基于VMware技術的虛擬機系統在數字圖書館中的構建

[摘要] 基于VMware vSphere技術的虛擬機系統正廣泛應用于數字圖書館的發展與建設中。利用虛擬機技術，可以降低硬件投入成本，提高服務器使用效率，更好地消除傳統單一物理服務器部署的弊端，從而有效地實現數字圖書館信息化應用系統的高可用性。針對VMware技術在數字圖書館建設的體系構建，從虛擬機系統架構、數字圖書館虛擬機系統的建立、關鍵技術的應用等方面闡明觀點，指出虛擬機備份是一個不可忽略、應引起重視的問題。

[關鍵詞] VMware 虛擬機 虛擬化 數字圖書館

1引 言

數字圖書館是人類社會進入信息化時代的產物，隨著數字化圖書館建設的不斷發展，各類數據庫、電子圖書、電子期刊等文獻資源不斷增加，Web2.0、Lib2.0、Opac2.0等新技術不斷帶來新型數字化信息服務，信息共享空間（IC）建設模式在世界范圍內逐步推廣，圖書館正逐漸成為網絡化、數字化和多功能的信息中心。面對日益復雜的數字圖書館應用，保障各種系統正常的、永不間斷地提供服務響應，已經成為圖書館對信息化建設的進一步要求，而虛擬機系統的產生正好為這種要求提供了應用發展空間。

2VMware虛擬機技術

虛擬機是通過軟件模擬的具有完整硬件系統功能的、運行在一個完全隔離環境中的完整計算機系統。通過虛擬機軟件，你可以在一臺物理計算機上模擬出多臺虛擬的計算機，這些虛擬機完全就像真正的計算機那樣進行工作，可以安裝操作系統、安裝應用程序、訪問網絡資源等[1]。VMware就是這樣一個虛擬機軟件，由它創建的虛擬機與真實的計算機相同，這個虛擬機有自己的CPU、內存、硬盤、光驅，可以安裝Windows、Linux等真實的操作系統及各種應用程序。

2.1 軟件虛擬化技術

首先要解釋幾個概念。宿主計算機（Host PC），指物理存在的計算機；宿主操作系統（Host OS），指運行在宿主計算機上的操作系統，在這個操作系統下安裝的虛擬機應用程序可以在計算機上模擬出一個或多個虛擬機[2]；客戶操作系統（Guest OS），指運行在虛擬機上的操作系統。例如，在一臺安裝了Windows XP的計算機上安裝了VMware，那么Host PC指的是安裝了Windows XP的這臺計算機，其Host OS為Windows XP。如果虛擬機上運行的是Linux，那么Linux即為Guest OS。

軟件虛擬化技術是指在實體主機的硬件系統和操作系統之間試圖建立一個稱為VMM（Virtual Machine Monitor，虛擬機監視器）的軟件監控層，用來阻隔操作系統與硬件系統的直接通信。所有來自操作系統的指令都將被VMM截獲，并通過VMM的分析和轉換后，再轉向控制硬件系統。VMM對系統指令的攔截和轉換的特殊作用，使得在VMM上可同時支持多個異構操作系統的運行。VMware就是軟件虛擬化技術的代表產品，它采用的是完全虛擬化技術（Full Virtualization），其基本核心是整個的虛擬化過程不對硬件系統和客戶操作系統進行任何修改，完全依賴VMM來支持和管理多個異構的客戶操作系統（Guest OS）的并發運行。

2.2 VMware技術結構

VMware依據不同時期、不同技術的產品，有兩種結構形式：寄居結構（Hosted Architecture）和高級結構（“Bare Metal” Architecture）。

寄居結構（Hosted Architecture）是VMware產品中一種技術發展較早、應用層次較為大眾化的結構形式。寄居結構的特點是作為虛擬化技術核心的VMM是一種運行在Host OS之上，將VMware作為Host OS的一個應用程序來運行的結構，這種結構對Host OS的寄生性，使得它可通過繼承Host的設備驅動來得到更為廣泛的硬件支持，也可利用Guest OS和Host OS平臺的相似性來減少VMM對來自Guest OS指令的延遲。雖然寄居結構必須依賴于Host OS的良好支持，但VMM可以有效地為多個Guest OS的正常運行提供很好的技術隔離，使這些OS能獨立享用CPU、內存、I/O等硬件資源。當然，這種結構對Host OS的依賴性，會使得Host OS一旦失效，將導致整個VMM的失效。如圖1所示：

