虛擬化與信息資源云服務

陳琪 陸穎雋 李志芳 鄧仲華

摘 要：虛擬化是信息資源云實現的技術手段，它能夠大幅度提高云計算系統中資源和應用程序的可用性和效率，并顯著簡化基礎設施、優化資源以及降低風險。文章以云環境下的信息資源為對象，針對云環境下信息資源的用戶需求，利用虛擬化技術，構建了信息資源云虛擬模型，詳細闡述了其模型在網絡、服務器、存儲以及數據等方面實現信息資源云的方式。

關鍵詞：虛擬化 信息資源云 云計算 信息資源

中圖分類號： G203文獻標識碼： Ａ 文章編號： 1003-69３８（２０12）０3－0006-05

Virtualization and the Cloud Service of Information Resources

Abstract Virtualization is the technical means to achieve the information resources cloud. It can improve the availability and efficiency of the cloud computing system resources and applications, simplify the infrastructure, optimize resources and reduce risk significantly. This paper focuses on information resources and users' need in the cloud environment, using of virtualization technology to build a virtual model of information resources cloud. This paper elaborates on the manners of networks, servers, storage, and data information cloud resources virtualization.

Key words virtualization； information resource cloud； cloud computing； information resource

1 引言

信息資源云是采用云計算理念而構筑的信息資源管理平臺和服務模式。信息資源云不需要改變現有互聯網資源的分布，而是采用虛擬化與信息資源集成的相關技術，將信息資源加以虛擬化與集成，并進行知識層面的組織、構建，加以服務質量的保證，達到為用戶提供安全可靠的按需知識服務的目的。虛擬化是信息資源云構建的核心內容之一，包括服務器虛擬化、存儲虛擬化、網絡虛擬化及數據虛擬化等?？梢哉f，用戶的存儲環境越復雜，虛擬化帶來的好處就越明顯。具體來說，虛擬化對信息資源云的意義有如下幾點：

（1）虛擬化可以簡化對資源的表示、訪問和管理，并為這些資源提供標準的接口，讓用戶透明訪問，按需獲得。

（2）虛擬化對面向用戶的應用進行優化，并可以減輕與存儲有關的管理負擔，并為數據中心的遷移、備份、災難恢復及負載平衡提供更好的模式。

（3）虛擬化還可以通過虛擬若干個機器來實現不同應用的實現，以此來形成隔離，通過隔離可以解決各類沖突，并且提高了資源處理效率。

（4）虛擬化降低了用戶與資源之間的耦合程度，使用戶并不依賴于資源的特定實現，也增強了資源的動態可擴展性。

（5）虛擬化可以利用很多低成本設施集成整合后，在云端統一提供良好的服務，大大節省了提供商的開發費用和用戶的使用成本。

（6）虛擬化有助于建立彈性伸縮的應用架構，用戶可按需使用，隨時滿足不同業務需求。用戶申請的主機服務可實現快速供應和部署（實時在線開通），且在數分鐘內即可快速實現云服務器配置的按需擴容或減配。

2 相關的研究

信息資源云服務的核心就在于構建一個虛擬資源池，為上層提供邏輯服務，下層虛擬化技術的支撐［1］。通過資源建模、資源虛擬化、異構數據集成以及服務定制等，建立一個包括資源層、物理服務層和邏輯服務層的三層資源虛擬化模型［2］。目前國內的虛擬化研究主要是利用虛擬化的相關技術，提出了云制造資源虛擬化框架。這些框架側重于上層的數據資源，對于云環境下的其他基礎設施資源涉及較少［3］。對于技術層面，如虛擬化容器整合模塊和虛擬資源調度模塊的設計可以借鑒Platfom公司云計算平臺Excalibur［4］。

隨著SOA技術和網格應用的發展，上層服務虛擬化的研究有較大進展［5］。服務是資源載體，服務虛擬化就是指使用一定的方法或者技術手段，為達到靈活，低成本使用服務的目的，對服務進行加工、抽象、轉換，在不改變原有服務功能的前提下，生成新的適合用戶要求的虛擬服務［6］。也有學者［7］提到了虛擬服務和物理服務的概念，認為虛擬服務是一組物理服務的集合，這些服務不僅具有相同的操作集合還可通過相同的方式調用。同樣，信息資源的云服務也可以借鑒這一理念，將物理信息資源向虛擬資源轉換，形成邏輯服務層。

