云計算環境下數字圖書館高性能虛擬化資源管理與調度策略

●陳 臣

（蘭州商學院 網絡中心，蘭州 730020）

1 引言

近年來，云計算技術已成為數字圖書館建設、運營、維護、擴展的核心技術，是云圖書館優化IT基礎設施架構和提高讀者云閱讀活動滿意度的基礎策略。在關系云圖書館讀者服務能力和市場競爭力的眾多因素中，云系統安全性、運行效率、能源損耗、可控性和總體擁有成本是構成云圖書館可用性評估的主要內容，而虛擬化則是關系云資源大規模整合、動態調度、彈性管理、性能優化的支撐技術。

2 云圖書館虛擬化資源管理內容與需求

2.1 云圖書館虛擬化資源管理內容

虛擬化是云計算技術的核心組成部分，也是云圖書館服務平臺構建與云服務活動開展的基礎。虛擬化技術通過對云系統中的操作系統、計算系統、存儲設備、網絡資源、應用軟件、硬件等要素實施虛擬化管理，為用戶提供一個通用的虛擬化資源邏輯訪問接口，從而隱藏系統屬性和應用操作之間的差異，實現了云資源高效、安全、統一、動態、經濟、自動化的管理與調度。云虛擬化應用內容涵蓋數字圖書館系統規劃、組織建設、運營維護、擴展升級的各個環節，主要分為服務器虛擬化、存儲虛擬化、網絡虛擬化、應用虛擬化、平臺虛擬化和桌面虛擬化。

2.1.1 服務器虛擬化

服務器虛擬化是一種將底層物理設備與上層操作系統、軟件分離的去耦合技術。它將硬件、操作系統和應用程序統一裝入一個可遷移的虛擬機檔案文件中，利用虛擬化管理軟件將多個物理設備劃分為一個大的資源池統一管理，從而增強了不同物理設備之間的耦合性。

云圖書館可在單一物理服務器上同時運行多個虛擬機，在提高云資源利用率和降低能耗的前提下實現服務器的多用戶共享。此外，服務器虛擬化可根據云圖書館讀者群數量和閱讀內容，對云資源實施彈性管理與靈活分配，實現了云服務器系統的快速部署、軟件發布和系統備份。同時，可根據云應用需求在不同服務器上實現虛擬機的直接遷移，確保虛擬化服務器具有較強的安全性、便捷性、可靠性和可擴展性。[1]

2.1.2 存儲虛擬化

云圖書館存儲虛擬化指利用虛擬化技術，將多個存儲設備或存儲系統虛擬化為一個大的存儲資源池統一管理，實現了存儲系統資源的邏輯映像與物理存儲設備管理分離。并在存儲資源管理上屏蔽了圖書館云存儲系統底層基礎架構的復雜性，為圖書館系統管理員提供了云存儲系統全面、詳細、簡單、無縫的存儲虛擬化結構邏輯視圖。管理員可根據用戶云存儲服務的內容和性能要求，統一、按需、經濟、可擴展地為用戶提供數據存儲功能服務，實現了云圖書館存儲系統功能的整合、更新、擴展和優化。

2.1.3 網絡虛擬化

網絡虛擬化主要由網絡核心層虛擬化、網絡接入層虛擬化和虛擬機網絡交換組成。核心層網絡虛擬化是云圖書館數據中心核心網絡設備的虛擬化，其主要目標為提高網絡核心層交換系統的安全性、利用率、靈活性、可擴展性，為云系統資源的動態伸縮和靈活調度提供高效的核心層網絡數據交換支持。網絡接入層虛擬化技術確保數據中心接入層支持新的以太網技術，使用戶可以多種靈活的部署方式接入網絡。虛擬機網絡交換通過創建虛擬網絡交換機和對物理網卡實施虛擬化，在同一物理設備內部為不同的虛擬機提供虛擬化數據流量交換和虛擬網卡數據傳輸功能。

