云計算環境下高校數據中心的虛擬化研究與探索

姜軍平

摘要：近年來，云計算一躍成為當前熱門課題，而數據中心提供商如何照使用者的服務層級協議（Service Level Agreement， SLA），用一個有效決策來分配數據中心（Data Center）儼然成為一個挑戰。當然，在資源管理中的配置安排也必須降低用電量以提高數據中心提供商的利潤。在此我們定義了一個Utility 函式，代表的是提供商的獲利滿意度。通過我們所提出的階層分析處理法（Analytical Hierarchical Process， AHP）來配置使用者到數據中心存取。本文將對云計算環境下高校數據中心的虛擬化進行研究與探索。

關鍵詞：云計算；高校；數據中心；虛擬化

近年來，隨著科技技術的進步與無線網絡的發展，人們無論在任何地點和時間都可以連上網絡掌握時事。云計算（Cloud Computing）的分布式計算（Distributed Computing）概念更促使無論臺式計算機、筆記本電腦還是智能型手機都能享受強大的網絡服務。云計算不僅受到工業界的重視，也在學術界成為非常熱門的研究課題。

一、云計算環境的相關理論

（一）云的基礎特征

由于云計算的盛行，網絡上許多人開始定義它的基礎特征的名詞，但也不符云本身的架構，美國國家標準與技術研究院（NIST）定義了以下的名詞，清楚界定云服務范本：

1.虛擬化功能：虛擬化是云計算的底層基礎技術，它將在實體的硬件資源上虛擬化出使用者需求的環境。通過虛擬化技術，我們可以達到資源配置最佳化。

2.高可靠度：云計算由數百和數千臺計算機組成，當使用者使用的計算機故障時，可由其他計算機做替換的動作。

3.高擴展和規模性：云計算是由眾多臺在各地的服務器所組成，因此可分擔單一臺計算機所不能承受的流量狀況，也可以隨時因應需要，增添硬件設施，擴充計算儲存的容量。

4.資源快速部署與彈性的部署：IaaS（Infrastructure as a Service）提供者依使用者的地點和使用量來分配資源，并且可快速提供、擴展和釋放資源。

5.使用成本低：使用者需要時向云請求即可，不需要就釋放，不需要自己添購與維護硬設備，因此不需要花費高額費用。

（二）云服務的模式

云的好處就是將現有資源整合，再將它提供給消費者使用，使用者則依自己需求向不同供貨商求購。

1.軟件即服務（Service as a Service）：通過因特網存取云的應用程序，使用者只須用瀏覽器就能使用其應用程序，并不需要掌握操作系統、軟件和網絡基礎架構。

2.平臺即服務（Platform as a Service）：它提供一個信息開發人員平臺，讓使用者編寫自己程序，在開發環境上提供服務、工具、部署、維護開發程序，使用者不需擔心平臺更新、維護等問題。

3.基礎架構即服務（Infrastructure as a Service）：IaaS 過去也被稱為硬件即服務（Hardware as a Service）。原因是過去都以硬件的基礎設施做為服務，并提供彈性化，現在可以用虛擬化運作的平臺實現。IaaS 提供公用計算概念（Utility Computing） ，像儲存空間、CPU、網絡和虛擬機器（Virtual Machine）等及其他資源的租用服務，使用者不須擔心分享平臺的網絡流量或服務器內存等問題。

二、云計算環境下高校數據中心的構建

云的發展非常迅速，越來越多應用云產生，例如企業云、醫療云、教育云等。IaaS 服務提供商提供包括各種不同的實體及虛擬的硬設備作為服務，為提供服務給不同地域的使用者，云服務提供者如AmazonEC2等已開始在建構數據中心，因此，在可見的未來，全球數據中心的部署將成為勢不可擋的趨勢。

