應用虛擬化技術(shù)重構(gòu)計算機和網(wǎng)絡信息中心

張媛媛 李 洋 李淑娣 保定職業(yè)技術(shù)學院

侯建濤 河北保百集團

王 妍 河北軟件職業(yè)技術(shù)學院

應用虛擬化技術(shù)重構(gòu)計算機和網(wǎng)絡信息中心

張媛媛 李 洋 李淑娣 保定職業(yè)技術(shù)學院

侯建濤 河北保百集團

王 妍 河北軟件職業(yè)技術(shù)學院

在我國經(jīng)濟發(fā)展持續(xù)下行之后，很多企事業(yè)單位了解到節(jié)流的重要性已經(jīng)超過開源時，計算機和網(wǎng)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(xiàn)有的服務質(zhì)量，整個單位的IT環(huán)境都必須重新設(shè)計，這個時候已經(jīng)不是某一個特殊的產(chǎn)品或是整體解決方案能做到的了。虛擬機出現(xiàn)的正是時候。在一臺計算機上運行多個操作系統(tǒng)一直是一般人對虛擬機技術(shù)的概念。大家也從VMware Workstation/Virtual PC上看到了完整的實現(xiàn)。然而當硬件技術(shù)不斷發(fā)展的今日，更快速的CPU，更多的內(nèi)存如果沒有整體的信息中心架構(gòu)配合，只不過是讓更多的CPU耗電，整體的成本不降反升。企業(yè)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(shè)備之后，整個虛擬機技術(shù)竟然呈現(xiàn)幾何級成長，不但可以用最低的成本實現(xiàn)原來所有IT架構(gòu)的所有服務，更能維持原來的服務質(zhì)量，而實現(xiàn)了整個企業(yè)運行邏輯的永不死機環(huán)境，讓操作系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)著的硬件環(huán)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(jié)省；成本；重新設(shè)計

1.虛擬化技術(shù)的應用背景

計算機信息中心和網(wǎng)絡中心由于教學的需要，必須采購大量個人計算機、企業(yè)級服務器、路由器、交換機、防火墻、 IPS/IDS等硬件設(shè)備。而且主流廠商眾多，不同廠商的產(chǎn)品還存在巨大差異，為了滿足市場對人才的技術(shù)能力水平日益提高的要求，不得已，同類計算機和網(wǎng)絡設(shè)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(shè)備在使用2—3年就面臨淘汰更新，大量設(shè)備只是軟硬件技術(shù)指標無法滿足教學需求而大量升級甚至淘汰。實際上舊設(shè)備基本上還是可以繼續(xù)提供服務的，教學業(yè)務的特點決定了我們的設(shè)備更新的速度遠遠超過企業(yè)設(shè)備的應用。

我們教學所采購的設(shè)備的數(shù)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(wǎng)絡專業(yè)的學生才會經(jīng)常應用實驗（訓）室設(shè)備，而他們的課程應用到設(shè)備的時間和次數(shù)占總課時并不高，造成實驗（訓）室設(shè)備應用效率不高。

采用虛擬化設(shè)備和技術(shù)并不是完全替代現(xiàn)有硬件設(shè)備，而是通過軟件的虛擬化模擬配合靈活的軟件硬件和網(wǎng)絡設(shè)備。在不降低設(shè)備功能，獲得和真實設(shè)備相同體驗的情況下，大大降低我們的采購成本，節(jié)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(xiàn)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(shù)（含私有云）發(fā)展趨勢，使得計算機和網(wǎng)絡信息中心的教學內(nèi)容、實驗（訓）課程與市場需求保持同步。

2.虛擬化技術(shù)在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)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?guī)砹颂嗟捏@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(yè)像發(fā)現(xiàn)了新大陸，比賽一樣地沖向虛擬化的實施之路。

對于國內(nèi)相當多的科研行業(yè)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(shè)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(huán)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(huán)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(huán)境是高性能的服務器環(huán)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(jīng)常重建項目環(huán)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(shù)的現(xiàn)狀

目前有4種類型的虛擬化技術(shù)：

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(shè)充當中介。在完全虛擬化的環(huán)境下，hypervisor運行在裸硬件上，充當主機操作系統(tǒng)，而由hypervisor管理的虛擬服務器運行客戶端操作系統(tǒng)（guesters）。完全虛擬化技術(shù)的優(yōu)點是操作系統(tǒng)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(chǎn)品，而基于核心的虛擬機（KVM）是面向Linux系統(tǒng)的開源產(chǎn)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(tǒng)需要在核心層面進行改動，能夠與hypervisor協(xié)同工作。準虛擬化技術(shù)的優(yōu)點是性能高，經(jīng)過準虛擬化處理的服務器可與hypervisor協(xié)同工作，其響應能力幾乎不亞于未經(jīng)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(tǒng)，不適用于Windows等專有操作系統(tǒng)。 Xen是開源準虛擬化技術(shù)的一個例子。

