基于VMware虛擬架構的數字化校園平臺解決方案

王良瑩

(遼寧對外經貿學院)

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基于VMware虛擬架構的數字化校園平臺解決方案

王良瑩

(遼寧對外經貿學院)

隨著高校信息化建設的飛速發展，越來越多的學校事務應用需要龐大數量的服務器來支持.數量眾多的服務器為建設數字化校園提供了硬件支撐，但是也帶來了高成本、資源浪費和運維管理難度大等困擾.本文在簡述服務器虛擬化技術及其優勢的基礎上，以遼寧對外經貿學院數字化校園建設為例，詳細論述了基于VMware的服務器虛擬化解決方案.

數字化校園；服務器虛擬化； VMware

0 引言

隨著高校信息化建設的不斷深入，數字化校園建設得到了長足發展，出現了越來越多的運行在不同操作系統和軟件開發平臺下具有不同功能的信息系統.為了減少互相影響，一般情況下把不同的應用程序安裝在不同的服務器上，這樣做的結果是導致服務器數量的飆升，同時增加了大量的運行維護工作.虛擬化運行模式通過虛擬化技術將服務器等硬件資源整合起來，可以有效避免上述弊端，極大地提高服務器資源的使用效率，因而得到越來越多用戶的青睞[1，6].

1 高校數字化校園建設現狀

數字化校園建設就是要建設數字化的教學、科研與管理環境，它通過校園網的建設來實現信息與資源的共享互通，從而為教學、科研等管理活動服務[2].其建設目標定位為：通過數據共享和應用集成將各種校園應用整合在一個統一的門戶下，為用戶提供一站式資源管理和個性化服務.近年來，大部分高校都完成了數字化校園的基礎建設，并以此為依托擴展了在基礎教學、日常辦公、課程實訓等多維度的應用.可是現在的硬件平臺還存在諸多問題：(1)服務器利用率較低.大多數服務器的容量利用率不足15%.(2)運維成本居高不下.大量的服務器需要巨額采購資金，而且增加了機房密度，服務器管理和應用部署工作量很大.(3)核心業務的可靠性和高可用性有待提高.目前大部分核心業務系統還是采用單機服務器來實現，若服務器出現故障將會導致應用中斷，數據恢復成本昂貴、操作復雜.

2 服務器虛擬化技術綜述

2.1 服務器虛擬化技術簡介

虛擬化技術是當今IT領域研究的一個熱點.服務器虛擬化技術有兩種，一種是將一臺物理服務器虛擬成多臺虛擬服務器以運行不同的應用；另一種是將離散的多臺物理服務器連結在一起形成分布式云計算，提供并行處理和高性能計算.由于該技術可以將集群內包括服務器在內的資源進行有效的整合，形成可以動態管理的資源池，從而提高硬件資源的使用效率，保證業務系統的敏捷性和適應能力[3].

圖1 服務器集群后形成的資源池

2.2 主要的服務器虛擬化技術

2.2.1 硬件分區

硬件虛擬技術就是將硬件資源虛擬成分別擁有獨立的處理器、存儲和操作系統的多個分區.采用硬件分區后，可以實現多個不同的應用程序實例運行在同一臺物理服務器之上.這種分區方法的局限性在于不能對資源進行靈活的調配[4].

2.2.2 完全虛擬化

完全虛擬化技術的代表產品是VMware的ESX server和Microsoft的Virtual PC、Virtual Server.該技術通過使用hypervisor在虛擬機和物理服務器之間建立一個中間層，能夠讓操作系統不做修改就可以安裝在VM上.Hypervisor作為主機操作系統直接運行在裸機上，而由其管理的虛擬服務器運行客戶端操作系統.但是hypervisor會帶來處理器開銷.

2.2.3 準虛擬化

準虛擬化技術又叫做半虛擬化.它通過修改用戶的操作系統，使其能夠與hypervisor協同工作，從而減輕了完全虛擬化情況下CPU的負荷.思杰的Xen是該技術的一個代表，由于需要對操作系統進行某些核心層面的修改，所以Xen只適用于對Linux、Solaris等開源操作系統的虛擬化處理.

2.2.4 操作系統層虛擬化

操作系統層虛擬化就是在操作系統層面增加虛擬服務器功能.在操作系統層虛擬化環境下，主機操作系統負責多個VM之間的硬件資源分配，所有VM要求運行相同的操作系統，并且彼此獨立[5].由于使用了相同的操作系統，在運維管理方面相比異構環境更容易些.該技術的主要優點是本機的運行速度較快，性能較高；缺點就是不夠靈活.Windows server 2008中集成了Hyper-V，提供虛擬化功能.

2.3 服務器虛擬化的技術優勢

2.3.1 整合優化IT投資，提高資源利用率

在一臺服務器上安裝多個虛擬機來運行不同的應用程序，這種技術使得服務器的需求大大降低，節省了能源，機房也不再那么擁擠，服務器利用率提高到80%，資金和運營成本可節省50%之多[6].虛擬化技術能夠實現資源池的動態集中管理，使得IT架構具有良好的擴展能力和柔性化，并且能靈活應對業務需求的改變.

