基于云計算的虛擬化實驗室設計與實現

賀建偉 樊成立

【摘 要】云計算將改變我們獲取計算資源、存儲資源、數據資源的方式，基于云計算IaaS構建虛擬化實驗室是私有云的應用。文中給出了一個私有云的創建案例。基于云計算IaaS構建虛擬化實驗室必須有一個好的管理系統，這個系統功能虛擬機鏡像管理、實驗方案管理、虛擬機管理、用戶管理等。構建虛擬化實驗室要考慮資源的調度和分配，與傳統機房相比虛擬化實驗室具有節省經費、方便管理、利用率高、開放性、方便實踐教學等特點，還能做一些在傳統機房不能開設實驗，有助于提升學生動手實踐和創新能力。

【關鍵詞】云計算；虛擬化；管理系統

一、引言

隨著信息技術的高速發展，傳統的計算機實驗教學環境弊端多多，表現為：①實驗時間短暫且時間固定、地點固定，致使實驗現場操作環境無法保留，長周期、連續性實驗無法開展，昂貴服務器等資源經常閑置。而學生大量空余時間又難以利用；②實驗室軟硬件配置固定，不能滿足層次化實驗教學模式要求，束縛了學生的創新意識，不利于創新人才培養；③高校辦學經費有限，計算機等設備更新相對滯后，部分實驗因設備性能不足無法進行等等。為此構建真正能實現全網絡開放的校園計算機實驗教學環境非常必要。

云計算依照提供方式分為三種：IaaS（提供基礎設施作為服務）、PaaS（提供平臺作為服務）、SaaS（提供軟件作為服務）。IaaS主要通過虛擬化技術，向用戶提供虛擬機。用戶可以在虛擬機中安裝軟件、進行各種操作，當然用戶也可以安裝自己希望的操作系統。云計算是計算與存儲技術的發展方向，它將改變我們使用計算機的方式。PaaS和SaaS將成為人們接受計算服務的主要方式，構建基于云計算IaaS虛擬化實驗室（以下簡稱虛擬化實驗室）真正能夠解決全網絡開放的校園計算機實驗教學。

二、虛擬化實驗室優勢

（1）節省經費：虛擬機的硬件是從云端的資源池中獲取的，而云中的資源池通常被認為是“無限的”。當然，作為云基礎的硬件，也需要更新換代，但是云的硬件通常是服務器級別的計算機，容易通過擴展提高性能，比普通PC淘汰的速度慢。

（2）管理更加方便：虛擬化實驗室的所有虛擬機都在云端，一般都有配套的管理軟件，在操作系統安裝、軟件部署、安全防范等方面都比傳統實驗室更加方便快捷有效，節省人力物力。

（3）開放性：傳統實驗室出于安全和工作安排，只在工作時間開放，虛擬化實驗室可以一年365天一天24小時開放。

（4）資源利用率更高：云中的資源是動態分配的。可以把全校的資源都集中一起管理，動態分配，按需分配，使資源分配合理，利用率提高。

（5）具有不可替代性：從長遠來看，PaaS和SaaS是云計算兩種主要方式，但在PaaS和SaaS沒有普及以前，IaaS將會優先普及。而且，依賴于操作系統本身的課程學習，必須使用云計算IaaS方式構建虛擬化實驗室。因此虛擬化實驗室具有不可替代性。

（6）高可靠性：“虛擬化”使用了數據多副本容錯、計算節點同構可互換等措施來保障服務的高可靠性，使用虛擬化計算比使用本地計算機可靠。

三、虛擬化實驗室設計與實現

（一）虛擬化實驗室的基本架構

建設虛擬化實驗室的主要思路是：建立私有云或者由服務商提供云，用戶通過云終端獲取云中的計算資源、存儲資源、數據資源等。云使用高性能硬件提供資源池，包括計算池、存儲池、網絡池、數據池等。使用虛擬化技術創建所需虛擬機，用戶通過云終端（通常是瀏覽器）遠程訪問虛擬機。虛擬機中能夠進行的操作和操作方式，與在真實計算機中進行操作是一樣的。虛擬化實驗室總體架構圖如圖1所示。

圖1 虛擬化實驗室總體架構圖

其中虛擬化資源中心邏輯圖如圖2所示，最底層為硬件資源池，提供計算、存儲等資源。資源池上面是計算機群集和虛擬化工具，作用是調用資源池中的資源，創建虛擬機。常用服務器虛擬化軟件品牌有 VMWare、思杰、KVM、微軟（Hyper-V）等，VMWare 的 vSphere 相對比較成熟，可以安裝大多數操作系統。虛擬化軟件不同，調用硬件資源的方式也不同，有的直接調用硬件資源，有的要通過操作系統或虛擬軟件調用。因此這兩層的關系因為使用的虛擬化軟件不同而不同，我校使用的是免費的XenServer。虛擬化實驗室管理系統通過虛擬化工具實現對虛擬機的管理。另外虛擬化實驗室管理系統還要實現用戶管理、實驗方案管理、計費管理等，用戶最終通過局域網或Internet訪問云計算中心虛擬化實驗室管理系統，經過認證后即可獲得IaaS服務。

