Hyper-v虛擬化技術在數字化校園中的應用研究

陳曉平 劉聰穎 張 鵬

（1.河南理工大學 現代教育技術中心，河南 焦作454000；2.河南焦作環境保護局，河南 焦作454100）

0 引言

隨著計算機及信息技術的發展，目前，各大高校甚至中小學校都在推行和建設數字化校園項目，為適應數據信息量的增大以及各種應用系統的需求，傳統的做法是購置更多的服務器來完成這些工作。然而這樣做又會帶來各種困擾：購置更多的服務器需要花費不菲的資金；耗費更多的電力；占用更多的機房空間，機房空調成本增加；給統一管理帶來諸多不便；數據遷移不便；故障恢復較慢；服務器資源利用率低等等，這些都會對數字化校園建設帶來極大的挑戰。那么如果能利用虛擬化技術將服務器資源進行有效整合，消除舊的“一臺服務器一個應用系統”模式，采用在每臺物理機上運行多個虛擬機的方式，同時通過統一的管理平臺對虛擬機實現統一控制和管理，充分實現服務器資源的按需分配，就能在很大程度上解決這些問題[1]。

1 虛擬化技術

虛擬化技術早在20世紀中期就被人提出來了，經過幾十年的發展，使得如今虛擬化技術的應用十分廣泛。虛擬化技術是一種計算機硬件資源的調配方法，它可以讓資源更合理地被利用，通過虛擬化技術可以將一臺單獨的計算機資源分配到若干個虛擬機上，每個虛擬機都有其各自的CPU、內存和硬盤等物理資源。這些虛擬機之間是相互獨立的，可以安裝不同的操作系統平臺，從而使得不同的虛擬機可以支持不同的應用系統[2]。虛擬化技術從某種程度上實現了操作系統跟物理硬件的分離，讓計算機硬件資源的使用效率更高，且對用戶透明，其使用過程和使用獨立的服務器沒有任何區別。用戶只需在虛擬層環境上運行自己的系統和軟件，而不需要考慮后臺硬件具體如何實現。這些系統和軟件在運行時也似乎跟后臺的物理平臺無關。從而能夠有效提高服務器的利用率，減少服務器的數量，降低服務器的能耗，進而能夠統一管理，極大縮短安裝和配置新系統的時間，降低運營成本[3]。

虛擬機軟件是實現服務器虛擬化的主要手段。由于各廠商對虛擬化的理解有所不同，所以在虛擬化產品的實現上可能使用了不同的方法，但目的都是一樣：虛擬化后打破了操作系統對物理硬件的依賴，降低了操作系統和應用系統的復雜程度，合理地分配服務器資源，增強數據安全，方便快速隔離系統故障。從而有效地增加了服務器硬件利用率，提高服務器的可用性、安全性，達到減少支出、統一管理、提高效率，規避風險的目的[4]。

目前，服務器虛擬化軟件有很多，比較主流的有VMware的ESX Server、Microsoft的Hyper-V、思杰的Xen Server等等。根據筆者所在學校的服務器管理需求，使用Microsoft的Hyper-V實現對服務器的虛擬化管理，具有較高的性價比，以下虛擬化技術的介紹和實現都將圍繞Hyper-v展開。

2 Hyper-v虛擬化技術

微軟的Hyper-v是伴隨Windows Server 2008操作系統所推出的一種服務器虛擬化解決方案，Hyper-v底層的虛擬機監視器代碼量較小，不包含任何第三方的驅動，具有較高的安全性。由于它使用的是現有Windows驅動來運行Guest OS，只要物理硬件能在Windows Server 2008下工作，那么Hyper-V虛擬機就能使用這些硬件資源，所以Hyper-v可以兼容大量的驅動程序，而不必為虛擬機開發專用的硬件驅動程序，因此在硬件支持上Hyper-V與其他虛擬技術相比具有很大的優勢[5]。

要正常安裝和實現Hyper-v有三個先決條件，首先虛擬化功能只在64位版本的Windows Server 2008中提供，其次需要處理器支持硬件輔助虛擬化，即處理器要支持Intel-VT(Vanderpool Technology)或AMD Virtualization(AMD-V)功能，最后，處理器必須支持硬件數據執行保護(DEP)，而且被開啟(如果處理器支持DEP，Windows Server 2008將會默認開啟)[6]。目前，絕大多數服務器都能滿足上述三個要求，Hyper-v只是Windows Server 2008操作系統中的一個角色，通過服務管理器就可以添加Hyper-v角色，如圖1所示。

