基于vSphere技術的農業科研云平臺研究和構建

楊 方 ，陳曉冬 ，楊 蕊 ，崔玉祥 ，曹宇賓 ， 趙慧芳 ，韓 晉，潘大豐，張婧文，范林平

（1.山西省農業科學院農業科技信息研究所，山西 太原 030031；2.山西省農業廣播電視學校實踐培訓基地，山西 太原 030002）

基于vSphere技術的農業科研云平臺研究和構建

楊 方1，陳曉冬1，楊 蕊1，崔玉祥1，曹宇賓1， 趙慧芳1，韓 晉1，潘大豐1，張婧文1，范林平2

（1.山西省農業科學院農業科技信息研究所，山西 太原 030031；2.山西省農業廣播電視學校實踐培訓基地，山西 太原 030002）

云計算技術已成為當前發展現代農業的重要技術支撐，農業科研基礎領域對于數據計算分析性能的需求日漸增長。從理論、技術和實踐3個維度出發，詳細論述了構建農業科研云平臺的過程，包括云計算理論、vSphere技術、基礎設施、規劃和實施細節等，列舉了農業科研云平臺具體應用場景，最后探討了預期開展的云服務。

vSphere；云平臺；IaaS；分布式交換機；虛擬機；生物信息學；現代農業

隨著云計算技術普及，高校、科研院所等企事業單位的信息中心虛擬化建設也逐漸開展，在農業科研領域，基于云計算技術的各種農業信息服務平臺也得到廣泛應用，美國、德國、日本、韓國等都應用云計算技術開發農產品交易平臺，并取得了良好效果[1]；在國內，山東的金農工程[2]、中國南京綠色科技研究院研發的農業智能綜合信息服務平臺、河北的基于云模式的農產品交流信息服務平臺[3]等都是農業云計算的應用案例。此外，地理信息系統、生物信息學、農業物聯網、虛擬農業等學科技術與農業科研工作融合度越來越高，國內已有云計算與GIS、物聯網等學科相結合的理論研究和應用，如天津師范大學基于物聯網與云計算服務的農業溫室智能化平臺研究與應用[4]，河北農業大學基于云計算和WebGIS的農業信息服務系統[5]、基于云計算的農業勞動力季節性轉移信息平臺[6]等等。以上這些農業信息服務平臺和應用對數據計算性能、存儲量、計算速度等硬件資源提出了更高的要求，單臺普通服務器、PC機硬件資源十分有限，難以快速處理如此大量復雜的各類數據。

本研究主要借鑒國內外農業云服務應用經驗，利用云計算技術搭建IaaS云基礎架構服務，整合硬件資源，為山西省農業科學院科研人員提供更高更快的彈性云計算平臺，達到軟硬件資源共享，以加快山西省農業科學院農業科研信息化進程。

1 云計算

云計算是分布式處理、并行處理和網格計算的發展和延伸，具有強大的計算能力和存儲能力。云計算包括3個層次的服務，即基礎設施即服務（I-aaS）、平臺即服務（PaaS）、軟件即服務（SaaS），用戶使用的資源由第三方提供并動態分配和組織資源，用戶可以通過終端設備個性化地調度資源[7-9]。

2vSphere云技術

虛擬化作為云計算的核心技術之一，是目前整個IT行業發展的方向，能實現資源的充分利用、簡化管理、方便維護，提高整個IT部門的效率。vSphere是VMware公司推出的一套服務器虛擬化解決方案，虛擬服務器已經逐漸代替物理服務器成為支撐信息化服務的主要手段，實際應用證明，虛擬機可以滿足絕大多數業務系統的要求，能提高服務器資源的管理效率，規范服務器資源的使用[10]，vSphere一直以其易用性和易管理性得到大家的認同[11]。

vSphere 主要包括 ESXi，vCenter Server，vCenter Server插件和vCenter Server數據庫等組件，在平臺建設過程中，我們采用vSphere 5.5版本。ESXi是一種虛擬化平臺，用于將主機硬件作為一組標準化資源進行聚合，將虛擬機創建為一組配置和磁盤文件，虛擬機是運行操作系統和應用程序的軟件計算機；vCenter Server充當連接到網絡的VMware ESXi主機的中心管理員，將多個主機的資源加入池中并管理這些資源，有效監控和管理物理及虛擬基礎架構；vCenter Server插件提供額外特性和功能的應用程序；vCenter Server數據庫用于維護vCenter Server環境中虛擬機、主機和用戶的狀態[12]。

vSphere組織結構如圖1所示。

vSphere提供3種管理方式，即vSphere Web Client，vSphere Client和vSphere命令行界面，受管對象主要包括群集、數據存儲、主機、虛擬機、網絡等。數據存儲指本地SCSI磁盤、SAN磁盤陣列、iSCSI SAN磁盤陣列或網絡附加存儲（NAS）陣列；主機指安裝ESXi的物理機；網絡指一組虛擬網絡接口卡（虛擬網卡）、標準交換機或分布式交換機，以及端口組或分布式端口組[13]。

3 農業科研云平臺基礎設施

3.1 服務器等硬件設施

山西省農業科學院農業科技信息研究所中心機房現有曙光服務器3臺、曙光存儲陣列1臺。單臺服務器主要配置如下：2顆 AMD Opteron（tm）Processor 6320 CPU，2.8 GHz，8 核，內存 64 G，硬盤1T，2個RJ45端口；存儲陣列主要配置如下：15T存儲容量，2個RJ45端口。

3.2 物理網絡

本部分僅介紹云平臺部署關鍵因素，如路由交換設備等，不涉及網絡安全設備。山西省農業科學院農業科技信息研究所中心機房現有網絡設備如下：1臺銳捷路由器、2臺三層銳捷交換機、1臺銳捷二層交換機。2臺三層交換機作為中轉，上聯1臺路由器，下聯1臺二層交換機，三者之間作聚合鏈路配置，服務器接入二層交換機。網絡拓撲如圖2所示。

