應用虛擬化技術重構計算機和網絡信息中心

張媛媛 李 洋 李淑娣 保定職業技術學院

侯建濤 河北保百集團

王 妍 河北軟件職業技術學院

應用虛擬化技術重構計算機和網絡信息中心

張媛媛 李 洋 李淑娣 保定職業技術學院

侯建濤 河北保百集團

王 妍 河北軟件職業技術學院

在我國經濟發展持續下行之后，很多企事業單位了解到節流的重要性已經超過開源時，計算機和網絡信息中心的第一個想到的就是少買一些計算機。而少買計算機的同時，卻必須維持現有的服務質量，整個單位的IT環境都必須重新設計，這個時候已經不是某一個特殊的產品或是整體解決方案能做到的了。虛擬機出現的正是時候。在一臺計算機上運行多個操作系統一直是一般人對虛擬機技術的概念。大家也從VMware Workstation/Virtual PC上看到了完整的實現。然而當硬件技術不斷發展的今日，更快速的CPU，更多的內存如果沒有整體的信息中心架構配合，只不過是讓更多的CPU耗電，整體的成本不降反升。企業級虛擬機的市場就是在這樣的情況下應運而生的。然而除了省下了大量的電費和充分利用資源之外，在配合了獨立的存儲設備之后，整個虛擬機技術竟然呈現幾何級成長，不但可以用最低的成本實現原來所有IT架構的所有服務，更能維持原來的服務質量，而實現了整個企業運行邏輯的永不死機環境，讓操作系統在運轉著的硬件環境中擁有生命，不但永遠不會隨著硬件的故障而宕機，而且還會自己找出最適合的"活法"。

虛擬機；節??；成本；重新設計

1.虛擬化技術的應用背景

計算機信息中心和網絡中心由于教學的需要，必須采購大量個人計算機、企業級服務器、路由器、交換機、防火墻、 IPS/IDS等硬件設備。而且主流廠商眾多，不同廠商的產品還存在巨大差異，為了滿足市場對人才的技術能力水平日益提高的要求，不得已，同類計算機和網絡設備必須同時采購。而且，隨著硬件和軟件的周期性升級換代，同時還伴隨著周期越來越短（1—2年），新采購設備在使用2—3年就面臨淘汰更新，大量設備只是軟硬件技術指標無法滿足教學需求而大量升級甚至淘汰。實際上舊設備基本上還是可以繼續提供服務的，教學業務的特點決定了我們的設備更新的速度遠遠超過企業設備的應用。

我們教學所采購的設備的數量為了滿足學生每人都有機會在實驗（訓）課上觸摸到真機獲得真實體驗，也不得不每次加倍重復采購。實際上，考慮到只有計算機和網絡專業的學生才會經常應用實驗（訓）室設備，而他們的課程應用到設備的時間和次數占總課時并不高，造成實驗（訓）室設備應用效率不高。

采用虛擬化設備和技術并不是完全替代現有硬件設備，而是通過軟件的虛擬化模擬配合靈活的軟件硬件和網絡設備。在不降低設備功能，獲得和真實設備相同體驗的情況下，大大降低我們的采購成本，節省實驗（訓）室物理空間，降低繁復的管理成本和維護成本，實現一站式、一體化、低成本的輕量級管理和維護。

漸進式部署虛擬化實驗（訓）室，完全迎合時下熱門的云技術（含私有云）發展趨勢，使得計算機和網絡信息中心的教學內容、實驗（訓）課程與市場需求保持同步。

2.虛擬化技術在國內外現狀和發展趨勢

虛擬化正在IT界掀起一場巨大的風暴。這個IT新寵給大家帶來了太多的驚喜：承諾減少宕機時間、降低功耗、降低冷卻成本、提高硬件使用率，而且，還使管理的難度大大降低……所有這些，使得IT企業像發現了新大陸，比賽一樣地沖向虛擬化的實施之路。