2.3.2 簡化管理和提高工作效率

在虛擬化環境下，服務器數量的銳減使得系統結構變得相對簡單，從而能夠讓用戶在管理和分配服務器的工作負載上，具有充分的選擇空間.同時虛擬化提供的虛擬隔離層，能幫助管理人員進行硬件維護和故障排除[6]，并實現了程序更新的自動化.

2.3.3 提高數據災備和遷移的可靠性

服務器虛擬化可以將傳統的應用程序變成可移動的文件，能夠實現業務系統的動態遷移和業務連續不間斷運行的高可用服務器環境，是一種理想的數據災備解決方案[6].

3 基于VMware的數字化校園平臺虛擬化部署方案

3.1 數字化校園建設中的服務器功能需求

該方案以遼寧對外經貿學院數字化校園建設為例進行闡述.學校從2003年開始進行校園網建設，目前已經實現了統一的門戶網站、校園一卡通和移動辦公系統.目前正在進行數據中心建設，用以實現統一的數據共享與交換平臺和統一的身份認證與授權平臺.

為了滿足學校官網和OA系統的高可靠運行，滿足DNS 服務器和郵件系統的不間斷運行[1]，學校已經部署了近50臺服務器，但是在處理大并發訪問的應對上還是能力不足.以教務平臺的使用為例，每學期期初學校都會組織在校生進行網上選課，服務器和數據庫在短時間內存在大量的并發訪問，如果超過1800人同時在線選課系統就宕機了.此外還有學生成績管理系統和百科園在線考試系統的使用，都要求服務器有充分的響應能力.利用虛擬化平臺可以很方便實現上述目標，提高服務級別的同時還可降低整體擁有成本(TCO).

3.2 服務器虛擬化方案設計與實施

根據學校數字化校園建設的總體思路，本方案建議使用VMware vSphere5對學校目前的業務應用進行虛擬化部署.

3.2.1 VMware 虛擬化架構

VMware(Virtual Machine ware)公司是世界第四大系統軟件公司，其vSphere系列產品，是VMware的企業級產品，該產品在虛擬化和云計算基礎架構領域一直處于業界領先地位.中國很多保險公司、商業銀行以及政府部門在建設數據中心的時候都不約而同地選擇了該產品.

VMware vSphere提供的虛擬化應用產品組件具體有：(1)ESX/ESXi：是運行數據中心級應用的旗艦產品，安裝在裸服務器上的強大Server，可以利用命令和工具直接在其上創建虛擬機.(2)vCenter：即虛擬中心，用于集中管理ESX/ESXi主機及其上的虛擬機.(3)vClient：客戶端軟件，可以使用戶遠程連接到虛擬中心或單個VMware主機上.(4)vCenter Converter：將物理服務器和第三方虛擬機快速轉換為 VMware 虛擬機的遷移工具.(5)vMotion：在應用不中斷的情況下，將正在運行的虛擬機在不同的服務器之間進行遷移.(6)SMP(Symmetric Multi-Processing)：通過 SMP單個VM可以同時使用主機服務器中的多個CPU，以處理過重的工作負載，如ERP、數據庫等企業級應用的虛擬化.(7)VMFS：一種群集文件系統，它允許對同一個虛擬機的存儲同時進行讀寫操作，支持虛擬機遷移、故障重啟等新型分布式服務.(8)HA(High Availability)：即高可用性，主要提供應用程序的快速中斷恢復服務.(9)DRS(Distributed Resource Scheduler)：DRS借助VMotion遷移功能在一個大的資源池中對分配給每一臺虛擬機的資源進行智能優化.(10)Consolidated Backup：提供統一的在線備份功能.

圖2 VMware vSphere基本組成

3.2.2 服務器虛擬化具體實施步驟

1.對服務器、存儲等資源進行規劃和部署

要實施服務器的虛擬化，首先是要對物理服務器進行分類.學校里的教務系統、辦公系統、圖書館、一卡通等諸多業務應用，它們可能運行在Windows、UNIX、Linux等不同的操作系統平臺之上，訪問的數據庫平臺也可能不同，分類時要考慮這些因素.其次是要對虛擬服務器進行規劃.規劃時要考慮到業務系統擴展對服務器處理能力的需求，要結合負載、并發訪問量等指標，盡量做到科學合理.最后就是對CPU、存儲等硬件資源和應用、服務等軟件資源進行有效的整合，建立虛擬服務器的集群[1,6].

具體實施方案是：選用基于Intel Xeon系列處理器的物理服務器和VMware vSphere5 服務器虛擬化軟件進行虛擬化部署.將VCenter Server平臺運行在Windows Server 2008 R2系統環境下，通過其主動管理功能發揮 vSphere 潛能，提高在虛擬基礎架構各個級別上的集中控制和可見性.用戶采用vClient客戶端程序與vSphere 主機或虛擬中心建立連接，并對虛擬機進行管理.

共享存儲網絡可以使用 EMC 的光纖存儲陣列，VMware vSphere主機通過 HBA 卡與網絡存儲相連.也可以采用IP SAN (Storage Area Network)或者 NAS (Network Attached Storage)等相對便宜的存儲方式.學?？梢愿鶕Y金情況自行選擇存儲模式.

