛擬機的高可用方式,也會在切換過程中導致用戶的認證中斷[3-5]。

CDesktop OVD開創性地提出了多路桌面控制器架構,其結構如圖1所示,即OVD在集群中與OVP一樣成對部署,多OVD之間會同步用戶的配置信息并互相備份。在Thinclient用戶端,填寫接入服務器IP時,可以寫入多個OVD IP,或者以域名的方式,解析出多個OVD IP。當大并發接入時,一旦集群中一臺OVD性能不足,Thinclient無法連接到OVD或者連接OVD超時,會自動嘗試連接集群中其他OVD。一旦連接成功,當前的OVD上已經有整個集群中OVD的所有配置信息,從而可以完成用戶的認證登錄。

圖1 多路桌面控制結構圖

在不增加任何額外硬件投入的情況下,多路OVD桌面控制器技術很好地解決了桌面控制器的接入風暴和單點故障問題,提升了整個桌面云平臺的穩定性。

2.2 實現虛擬化平臺高并發性和高可用性

改進虛擬云平臺改變了傳統的服務器搭配方式,采用了分布式集群,并且專屬外部存儲分布到所有服務器內,支持iSCSI、SAN、NAS、SSD等主流的存儲系統。

(1) 集群監聽機制。假設A、B、C 3個服務器在一小組并且組成集群F,每個服務器都有一個存儲系統SA、SB、SC。可以假設一個較大的存儲S=SA+SB+SC。A、B、C服務器會不斷地去刷新各自的狀態信息,同時互相會監聽。當A內存儲沒有需要的數據,會自動搜索B和C內存儲的數據。

(2) 虛擬機加鎖機制。在正常情況下,A、B、C上運行的虛擬機是加鎖的,即只有本臺OVP才能控制自身的虛擬機。當A故障時,A的狀態信息將不再更新,B、C會立刻得到這個信息,并開始對A上的虛擬機進行接管。此時,A的虛擬機會全部解鎖,直至A正常,將虛擬機重新加鎖,由自己來接管。當然,如果某臺物理服務器需要維護,在無需中斷服務的情況下,可將服務器之上的虛擬機動態遷移至其他服務器,管理員可以快速、完整地執行透明的運維工作。

(3) 分布式集群。如果集群規模很大,需要虛擬出很多VM節點或者涉及到大量的并發數據,可以對集群服務器進行分組,組成一個分布式集群,形成組與組之間為分布式、組內是集群式,既能保證平臺的高并發性,又能保證平臺的高可用性[6-8]。

2.3 最優的硬件資源投入和高效節能的云終端

基于ARM架構的云終端,整機功耗5～10 W,相對于PC機(一般功耗200 W)節能效果高達90%以上,在規模部署云桌面之后,能夠迅速降低用電成本,做到節能減排。在存儲上使用了120 GB以上的固態硬盤,保障了數據讀寫流暢性。

新的云終端預裝了雙操作系統,分別是底層的linux系統和常用的Windows系統。如果網絡因突發情況中斷時,終端與服務器斷開,終端會自動切入自帶的操作系統繼續工作,等網絡恢復時自動把數據傳輸給服務器,保障了云終端平臺不會發生系統崩潰的情況。

在每個服務器集群工作組中都配備了大容量和穩定性好的UPS,以保障服務器的供電,杜絕了斷電引起服務器存儲陣列混亂而鎖定的現象。表1比較了舊的云終端與改進后新的云終端的若干參數指標。

表1 改進云終端和傳統云終端硬件指標參數對比

2.4 內存頁合并技術

當多用戶在各自虛擬桌面里運行應用程序或者系統進程,其使用內存都是按內存頁的形式(即分頁)計算的。那么,當使用的內存頁是相同的時候,多個桌面就可以共享的這個內存頁。比如操作系統同時啟動的時候,很多內容都是一樣的,而這些內容是先寫到內存里面,然后再讀出來。所以通過內存合并技術可以節省大部分相同的內存頁(見圖2)。