對于國內相當多的科研行業來說，他們不可能有充足的IT資源為每個科研項目和學生畢設項目提供獨立的服務器資源，這就導致大部分項目要么采用PC機手工搭建項目環境，要么和其他人分享緊張的服務器資源。如果采用PC機搭建項目環境雖然可以保障項目進度，但是由于很多項目真實的應用環境是高性能的服務器環境，很可能造成有些項目提交后無法正常運行。如果和別人分享緊張的服務器資源，則可能需要經常重建項目環境或等待上機時間，很難避免對項目進度造成嚴重影響。

2.1 虛擬化技術的現狀

目前有4種類型的虛擬化技術：

2.1.1 完全虛擬化

目前最主要的虛擬化方法，使用名為hypervisor的一種軟件，在虛擬服務器和底層硬件之間建立一個抽象層。 hypervisor可以捕獲CPU指令，為指令訪問硬件控制器和外設充當中介。在完全虛擬化的環境下，hypervisor運行在裸硬件上，充當主機操作系統，而由hypervisor管理的虛擬服務器運行客戶端操作系統（guesters）。完全虛擬化技術的優點是操作系統不用改動就能安裝到虛擬服務器上；主要缺點是， hypervisor給處理器帶來開銷。VMware的VSphere和微軟的Hyper-v是該方法的兩個代表性商用產品，而基于核心的虛擬機（KVM）是面向Linux系統的開源產品。

2.1.2 準虛擬化

準虛擬化（Para-Virtualizion）減輕了處理器的負擔，客戶操作系統需要在核心層面進行改動，能夠與hypervisor協同工作。準虛擬化技術的優點是性能高，經過準虛擬化處理的服務器可與hypervisor協同工作，其響應能力幾乎不亞于未經過虛擬化處理的服務器：缺點是只適用于BSD、 Linux、 Solaris等某些開源操作系統，不適用于Windows等專有操作系統。 Xen是開源準虛擬化技術的一個例子。

2.1.3 操作系統層虛擬化

操作系統層虛擬化沒有獨立的hypervisor層，主機操作系統本身負責在多個虛擬服務器之間分配硬件資源，并且讓這些服務器彼此獨立。操作系統層虛擬化的缺點是所有虛擬服務器必須運行同一操作系統（不過每個實例有各自的應用程序和用戶賬戶），靈活性比較差；優點是本機速度性能比較高，由于架構在所有虛擬服務器上使用單一、標準的操作系統，管理起來比異構環境要容易。 SolarisContainer就是這方面的一個例子， Virtuozzo/OpenVZ是面向Linux的軟件方案。

2.1.4 硬件虛擬化

除了軟件外，虛擬化也從純軟件逐漸深入到處理器級虛擬化和輸入，輸出級虛擬化，A MD和英特爾提供的最新一代芯片在設計時都考慮到了硬件虛擬化功能。英特爾的虛擬化技術（VT）和AMD的虛擬化技術（AMD-V）把虛擬硬件仿真方面的部分繁重任務從軟件轉移到了硬件，并且把某些內存管理功能轉移到了用軟件處理的CPU微代碼里面。這些努力使得x86平臺的CPU更適合處理虛擬服務器帶來的特有工作負載。

2.2 在過去的幾年，虛擬化漸呈四種趨勢

2.2.1 管理程序的成長

管理程序如今可謂屢見不鮮。無論是英特爾虛擬化技術vPro和AMD公司的AMD-V在最新處理器中的應用，還是作為Linux操作系統的標準化套裝對外發售，管理程序都隨處可見。三大一線廠商（微軟，思杰和VMware）的管理程序或虛擬機控制程序目前都支持嵌入式系統，這種方式能簡化虛擬機的安裝流程，幾乎可以實現一鍵式導入。

2.2.2 相互協作，實現互通

相互協作已經是業界的共識，在過去的幾年中各大虛擬化廠商紛紛采取主動來分享虛擬化的盛宴。

2.2.3 價格下調，功能改進

虛擬化產品的售價逐步走低，但功能性（甚至是免費版本）卻不斷提升。很多企業在熟悉虛擬化技術的過程中，都會在部署虛擬化之前做必要的評估，像微軟公司的全線虛擬機產品線這樣的免費產品就是不錯的選擇。