高級結構（“Bare Metal” Architecture）形式是把VMM作為獨立的一層系統軟件直接運行在硬件平臺上。作為計算機硬件系統和Guest OS的通信層，它完全獨立地響應所有Guest OS對硬件資源的訪問。這種結構的VMM就像一個操作系統，包含硬件平臺的各種設備驅動，非常適合于構建企業級服務器的系統環境。因為高級結構的系統獨立性，使得VMware的近期產品提升到了一個決定性的技術地位。以高級結構為技術支持的VMware ESX Server，其內核可以直接運行在硬件系統之上，因此克服了VMM對Host OS的性能和可靠性的依賴和影響，減少了Host OS所占用的系統資源，從而使整個虛擬機系統的性能、穩定性和安全性都有很大的提高。正因為如此，高級結構已經成為企業級服務器中VMware產品的標準。如圖2所示：

2.3 VMware虛擬機系統關鍵特征

#61548;兼容性。與物理計算機一樣，虛擬機承載著自身的客戶操作系統和應用程序，并具有物理計算機上的所有組件（主板、VGA 卡、網卡控制器等）。因此，虛擬機與所有標準的x86操作系統、應用程序和設備驅動程序完全兼容，這樣就可以使用虛擬機來運行在x86物理計算機上運行的所有相同軟件。

#61548;隔離。雖然虛擬機可以共享一臺計算機的物理資源，但它們彼此之間仍然是完全隔離的，就像它們是不同的物理計算機一樣。例如，如果在一臺物理主機上運行4個虛擬機，其中1個虛擬機崩潰，其他3個虛擬機仍然可用。在可用性和安全性方面，虛擬環境中運行的應用程序之所以遠優于在傳統的非虛擬化系統中運行的應用程序，隔離就是一個重要的原因。

#61548;封裝。虛擬機實質上是一個軟件容器，它將一整套虛擬硬件資源與操作系統及其所有應用程序捆綁或“封裝”在一個軟件包內。封裝使虛擬機具備超乎尋常的可移動性并且易于管理。例如，可以將虛擬機從一個位置移動和復制到另一位置，就像移動和復制任何文件一樣；也可以將虛擬機保存在任何標準的數據存儲介質上，從袖珍型的USB閃存卡到企業存儲區域網絡（SAN），都可用于保存。

#61548;獨立于硬件。虛擬機完全獨立于其底層物理硬件。例如，可以為虛擬機配置與底層硬件上存在的物理組件完全不同的虛擬組件（如CPU、網卡、SCSI控制器等）。同一物理主機上的各個虛擬機可以運行不同類型的操作系統（Windows、Linux等）。

3VMware技術在數字圖書館建設中的應用體系

VMware vSphere是基于高級結構的虛擬機產品，是VMware公司虛擬產品中的核心，它利用虛擬化功能可以將數據中心轉換為簡化的云計算基礎架構，其最大優點就是其內核可直接運行在硬件之上，不但可以大大減少Host系統對硬件資源的占用，也使得虛擬機的系統穩定性和性能都有很大的提高。

3.1虛擬機系統架構的建立

建立VMware Infrastructure虛擬機系統，首先要考慮架構的物理拓撲結構。VMware Infrastructure架構包含ESX服務器主機、磁盤陣列或網絡存儲、以太網絡、vCenter管理中心。ESX服務器主機為虛擬機的運行提供了硬件環境和使用資源。完整的虛擬機系統架構是由多臺ESX服務器主機組成的集群，保證虛擬機的負載均衡、動態遷移、HA高可靠性；網絡存儲連接到各ESX服務器主機，存放虛擬機磁盤文件，是虛擬機動態流動的傳輸通道；以太網絡是虛擬機工作與管理的基本保障；而vCenter管理中心是VMware Infrastructure架構的樞紐，提供配置虛擬機資源、訪問控制、性能監控等服務功能。

北京第二外國語學院（簡稱北京二外）圖書館早在2008年就已經成功應用了虛擬機系統，在數字圖書館發展建設上積累了很多的經驗。下面以其VMware Infrastructure物理架構來說明前期建設的重點，如表1所示：