網絡虛擬化通過對不同用戶和虛擬機邏輯上的隔離，使其虛擬設備數據傳輸具有相對獨立性和可監控性，確保虛擬化網絡安全、可管、彈性、可擴展，為云圖書館虛擬化應用和云閱讀服務數據提供科學、安全、可控、經濟的虛擬化數據傳輸服務。[2]

2.1.4 平臺與應用虛擬化

平臺虛擬化是為提高云圖書館管理和應用服務程序開發效率，由云圖書館管理員集成各種開發資源而虛擬出的一個面向開發人員的統一接口。云圖書館管理和應用服務程序開發者可根據管理和讀者云服務應用系統需求，在集成的虛擬平臺中開發各種管理和應用軟件并嵌入到云計算系統中，以提高云圖書館的管理效率和讀者云閱讀服務質量。

應用虛擬化是把云應用對底層系統和硬件的依賴抽象出來，通過虛擬化技術屏蔽了底層可能與其他應用產生沖突的內容，從而解除應用與操作系統和硬件的耦合關系，使云應用系統降低了對操作系統和硬件設備的依賴性，提高了應用系統在云計算環境中的獨立性、可移植性和可擴展性。

2.2 云圖書館虛擬化資源管理需求

2.2.1 虛擬機的可遷移性需求

圖書館讀者云閱讀活動具有突發性和云資源需求海量的特點，如果采取人工靜態的資源分配方式，則無法滿足圖書館云系統管理和開展云閱讀服務活動，對虛擬機創建與云資源分配的即時性需求。因此，虛擬機資源應根據云圖書館運營需求實現動態調整和實時遷移。為了確保云系統高效管理和不間斷服務，要求虛擬機在遷移過程中不停機并保證云服務的連續性，安全、實時、快速、無縫地完成虛擬機在不同物理服務器間的遷移。加強對虛擬機遷移過程的監控、管理，要求虛擬機在遷移過程中不應增加虛擬化網絡拓樸結構的復雜度，以及降低云系統運營的效率與安全性。

2.2.2 虛擬化網絡的數據傳輸高效性需求

云計算環境下，數字圖書館虛擬化網絡具有網絡拓樸結構復雜、易變，虛擬化核心鏈路數據交換任務重，網絡內部虛擬機分布不均衡且突發虛擬化數據流量大的特點。因此，科學規劃虛擬化網絡結構并減少虛擬交換設備的數量以及有效均衡虛擬化核心鏈路數據傳輸壓力，是提高虛擬化網絡傳輸效率的關鍵。在正確規劃物理網絡設備（交換機、路由器、防火墻等）拓樸結構的同時，應加強虛擬交換設備的創建、管理和安全界限劃分，實現虛擬化網絡設備與虛擬數據流量的有效監控和可視化管理，不斷提高虛擬化網絡安全策略部署的科學性和有效性，確保虛擬化數據傳輸安全、高效、經濟、可控。[3]

2.2.3 虛擬化資源調度的科學性需求

云閱讀應用服務是由圖書館云管理、云計算、云存儲、云網絡等多系統共同支持，通過對云資源的合理分配、調度而實現云服務系統效率最優和低碳運營。

（1）云系統資源調度應根據讀者云閱讀服務活動的優先級別、任務量、服務標準、云系統總效率而制定分配策略，確保調度策略具有較高的時效性和可執行性，能夠在降低云資源消耗成本的前提下簡化資源調度復雜度。（2）圖書館云資源調度應符合相應的云計算標準，可確保云資源在不同系統、不同用戶、不同應用層面之間自由調度。（3）圖書館云數據中心虛擬資源管理應堅持統一部署、集中管理、按需調配、分布使用的原則，實現資源的智能自動化部署、管理、監控和優化。