通過Hyper-v安裝的虛擬機最多支持4個虛擬的CPU，最大可以使用64GB內存，可以安裝各類windows及linux系統，并且還可以支持64位的操作系統。完成hyper-v安裝后，需要對虛擬網絡進行配置，hyper-v提供三種虛擬網卡，分別是外部虛擬網卡、內部虛擬網卡和專用虛擬網卡，鑒于虛擬服務器需要對外提供服務，需要固定的IP地址，使用外部虛擬網卡可以實現通過internet對虛擬機上的資源的訪問。此外，由于多臺虛擬機同時運行時需要硬盤有較快的讀寫速度，服務器最好使用高速SAS硬盤組成的RAID5或外部磁盤陣列。完成Hyper-v的配置以后，就可以新建或者從存儲上導入虛擬機了。配置好的虛擬機運行狀態如圖2所示。

圖1 添加Hyper-v角色

圖2 虛擬機運行狀態

圖3 未虛擬化之前簡單示意圖

圖4 虛擬化之后簡單示意圖

3 數字化校園建設中引入Hyper-v虛擬化技術

在數字化校園建設中引入虛擬化技術主要通過服務器資源整合、存儲資源整合、網絡資源整合，形成校園物理資源的虛擬化資源池[7]。利用Hyper-v虛擬化技術可以將服務器資源整合——首先把全校分散的服務器集中起來，統一管理，實現服務器資源的共享，然后通過虛擬化軟件Hyper-v的虛擬化技術把CPU虛擬化、內存虛擬化和I/O設備虛擬化，形成多個獨立的虛擬機。

目前，建設一套比較完善數字化校園少則需要幾十臺服務器，多則需要上百臺服務器，這些服務器放在機房每年將耗費大量的電力，還要占用大量的機房空間以及與之配套的空調系統，UPS（不間斷電源）系統以及硬件購置和維護成本也相應的增加。圖3是未使用虛擬化技術之前的簡單示意圖，為了保證數字化校園中各個應用系統之間相互獨立和正常運行，通常一臺服務器只安裝一個應用系統，據統計，這些普通服務器的資源利用率一般都在百分之十左右或者更低。利用Hyper-v虛擬化技術，這幾十臺服務器完全可以整合在幾臺性能較高的服務器上面，相應的硬件成本以及管理成本就會得到很好的控制。在安全方面，如果某臺虛擬服務器發生故障，可以利用Hyper-v快速遷移技術保證應用系統的持續穩定運行[8]。圖4是使用Hyper-v虛擬化技術對服務器進行整合后的簡單示意圖。

服務器整合是引入虛擬化的主要原因，服務器整合能提升資源利用率，滿足復雜系統環境下各種應用系統并存的需求，同時獲得降低能耗以及統一管理等種種優勢。Hyper-V采用微內核的架構，兼顧了安全性和性能的要求，集成了多種特性，能夠在各種不同虛擬化環境中實現高效率的自動化控制。通過現場的測試與部署安裝證明，Hyper-V虛擬化技術的應用為提高設備性能利用率、降低硬件更新成本、簡化系統管理提供了一個切實可行的解決方案。

4 結束語

利用微軟的Hyper-V虛擬化技術可以通過增加硬件的利用率降低運行和維護物理服務器的成本。可以減少運行服務器工作負載所需的硬件數量，縮短安裝、配置和部署新系統的時間，提高服務器的開發和運行效率，并且能在某個系統出現故障的時候快速遷移，進而提高服務器的安全性、穩定性和可用性。

目前，以Intel和AMD為代表的硬件和軟件公司都在自己推出的新產品中加入了對虛擬化的支持，這勢必會推動以Hyper-v為代表的虛擬化技術快速發展和推廣，隨著數字化校園建設的進一步推進，相信Hyper-v虛擬化技術會得到更廣泛的應用。

［1］黃昌華，康慕寧，韓樸杰.計算機與現代化[J].Hyper_v虛擬機集群管理系統的設計與實現，2013，212(4)：166-170.

［2］廣小明，胡杰，陳龍，等.虛擬化技術原理與實現[M].北京：電子工業出版社，2012.

［3］胡耀義，陶宏才.一種基于Hyper-V和WSFC集群的主機多路徑網絡存儲架構方案[J].一鐵路計算機應用，2012,21(6):80-82.

［4］張寓琛，張小芳.x86服務器虛擬化平臺性能測試[J].計算機與現代化，2014,2:166-170.

［5］郭培源，馮博.基于云計算平臺的虛擬實驗室設計與實現[J].軟件，2012，33(10)：106-115.

［6］董嘉男.Windows Server 2008 Hyper-V配置與管理[M].北京：清華大學出版社，2011.

［7］徐琦.服務器虛擬化技術在高校校園網中的應用[J].中國教育信息化，2013，2：66-68.

［8］孫永清，林九川，錢偉，金波.Hyper_V微內核架構安全性分析[J].武漢理工大學學報，2010,32(15):130-13.