在國外，Mouradl［8］等人在2004年提出了一個類似的三層服務查詢模型，最底層是具體的物理服務，中間是特定領域的虛擬操作，上層是查詢級別的視圖，是虛擬操作聯合視圖，這里的虛擬操作聯合視圖是從用戶的使用角度去定義。這個模型對虛擬化過程描繪出一個大致的框架。本文在此基礎上又加以擴充，使概念更加實物化。2010年，Fabio Baroncelli等人［9］提出一個結合軟件實施和網絡信號發送的完整設計，使網絡即服務可以和其他云服務（例如存儲服務）進行連接配置，這對信息資源虛擬化底層基礎設施所需的網絡虛擬化提供了啟示。

3 信息資源云的虛擬模型

本文虛擬化技術引入資源虛擬化的抽象層次模型中，結合云環境下信息資源特有屬性進行了擴充，建立一個實現信息資源云虛擬化的模型。它從用戶利用的角度實現了虛擬化，可以動態、透明、低成本地使用信息資源（模型的整體框架見圖1）。

3.1 網絡層

網絡虛擬化是實現信息資源虛擬化的最基礎的一層，物理主機不僅是信息資源的重要載體也是信息資源云的重要組成部分。目前主要通過VMware vSphere中的vNetwork網絡元素實現。

網絡虛擬采用劉鵬提出的方案［10］。在指定物理服務器上的虛擬機之間，利用分布式交換機將它們進行集成，作為單個虛擬交換機使用。這使得虛擬機在跨主機遷移時可確保其網絡配置保持一致。交換機的一端與端口組相連，一端是上行鏈路，與虛擬機所在服務器上的物理以太網適配器相連。虛擬交換機可將其上行鏈路鏈接到多個物理以太網適配器以啟用網卡綁定。通過網卡綁定，兩個或多個物理適配器可分攤流量負載，或在物理適配器硬件或網絡出現故障時提供被動故障切換。與同一端口組相連的所有虛擬機，即使屬于不同的物理服務器，也在虛擬環境內的同一網絡中。從虛擬機的角度看，客戶操作系統中的通信過程就像與真實物理設備通信一樣。從虛擬機外部看，vNIC（虛擬網絡接口卡）擁有獨立的MAC地址以及一個或多個IP地址，且遵守標準的以太網協議。它可以將離散的硬件資源統一起來以創建共享動態平臺，同時實現應用程序的內置可用性、安全性和可擴展性。

網絡虛擬化可以使部署在數據中心物理主機上的虛擬機可以像物理環境一樣進行網絡互聯，而不用關心它具體屬于哪個網絡，消除了不同網絡之間的界限，滿足透明化的要求。

3.2 資源層

網絡虛擬化使主機可以不分地域、屬性等限制性因素按需使用，在此基礎上，需要實現存儲和服務器的虛擬化，以使存儲其中的數據實現虛擬化。

3.2.1 虛擬存儲資源

虛擬存儲資源可使傳統環境下的存儲介質，轉變成云環境下所需要的模式。目前云存儲系統通常將虛擬化存儲分為三層［11］：物理設備虛擬化層、存儲節點虛擬化層、存儲區域網絡虛擬化層。

物理設備層：主要用來進行數據塊級別的資源分配和管理，利用底層物理設備創建一個連續的邏輯地址空間，即存儲池。根據物理設備的屬性和用戶的需求，存儲池可以有多個不同的數據屬性，例如讀寫特征、性能權重和可靠性等級。

存儲節點層：實現存儲節點內部多個存儲池之間的資源分配和管理，將一個或者多個按需分配的存儲池整合為在存儲節點范圍內的統一的虛擬存儲池。該層由存儲節點虛擬模塊在存儲節點內部實現，對下管理按需分配的存儲設備，對上支持存儲區域網絡虛擬化層。

存儲區域網絡層：實現存儲節點之間的資源分配和管理，集中管理所有存儲設備上的存儲池，以組成一個統一的虛擬存儲池。該層由虛擬存儲管理模塊在虛擬存儲管理服務器上實現，以帶外虛擬化方式管理虛擬存儲系統的資源分配，為虛擬磁盤管理提供地址映射、查詢等服務。