2.2.4 實現虛擬化資源的細粒度管理需求

云圖書館虛擬化資源管理具有涉及內容廣泛、過程復雜、低層物理設備差異性強、智能自動化要求高的特點。因此，在云計算復雜環境中實現虛擬化資源的細粒度管理，是大幅提高云圖書館系統資源使用效率和降低運營成本的關鍵。

（1）云圖書館虛擬化資源調度、管理中，要求虛擬化資源管理系統對服務器、存儲器、網絡設備、操作系統、中間件、應用程序的云資源有效實施監控，并根據云虛擬化池資源總量和云系統應用資源需求，智能、自動化地進行云資源細粒度管理與分配。（2）在云虛擬化資源管理中，要求監控系統可根據所監測到的云資源分配、使用和利用效率數據，對云資源管理、分配策略進行動態優化。

2.2.5 保證資源管理過程的規范、連續性

圖書館云數據中心資源管理過程可分為資源發現、資源監控、資源存儲和資源調度四部分。（1）要求資源管理系統能夠快速、自動地發現用戶所需要的虛擬資源，實現所發現虛擬資源與物理設備之間的邏輯關聯。資源監控系統可自動監測基礎硬件設施資源的狀態、 性能，以及資源實現虛擬化后的管理、分配狀況和效率。（2）資源監控系統能夠自動監測虛擬資源的狀態、 性能，及時將虛擬資源的創建、劃分、分配、釋放、回收信息傳輸到分析系統，以提高資源的管理效率。（3）資源調度系統能夠對不同的資源管理、調度策略進行評判，并依據所監控的管理效率數據進行云資源調度系統的自我完善，實現資源調度策略的最優化配置。[4]

3 云圖書館高性能虛擬化資源管理與調度策略

3.1 以讀者云服務業務為核心的虛擬資源管理與調度

圖書館讀者云服務業務開展的內容、對象、有效性與經濟性，是決定云虛擬化資源管理、調度模式、安全、效率與策略的主要因素。因此應確立以讀者云服務業務為核心的虛擬資源管理、調度策略，提高虛擬化應用的云資源保障水平。

（1）應提高云圖書館虛擬化資源管理系統對云計算、云存儲、云網絡資源的虛擬化協調管理水平，實現對云系統虛擬化資源的完全、絕對控制與調度，管理系統應具有較強的開放性。（2）虛擬化管理、調度系統接口符合云計算標準規范，可兼容不同廠家、不同性能、不同操作系統、不同程序語言環境為開展云閱讀服務業務，自動實現系統內部的任務部署和資源分配。可開展基于讀者云服務應用管理的質量監控和評估，自動、智能化地實現對虛擬資源管理與調度活動的優化。（3）虛擬化管理、調度系統可根據讀者云服務業務的遷移，而實現安全策略的自動化遷移。能夠為每個虛擬化應用劃分相應的安全管理策略組，并依據安全需求對策略組進行即時調整和規劃、管理。虛擬化應用遷移后，及時根據遷移后虛擬化安全環境變化特點采取新的安全策略，并應用到新的虛擬化設備資源管理與調度活動中。[5]

3.2 加強虛擬化管理、調度平臺的功能性建設

云計算環境中，虛擬化資源具有系統結構復雜、遷移性強、虛擬環境穩定性差、管理過程可控性低的特點。因此在云圖書館虛擬化管理、調度平臺建設中，首先應堅持平臺管理與調度對象廣泛、過程簡單、服務交互、成本低廉的原則，重點加強管理與調度平臺的安全管理、資源管理、策略管理、監控管理的水平建設，在平臺虛擬化資源管理過程中實現可視化、可控化管理。其次，由于虛擬機的動態遷移和網絡拓樸結構具有不穩定性，且系統與網絡邊界變得模糊、易變。為了提高管理、調度平臺對虛擬化資源的可控性，應提高平臺對虛擬化資源的整合與分解能力，根據云資源總量與用戶實際需求實現動態資源調配。第三，在虛擬化管理、調度平臺界面設計中，應提高管理界面的可視化、友好性設計水平。管理員可通過可視化界面，實現對所有物理服務器、虛擬機運行情況的即時監控，實現對全部虛擬資源的管理、維護及部署等操作。最后，在虛擬化管理、調度平臺功能設計中，應確保管理與調度任務統一界面、統一部署、統一管理和統一維護，提高管理與調度工作的統一、協調性。

