虛擬化技術在高校數字化校園建設中的應用研究

林仙土

摘要：隨著高校數字化校園建設的不斷深入，各項業(yè)務系統(tǒng)逐漸增多，高校面臨的嚴峻問題是需要繼續(xù)增加硬件資源的投入，但當前服務器資源利用率低、運維成本高、服務保障水平低，難以滿足信息化建設的要求。本文通過構建基于VMware虛擬化技術的數字化校園系統(tǒng)平臺，實現了資源的統(tǒng)一規(guī)劃和管理，提高了資源的利用率，增強了系統(tǒng)的整體安全性，保障了高校數據中心的穩(wěn)定運行。

關鍵詞：數字化校園；虛擬化；VMware；高可用性；分布式資源調度

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2016）23-0106-05

數字化校園現狀與問題

隨著高校信息化建設的不斷推進，數字化校園建設已成為學校教學、辦公和科研等工作的有力保障。但隨著業(yè)務系統(tǒng)和應用平臺需求的日益增長，若建設過程中仍采用“一套應用一套系統(tǒng)”的模式，學校數據中心則需要不斷增加服務器的數量，而這種傳統(tǒng)服務器架構的管理模式存在諸多不利因素，突出表現在：

①服務器資源的利用率低。為保證業(yè)務系統(tǒng)的正常運轉，一般根據系統(tǒng)的峰值資源要求配置服務器的性能，但大部分服務器不會被經常訪問，加上一臺服務器只運行一個操作系統(tǒng)，受系統(tǒng)和平臺不同的限制，服務器的CPU、內存等使用率一般不超過10%，資源閑置浪費嚴重。

②投入成本高。隨著業(yè)務系統(tǒng)的增加，服務器數量不斷增多，還要增加相應的配套設施，導致建設成本遞增且占用較多的物理空間。同時，針對不同廠家、不同型號的設備，實現統(tǒng)一管理難度很大，而單臺式的維護方式工作量較大，對機房管理人員造成了較大的壓力。此外，部分服務器過了保修期，維護、維修的費用也是不小的開支。

③服務保障水平低。目前大部分應用系統(tǒng)采用單臺服務器的部署方式，一旦服務器出現故障，就會導致服務中斷，并且系統(tǒng)維護、擴容或升級時需要停機，也會造成應用服務的中斷，嚴重影響學校各項工作的正常開展。

④能耗高。隨著服務器的不斷增多，設備耗能和空調耗能加劇，學校數據中心的能耗費用劇增，每年僅支付的電費就達到數十萬元。[1]

⑤部署新業(yè)務的時間周期較長。當有新的應用需要部署時，需要經過預算、采購、系統(tǒng)安裝、調試、測試、上線等多個環(huán)節(jié)，無法做到及時響應。

針對上述問題，本文提出了基于虛擬化技術構建一個安全、高可用性的數字化校園硬件平臺。

虛擬化技術

虛擬化技術是最近幾年較熱門的技術之一，它是通過映射或抽象的方式屏蔽物理資源的復雜性，簡化基礎設施的管理，同時超出其物理局限性，解決異構平臺的管理難度，提高資源的利用率和靈活性。[2-3]服務器虛擬化是指將來自服務器的各種資源抽象成邏輯資源，不受物理上的限制，使CPU、內存等硬件資源成為可動態(tài)管理的資源池，實現一臺物理服務器上運行多臺相互隔離的虛擬機，提高資源的利用率，達到服務器的邏輯整合。

目前市場上已有一些成熟的虛擬化產品，如vSphere、Hyper-v、FusionSphere等。vSphere是基于云計算的新一代虛擬化套件，提供了虛擬化基礎架構、高可用性、分布式資源調度、快速數據備份還原、集中管理等一整套的解決方案，是當前應用最為廣泛的虛擬化平臺，其包含三個基本組件：ESXi Server、vCenter Server和vSphere Client。ESXi Server是一款支持硬件虛擬化并可以獨立安裝和運行在裸機上的系統(tǒng)，通過對物理服務器進行虛擬化，提供創(chuàng)建和運行虛擬機的虛擬化平臺，安裝之后的服務器我們稱之為ESXi主機。作為vSphere的神經中樞，vCenter Server主要用來管理整個虛擬化環(huán)境，為所有的主機和服務器提供集中化管理和性能監(jiān)控。vSphere Client是用戶用來連接vCenter Server或單個ESXi Server的交互工具，實現遠程維護和管理。[4-5]

