基于云和虛擬化技術實驗平臺的構建

駱珍儀（韶關學院 信息科學與工程學院，廣東 韶關512005）

基于云和虛擬化技術實驗平臺的構建

駱珍儀
（韶關學院 信息科學與工程學院，廣東 韶關512005）

為了提高高校實驗室硬件資源的利用率，進一步完善數據中心建設，引入云和虛擬化技術構建高校實驗室教學平臺，并提出了基于VMWare虛擬化技術的云實驗室平臺的解決方案.利用虛擬化技術特點，逐步逐批落實桌面虛擬化的運用，簡化計算機維護流程，提高管理效率，同時積極探索桌面虛擬化運用在教室功能擴展、實驗環境擴展等業務方面的應用.

云計算；虛擬化；實驗平臺；VMWare

云計算和虛擬化技術的發展，給高校的教育和教育管理模式帶來了巨大的變革.云和虛擬化技術實驗綜合平臺的構建，加強資源化整合和虛擬化、云計算的應用，增強數字化教學與學習能力，擴大數字化校園的應用規模，進一步推動學校數字化校園的發展.

虛擬化是指計算元件在虛擬的基礎上而不是在真實的基礎上運行，是一個為了簡化管理，優化資源的解決方案［1］.虛擬化技術可以簡化軟件的重新配置過程，擴大硬件的容量.對于高校建設最大的開支是教學硬件設施的投入，特別是教學機房的建設.硬件設施采購建設后，軟件的安裝和實用大量軟件，計算機軟、硬件跟不上教學的發展，往往成為了難題.利用虛擬化的技術特點，可以解決教學機房的這些突出問題.

云計算則是基于云計算商業模式應用的網絡技術、信息技術、整合技術、管理技術、管理平臺技術、應用技術等總稱.數據標準化將是教育大數據融合的基礎，未來以大數據為基礎，全新教育云計算模式和以學生為中心的云終端在線學習將貫穿家庭、宿舍和學校.

1　虛擬化

虛擬化本質上是對物理資源進行封裝以屏蔽軟硬件資源的差異性.美國國家儀器公司1986年提出虛擬儀器（virtual Instruments）的概念.1989年，美國的William Wolf教授又提出了虛擬實驗室（Virtual laboratory）的概念，用來描述一個網絡化的虛擬實驗室環境.有了虛擬化技術，用戶可以動態啟用虛擬服務.為了迅速應對數據中心不斷變化的需求，充分發揮物理服務器的計算潛能可以運行多個虛擬機.

高校實驗室中虛擬化技術為計算機實踐教學提供了一種更為便捷的途徑，充分挖掘了現有設備的潛力，減少了對實驗設備建設的投資，減少設備的損壞和維護的工作，學生課內完成不了的工作，還可以課下在個人計算機上繼續進行.

高校實驗室中虛擬化技術主要是以桌面虛擬化和服務器虛擬化為主，而存儲虛擬化不是必須的［2］.

（1）桌面虛擬化.桌面虛擬化是指將計算機的桌面進行虛擬化，用戶對桌面的訪問不被限制具體時間、具體地點、具體設備，更廣泛與簡便終端設備支持，并具有維護便利、速度快、布置靈活等特點［3］.高校實驗室的桌面虛擬化主要用于計算機公共課、信息類專業的專業基礎課和大部分專業課.對桌面的操作系統進行優化和虛擬化是桌面虛擬化技術的關鍵和核心部分.桌面系統的遠程動態訪問和數據中心的統一托管的實現都是桌面虛擬化技術的支持下完成的.

（2）服務器虛擬化.服務器虛擬化是指在一個硬件平臺上模擬多個獨立和真實硬件指令集結構相同的虛擬硬件系統.實驗室的服務器虛擬化通常使用虛擬機.所謂虛擬機就是用軟件方式創建一個虛擬的計算機硬件系統環境，并可以在這個虛擬環境下安裝各種常見的各種操作系統及各種軟件.在高校實驗室中，服務器虛擬化技術主要用于需要虛擬服務器的信息類專業課.在高校實驗室中，以下的實驗常使用服務器虛擬化技術：建立虛擬的網絡服務器，搭建虛擬的服務器集群、虛擬的網絡安全實驗環境［4］、虛擬的網絡攻防實驗環境等.

2　云計算平臺總體設計

基礎架構平臺虛擬化是實現教育私有云建設的基礎和關鍵，上層的應用支撐和業務服務都要依賴與基礎架構平臺，以滿足資源可靠性、可用性及可服務性需求.基礎架構平臺進行虛擬化設計后，可將韶關學院數據中心的服務器、存儲、網絡等硬件層設備形成計算資源池、存儲資源池和網絡資源池.

韶關學院云計算中心的架構規劃和設計遵從云計算的標準設計模式，包括基礎架構平臺IaaS、應用支撐平臺PaaS和業務服務平臺SaaS 3層的設計［5］.

