服務器虛擬化技術在計算機實驗室的實踐應用

摘要：利用服務器虛擬化技術可以非常經(jīng)濟地搭建出先進的實驗教學平臺。基于虛擬技術的實驗平臺能夠以簡單的方式模擬出各種IT環(huán)境，起到了支持各學科的實驗教學的作用，符合計算機實驗教學的發(fā)展趨勢。文章在探討多種服務器虛擬化產(chǎn)品特點的基礎上，結合高校計算機實驗中心的建設，給出了一個具有應用價值的、基于虛擬化技術的實驗教學平臺解決方案。

關鍵詞：虛擬化技術；服務器虛擬化；x86平臺；計算機實驗教學；Hypervisor；Citrix XenServer

0 引言

隨著我國大學教育從精英教育發(fā)展到大眾教育的階段，大學生的“就業(yè)難”問題也隨之突出，其原因之一是大學畢業(yè)生普遍存在著動手能力不強、創(chuàng)新能力差、綜合競爭能力不強、不能很快進入崗位角色等問題，缺乏滿足企業(yè)實際工作需要的知識和技能。出現(xiàn)這些問題的根源在于高校的學科設置和教育模式偏離了社會發(fā)展的需要。

為解決上述問題，各類高校都大力倡導素質教育，紛紛通過調整專業(yè)、課程設置。使教學盡可能地與社會需求接軌，同時重視建設實驗教學培訓中心，全天候開放實驗室，增加學生動手的機會，加強技能教學。

計算機技術、網(wǎng)絡技術和信息技術是實踐性極強、更新極快的學科，雖然高校IT設備的投入很大，但是實驗室建好后很快又落后于技術的發(fā)展，無法滿足高校教育的需要。針對當前存在的問題，我校計算機實驗室綜合多年的教學實踐經(jīng)驗，在實驗室建設中引入服務器虛擬化技術和產(chǎn)品，建立了新一代實驗教學平臺，由此，不僅提高了計算機實驗室的服務能力和支撐水平，也提高了資金和設備的利用率，降低了設備管理和維護的工作量。

本文探討了多種服務器虛擬化技術，并在此基礎上介紹了基于Citrix XenServer產(chǎn)品的虛擬化教學實驗平臺的建設方案。

1 服務器虛擬化技術探討

1.1 概念和起源

虛擬化的概念在20世紀60年代首次出現(xiàn)，利用它可以對稀有而昂貴的大型機硬件進行分區(qū)。后來虛擬化技術又在小型機上得到了應用，把一臺小型機虛擬成幾臺小型機使用。隨著時間的推移，微型計算機和x86服務器已可提供更有效、更經(jīng)濟的方法來分配處理能力。因此到20世紀80年代，虛擬技術已不再被廣泛使用。到了20世紀90年代，研究人員開始探索如何利用虛擬化技術解決與廉價硬件激增相關的一些問題，例如。利用率不足、管理成本不斷攀升和易受攻擊等，虛擬化技術再次得到了廣泛認可。x86平臺上虛擬化技術的出現(xiàn)，首次向人們展示了虛擬化技術應用的廣闊前景，因為x86平臺可以提供便宜的、高性能和高可靠的服務器群，可以將物理服務虛擬化。

第一代的虛擬化產(chǎn)品通過一個Hypervisor或者是主機的架構提供服務器的分區(qū)能力。第二代的虛擬化技術增加了虛擬化的管理、生產(chǎn)力的規(guī)劃、物理服務器到虛擬機的遷移以及其它的工具用于整合生產(chǎn)服務器。第三代虛擬架構(V13)代表了下一代的虛擬化技術，該虛擬架構重新定義了一個新的IT標桿，它將工業(yè)標準服務器和存儲虛擬化成了一個整體，聚合成一個動態(tài)的可集中管理的資源池，可使任何應用或操作系統(tǒng)保持持續(xù)優(yōu)化和高可用狀態(tài)。它使得企業(yè)有能力去轉化、管理和優(yōu)化他們的IT系統(tǒng)架構。

具體而言，最新一代的虛擬化技術——服務器虛擬化技術，通過將服務器物理資源抽象成邏輯資源，讓一臺服務器變成幾臺甚至上百臺相互隔離的虛擬服務器，或者讓幾臺服務器變成一臺服務器，人們使用時感覺不再受限于物理上的界限，讓CPU、內存、磁盤、I／O等硬件變成可以動態(tài)管理的“資源池”，從而提高資源的利用率，簡化系統(tǒng)管理，實現(xiàn)服務器整合，讓IT對業(yè)務的變化更具適應力。

1.2 解決的問題

現(xiàn)在的服務器主機群，除一部分用于大型數(shù)據(jù)處理的小型機外，大部分是由PC服務器主機構成，并隨著用戶需求的不斷增加，PC服務器的數(shù)量也在不停地增加。但是，終端用戶還是覺得訪問速度慢(而此時網(wǎng)絡流量實際很少)，利用率極低。所以如此，部分原因是服務器資源沒有整合，造成資源分配的不合理。有些系統(tǒng)在設計當初是沒有問題的，但是，運行一段時間后數(shù)據(jù)量增加，使得系統(tǒng)變得很慢。為此，需要將這些資源(主要是CPU、內存)作為一個共享池，對相應的應用進行統(tǒng)一調配，重新動態(tài)分配資源。這就是基礎架構的虛擬化。