ESX服務器主機應盡量選擇相同或相似的硬件配置，否則可能因為些許差異如CPU的主頻不一致而造成HA高可靠性和FT容錯功能的實施受阻。存儲卡的冗余設計是虛擬機系統實施的關鍵之一。虛擬機一般存放在存儲設備上，是因為存儲設備比本地磁盤容量要大很多，可以建更多虛擬機，且都具有RAID安全級別和全局熱備磁盤作保障。通過SAN的存儲網絡也可以提供高效穩定的應用環境；配有多個以太網口是虛擬機系統實施的關鍵之二。虛擬機所提供的服務器應用系統都需要網絡對外發布信息和提供服務，建立ESX主機集群系統也需要網絡進行支撐，虛擬機的動態遷移、負載均衡、冗余配置、網絡帶寬等都需要多個網絡出口。在實際應用中，可以通過2個網卡的綁定為虛擬機提供虛擬交換機，并為虛擬機的遷移管理提供服務，所有網卡必須都為千兆；ESX主機的大容量內存是虛擬機系統實施的關鍵之三。每一個虛擬機的建立都要分配給1-2GB的內存空間，在ESX主機上建立的虛擬機內存容量總和要與ESX主機內存基本相符，不能相差太大，否則會造成虛擬機系統的不穩定。

圖3為北京二外圖書館虛擬機物理架構拓撲圖。虛擬機服務器分為對外服務器、對內服務器、校園一卡通網絡內的服務器，因此物理網卡被虛擬為三種不同應用網絡的虛擬交換機（紅色鏈路標志），網卡被綁定考慮冗余。這樣的架構使得增加如下任何一種應用的虛擬服務器都非常方便：①與對外服務有關的圖書館導航系統、圖書館主頁系統、圖書館論文提交系統等；②與對內服務有關的圖書館門禁系統、圖書館內部知識庫系統等；③與校園一卡通應用有關的上網計費系統、自助存包系統、自助復印打印系統等。

3.2 數字圖書館虛擬機系統的建立

在數字圖書館應用系統中主要有兩類系統：數字資源發布系統和信息服務系統。前者如電子圖書系統、電子期刊系統、全文數據庫系統、視頻數據庫系統、學位論文系統等。后者如參考咨詢系統、圖書館學科導航系統、圖書館門戶網站系統、學位論文提交系統、自助復印打印系統等。眾多的系統需要物理服務器提供支持，不但硬件成本高，資金需求量大，而且從安裝操作系統、應用系統到使用、維護、更新，都給技術人員帶來了很大的工作量，效率低下，出現故障也不能很快地發現與解決，因此虛擬機系統的出現解脫了對技術人員的束縛，減少了對硬件服務器以及與之相關的空間、冷卻、電力等成本，保證了業務服務的安全穩定與連續不間斷運行[5]。

在建立數字圖書館虛擬機系統時，可以利用VMware系統提供的模板功能，部署或克隆出多臺虛擬機。在使用模板之前，需要先安裝一臺樣板虛擬機，根據功能需求劃分相應的CPU、內存、硬盤，配置網卡和網絡VLAN號，然后在每個虛擬機上安裝所需的操作系統，可以是Windows、Linux或Unix，安裝過程和物理機上的操作完全一樣。最后在操作系統上進行相應的配置，安裝應用軟件。樣板虛擬機生成后可以轉化為模板，將來可以通過“部署”或“克隆”方式快速生成虛擬機，在硬件服務器上需要花費幾個小時做的事情在這里只需要幾分鐘就可以完成。同時，也可以將模板作為應用系統的備份，在系統出現被攻擊、病毒破壞，系統啟動不起來的情況下，將模板快速部署，可將系統恢復回來。

對于現有的在物理服務器上運行的系統可以采用遷移的方式移到虛擬機上運行，需要用到VMware vCenter Converter工具，可以遷移在線的物理機[6]。遷移過程中物理服務器不用關閉系統，但是正在運行的數據庫如SQL Server需要停止運行，否則遷移會失敗。遷移完成后，需要先將源物理機關機，再啟動轉換好的虛擬機，以免主機名和IP地址沖突。

3.3 虛擬機系統關鍵技術的應用

VMware的VMotion功能、HA功能、容錯FT功能、Storage VMotion功能、DRS功能都是分布式服務，可自動有效地管理各種資源，實現虛擬機的高可用性。

#61548;VMotion功能可將正在運行的虛擬機從一臺物理服務器主機遷移到另一臺物理服務器主機，不需要中斷服務。這對于檢修物理服務器主機、升級硬件配置、調整整個系統都具有很大幫助。圖書館業務系統的連續性是反映圖書館服務質量的一項重要依據，而涉及整體系統的調整如圖書館局域網系統的調整、物理服務器主機網絡和存儲的調整、物理服務器主機硬件故障等情況，勢必會影響到在主機上運行的虛擬機系統。VMotion功能可以幫助我們將一臺物理服務器主機上的所有虛擬機系統遷移到了另一臺上，業務卻不中斷，這是數字圖書館關鍵應用的保障之一。