圖1　韶關學院云計算中心整體架構

（1）基礎架構平臺（IaaS）.基礎架構平臺是韶關學院云計算中心的一個關鍵，上面的應用支撐平臺和業務服務平臺的資源彈性和調配能力都要依賴與基礎架構平臺，更重要的是要滿足兩個平臺的可靠性、可用性及可服務性的需求.

在基礎架構平臺中，提供資源池服務、資源管理服務、運維管理服務、自主化流程管理服務、虛擬化桌面服務、安全防護服務、計費管理等，主要包括服務器、存儲、交換機、虛擬化軟件等.

（2）應用支撐平臺（PaaS）.在韶關學院云計算中心的PaaS層的技術上從數據管理平臺和應用支撐平臺兩個角度去實現.數據管理平臺要充分考慮到現有用戶已使用的數據庫技術，以及未來云計算數據管理技術的發展方向.應用支撐平臺提供校園科研及其它應用的開發與運行服務以及數據管理服務等，為韶關學院科研規劃及企業應用開展提供接口擴展平臺.這兩個平臺都要都要充分利用基礎架構層的彈性資源優勢，為應用運行和數據分析提供可靠的、彈性的、動態的資源訪問.

（3）業務服務平臺（SaaS）.在業務服務層提供數字化校園應用及企業行業應用，這些應用運行在應用支撐平臺，數據管理平臺為其提供數據服務.在業務訪問層提供支持多種訪問模式的統一門戶，用戶可以通過傳統PC機的瀏覽器，或者通過筆記本、手機、iPad等使用教育云的業務系統.

3　關鍵技術的實現

為了滿足人才培養過程中的實驗與實踐要求，構建基于云和虛擬化技術實驗平臺.通過虛擬化技術對現有的硬件資源進行整合，實現基于云技術的虛擬桌面的建設，將可實現通過校內、校外網絡進行訪問，在機房和學生宿舍通過電腦安裝軟件就可以訪問虛擬化個人桌面，用戶可以通過電腦、瘦客戶機、平板電腦、智能收集等多種方式訪問電腦機房桌面.根據學院信息發展需要，實現整個計算中心環境快速、在線、彈性的擴容.

3.1云計算實驗平臺的架構及環境部署

韶關學院的總體構架是采用標準的數據中心構架，部署16臺刀片服務器（見圖2）［6］.每臺服務器上布署VMware的虛擬化系統，前端采用萬/千兆以太網，通過數據中心交換機接入到韶關學院校園網.存儲系統使用2臺融合存儲，一臺存儲采用高容量設計，另外一臺存儲為提升性能.虛擬化系統則采用vSphere最先版本的企業加強版，并配制計費計量和用戶自主服務的基本服務管理功能的軟件系統，以及系統監控、統計和多種虛擬化平臺管理的云資源管理功能.每個物理服務器上安裝基于祼金屬構架的底層虛擬化系統，將本臺物理服務器進行虛擬化，生成多個虛擬機，承載原有安裝在每臺服務器上的業務.每一個虛擬機，從功能、性能和操作方式上，等同于傳統的單臺物理服務器，部份虛擬機在性能上優于原單臺的服務器需求.交換機則考慮使用3塊萬兆級專用刀片服務器交換模塊，處理業務數據、管理數據、vmotion/HA等功能.虛擬桌面終端采用固定桌面配套瘦終端和顯示器，移動辦公桌面也可使用學院現有的移動辦工設備靈活訪問.

圖2　韶關學院總體數據中心架構

云計算實驗平臺可以將終端部署在機房環境，實現了集中管理的實驗環境，也可以利用校園網或互聯網接口，實現開放式、在線化的虛擬實驗室，學生可以在宿舍或圖書館進行遠程操作或者實驗，提高了整個實驗平臺的易用性和利用性.此外還實現了多維度、統一的管理功能.

3.2實現虛擬桌面的關鍵技術

在韶關學院各傳統電腦機房桌面中心中，以傳統的桌面的信息化應用模式，具有缺乏移動性、管理維護難度大、使用成本高等缺點.韶關學院機房本次虛擬桌面終端解決方案中，采用業內最主流的架構與部署方式.基于底層的硬件資源和中間層的虛擬化軟件，通過上層的桌面終端虛擬化應用軟件，為終端用戶提供虛擬桌面交付模式.

虛擬桌面解決方案中在技術構架方面，主要有3類核心組件構成了桌面終端虛擬化中虛擬桌面解決方案的基礎.

