虛擬化技術在數字圖書館中的應用

〔摘 要〕介紹虛擬化技術和虛擬化軟件VMware vSphere 4，著重介紹圖書館虛擬化關鍵技術，并結合大連理工大學圖書館整合數字圖書館服務的方案，詳細介紹虛擬化在數字圖書館的具體應用。為構建高效穩定、持續發展、綠色環保的數字圖書館提供有效途徑。

〔關鍵詞〕虛擬化;VMWARE;數字圖書館

DOI:10.3969/j.issn.1008-0821.2010.10.021

〔中圖分類號〕TP368 〔文獻標識碼〕B 〔文章編號〕1008-0821(2010)10-0077-04

Virtualization Technology in Digital Library ApplicationsWang Zhengjun Jin Yuling

(Library，Dalian University of Technology，Dalian 116023，China)

〔Abstract〕This paper introduced virtualization technology and virtualization software VMware，virtualization in the library focuses on key technologies，combined with Dalian University of Technology Library Integrated Digital Library Services program，it also discussed details of virtualization specific applications in the digital library.For building highly efficient and stable，sustainable development，green environmental protection to provide effective means of digital libraries.

〔Keywords〕virtualization;VMWARE;digital library

隨著數字圖書館技術的高速發展，網絡信息服務應用越來越多。傳統的“一臺服務器、一個操作系統、一種應用”的模式，已經不能滿足復雜多變的數字圖書館的實際應用需要。突顯的問題主要有以下幾個方面，第一，數字圖書館對硬件的不斷投入，仍然不能滿足不斷增長的業務需要，硬件的后續添置和升級需要投入大量經費。第二，已投入生產的硬件資源得不到充分利用，高投入低產出與節能綠色環保背道而馳。第三，對硬件資源的管理調配不靈活，不能按需分配資源。第四，業務應用與硬件耦合度太大，硬件問題影響業務的正常運行。

針對上訴問題，尋找一種能夠充分利用并靈活配置管理硬件資源，提高應用服務的可部署性、持續性、高效性的方案，是數字圖書館亟待解決的問題。虛擬化技術正是這一方案的有效途徑。

1 虛擬化技術概述

虛擬化是動態基礎架構的關鍵構建塊，利用虛擬化可以在一臺物理機上運行多個虛擬機，因而得以在多個環境間共享這一臺計算機的資源^[1]。不同的虛擬機可以在同一臺物理機上運行不同的操作系統以及多個應用程序。虛擬化會使基礎架構更加靈活，從而能以更快速、更經濟有效且更動態的方式來分配IT資源，并能幫助數字圖書館應對不斷變化的需求級別和全新的業務需求所帶來的挑戰。

目前市場上典型的虛擬機技術實現有VMware ESX Server、Microsoft Hyper-V和Critrix XenServer等^[2]，其中VMware市場占有份額較大，因此本文以其為例對虛擬機相關技術的實際應用進行探討。

1.1 VMware工作原理

VMware虛擬化的工作原理是直接在計算機硬件上面插入一個精簡的軟件層(如圖1)。該軟件層包含一個以動態和透明方式分配硬件資源的虛擬機監視器(或稱“管理程序”)，在其上可構建多個虛擬機，在虛擬機上部署實際需要的操作系統和應用^[3]。由于是將整臺計算機(包括CPU、內存、操作系統和網絡設備)封裝起來，因此虛擬機可與所有標準的x86操作系統、應用程序和設備驅動程序完全兼容。虛擬化最直接的效果就是單臺計算機上安全運行多個操作系統和應用程序，每個操作系統和應用程序都可以在需要時訪問其所需的資源。

圖1 VMware工作原理

1.2 VMware體系結構

目前VMware面向數據中心的虛擬化推出的產品為VMware vSphere 4，該虛擬化平臺主要由ESX Server、vCenter Server和vSphere Client三部分組成，其中ESX Server直接部署于物理服務器之上，作為基礎架構全面虛擬化服務器、存儲設備和網絡資源，虛擬機運行于ESX Server之上。vCenter Server套件可集中管理VMware vSphere環境，快速部署虛擬機，并監控物理服務器和虛擬機的性能，對其進行有效控制和管理^[4]。vSphere Client既可作為ESX Server單獨的管理配置工具，也可以連接vCenter Server服務器，對VMware vSphere環境進行集中管理。典型的企業級虛擬化應用體系結構如圖2。