高校數據中心構建的目標如下：（1）拉近數據中心與使用者所在地點的距離，加速使用者存取速度。（2）分散風險。全球都有天然的天災存在和發生，就如同一個籃子避免放太多雞蛋一樣，在不同區域建立數據中心可以分散風險。（3）實現數字化校園統一信息編碼，數字化校園建設內容為實現統一身份認證，建立一個門戶，創建一套數據，而信息編碼的統一是基礎。（4）實現業務系統間數據共享，實現新業務系統中只存儲部門私有數據，需要的公共數據通過調用共享數據中心發布的Web服務獲得，使新業務系統間不存在冗余數據。

云基礎架構服務已是新興的網絡應用。虛擬化（Virtualization）技術已逐漸成熟，我們通過虛擬化技術將單一個硬設備虛擬出多個虛擬機器（VM）來提供服務，使得資源的利用變得更有效率，例如IaaS 供應者，依使用者需求而產生各式的硬件需要和操作系統的虛擬環境提供服務，一般常見的虛擬技術包括Hypervisor 和VMM（Virtual Machine Monitor）進行控制及監測虛擬機器的運行操作。近年來，利用虛擬技術在資源分配上變得更有彈性而且擴充性佳，當使用者需要計算資源時，可依自己需求及消費能力來選擇，并且通過網絡向IaaS 供貨商租用資源。提供商擁有自己的數據中心（Data Center） ，里面有大量資源可提供給消費者使用，如Amazon EC2 就是很好的例子。現今有許多開放軟件可做部署VM的管理平臺，如Eucalyptus、OpenNebula等，都是常見的工具，它們可以動態供應和保留資源給不同的服務。Eucalyptus 采用Amazon EC2 的interface，通過cloud controller、cluster controller 和node controller 來負責資源安排和系統的計算以建置云計算平臺的架構。OpenNebula 可以動態布署虛擬機器在實體資源上，其最大特色是集中管理VM，使VM 工作量可以平衡。

三、云計算環境下高校數據中心的虛擬化

云計算服務器的整合可達到節省能源和硬件成本的支出，針對如何將實體機器內容復制到虛擬化環境，必須去評估虛擬化本身的虛擬資源。當虛擬機器的資源使用不受限制時，單一個要求可完全使用這臺實體機器的資源，會造成其他要求在同一臺實體機器上運行的虛擬機器得不到任何資源，因此造成資源搶奪與耗費。提供商為了監控CPU、Memory、頻寬等計算能力的效能變化，利用MO-GA（Multi-Objective Genetic Algorithm）的方法監控，根據資源使用率和電能耗費的變化，減少虛擬機器的使用使其達到節能動作。在負載平衡上，隨著IT 能源消耗量增加，云計算必須提升資源使用率，但因為時區（Time based）和地區上的不同，而有不同的資源使用效能。在尖峰時的需求高而資源使用也會隨時在滿載情況下，離峰時因為閑置下的實體機器無使用而使得資源使用效能下降，造成資源浪費和耗能過高。因此，我們必須估算使用者需求，并配合云虛擬化，在使用者和服務質量做一個適合的決策評估，進一步最佳化資源和能源耗損。

通過這一階段的基于云計算的虛擬化基礎平臺構建，將極大地提高服務器整合的效率，大幅度簡化服務器群管理的復雜性，提高整體系統的可用性，同時還可明顯地減少投資成本，實現“綠色”IT，具有很好的技術領先性和性價比。虛擬技術由于采用了將傳統服務器應用程序環境封裝成可移動的檔案文件的技術，很容易實現業務的連續不間斷運行，針對應用和訪問量靈活部署，降低系統總成本。現有系統使用的服務器差異較大，且多為處理器、內存少的服務器環境，不適宜作為虛擬化平臺的標準服務器組件，建議根據服務器設計推薦的服務器配置，購買新服務器設備作為虛擬化計算資源池。

三、結論

高校的共享數據中心是收集、處理和存儲全校公共數據和部門間的交換數據，并為全校提供信息共享服務的平臺。為了實現系統集成和各個系統之間的數據共享，在存儲數據的同時有效地將數據管理起來，并提供數據訪問的手段，為系統集成和系統之間的數據共享提供平臺，保證數據的及時性、完整性和一致性。

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編輯/岳鳳