（1）虛擬化服務器和支撐基礎資源.虛擬桌面解決方案通過虛擬化服務器，進行虛擬桌面的創建、刪除、遷移等管理功能.虛擬化服務器是虛擬桌面的載體.如果虛擬化服務器出現問題，整個虛擬桌面解決方案就會處于運行癱瘓的狀態.同時，虛擬化服務器的正常運行，也離不開它依托的底層支撐基礎資源.這類支撐基礎資源是整個虛擬桌面解決方案中最底層的組件

（2）虛擬桌面實例.虛擬桌面實例就是運行在底層虛擬化服務器上的一個個虛擬機，桌面終端虛擬化中的虛擬桌面解決方案就是以虛擬機作為資源粒度為終端用戶交付虛擬桌面的.運行在虛擬化服務器上的一個個虛擬桌面實例共享了虛擬化服務器自身的計算資源和其所掛載的存儲和網絡資源.對于虛擬桌面解決方案來說，虛擬桌面實例所對應的操作系統區別于服務器整合虛擬化解決方案中虛擬機服務器所對應的操作系統.在虛擬桌面解決方案中，虛擬桌面實例所對應的操作系統主要是輕量級的個人用戶操作系統.它的目標是為用戶提供簡易、方便的辦公和娛樂功能.

（3）Connection Broker組件.這是韶關學院虛擬桌面解決方案中非常核心的一個功能組件.對于虛擬化服務器來說，它為虛擬桌面解決方案提供了虛擬化引擎；對于虛擬桌面實例來說，它為終端用戶提供了辦公和娛樂功能，以及相應的連接方式——遠程桌面終端.簡單來說，對于Connection Broker組件，它提供了桌面終端虛擬化中一系列不同的功能.這些功能，對于不同的虛擬桌面解決方案產品，會有所不同.但對于不同虛擬桌面解決方案產品中的Connection Broker組件，它們提供的基本功能是相同的.這些基本功能包括了：對于終端用戶的認證和管理；對于虛擬桌面實例電源狀態的管理（關機、重啟、開機等）；對于虛擬桌面實例和終端用戶之間的連接管理（斷開，注銷等）；對于虛擬桌面實例和終端用戶的關系映射管理等.

本次方案設計，采用的虛擬化服務器產品為虛擬平臺系統公司的vSphere產品，目前全球服務器虛擬化有超過85%采用的是該產品；采用虛擬平臺系統公司的作為整個桌面終端的方案架構.通過構桌面終端云，可為韶關學院提供數百個并發的虛擬桌面，實現可靠、穩定、安全、綠色的終端應用環境.

4　結　語

云實驗平臺為解決資源不均衡和利用率低等問題，提供了重要技術手段.實現了網絡服務的無縫遷移和實時備份，大幅度提高了業務的連貫性.借助虛擬化技術和云計算技術，打破原有的實驗管理模式，提高資源利用率，降低運營成本.

虛擬化技術能夠提高IT效率、節省成本，今年來多所高校實驗室也試著開始在一些非關鍵應用、開發測試系統上部署了虛擬化技術.但虛擬化環境的管理復雜性大，成為了虛擬化應用的一個瓶頸.

高校實驗室虛擬化的采用可能只是為了提高系統運行速度，還沒完全建立虛擬化相關的資源使用制度.短期不受限制的創建虛擬機可能對系統影響不大，但虛擬機蔓生的現象會對系統造成沉重的負擔，甚至會超出云平臺的承受范圍.

［1］吳朱華.云計算核心技術剖析［M］.北京：人民郵電出版社，2011.

［2］丁佐杉，滿喜東，許新房.服務器虛擬化部署研究與分析［J］.計算機光盤軟件與應用；2012（5）：43-44

［3］赫斯，紐曼.虛擬化技術實戰［M］.北京：人民郵電出版社，2012.

［4］謝垂益，鐘紅君.基于虛擬環境的網絡安全實驗教學探索［J］.電腦知識與技術，2013，9（22）：5105-5107.

［5］鄧倩妮，陳全.云計算及其關鍵技術［J］.高性能計算發展與應用，2009，26（1）：2-6.

［6］孔燚.云計算在高校計算機實驗室建設管理中的應用［J］.中國教育技術備，2013（12）：28-29.

Cloud and Virtualization Technologies Experimental Platform Construction

LUO Zhen-yi
（College of Information Science and Engineering，Shaoguan University，Shaoguan 512005，Guangdong，China）

In order to improve the utilization of hardware resource of the university laboratory，it will further improve the construction of data center.Introducing cloud and virtualization technology to construct Shaoguan University laboratory teaching platform，the paper put forward solutions to the cloud laboratory platform based on VMWare virtualization technology.Using virtualization technology characteristics，it gradually implements the use of desktop virtualization to simplify the computer maintenance process and improves the efficiency of management.At the same time，it actively explored the application of desktop virtualization such as the classroom function extensions，the experiment environment extensions and other business applications.

cloud computing；virtualization；experimental platform；VMWare

TP311

A

1007-5348（2016）06-0019-05

（責任編輯：歐愷）

2016-03-22

駱珍儀（1977-），女，廣東廣州人，韶關學院信息科學與工程學院實驗師，碩士；研究方向：云計算，數據挖掘.