虛擬化存儲中引入雙層地址空間映射機制來，構建兩個邏輯部分和一個映射組件構成，全局擴展地址空間用于管理所有映射到本地擴展地址空間的遠程空閑內存，邏輯擴展地址空間則用于擴展本地物理地址空間。最終，由映射組件根據一定的規則完成從全局擴展地址空間到邏輯擴展地址空間的映射，以此構建跨越物理服務器資源邊界的內存資源抽象。此外，利用氣球驅動技術、頁面交換（swap）技術、基于內容的頁面共享技術、頁面補丁技術等，通過釋放空閑內存和使用遠程內存的方式來達到動態調解虛擬機內存分配大小，把遠程內存作為附加的存儲層次的方式來調解內存分配可以達到最大優化內存資源配置［12］。云存儲的每一塊數據都有若干備份存儲在不同的節點中，當云中的某個節點發生錯誤時，由監控器傳遞信號，進行虛擬機快速遷移，節點可以動態的添加和移除，比原始的存儲方式具有更高的可擴展性［13］。

實現信息資源虛擬化最關鍵的就是實現存儲的虛擬化。目前較為流行的HDFS（Hadoop Distributed File System）、 vSphere的高性能集群文件系統和GFS都是云環境可應用的分布式文件系統，具有高容錯性，并且可以被部署在低價的硬件設備之上。

3.2.2 虛擬服務器

虛擬服務器也稱為vps主機，相對于真實主機而言，采用特殊的軟硬件技術把一臺完整的服務器主機分成若干個主機。

服務器虛擬化可用兩種方式。一是軟件虛擬化，另一種是硬件虛擬化。適當地配置運行服務器，可使同一臺物理服務器上運行多個虛擬機、服務器或桌面。每一個虛擬機都不需要自己的電源，都不會產生自己的熱量，也都不需要空間，但這些虛擬機中都可以貢獻相同的服務并同時在一臺物理機器上運行。這樣，每個數據中心的利用率大大提高，節省了大量空間。

信息資源的使用是依托于服務器的，服務器虛擬化能夠通過區分資源的優先次序，隨時隨地將服務器資源分配給最需要它們的工作負載，來簡化管理和提高效率，從而減少為單個工作負載峰值而儲備的資源，在資源調度中起了重要作用。

3.2.3 虛擬數據中心

信息資源虛擬化的結果就像是一個巨大的數據中心，它可以源源不斷地按需輸出內容，也可以被狹義地稱為數據虛擬化。

在存儲和服務器虛擬化的基礎上，云計算注重把封裝好的通用服務以及資源提供給用戶，對異構資源的處理不是依靠中間件，而是針對不同資源不同處理。當呼應程序時，為其分配一種CPU、內存及軟件，而不會是異構的資源，這樣便于管理，也節約了成本。所以，虛擬數據中心中的資源可以按照同構類型資源，將屬性相近的集中在一起，再通過物理到邏輯的映射進行整合。

虛擬數據中心能夠將來自不同數據源的數據匯入到抽象的服務層。這有助于減小對物理存儲系統的需要，又為使用數據的所有應用程序（尤其是商業智能系統、分析系統和事務系統）提供了統一接口。

3.2.4 虛擬資源管理層

要實現按需、動態、有效的供給，就必須對各種虛擬化方式進行合理組織。管理層負責存儲管理、調度監控、桌面實例化、QoS評價、安全等等。

服務器等虛擬化后，規模增加，且所具有的遷移特性使虛擬服務器在網絡中的物理位置變得難得可視化。管理層可以引入資源視圖和虛擬拓撲來進行資源管理。通過虛擬資源視圖可以查看物理服務器、虛擬交換機、VM的資源從屬關系信息、網絡的配置能力。虛擬網絡的拓撲數據使所有節點都聚合到物理服務器節點上，同時又能體現物理服務器內部的虛擬世界。