該方案具體實施架構如圖3所示.

圖3 服務器虛擬化平臺架構圖

2. 虛擬環境搭建

(1)物理環境準備

① 服務器硬件預先安裝和配置確認；

② 網絡交換機安裝和物理環境確認；

③ 存儲系統安裝和環境確認.

建議：單臺服務器配置8核以上的CPU，盡可能將服務器配置到最大內存，至少配置1到3個虛擬交換機.采用同一廠商、同一產品家族和同一代處理器的服務器組成的集群，可以獲得最好的VMotion兼容能力.

(2)安裝VMware ESXi主機

(3)安裝VMware vCenter和相關組件，連接到SQL Server數據庫

(4)安裝VMware vCenter Converter

(5)配置Data Centers

① 根據規劃方案配置VMware Date Center；

② 創建Cluster；

③ 配置HA和DRS；

④ 配置各項監控策略參數和虛擬機默認參數；

⑤ 開啟VMotion等基礎功能；

⑥ 建立Swap file策略.

(6)添加VMware ESXi主機到VMware vCenter

(7)配置存儲

(8)創建虛擬機網絡使用的vSwitch(或dvSwitch)

(9)配置虛擬交換機端口的負載均衡和安全

(10)將ESXi主機添加至Cluster

3. 系統遷移

經過上述步驟，服務器虛擬化環境基本就準備好了.現在可以對現有的業務系統做實時遷移.不同業務系統的遷移要在仔細了解應用類型、業務關聯方式等情況之后才能給出最佳方案.

(1)遷移環境檢查

主要是物理服務器硬件配置檢查，服務器所運行的應用系統環境需要進一步調研.

(2)數據備份

遷移前需對源主機數據進行完全備份.

(3)實施遷移

可根據應用遷移的復雜程度決定虛擬化先后順序：較易實現P2V的應用(如可用Converter工具直接遷移的應用)可先做遷移，較難或不能做P2V遷移的應用可考慮采用重新安裝方式遷移.

物理服務器的P2V的遷移方法如下：

① 安裝VMware Converter (熱遷)或使用Convert CD(冷遷)，或第三方工具；

② 設置Converter的網絡信息；

③ 設置源機器、目標機器的相關參數(IP或主機名、用戶賬號、資源池和存儲位置等)；

④ VMware Tool的選項設置、Custom的選項設置、電源狀態選項設置；

⑤ 進行遷移.

當虛擬機運行出現故障或需要負載均衡時，VMware 的HA和DRS功能都會自動啟動VMotion功能，實現幾乎無中斷的虛擬服務器遷移，其過程如圖4所示：

圖4 用VMotion實現虛擬機的遷移

(4)虛擬化測試

測試階段的工作主要一方面是斷開源物理服務器，連接目標VM，檢查目標VM的運行情況；另一方面是要通過模擬各種情況下的突發故障，檢測系統的可靠性和可用性.此外，可根據測試的結果調整資源分配，進行性能優化.

4 結束語

服務器虛擬化技術具有很好的技術領先性和性價比，在高校數字校園建設中值得推廣.VMware的第五代虛擬架構vShpere5代表了當前主流的虛擬化技術，它將處理器和存儲等硬件資源整合成一個大的資源池，保證了業務系統的敏捷性、適應能力以及站點容災.隨著虛擬化技術的創新發展和應用成熟，必將為高校數字化校園平臺建設提供更先進的技術、更好的效益以及寬泛的選擇性.

[1] 楊照巖,滕紅麗,谷小青,等.服務器虛擬化技術在高校數據中心建設中的應用[J].農業網絡信息, 2013(11).

[2] 任紅軍.高職院校數字化校園建設初探[J].鄂州大學學報,2012,19(2)：21-25 .

[3] 張春芳,盧獻利,趙攀龍,等.虛擬化技術在企業信息系統資源整合中的應用[J].內蒙古農業大學學報:自然科學版, 2014(4).

[4] 羅國富,查貴庭,李恒貝.虛擬化技術在校園網中的應用研究[J].中國教育信息化,2010(5)：77-80 .

[5] 李永達.虛擬機應用系統的設計與實現[D].西安:西安電子科技大學碩士學位論文,2010.

[6] 盧凱.服務器虛擬化技術在數字校園建設中的應用[J].軟件導刊,2012,11(6)：120-121 .The Solutions of Digital Campus Platform Based on the VMware Virtual Server Architecture

(責任編輯：李家云)

Wang Liangying

( Liaoning University of International Business and Economics)

With the rapid development of information construction of colleges and universities, more and more of the teaching, management, and other applications require large number of servers to be supported. Because of large-scale hardware platform for various activities in colleges and universities, strong support is provided at the same time, which also brought insufficient resource utilization, wasteful resource and difficult management. On the basis of the brief server virtualization technology and its advantages, Liaoning University of International Business and Economics construction of digital campus as an example, solutions are discussed based on VMware server virtualization.

Digital campus; Server virtualization; VMware

2016-04-03

TP393.18

A

1000-5617(2016)03-0042-04