2.1.3 操作系統(tǒng)層虛擬化

操作系統(tǒng)層虛擬化沒有獨立的hypervisor層，主機操作系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)（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(yōu)點是本機速度性能比較高，由于架構(gòu)在所有虛擬服務器上使用單一、標準的操作系統(tǒng)，管理起來比異構(gòu)環(huán)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(shè)計時都考慮到了硬件虛擬化功能。英特爾的虛擬化技術(shù)（VT）和AMD的虛擬化技術(shù)（AMD-V）把虛擬硬件仿真方面的部分繁重任務從軟件轉(zhuǎn)移到了硬件，并且把某些內(nèi)存管理功能轉(zhuǎn)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(shù)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(tǒng)的標準化套裝對外發(fā)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(tǒng)，這種方式能簡化虛擬機的安裝流程，幾乎可以實現(xiàn)一鍵式導入。

2.2.2 相互協(xié)作，實現(xiàn)互通

相互協(xié)作已經(jīng)是業(yè)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(diào)，功能改進

虛擬化產(chǎn)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(yè)在熟悉虛擬化技術(shù)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(chǎn)品線這樣的免費產(chǎn)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(xù)延伸，合作伙伴的數(shù)量和技術(shù)的進步都得到了前所未有的發(fā)展。隨著規(guī)模更小的專業(yè)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(shù)據(jù)中心的每一項組件都進行虛擬化。

3. 應用虛擬技術(shù)重構(gòu)計算機和網(wǎng)絡信息中心過程

3.1 設(shè)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(wǎng)絡實驗室架構(gòu)，并提交可行性研究報告后由主管領(lǐng)導評估審批。

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

3.3 采購設(shè)備、耗材和物料。

3.4 分配人員進行綜合布線和裝修等基礎(chǔ)建設(shè)，并如期完成。

3.5 按照設(shè)計要求，安裝部署虛擬化服務器、網(wǎng)絡設(shè)備、個人計算機和終端機。

虛擬化服務器的安裝調(diào)試和部署：

3.5.1 虛擬化OS的安裝和聯(lián)調(diào)。

3.5.2 創(chuàng)建教學應用的虛擬化主機的模板：可針對各門計算機和網(wǎng)絡專業(yè)課分別設(shè)計模板。

3.5.3 針對計算機和網(wǎng)絡的各門課程分別創(chuàng)建虛擬化服務器網(wǎng)絡、開發(fā)平臺網(wǎng)絡和網(wǎng)路設(shè)備虛擬化系統(tǒng)等子系統(tǒng)。

3.5.4 模擬教學完成各個子系統(tǒng)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(tǒng)試運行。首先和真實服務器、網(wǎng)絡設(shè)備等并行應用，漸次轉(zhuǎn)移到虛擬化應用，平滑完全過度后，原真實物理設(shè)備除保留別要應用外，其他設(shè)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(jīng)驗，部署周期性的升級管理。

4.應用虛擬技術(shù)重構(gòu)計算機信息中心的技術(shù)關(guān)鍵與創(chuàng)新、技術(shù)路線圖

4.1 技術(shù)關(guān)鍵與創(chuàng)新

4.1.1 一站式管理的創(chuàng)立。所有的系統(tǒng)和子系統(tǒng)統(tǒng)一到同一平臺統(tǒng)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(tǒng)和數(shù)據(jù)備份與災難恢復。當出現(xiàn)硬件故障、電力故障或病毒木馬破壞等不可抗因素是，系統(tǒng)能夠迅速恢復到故障原點，減少數(shù)據(jù)損失。

4.1.3 虛擬化系統(tǒng)模板的創(chuàng)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(tǒng)間靈活應用和無障礙通信。依賴于網(wǎng)絡拓撲的設(shè)計的合理性和網(wǎng)絡設(shè)備的高可靠性。

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

4.2 技術(shù)路線圖

技術(shù)路線圖如圖1所示。

5.小結(jié)

通過對學校計算機和網(wǎng)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(wǎng)絡設(shè)備的成本和維護管理的成本，提升設(shè)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(shù)，創(chuàng)立私有“云”存儲平臺，一方面能夠滿足低成本的實驗室建設(shè)，一方面能夠和當前最新的技術(shù)發(fā)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(shù)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(shù)，最高超的技能，才能在有限的學習周期內(nèi)，無限放大并提高他們的技術(shù)能力，才能在他們離開學校后前途無憂。

圖1

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

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

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

本文系2016年保定市科學技術(shù)研究與發(fā)展指導計劃項目“應用虛擬化技術(shù)重構(gòu)計算機和網(wǎng)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(yè)技術(shù)學院 講師，研究方向：計算機及應用。