圖2 虛擬化資源中心邏輯圖

（二）虛擬化實驗室云端硬件

虛擬化實驗室云端硬件主要由計算模塊、管理模塊、交換模塊和客戶端硬件等組成。

（1）計算模塊16套，標配（1×XEON 5560，4*4G， 2×1TSATA），最大可擴展到32G內存，最大支持6塊硬盤。標配500W高效電源模塊，最大能支持150臺虛擬機環境。

（2）管理模塊1套，標配一個，可選另一個模塊，實現冗余，可實現共享KVM切換、開關機等全方位管理控制監視功能；可選KVM Over IP功能模塊；

（3）交換模塊2套16口千兆交換機，可實現計算模塊的內部高速互聯以及外部高速擴展

（4）客戶端硬件：不需要另外添置，使用淘汰的PC機即可。也可以使用瘦客戶機。

（三）虛擬化實驗室管理系統

虛擬化實驗室管理系統由以下模塊組成：群集管理模塊、虛擬機鏡像管理模塊、實驗方案管理模塊、虛擬機管理模塊、用戶管理模塊、虛擬網絡管理模塊、計費管理模塊、作業模塊、監控模塊。

群集管理模塊的功能包括機柜的添加、刪除和查詢，物理機的添加刪除和查詢，虛擬機的遷移等。

虛擬機鏡像是創建虛擬機的模板，新建一個虛擬機就是從相應的虛擬機鏡像復制出一個新的虛擬機文件。虛擬機鏡像管理模塊的功能包括：創建、修改、刪除和編輯虛擬機鏡像，設置虛擬機磁盤個數、大小，設置虛擬機使用的CPU個數（或核數）。

在諸如網絡服務一類課程的實驗中，每一個學生需要幾臺虛擬機才能完成實驗，其中的虛擬機操作系統、網絡連接、磁盤數量等配置都可能不同。在一個實驗中所需求的所有虛擬機、網絡架構等，我們稱之為一個實驗方案。實驗方案管理模塊的功能包括：創建、編輯、刪除實驗方案，在創建實驗方案時要選擇虛擬機鏡像和數量、設置虛擬機的網絡連接、設置虛擬機的內存大小。

根據一個實驗方案生成的一套虛擬機稱為一個實例。虛擬機管理模塊的功能包括：創建、編輯、刪除虛擬機實例等。創建虛擬機時要選擇實驗方案，根據實驗方案創建虛擬機，確定實例數量，選擇虛擬機的部署方式。虛擬機的部署方式有橫向和縱向兩種。橫向部署時虛擬機被平均部署在所有不同的物理機上，各個物理機負載比較均衡；縱向部署虛擬機時優先部署在前面的物理機上，前面的物理機滿載后再部署在后面的物理機上。

用戶管理模塊：用戶分為4級用戶。1級用戶可以添加、刪除機柜、物理機；2級用戶可以添加、刪除虛擬機鏡像；3級用戶可以添加、刪除實驗方案，添加刪除4級用戶或批量導入4級用戶，創建虛擬機實例，為4級用戶分配虛擬機實例；4級用戶可以登錄分配給自己的各個虛擬機進行實驗操作。

虛擬機管理模塊可以添加、刪除虛擬網絡，計費管理模塊可以對用戶計時收費、強制關機等，作業模塊可以分發和提交作業，監控模塊可以監控學生進行的操作。

（四）云中資源的分配

一般認為，云中的資源是無限的。但作為私有云，硬件資源總是有限的，那么虛擬機的數量也是有限的。一般來說，要估算一臺虛擬機對資源的需求，必須結合虛擬機中運行的程序對資源的需求來考慮。虛擬機的用途不同，需要運行的程序也不同，對資源的需求也不同。但虛擬機中操作系統對資源的需求還是容易估算的，參考操作系統的硬件配置需求即可。需要注意的是，不同于PC機，云中的資源是動態分配的，所以要考慮整體資源的分配。創建虛擬機必須占用磁盤空間，開啟虛擬機必須要占用內存，所以云中磁盤總量決定了可以創建的虛擬機的數量，云中的內存總量決定了可以同時開啟的虛擬機數量。虛擬軟件Hyper-V具有差異磁盤功能，VMware具有連接克隆功能，這些功能可以節省很多磁盤空間。設置虛擬機有較大的內存，虛擬機運行更加流暢，但同時能開啟的虛擬機數量會減少；相反，設置虛擬機較小的內存，虛擬機運行流暢性變差，但能同時開啟更多的虛擬機。

四、總結

云計算將改變我們獲取計算資源、存儲資源、數據資源的方式。我校在構建私有云方面做了有益的嘗試，基于云計算IaaS構建的虛擬化實驗室經過2年的運行，取得了一些經驗和可喜的成效，節省了經費，方便了管理，提高了實驗室的利用率，還為教師和學生科研等提供了更好的實驗環境，達到了預期的目的。

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