圖2 虛擬化應用體系結構

2 VMware數字圖書館虛擬化整合的關鍵技術

采用VMware構建一個數字圖書館的虛擬化環境主要利用以下技術，這也是VMware vSphere眾多特性中，在改善數字圖書館的高效穩定應用中體現明顯其的特性。

2.1 集群技術

為克服圖書館數據中心對硬件資源和應用無法統一管理的問題，采用基于vCenter構建集群的方案，可以將多個ESX主機建立集群，所有運行于這些ESX主機上的虛擬機都歸屬于這個集群。創建好集群后，可以快速添加和削減VMware ESX主機及虛擬機，輕松查看有關集群和分配到該集群的虛擬機的信息、配置詳細信息、過量分配集群的故障切換設置和標志。

2.2 VMware HA

VMware HA是高可用性群集控制組件，可不間斷地監控群集中所有的ESX Server主機，當檢測到故障時，以零停機時間遷移虛擬機(需VMotion技術配合)，將正在運行的虛擬機從一臺物理服務器移動至另一臺物理服務器，而不影響最終用戶。由于數字圖書館中許多業務需要不間斷服務，所以利用VMware HA可以保證業務虛擬機不受硬件故障的影響，保證業務的可靠性服務。

2.3 VMware VMotion

該組件可在不中斷服務的情況下，將虛擬機動態地在不同的物理主機(ESX主機)之間進行實時遷移。特別是在數字圖書館的數據庫服務(如Oracle、Mysql等)中，這種不間斷服務的切換級別，可以使服務持續進行。

2.4 Vare DRS

VMware DRS將VMotion及HA技術融合在一起，根據ESX主機的CPU或內存資源負載，動態地遷移虛擬機至負載較輕的ESX主機上，期間可以利用DRS建議，把一臺ESX主機上的多個虛擬機放置在不同ESX主機上。在實際應用中可將數字圖書館中所有電子資源歸屬于一個VMware HA集群，該集群利用VMware DRS監測硬件服務器狀態，動態分配虛擬機到物理服務器，并根據硬件的實際使用情況，利用VMotion遷移技術，自動遷移虛擬機致硬件資源平衡^[5]。

2.5 快速部署特性

虛擬機的系統安裝、應用程序安裝，可以通過虛擬軟件所提供的工具進行直接克隆或間接從宿主機遷移的方式來進行，省去了大量的安裝配置時間，新系統的配置從原來的幾個小時縮小為幾分鐘就可部署完成。

2.6 精簡存儲模式

按實際需要分配存儲空間，提升存儲空間利用率。數字資源占用較大的存儲空間，以往的直接連接存儲的方案，存在分配較大空間但使用率低的問題。但是利用虛擬化的精簡模式，可以先指定一個最大化的虛擬空間，但是該空間實際大小為實際存儲的內容大小，根據存儲內容的不斷增大而增大。

3 數字化圖書館虛擬化方案的實施

大連理工大學圖書館的數字化發展較快，數據中心有大量應用軟件和數字資源，并且有相當規模的硬件設備支撐這些應用的正常運轉。其中網絡設備為美國凱創企業級核心交換機Matrix N7，服務器基本都為HP和DELL等品牌服務器，數量為40多個，存儲設備為EMC CX3-20光纖存儲，容量為18T。在未采用虛擬化方案之前，基本上是“一臺服務器、一個操作系統、一種應用”的模式，為克服文章開始介紹的這種模式的缺點，我們對市場上已有的虛擬化解決方案進行調研，最后決定采用業界領先的VMware vSphere虛擬化方案來優化數字圖書館的服務。

3.1 虛擬化硬件配置

為實施VMware vSphere方案，采用兩臺HP580服務器和3臺DELL2950服務器作為ESX Server，服務器配置如表1。服務器通過光纖連接至SAN架構的CX3-20存儲，利用存儲空間部署虛擬機。采用一臺DELL2950服務器作為vCenter服務器。

作為ESX Server的物理服務器，其上要運行多個虛擬服務器，所以需要較高的硬件配置，尤其需要較多的CPU和大容量的內存。在本方案中，ESX Server直接安裝于物理服務器本地硬盤，而虛擬機及數字資源均部署于光纖存儲上，所以本地硬盤只需要兩個硬盤做Raid1就可以了。

所有ESX服務器均配置4個集成千兆INTEL網卡，每個服務器網卡分兩組連接兩個核心千兆交換機，利用VMware ESX網卡綁定功能，做到網絡充分冗余，并且提高網絡吞吐量。

存儲CX3-20使用雙光纖交換機做線路冗余，因此ESX服務器都集成雙口HBA，保證到存儲的線路冗余。硬件示意圖如圖3。圖3 硬件示意圖

3.2 方案規劃

購買VMware vCenter和VMware vSphere 4的軟件，根據物理服務器的CPU數量，購買軟件的16個CPU的授權。安裝部署過程在此不做過多介紹，下面著重介紹在我館虛擬化實施中發揮VMware特性的地方。