2.2.4 拓寬的渠道

虛擬機渠道還在繼續延伸，合作伙伴的數量和技術的進步都得到了前所未有的發展。隨著規模更小的專業公司進入虛擬化市場，他們都希望能找到合適的合作伙伴來加強自己的實力，使數據中心的每一項組件都進行虛擬化。

3. 應用虛擬技術重構計算機和網絡信息中心過程

3.1 設計多功能、模塊化、冗余性強、易管理、易復原和靈活性強的計算機和網絡實驗室架構，并提交可行性研究報告后由主管領導評估審批。

3.2 對實驗（訓）室的虛擬化升級所需的設備、耗材、物料、人員和工期進行分析和研究。

3.3 采購設備、耗材和物料。

3.4 分配人員進行綜合布線和裝修等基礎建設，并如期完成。

3.5 按照設計要求，安裝部署虛擬化服務器、網絡設備、個人計算機和終端機。

虛擬化服務器的安裝調試和部署：

3.5.1 虛擬化OS的安裝和聯調。

3.5.2 創建教學應用的虛擬化主機的模板：可針對各門計算機和網絡專業課分別設計模板。

3.5.3 針對計算機和網絡的各門課程分別創建虛擬化服務器網絡、開發平臺網絡和網路設備虛擬化系統等子系統。

3.5.4 模擬教學完成各個子系統的應用測試，并記錄性能、可靠性、易用性和操作管理上的問題，而后研究改進。

3.5.5 虛擬化服務器系統試運行。首先和真實服務器、網絡設備等并行應用，漸次轉移到虛擬化應用，平滑完全過度后，原真實物理設備除保留別要應用外，其他設備可逐步淘汰。

3.5.6 虛擬化實驗（訓）室正式運行。積累日常運維管理經驗，部署周期性的升級管理。

4.應用虛擬技術重構計算機信息中心的技術關鍵與創新、技術路線圖

4.1 技術關鍵與創新

4.1.1 一站式管理的創立。所有的系統和子系統統一到同一平臺統一管理，同一個界面，同一個接口，提升管理的效率。

4.1.2 系統和數據備份與災難恢復。當出現硬件故障、電力故障或病毒木馬破壞等不可抗因素是，系統能夠迅速恢復到故障原點，減少數據損失。

4.1.3 虛擬化系統模板的創建和管理。要求管理人員必須深入并靈活掌握虛擬化服務器平臺的核心功能。

4.1.4 子系統間靈活應用和無障礙通信。依賴于網絡拓撲的設計的合理性和網絡設備的高可靠性。

4.1.5 和真實設備的無差別體驗。我們需要盡最大努力減少對真實物理設備的依賴，除非設備不具備虛擬化的條件。

4.2 技術路線圖

技術路線圖如圖1所示。

5.小結

通過對學校計算機和網絡信息中心實驗（訓）室的改造，大大降低了長期以來連年不斷采購網絡設備的成本和維護管理的成本，提升設備和實驗（訓）室的利用率和應用效率；同時，部署虛擬化服務器技術，創立私有“云”存儲平臺，一方面能夠滿足低成本的實驗室建設，一方面能夠和當前最新的技術發展潮流保持同步。

虛擬化服務器平臺大大提高了實驗（訓）室的技術含金量，完全能夠進一步大大提高廣大同學們的學習興趣和熱情，他們掌握最新的技術，最高超的技能，才能在有限的學習周期內，無限放大并提高他們的技術能力，才能在他們離開學校后前途無憂。

圖1

[1] 胡嘉璽. 企業級虛擬機應用實戰：玩轉Vmware VI、Hyper-V R2、Xen Server [M].北京市∶電子工業出版社.2009.

[2] [美]赫斯(Hess，K.)，[美]紐曼(Newman，A.). 虛擬化技術實戰[M].北京市∶人民郵電出版社.2012.

[3] 英特爾開源軟件技術中心. 系統虛擬化——原理與實現[M].北京市∶清華大學出版社.2014.

本文系2016年保定市科學技術研究與發展指導計劃項目“應用虛擬化技術重構計算機和網絡信息中心”的研究成果。項目編號： 16ZG021。

張媛媛（1983- ），女，河北保定人，保定職業技術學院 講師，研究方向：計算機及應用。