VMotion是威睿（VMware）公司的一項獨特技術，實現了在兩臺服務器不停機的情況下實時遷移虛擬機，通過內存克隆技術，不影響用戶的使用，是所有vSphere高級功能的基礎。[6]分布式資源調度功能，簡稱DRS，是指通過創(chuàng)建資源池，可以根據業(yè)務需求在資源池中動態(tài)分配資源。由于每個應用所需的資源不同，可以制定出DRS的各項閾值和規(guī)則，協(xié)調可用資源和預定義業(yè)務優(yōu)先順序，實現資源配置的智能化管理。高可用性功能，簡稱HA，實現為集群中的多臺主機提供快速中斷恢復。當某臺主機硬件或操作系統(tǒng)發(fā)生故障時，可在短時間內恢復應用的正常運行，實現經濟高效的高可用性。[7-8]VMware Data Protection（簡稱VDP）作為vSphere中全新的備份還原工具[9-10]，可為虛擬化環(huán)境提供簡單、經濟高效、無代理的備份還原方式，相對于傳統(tǒng)的VCB和VDR，其備份恢復數據更快，消除重復效果更好。

服務器虛擬化在數字化校園中的應用

臺州科技職業(yè)學院數字化校園系統(tǒng)是一個由統(tǒng)一數據交換平臺、統(tǒng)一身份認證平臺、統(tǒng)一信息門戶平臺和諸多業(yè)務系統(tǒng)組成的大型項目，為提升系統(tǒng)運行的質量，學校考慮構建數字化校園服務器虛擬化平臺。

1.系統(tǒng)資源規(guī)劃

根據數字化校園建設的需要，學校新購了8臺惠普刀片服務器HPBL460c Gen8和一臺HP存儲MSA2040，結合原有的部分硬件資源，淘汰過保的舊服務器，重新對應用平臺進行部署，如表1所示。

2.虛擬化實施

（1）構建虛擬化架構，下頁圖1是服務器虛擬化架構圖。

（2）為每臺物理服務器安裝ESXi系統(tǒng)，并設置相關參數，包括主機名、IP地址、登錄賬號和密碼等。

（3）在一臺用戶機上通過瀏覽器訪問系統(tǒng)Web頁面，下載并安裝vSphere Client客戶端，然后就可以通過該機連接到ESXi主機進行管理。

（4）安裝vCenter Server和vCenter數據庫，用于對虛擬機主機進行統(tǒng)一管理。

（5）掛接磁盤陣列。在陣列中劃分LUN，設置光纖交換機為陣列和主機建立數據通道，然后在陣列中建立映射，最后配置ESXi主機，加入陣列中分配的空間。

（6）建立虛擬機，并部署相應的應用。創(chuàng)建虛擬機有兩種方式：一是新建虛擬機，設置好相關硬件參數，通過加載操作系統(tǒng)的ISO鏡像文件安裝虛擬機操作系統(tǒng)；二是直接遷移原有系統(tǒng)至虛擬機。針對一些舊系統(tǒng)或者重新部署應用較困難的系統(tǒng)，學校采用P2V工具將物理機上的系統(tǒng)遷移至虛擬機中，并設置好硬件資源和存儲位置。遷移完畢后，由虛擬機接替原有系統(tǒng)的工作，關閉原先的物理服務器。[11]

（7）通過vSphere Web Client部署VDP虛擬機，配置好相關參數，完成VDP的注冊。[12]

3.虛擬化環(huán)境管理

通過vSphere Client操作控制臺連接到vCenter，可以方便地對所有EXSi主機、虛擬機及其軟硬件資源進行管理和配置，如創(chuàng)建虛擬機、啟動和關閉虛擬機、監(jiān)控系統(tǒng)性能和利用率、修改虛擬機的硬件配置、查看資源映射和拓撲圖等，甚至根據需要隨時遷移虛擬機至其他主機或存儲位置，而不影響業(yè)務的連續(xù)性，圖2為虛擬化平臺管理窗口。