#61548;在VMware vSphere系統中，VMFS是一個重要的概念，它是使用共享存儲的虛擬文件系統，允許多個物理主機同時讀寫同一存儲器。VMFS提供磁盤鎖定，以確保多臺服務器不會同時啟動同一虛擬機。如果物理主機出現故障，系統將釋放每個虛擬機的磁盤鎖定，以使虛擬機可在其他物理主機上重新啟動，這就是HA的功能。HA監控群集內的所有物理主機并檢測主機故障，如果主機出現故障，HA能快速地在群集內的其他物理服務器上自動重啟虛擬機。這是數字圖書館關鍵應用的保障之二。

#61548;HA功能雖能保證業務系統從故障主機遷移到其他主機，并自動重新啟動系統，但提供的業務服務還是會中斷，FT容錯功能能夠保障業務服務的連續性。FT借助于VMware vLockstep技術，以虛擬鎖步方式運行的輔助虛擬機來保護主虛擬機，從而提供連續可用性。系統會記錄在主虛擬機上執行的輸入和事件，并在輔助虛擬機上進行重放，以確保兩個虛擬機的狀況保持一致，所以可在不中斷或不丟失數據的情況下在任何節點處由輔助虛擬機接管執行。這是數字圖書館關鍵應用的保障之三。

#61548;在VMFS系統中，虛擬機是作為一組文件存儲在數據存儲中的目錄中的，可以作為普通文件進行復制、移動或備份?？上蛱摂M機添加新的虛擬磁盤，系統將在VMFS中創建虛擬磁盤文件（.vmdk），從而為添加的虛擬磁盤或與虛擬機關聯的現有虛擬磁盤文件提供新存儲，這就是Storage VMotion技術的應用。Storage VMotion可以將正在運行的虛擬機磁盤文件從一個共享的存儲位置重新定位到其他共享存儲位置，可以添加新的虛擬磁盤空間，并且保持虛擬機處于運行狀態而不用停機，以便執行維護、重新配置LUN、解決空間不足問題和升級VMFS卷，實現了服務平臺的連續可用性和系統的完整性。這是數字圖書館關鍵應用的保障之四。

#61548;DRS功能是實現虛擬機對資源需求的動態負載均衡，保障主機集群對資源的分配策略，當主機集群中的條件發生更改，如虛擬機的增加、可用資源的變化等，DRS可根據情況使用VMotion將虛擬機遷移。DRS功能可設置為自動、半自動、手動，一般設為半自動方式，經過確認實施VMotion動作，避免DRS功能的頻繁啟動。DRS功能優化了VMware系統環境，是數字圖書館關鍵應用的保障之五。

4虛擬機系統的備份

在數字圖書館的建設中引入VMware vSphere虛擬機技術，得到五大安全性能的保障，但并不是我們的業務系統就可以高枕無憂了，系統本身帶來的問題如病毒、系統癱瘓、可能出現的藍屏等現象，都會影響到我們的對外服務工作，因此虛擬機系統的備份是非常重要的。

虛擬機系統的備份和物理服務器系統的備份性質是一樣的，VERITAS NetBackup備份系統同樣可以在虛擬機上運行。另外虛擬機VMFS系統的特點，使得虛擬機的備份可以像文件拷貝一樣將虛擬機文件拷貝出來進行備份。還有第三方針對虛擬機備份的軟件系統如Vizioncore vRanger，提供了內置的計劃任務工具，自動執行備份工作，并支持在線熱備或虛擬機關機狀態下備份，具備全備、增量及差分備份功能，以減少存儲空間。

目前虛擬機技術正越來越廣泛地被應用于數字圖書館發展與建設，在它發揮重要作用的同時，對其進行備份是非常必要的，應引起重視。

參考文獻：

[1] 吳乾清.基于VMware的數字圖書館服務器虛擬化研究與應用.科技情報開發與經濟，2010，20(21)：47-49.

[2] 吳德萍.虛擬機技術在圖書館服務器端的應用.圖書館工作與研究，2008，18(2)：15-17.

[3] H3C數據中心虛擬化解決方案技術白皮書.[2011-03-14].

http://wenku.baidu.com/view/8075ad315a8102d276a22f10.html.

[4] 劉榮發.服務器虛擬化技術在圖書館數字化服務中的應用.現代圖書情報技術，2007(4)：79-82.

[5] 陳思義.VMware在圖書館數據中心管理中的應用.圖書情報論壇，2010(1)：56-58.

[6] 王煒.虛擬化技術在圖書館自動化管理中的應用.晉圖學刊，2008(5)：60-63.

[作者簡介] 朱海濤，男，1967年生，高級工程師，部主任，發表論文10余篇。