圖2 內存頁合并圖

內存頁合并是一個動態的過程。由于查找相同的內存頁且合并也是要消耗CPU資源的,所以在CPU空閑時,OVP會自動進行內存頁掃描,而當CPU繁忙時,則會停止掃描。

通過CDesktop OVP的內存頁合并技術,能夠最多節省35%的內存使用,從而保障了在有限的硬件資源下,能夠有更多的內存來部署更多的虛擬桌面,提高了內存的利用率。

2.5 鏈接克隆與I/O優化

在CDesktop OVP內建立好模板后,進行虛擬機的克隆,多個克隆虛擬機的公共部分(共同來自模板的部分)可以共用同一份內存空間和同一份磁盤空間。因此在服務器主機資源相同的情況下,采用鏈接克隆的方式可以支持更多的虛擬機、運行更多的業務,或者運行更多的虛擬桌面,節省大量的內存和存儲資源。

由于虛擬機的同時啟動會對磁盤I/O有非常大的沖擊,所以在CDesktop OVD的存儲架構中,會將模板保存在SSD硬盤上。由于一個SSD硬盤的IOPS可達上萬次,從而避免了在多臺虛擬機同時啟動時存在的I/O風暴問題,而用戶的個人數據存放在普通的SAS或SATA硬盤內。采用SSD+SAS/SATA的混合存儲方案,不但保障了虛擬機內操作系統和應用軟件的高效啟動和運行,同時為用戶提供了相對廉價的存儲容量,降低了部署桌面虛擬化時較高的存儲費用,極大降低了總體IT成本。

2.6 無共享存儲的高可用性

改進虛擬云平臺架構的高可用性為用戶提供了持續的服務,能在很短的時間內將有服務器接替出故障的服務器上的所有虛擬機。但是這需要有存儲設備作為后端支撐,于是存儲設備將成為虛擬化整個部署中的關鍵。

去除共享存儲、提供高可用性,將成為虛擬化平臺的一大優勢。OVP平臺的集群管理模塊會利用多臺服務器自身的磁盤,組建成一個大的集群,同時繼承OVP平臺原有的對稱式集群的特點,所有的服務器所扮演的角色和配置都是一樣的,沒有元數據的存儲位置,從而避免分布式存儲的元數據節點的單點故障。

無存儲的高可用性的架構如圖3所示。

圖3 無存儲的高可用性的架構圖

虛擬機的數據將會被存儲管理模塊按照一定大小分割成塊,然后把每個塊按照一定的哈希算法進行分配,寫入多個不同的節點。當其中某個服務器出現問題的時候,集群管理模塊能夠獲知,存儲管理模塊就會再次根據塊的哈希算法,選擇下一個存儲了該塊的其他的服務器作為數據讀取的源,從而找到相應的塊數據,支持服務器故障時數據的高可用性。通過存儲管理模塊將底層封裝,對上層的虛擬機來說就是一個透明的數據讀取過程[9-12]。

3 改進虛擬云平臺的優勢

(1) 完善的全系列虛擬化方案。方案涵蓋瘦客戶機的自由擴展與管理、多路虛擬桌面控制器OVD、全新虛擬機管理軟件OVP三大環節,方案全面、兼容性好、性價比高,為IT提供了一種更加精簡和安全的方法來管理用戶和提供可按需訪問的敏捷桌面服務,使得它應用范圍非常廣泛。

(2) 卓越的用戶體驗。云終端硬件的升級和操作系統的改進,增強了設備的可用性,并且做到了終端系統與虛擬機系統開關機的相互響應和千兆到桌面的網絡升級,對各種應用場景進行性能調優,高效傳輸協議VDX達到與傳統PC一致的訪問體驗。尤其是對于高清視頻的本地和在線播放,達到清晰流暢的體驗效果,解決了傳統平臺的卡頓現象。

(3) 更全面的數據安全保障。OVP、OVD和 Thinclient三方認證保障用戶接入安全；全方位的加密算法保障傳輸安全；靈活訪問控制進行集中鑒權、數據統一存儲和備份保障個人數據安全；高可靠性HA設計保障平臺安全。最終,實現了端到端桌面虛擬化安全保護。