HA功能作為vSphere的高級功能之一，是以一群ESXi服務器為主的集群功能，創(chuàng)建一個不會藍屏的環(huán)境。在HA集群中，每一臺服務器持續(xù)監(jiān)測集群中其他服務器的心跳信號，如果一臺服務器在持續(xù)三個時間間隔后仍沒有發(fā)出心跳信號，那么該服務器上運行的虛擬機就會自動被轉移到集群中的其他服務器上。學校為整個數字化校園系統(tǒng)創(chuàng)建數據中心和集群，開啟HA功能并配置好相關參數，這樣就不用擔心因為服務器故障而使學校網站無法訪問或者OA系統(tǒng)中斷服務，大大提高了數據中心的安全性和高可用性，HA配置界面如圖3所示。

將DRS技術應用于數字化校園中，可以對一些具有明顯周期性突發(fā)訪問的系統(tǒng)進行資源調配，如迎新系統(tǒng)，在每年九月份開學報到時，總會出現非常集中的訪問。按照以往的做法就是為迎新系統(tǒng)配置性能足夠高的硬件平臺以滿足需求，但是過了迎新階段，這些服務器資源基本處于閑置狀態(tài)。現在運用虛擬化的DRS技術，只需要在資源池中給迎新系統(tǒng)預留足夠的資源，以滿足迎新階段集中的訪問量，而在其余時期可以將這些資源回收用于其他地方。

虛擬化技術的出現打破了傳統(tǒng)數據備份機制的限制，主機內的每臺虛擬機可看作是一個包含多個文件的整體。在VMware虛擬化環(huán)境下，使用VDP實現數據的備份和恢復是一種方便且可靠的方式。VDP可與vCenter Server完成集成，對備份作業(yè)進行高效的集中式管理，同時將備份數據存放于經過重復數據消除的目標存儲中。[13]VDP是針對虛擬機整機進行備份的，可以實現整機恢復和文件級恢復。

高效應用服務的數據可分為三類：①有頻繁的數據更新且數據量較小的應用，如資產管理系統(tǒng)、辦公OA系統(tǒng)等。②有較固定的更新時間且數據量不大的應用，如迎新系統(tǒng)、招生系統(tǒng)等。③更新時間不固定且數據量較大的應用，如精品課程、視頻網站等。對應不同的數據變化類型，采用分類備份的策略，如表2所示。

4.虛擬化測試

在系統(tǒng)部署并配置完之后，接下來就是對虛擬化環(huán)境進行測試，部分測試包括：①模擬主機故障，將被測主機關機或斷網，通過ping命令測試該主機上的虛擬機，發(fā)現出現短暫時間的丟包，之后就恢復穩(wěn)定運行。經驗證，故障主機上的虛擬機已經遷移到集群中的另一臺主機上開始工作。②恢復測試主機的正常狀態(tài)，觀察該主機重新加入集群中，通過資源調度，部分虛擬機在不中斷服務的情況下遷移到該主機。③消耗系統(tǒng)資源測試資源調度功能。編寫shell腳本或者采用LoadRunner設計腳本，并在被測機器上運行，消耗系統(tǒng)資源使其超載，經過一段時間驗證發(fā)現該臺主機上的部分虛擬機已遷移至其他主機上繼續(xù)工作，集群中主機的性能得到平衡。④手動遷移多臺虛擬機至被測主機，使其資源消耗趨于滿負荷，觀察一段時間發(fā)現部分虛擬機已自動遷出，證實集群的資源調度功能能平衡主機間的負載。

結束語

在數字化校園平臺建設中運用虛擬化技術，充分利用系統(tǒng)資源，使原來10%以下的資源利用率提高至50%～60%，同時解決了資源利用不平衡、故障恢復慢以及高能耗等問題，整體提升了數字化校園系統(tǒng)的運行質量，為全校師生提供了更優(yōu)質的服務。