監控器負責在接收請求后，查看虛擬機的可用性和資源應有權，監控資源存儲運行狀況，當發現存儲節點已經失效時，控制節點能夠將工作負載交給那些運行正常的存儲節點來完成。

桌面實例化即虛擬桌面，它可以融合所有軟件實例的顯示窗口，真正給用戶呈現一種虛擬化的體驗。它可以通過請求、驗證信息、連接、啟用列表、應用、取消連接這一流程實現本地桌面和虛擬桌面的融合。終端用戶設備成為輕量級計算機，只處理鍵盤，鼠標，顯示器及本地相連的掃描儀和打印機任務，可以真正實現隨地隨用。相對于傳統的“胖桌面”它有以下優勢：①成本降低、可管理性、安全性、靈活性和可重置性提高；②只將所需要的應用窗口推送給客戶；③動態分配資源，高性能和負載平衡；④擁有控制客戶與服務器之間交互的協議［14］。

安全管理執行第三方認證、授權、驗證用戶身份的任務，還可以通過用戶文件信息動態探測其忠實度改變情況，保護敏感數據。

3.2.5 虛擬資源執行層

虛擬執行層的核心功能是支持虛擬資源任務的執行。

資源調度是提高云環境下資源利用效率的重要環節。對于每項服務，我們建立了一個負載模型，基于歷史數據分析及外部事件跡象等，預測實時的請求量以滿足給定時間點的資源需求［15］。資源調度一般包括四個步驟：資源請求，資源探測，資源選擇，資源監控。

首先探測用戶需求和資源，然后根據探測到的資源指標和預先定義的資源調度策略，對資源進行評估，從候選資源列表中根據選擇最優資源，并根據策略和評估結果去執行相應的行為。接著，將虛擬機啟動到合適的機器上，使得資源池中的資源得到合理的利用。調度遷移策略能根據用戶需求，合理關閉閑置服務器或啟動多臺虛擬機去完成負載比較大的任務時，將負載平衡。

在虛擬執行環境中，資源不會意識到虛擬層的存在，而會像在傳統計算環境下一樣運行，為虛擬資源提供一個獨立的環境。對于軟件資源來說，只要部分甚至不用安裝在系統上，虛擬軟件就可以動態部署［16］。

3.3 物理服務層

由于資源并沒有進行服務化，信息資源池并不能立即向外界提供服務，還不能完全實現虛擬化所要求的按需。

物理服務層主要解決資源統一標準、統一調用接口的問題，資源服務化封裝是虛擬化的一種方法。資源封裝的具體步驟是：①描述資源：選擇相應的資源描述模板，按要求填寫相應的資源屬性信息，形成XML格式的資源屬性文檔；②按需打包形成資源實現類；③部署資源：調用資源適配器的加入接口，加入到資源適配器中。資源適配器會自動生成資源，同時獲得資源實現類的相關信息，完成資源的服務化封裝，對外呈現統一的調用接口。資源到服務的映射分為：一對一，資源能完成的功能比較單一，直接封裝為服務的形式；多對一，多個組合資源表示為提供單一接口的單個邏輯表示形式；一對多，針對功能比較強大資源，各功能之間又相互獨立，可以按照功能分別封裝成能完成不同功能的服務［17］。

3.4 邏輯服務層

邏輯服務層將服務功能從具體的服務中抽象出來，以邏輯服務的形式予以描述，形成邏輯服務層，滿足動態變化的需求或者特定業務的需要。

物理服務和邏輯服務的描述主要從功能和非功能屬性兩個方面來刻畫。其中，功能屬性描述是服務的內在處理邏輯，是對服務能夠做什么的描述；非功能屬性有的叫做服務質量（Qos） ［18］，它描述的是服務在使用時的外部表現，如性能、價格、可靠性、可用性和安全性等。

物理服務到邏輯層的映射有兩種：①功能相同，非功能屬性取值不同的多個物理資源。這些物理服務能完成同樣的業務功能，是同類服務，虛擬化為一個邏輯服務，在實際運行時根據具體的非功能屬性要求，選擇合適的物理資源使用；②功能相同、非功能屬性也相同的多個物理資源。為了增加容錯能力或解決負載平衡等問題，一個物理服務復制多份，部署在多個機器上，具體調用物理服務時，可以根據當時服務運行情況等動態選擇一個［17］。