(4) 集中式Web管理模式。整套方案僅需OVP和OVD兩大組件,可提供集中式、單一化的遠程運維模式,提高了虛擬桌面部署的易用性和可維護性。

(5) 混合的服務器搭建模式。采用了全新的分布式集群搭建模式,既具有集群的可靠性,又有分布式的可用性,由于取消了專門的外設數據存儲中心,把存儲嵌入到服務器當中,既增加了服務器讀寫速度,又減少了一些經費開銷和后期管理的工作。

4 結語

改進的虛擬云平臺是對傳統的虛擬云平臺的改進,將集群的可靠性和分布式的可用性相結合,大大提高了云服務器的工作效率,并且對后期服務器內VM節點的可控性、靈活性和穩定性有了很大的提升。改進的虛擬云平臺同時對云終端進行了軟硬件的升級和改進,對服務器搭建的模式進行了改變,服務器的配置可以根據需要選配,使得其使用業務范圍得到了增加,特別有利于流行大數據研究、機器學習和深度學習。相信在未來,這種改進的虛擬云平臺有著更好的發展前景,特別能夠給計劃構建虛擬云平臺的高校實驗室和企事業單位有很大的幫助。

References)

[1] 汪克峰,葉飛躍.虛擬云平臺實驗室的設計與架構[J].實驗技術與管理,2015,32(7):236-240.

[2] 劉春紅,宋耕,徐曉潔.基于云平臺的虛擬網絡實驗室設計與實現[J].杭州電子科技大學學報,2015(2):98-102.

[3] 戚依.基于云平臺的虛擬實驗室管理系統的設計與實現[D].上海:復旦大學,2014.

[4] 孟慶偉,劉婷.基于云計算的計算機實驗室建設模型研究[J].智能計算機與應用,2011,1(4):72-73.

[5] 袁新顏.基于云計算平臺的虛擬實驗室設計與實現探究[J].信息安全與技術,2013,4(6):80-82.

[6] 李功麗,張艷.基于云計算的計算機實驗室建設[J].河南機電高等專科學校學報,2011,19(3):21-22,29.

[7] 王峰,黃剛.基于云平臺的計算機實驗教學中心建設[J].實驗技術與管理,2014,31(12):121-123,143.

[8] 閆格.基于云計算架構的高校實驗室設計與實施[J].漳州師范學院學報,2011(3):99-103.

[9] 王海軍,都基焱.基于云計算的作戰實驗室建設與管理模式初探[J].實驗室研究與探索,2011,30(3):351-354.

[10] 吳迪,薛政,潘嶸.基于XEN云平臺的網絡安全實驗教學[J].實驗室研究與探索,2013,32(7):102-105.

[11] 楊飛,朱志祥,梁小江.基于SPICE協議的云實驗室設計與實現[J].現代電子技術,2016,39(1):13-15.

[12] 孔燚.云計算在高校計算機實驗室建設管理中的應用[J].中國教育技術裝備,2013(12):28-29,31.

Design and construction of laboratory with improved virtual cloud platform

Wang Kefeng, Ye Feiyue, Qian Jin

(School of Computer Engineering,Jiangsu University of Technology,Changzhou 213001,China)

The current development trend of cloud platform is analyzed and the improvement scheme of the virtual cloud platform laboratory is proposed. As compared with the traditional computer laboratory,the improvement scheme makes the cost of the hardware and software low,and the late maintenance workload small. It also helps centralize the management of data and greatly improve the security of the data. At present,the cloud computing is well combined with big data,machine learning and deep learning. Therefore,the construction of a more comprehensive and perfect virtual cloud platform laboratory is the trend and direction of the development of the computer laboratory.

virtual cloud platform; improved virtual cloud; laboratory construction

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.030

2017-01-10

教育部人文社會科學青年基金項目(15YJCZH129),江蘇省自然科學基金項目(BK20161199)；江蘇理工學院教改項目(11610311614)

汪克峰(1981—),男,江蘇常州,碩士,講師,主要研究方向為數字圖像處理技術、信息安全.

E-mail：wkf88@163.com

G434

A

1002-4956(2017)07-0114-04