為了發揮VMware虛擬化集中管理的特性，采用集群的管理模式，根據大連理工大學圖書館數據中心的實際應用狀況，主要依據業務應用對硬件資源的消耗和實時性需求，將虛擬化方案劃分為兩個集群:

集群一:數據業務集群，包括以下服務:

(1)圖書館業務管理系統軟件服務，包括圖書館自動化管理系統、OPAC服務器、ORACLE數據庫等;

(2)本地鏡像電子資源服務，如電子書、電子期刊、學位論文等;

(3)多媒體資源服務，如音頻、視頻和書后光盤等非紙資源;

(4)網絡管理服務，如WEB、DNS、DHCP、FTP、網絡管理、網絡認證、遠程訪問等。

該集群中圖書館自動化系統是最為關鍵的業務服務之一，要確保圖書館自動化系統的持續正常運行，并提供不間斷的OPAC服務和定時的郵件發送等基本的服務，至關重要的是要保證后臺Oracle 數據庫的健壯、穩定和高效。通過vSphere Client的管理功能，設置Oracle的虛擬服務器為最高優先服務級別，并通過VMware VMotion HA功能設置虛擬服務器的熱備功能，保證數據庫服務器的高可用性。

電子資源、多媒體資源和網絡等服務對資源消耗不是很大，個別服務可能存在較大峰值情況，所以采用虛擬化整合服務器資源后，動態分配資源給虛擬服務使用。VMware DRS可以監測服務的實際使用情況，根據應用的實際需要從資源池中分配合適的資源給予使用。所有服務都脫離硬件獨立運行，通過集群中的VMware VMotion HA保證服務的高可用性。

電子資源需要占用較大的存儲空間，為能夠靈活分配使用存儲空間，利用VMware的精簡存儲模式，按資源占用空間的實際需要分配實際的存儲空間。

集群二:無盤服務集群，我館有近400臺微機，其中約300臺為無盤工作站，這些無盤工作站的應用業務和服務類型主要有3種，分別是自動化管理系統客戶端、OPAC和文獻檢索免費終端、和電子閱覽室計費讀者用終端，因為無盤工作站啟動時間、使用時間均比較集中，對無盤服務器處理能力、硬盤速度、網絡傳輸速度等要求較高，無盤系統服務的硬件負擔比較重，在未虛擬化之前，根據工作站的服務類型，將其服務分別置于3～4臺獨立的物理服務器上，一旦某臺服務器硬件故障，其所服務的幾十臺工作站就無法使用，對圖書館工作造成很大影響。采用虛擬化方案后，使用3臺DELL 2950服務器做集群。在集群中按每60臺無盤終端對應一個無盤服務器，構建5個虛擬無盤服務器。集群中通過VMware DRS資源監測與分配機制，保證每個虛擬無盤服務器根據需要獲得到足夠的硬件資源，并且依賴VMware VMotion HA硬件故障自動切換應用服務，保證無盤服務的不間斷運行。

大連理工大學新校區圖書館馬上要投入運行，屆時將會增加500臺無盤終端，無盤服務端的硬件資源將會出現瓶頸，添加硬件資源的擴展只需在無盤服務集群中動態添加VMware ESX主機。無盤虛擬服務器可以通過拷貝復制虛擬機文件的方式快速部署。

3.3 應用效果

采用了VMware虛擬化整合圖書館網絡信息服務之后，取得了以下效果。

(1)自動化系統是圖書館中的核心系統，必須保證系統的不間斷性和實時性。在虛擬化方案中為自動化系統設置較高的運行級別，并且利用VMware VMotion的HA來保證系統的不間斷性。

(2)通過VMWARE虛擬化平臺的物理隔離技術，完成各業務服務器操作系統與服務器硬件之間的相對獨立，為圖書館業務平臺提供一個與服務器硬件無關的基礎架構。

(3)通過服務器虛擬化平臺的高可用性、故障冗余功能，為圖書館業務系統提供一個與操作系統、應用無關的高可用性服務器環境，消除因服務器軟、硬件故障對各業務的影響，保證各業務的連續運行。

(4)通過VMWARE服務器虛擬化軟件的存儲管理功能，實現對圖書館EMC CX3-20光纖存儲的資源統一管理，根據各應用實際使用存儲空間進行資源分配，提高現有光纖存儲的資源利用率，減少不必要的存儲空間擴容。

(5)服務器及存儲虛擬化解決方案在提高資源的利用效率的同時，能夠提供高可用性，節省管理和維護費用，縮短部署和實施應用系統的時間。

4 小 結

數字圖書館利用VMware虛擬化整合圖書館業務很有意義，不僅提高了數字圖書館對硬件資源的利用率，而且提高了業務應用的可靠性和高效性。減少圖書館的數據中心服務器及配套設置的投入，減少能源消耗，符合政府提出的節能環保的發展路線。

參考文獻

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