3.3 提高服務器虛擬化效率和靈活性

服務器虛擬化的主要內容可分為對物理設備CPU、內存及I/O接口實現虛擬化。提高云圖書館服務器虛擬化效率和靈活性，是實現虛擬機快速部署和科學配置，加強虛擬機遷移有效性、云資源動態分配、虛擬機負載均衡和云系統讀者服務保障力的關鍵。

云圖書館服務器虛擬化應用具有環境復雜、安全威脅多、虛擬化應用效率要求高、多用戶共享的特點。因此，服務器虛擬化應堅持面向用戶、面向服務、面向資源、面向應用的原則，提高虛擬化應用的有效性和可用性。（1）應根據服務器物理設備性能和虛擬機服務的任務特點，嚴格控制虛擬機創建的數量與規模，采用虛擬機邏輯隔離方法提高虛擬化應用的安全性和可靠性。（2）當多個虛擬機同時執行多個云應用服務任務時，應堅持任務等級優先和排隊的原則，確保虛擬化資源分配的公平性與合理性。（3）通過統一的虛擬機管理界面實現對位于同一物理機，或不同物理機上的多個虛擬機的可視化管理，管理內容應包括虛擬機的動態實時生成、啟動、停止、遷移、調度、負荷、監控，實現虛擬機的快速部署、更新、升級和負載均衡。

3.4 確保存儲虛擬化的安全性與可用性

安全、高效的數據存儲和管理，是圖書館開展讀者云閱讀服務活動的前提與基礎。（1）云圖書館在數據存儲中應將云存儲資源劃分為一個大的資源池統一管理，通過有效屏蔽異構存儲系統之間的差異性，來簡化云存儲系統虛擬化資源的劃分、管理、分配、回收過程，并對存儲系統中的內存、磁盤等設備采取邏輯隔離方式，保證多用戶環境下的數據存儲安全和具有較低的用戶訪問復雜性。（2）應根據云圖書館數據存取的安全、效率、成本和可用性需求，選取相應的虛擬化存儲方式，在確保數據安全性、可用性的前提下降低存儲成本，通過合理的協議和存儲模式實現云存儲系統的低碳運營。（3）在虛擬化存儲過程中，應將涉及云圖書館安全和讀者云閱讀關鍵服務的數據存儲到獨立的物理設備中，并執行有效的安全監控、防御策略，采取數據存儲加密和訪問身份認證的方式，確保數據虛擬化存儲具有較高的安全性與可用性。[6]

3.5 加強虛擬化網絡數據傳輸承載能力

云計算環境下，數字圖書館網絡拓樸結構復雜多變，網絡內部數據傳輸呈現橫向流量逐步減少，而縱向流量不斷增加并向云端匯集的趨勢。此外，由于讀者云個性化閱讀方式的不斷發展與變革，云圖書館數據傳輸也由傳統的小容量數字文本文件，轉變為以視頻、語音等為主的海量多媒體文件，對網絡的帶寬和即時性傳輸要求高。