上述模型基本覆蓋了硬件、軟件及數據的虛擬化實現方式，從上到下各層并不是界限分明、獨立作用的，而是相輔相成，互相滲透的。

4 結語

本文的模型立足于云環境下信息資源傳播方式和組織形態的變化，從用戶需求出發，研究以需求為導向的面向用戶的信息資源云平臺的服務模型及體系。在模型構建的基礎上，結合虛擬化硬件技術以及虛擬化資源管理思想，系統探討了從最底層網絡層到頂層邏輯服務層的信息資源云實現的方法，為信息資源的虛擬化及集成提供了理論支撐。下一步還需要在信息的具體組織方式，知識服務層的實現方式等等方面，進行深入研究與細化。

參考文獻：

［1］周冠宇．云計算的虛擬技術架構分析［J］． 移動通信，2011，35（9）：9-13.

［2］王銳．數字博物館資源虛擬化與數據集成方法研究［D］．山東：山東大學計算機軟件與理論專業學位論文，2010.

［3］任磊等．云制造資源虛擬化研究［J］．計算機集成制造系統，2011，17（3）：511-518.

［4］肖菲．虛擬化云計算中資源管理的研究與實現［D］．西安：西安電子科技大學軟件工程專業學位論文，2010.

［5］Service Virtualization： Key to Managing Change in SOA［EB/OL］.［2012-03-10］.http：//www.bitpipe.com/detail/RES/1130171201_512.html.

［6］趙卓峰等．一種支持業務用戶編程的服務虛擬化技術——VINCA聚合服務機制［J］. 計算機研究與發展，2004，41（12）：183-189.

［7］Hai Jin，Hanhua Chen，Minghu Zhang，Deqing Zou. A QoS oriented Service Grid Framework［C］. The 4th Intemationa Conference on Parallel and Distributed Computing， Applications and Technologies（PDCAT2003）. Chengdu， China. August，2003.

［8］Mourad Ouzzani， Bouguettaya Athman. Efficient Access to Web Services［J］. IEEE Internet Computing，2004，8（2）：34- 44.

［9］Fabio Baroncelli， Barbara Martini， Piero Castoldi. Network virtualization for cloud computing［J］.Ann.Telecommun. 2010，（65）：713-721.

［10］劉鵬．云計算（第二版）［M］ ．北京：電子工業出版社，2011.

［11］存儲虛擬化方式在選擇時的四種形式［EB/OL］．［2012

-03-10］．http：//virtual.51cto.com/art/201107/272707.htm.

［12］李亞瓊等．一種面向虛擬化云計算平臺的內存優化技術［J］ ．計算機學報，2011，（34）：684-693.

［13］高宏卿，汪浩．基于云存儲的教學資源整合研究與實現［J］ ．現代教育技術，2010，（3）：99-103.

［14］Guangda Lai，Hua Song， and Xiaola Lin. A Service Based Lightweight Desktop Virtualization System［C］. International Conference on Service Sciences， 2010.

［15］Vaneet Aggarwal，Xu Chen，Vijay Gopalakrishnan，Rittwik Jana，K. K. Ramakrishnan， Vinay A. Exploiting Virtualization for Delivering Cloud-based IPTV Services［C］. IEEE INFOCOM， 2011.

［16］Liang Zhong，Tianyu Wo，Jianxin Li，Bo Li. A Virtualization-based SaaS Enabling Architecture for Cloud Computing［C］.Sixth International Conference on Autonomic and Autonomous Systems， 2010.

［17］武蕾．制造網格中資源虛擬化方法研究與應用［D］ ．山東：山東大學博士學位論文，2008.

［18］Al-ali RJ， Ranao， WalkerD， etal. G-QoSM： Grid service diseovery using QoS Properties［J］. Computing and Informatics Joumal， Special Issue on Grid Computing， 2002， 21（4）：363-382.

作者簡介：陳琪（1989-），女，武漢大學信息管理學院研究生；陸穎雋（1963-），男，日本國立大學理學碩士，武漢大學在讀博士，武漢大學信息管理學院副教授，碩士生導師，研究方向：數字圖書館，信息資源數據庫；李志芳（1987-），女，武漢大學信息管理學院研究生；鄧仲華（1957-），男，博士，武漢大學信息管理學院教授，博士生導師，研究方向：信息資源云與知識管理。