在具體實現(xiàn)中，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中存儲、集中備份，以及充分利用虛擬架構中虛擬機可動態(tài)在線從一臺物理服務器遷移到虛擬服務器上的特性等，需要利用光纖存儲陣列產(chǎn)品與冗余的光纖交換機(或者iSCSI存儲設備)組成標準的SAN集中存儲架構，由虛擬架構套件生產(chǎn)出來的虛擬機的封裝文件都存放在SAN存儲陣列上。通過共享的SAN存儲架構，可以最大化地發(fā)揮虛擬架構的優(yōu)勢，在線地遷移正在運行的虛擬機，進行動態(tài)的資源管理和集中的基于虛擬機快照技術的LAN Free的整合備份等，而且可為以后的容災打下基礎。

1.3 服務器虛擬化產(chǎn)品介紹

在典型的分層架構中，提供平臺虛擬化的層稱為Hypervisor(有時稱為虛擬機管理程序或VMM)。來賓操作系統(tǒng)稱為虛擬機(VM)，對這些VM而言，硬件是專門針對它們虛擬化的。

1.3.1 Hypervisor的分類

Hypervisor可以劃分為兩大類：直接運行在物理硬件之上的Type 1 Hypervisor和運行在另一個操作系統(tǒng)(如運行在物理硬件之上的各種Windows)中的Type 2 Hypervisor。

在Type 1中，Hypervisor是一個存在于操作系統(tǒng)下面的軟件層，直接位于硬件之上。這種模型保證虛擬機最大可能地提高性能，并且可以使得它們以在真實機上運行的速度運行。Hypervisor不需要自己驅動，利用支持虛擬化的處理器，例如啟動了AMD-V或者Intel VT的處理器。這使得Hypervisor可以做得非常小并且效率很高。由于上述特點，Type 1 Hypervisor在生產(chǎn)及企業(yè)級應用中被普遍采用，目前主流的服務器虛擬化平臺產(chǎn)品都采用這種技術。

1.3.2 產(chǎn)品簡介

市場上基于Type 1 Hypervisor的主流服務器虛擬化平臺(產(chǎn)品)主要有：

VMware Infrastructure 3.5、微軟Windows Server 2008 Hyper-V和Citrix XenServer 5.5等。

2 實驗教學平臺建設實例

為了讓學生掌握實用的IT技巧，我校在培育計算機人才時非常重視實驗教學。開展實驗教學離不開由各種硬件裝備構成的實驗平臺。由于教學資金有限，在打造實驗教學平臺時不僅要斟酌先進性的問題，還要統(tǒng)籌如何讓有限的資金發(fā)揮出最大的價值。基于AMD強大的多核計算技術，我們僅利用一臺服務器和一套虛擬化軟件，就以低投入搭建出了一個先進的實驗教學平臺。該平臺不僅能夠以簡單的方法模仿出各種rr環(huán)境，高效地支撐各學科的實驗教學，而且能夠有效地支撐科研工作的開展。該平臺的建成使我們的實驗教學在實踐和理論上都向前邁進了一大步。

2.1 需求

要求新的平臺能夠搭建數(shù)量更多、復雜度更高的實驗環(huán)境，能夠支持更多門類的實驗教學工作。平臺技術要開放、結構要簡單，要能夠穩(wěn)定可靠地模擬并運行多種計算系統(tǒng)和網(wǎng)絡系統(tǒng)，要有非常好的兼容性，能夠提供先進的系統(tǒng)管理方案，能夠被輕松地部署、維護和管理。

2.2 解決方案

經(jīng)過對大量資料和技術方案的調研，我們最終決定采用服務器虛擬化技術來建設新一代的強大、靈活、高效的計算機實驗教學平臺。

采用虛擬化技術，可以有效保證學生的基礎學習需要，每人都可獲得一臺虛擬服務器。采用虛擬化技術可以提升老師的教學平臺，搭建不同的網(wǎng)絡環(huán)境，從而為學生提供更多的了解網(wǎng)絡的機會。

運用虛擬技術的一個關鍵是必需擁有性能強大的服務器。為了確保虛擬的實驗教學平臺能夠順利建成，我們對服務器的選型提出了三點具體要求。

(1)擁有先避的計算機架構，具有強大的處理能力

服務器無論是在主板設計上，還是在處理器、內存、硬盤和網(wǎng)卡等重要部件上，都必需采用先進技術；必須支持多路多核處理器，并且所采用的處理器必須在硬件層面上高度支持虛擬技術，確保可以提供強大的并行數(shù)據(jù)處理能力，能夠在根本上支持虛擬體系的高效運轉。

(2)支持64位計算，易于升級

內存不足將嚴重影響虛擬體系的性能，并會直接限制虛擬機的數(shù)量。為了能夠盡可能地擴大內存的空間，處理器必須支持64位帶寬的計算，能夠突破傳統(tǒng)的4GB內存限制，可以做到輕松升級，可以讓服務器安排更多的虛擬機，讓每臺虛擬機可以處理更多的事務。