云圖書館虛擬化網絡的數據傳輸承載能力，是云圖書館數據中心資源管理和虛擬機運營高效的保障（1）應提高虛擬網絡拓樸結構的科學性和邏輯性水平可根據網絡結構和數據傳輸保障對象特點，利用虛擬化技術將數據中心物理網絡劃分為多個邏輯子網絡確保邏輯子網絡之間具有相對的獨立性和隔離性，保證數據傳輸和虛擬機遷移具有較高的安全性。（2）應構建云圖書館大規模的二層交換網絡（主要為數據中心內部、不同數據中心之間二層網絡），實現虛擬化環境中計算資源在二層網絡范圍內的透明化傳輸與遷移，確保虛擬化網絡在廣泛的網絡環境中具有較高的計算資源傳輸能力，有效實現二層網絡數據互訪和云業務遷移。（3）實現云計算環境中虛擬化網絡的可視管理。隨著虛擬化網絡復雜性和不穩定性增加，虛擬化網絡中虛擬機位置、虛擬數據傳輸路徑、虛擬機遷移過程、虛擬化網絡邊界變得更加模糊，云圖書館管理員無法通過可視化監控進行網絡現狀分析和故障定位。因此，應通過虛擬化網絡資源視圖，明確物理服務器、虛擬機、虛擬交換機、虛擬網絡系統參數(端口數量、端口組、VLAN、物理網卡的地址綁定等)特性，實現虛擬化網絡的故障定位、系統優化、策略調整和參數設置。

3.6 突出平臺虛擬化、應用虛擬化的有效性與可控性

平臺虛擬化有效性關系到在圖書館云管理、應用程序開發過程中，能否有效控制開發風險、提高開發效率和降低開發成本。因此，云圖書館應確保平臺虛擬化具有通用的系統與數據接口，能夠支持第三方開發工具和軟件在平臺上運行。各種開發軟件（服務）在接入到平臺之前，平臺能夠對開發軟件的安全性、合法性、可用性和易控性進行審查，并對開發平臺與云虛擬化環境的兼容性，以及用戶使用過程的經濟性進行評估，確保具有較高的應用軟件開發安全性、高效性、經濟性和可控性。最后，平臺在使用過程中，應根據用戶需求對平臺進行升級、完善，并通過有效的管理監控來防范運營風險。

應用虛擬化的有效性與可控性，決定了云管理與應用系統的管理效率、云服務性能、讀者云閱讀活動滿意度和系統未來可擴展性。（1）應利用屏蔽底層異構性技術來消除虛擬化應用與操作系統、硬件的耦合關系，確保任何云虛擬化應用服務程序可根據云虛擬化資源分配實際和用戶服務需求，運行在任意的虛擬化設備中。（2）應用虛擬化應具備良好的應用環境兼容性，能夠屏蔽底層設備和其他虛擬化應用產生的沖突，用戶可通過自定義方式來個性化選擇虛擬應用環境。（3）為了提高虛擬化應用的運營效率并降低運營成本，應用程序應選擇在盡量少的物理服務器上運行，以提高單一物理服務器的使用效率。對于關系到云圖書館安全和用戶服務質量的應用，應堅持安全與用戶滿意第一的原則，為虛擬化應用分配單獨的物理服務器。（4）云圖書館必須即時監控應用虛擬化的運營效率、安全穩定性、關鍵業務用戶滿意度、云投資收益率，堅持應用虛擬化效率最優和用戶滿意度相結合的原則，不斷提高云圖書館應用虛擬化服務的整體收益率。

［1］王慶波，等.虛擬化與云計算［M］.北京：電子工業出版社，2009.

［2］孫瑞鋒，趙政文．基于云計算的資源調度策略［J］.航空計算技術，2010，3（4）：103-105.

［3］袁文成，等.面向虛擬資源的云計算資源管理機制［J］．西北工業大學學報，2010，5（28）：704-708.

［4］高宏卿，邢穎.基于經濟學的云資源管理模型研究［J］.計算機工程與設計，2010，31（19）：4139-4146.

［5］劉鵬程，陳榕．面向云計算的虛擬機動態遷移框架［J］.計算機工程，2010，36（5）：37-39.

［6］周文煜，等.基于虛擬機遷移的虛擬機集群資源調度［J］.華中科技大學學報，2011，39（1）：130-133.