(3)價廉物美，長期擁有成本低

為了充足利用教學資金，必須選用性價比高的服務器。由于多路服務器的整體價格在很大水平上是由處理器的價錢決定的，因此我們要求盡可能選用那些性能強大、價格經(jīng)濟、運行穩(wěn)固、能耗低的處理器，這樣不僅可以降低原始采購的成本，而且能夠降低長期的擁有成本。

按照上述原則，我們最終引入基于AMD四核皓龍?zhí)幚砥鞯拇鳡朠E R905服務器，以及Citrix的XenServer5.5虛擬化軟件打造新一代的實驗教學平臺。

軟硬件配置：在服務器的硬件配置上，我們?yōu)榇鳡朠ER905服務器配備了4顆AMD四核皓龍?zhí)幚砥鳌?4GB內存和5塊400GB的SAS硬盤；在軟件方面，我們采取了開源的Citrix公司免費的XenServer5.5服務器虛擬化軟件。

2.3 教學使用情況

基于PE R905服務器的強大計算能力，我們運用XenServer服務器虛擬化軟件將PE R905服務器虛擬成多個基本應用平臺，這些基本應用平臺的數(shù)量和性能可以依據(jù)教學需要隨時變更。虛擬的應用平臺在實驗教學中主要有以下三方面作用。

第一，基本練習。利用新的教學實驗平臺的強大能力，教師在實驗課中可依據(jù)學生的數(shù)量多少劃分出相應的虛擬機，并給每個學生都分配一臺虛擬化的服務器，讓學生在其上實踐所學的各種計算機基礎知識，比如安裝Unix、Linux、Solaris和Windows等操作系統(tǒng)，進行應用軟件的配置和優(yōu)化等等。

第二，高級應用。利用虛擬系統(tǒng)可以自由分割、隨便組合的特點，教師在實驗課中可將不同的系統(tǒng)，包括DNS系統(tǒng)、網(wǎng)站系統(tǒng)、防火墻系統(tǒng)和安全證書等安裝在相互獨立的虛擬機中，再組合成一個功能齊全的網(wǎng)絡應用環(huán)境，讓學生以身臨其境的方法，深入探尋IT網(wǎng)絡的運作規(guī)律。

第三，開辟視野。教師可以因材施教，給學習得比較深入的學生分配多個虛擬機，讓他們將自己編寫的各種程序放在不同的操作系統(tǒng)平臺上調試，或在虛擬的異構平臺上模仿各種應用和網(wǎng)絡服務，使他們實踐能力和視野得到進一步的提高和擴展。

新一代的計算機教學實驗虛擬化平臺的構造示意圖如圖3所示。

3 虛擬化實驗教學平臺的優(yōu)勢

教學實踐應用證明，基于虛擬技術的實驗教學平臺相對于傳統(tǒng)的實驗教學平臺具有明顯的優(yōu)勢，包括：

(1)穩(wěn)定高效，結構簡單，易于部署、維護和管理；虛擬操作近乎是‘傻瓜’式的，只需在圖形界面上圈圈點點就能完成非常復雜的工作。在平臺上開展實驗教學，系統(tǒng)維護和管理的工作量可以減輕80％以上。

(2)能夠快速搭建數(shù)量更多、復雜度更高的實驗環(huán)境，能夠支持更多門類的實驗教學工作；現(xiàn)有的實驗平臺的資源可以支持同時建立和啟用高達100臺左右的虛擬機，可以支持DOS、Unix、Linux、Solaris和Windows等不同的操作系統(tǒng)。上百臺各種類型操作系統(tǒng)的虛擬機可以構建出功能齊全的網(wǎng)絡環(huán)境。滿足更高層次的教學實踐需求。

(3)提高效率，大幅降低建設成本。只需一臺服務器和一套免費的虛擬化軟件，可為學校極大地節(jié)約成本。相較傳統(tǒng)的基于多臺物理服務器的平臺建設方式，這種虛擬化解決方案最少能夠節(jié)省50％-60％的建設成本。

(4)延長了硬件平臺的使用壽命。硬件平臺虛擬化之后，要支持更新的操作系統(tǒng)只需要升級虛擬化軟件即可，無需對硬件平臺進行更新，這樣就延長了系統(tǒng)的使用壽命。

4 結束語

服務器虛擬化技術在我校計算機實驗教學的應用實踐證明，在購置高性能服務器的基礎上，采用虛擬化技術建設虛擬化的實驗教學平臺是既節(jié)約設備經(jīng)費，又能夠滿足計算機實驗教學對實驗環(huán)境的多樣性、復雜性、實驗性需求的有效手段。

盡管由于投入有限(如我們沒有建設SAN存儲)，目前的平臺尚無法充分發(fā)揮服務器虛擬化技術的所有優(yōu)點，虛擬化平臺的性能還有待進一步提高，但隨著虛擬化技術的日臻完善，虛擬化的理念和虛擬化的解決方案必將在實驗教學平臺的建設中發(fā)揮更大的作用。