4 農業科研云平臺規劃和實施

4.1 硬件資源集成

首先，每臺服務器中1個RJ45端口連接Layer2 Switch中的Access端口，1個RJ45端口連接Layer2 Switch中的Trunk端口（用于創建vSphere分布式交換機），存儲陣列的2個RJ45端口連接Layer2 Switch中的Access端口。

其次，在3臺服務器上裸機安裝ESXi-6.0，并分配IP地址，通過創建虛擬機安裝vCenter Server，用于管理整個群集。具體細節請參閱文獻[14]。

最后，通過使用ESXi-6.0群集技術和IP SAN數據存儲方式，整合服務器和存儲陣列后的云平臺實際硬件資源，達到內存192G，CPU134.4GHz，存儲18T。

4.2 虛擬網絡

vSphere提供標準交換機（vSS）、分布式交換機（vDS）和混合結構3種網絡結構。

4.2.1 vSS（vSphere Standard Switch）網絡 標準交換機模擬物理以太網交換機，其默認邏輯端口數量為120，每個端口均可連接虛擬機的一個網絡適配器。vSphere默認網絡配置為vSS，對于ESXi主機數量少、管理簡單的網絡結構基本能滿足要求，其網絡拓撲結構如圖3所示。

4.2.2 vDS（vSphere Distributed Switch）網絡 vDS是所有關聯ESXi主機之間的一個交換機，這使管理員能夠設置跨所有成員主機的網絡配置，可在虛擬機之間進行內部流量轉發或通過連接到物理以太網適配器（上行鏈路適配器）鏈接到外部網絡，并使得虛擬機可在跨多個主機進行遷移時保持其網絡配置一致，在容災方面顯得尤為重要。vMotion是vSphere的實時遷移功能，可以實現在不停機的情況下將整個運行中的虛擬機從一臺物理服務器轉移到另一臺物理服務器，完成無縫遷移，在千兆以太網中，整個過程只需要不到2 s[15]。vDS網絡拓撲結構如圖4所示。

vDS可分配一個或多個分布式端口組，分布式端口組將多個端口分組到一個公共配置下，并為連接到帶標記網絡的虛擬機提供穩定的定位點。每個分布式端口組都由一個對于當前數據中心唯一的網絡標簽來標識，VLAN用于將端口組流量限制在物理網絡內的一個邏輯以太網網段中。利用網絡資源池，可以按網絡流量的類型來管理網絡流量[16]。

當存在大量ESXi主機時，由于每個ESXi主機都要維護一個獨立的vSS，以保證虛擬機在Vmotion過程中網絡正常，日常維護工作量較大。而vDS網絡配置一致，能夠集中管理所有的虛擬機流量，具有VLAN劃分、安全和流量控制等功能。考慮到云平臺可擴展性、預期業務增長以及平臺容災、魯棒性等，本平臺構建過程中采用了“vSS＋vDS”混合網絡結構，vSS用于日常網絡管理，vDS用于業務虛擬機。

4.3 虛擬網絡規劃和實施

隨著各種攻擊工具在互聯網上的廣泛傳播，黑客技術的門檻越來越低，“網站被掛馬”、“網站被入侵”等現象屢見不鮮，網站隨時都有“被黑”的風險[17]。因此，為保障農業科研數據安全，筆者根據業務類型劃分為生物信息學（Info_Bio）、統計分析學（Sta_Ana）、一般應用（Com_App）三類網絡，對應192.168.2.0，192.168.3.0，192.168.4.0 網段，再基于IP劃分 VLAN，分別創建 VLAN200，VLAN300，VLAN400，在Layer3 Switch上配置ACL策略，禁止外部網絡訪問虛擬機，禁止不同VLAN之間相互訪問，增強數據訪問安全性。

4.3.1 基礎網絡配置 基礎網絡配置涉及二層交換機、三層交換機和路由器，相關網絡配置命令可參考銳捷廠商提供的文檔[18]。為允許云平臺新建VLAN中的虛擬機訪問互聯網，需修改Layer2 Switch和Layer3 Switch之間的聚合鏈路端口配置，添加如下命令：

interfaceAggregatePort110；switchportmodetrunk；switchport trunk allowed vlan remove 1-19，21-29，31-39，41-99，101-199，201-299，301-399，401-4094。

以創建一般應用平臺（Com_App）為例，各層網絡設備配置如下：

二層交換機配置，Layer2 Switch鏈接了物理服務器和數據存儲，需要在此交換機上配置Trunk端口并創建 VLAN：vlan 400；name Com_App400；interface GigabitEthernet 0/29；switchport mode trunk；switchport trunk allowed vlan remove 1-199，201-299，301-399，401-4094// 僅 允 許 VLAN200，300，400訪問。

三層交換機配置，Layer3 Switch主要設置安全訪 問 策 略 ：vlan 400；name Com_App400；interface VLAN 400；no ip proxy-arp；ip access-group 140 in//訪問策略；ip address 192.168.4.254 255.255.255.0//分配網關地址；ip access-list extended 140//不同網段之間禁止訪問；10 deny ip 192.168.4.0 0.0.0.255 192.168.1.0 0.0.0.255；20 deny ip 192.168.4.0 0.0.0.255 192.168.2.0 0.0.0.255；30 deny ip 192.168.4.0 0.0.0.255 192.168.3.0 0.0.0.255；40 permit ip anyany。

router ospf110//創建VLAN400被動接口，并聲明相應主干區域：passive-interface VLAN 400；network 192.168.4.0 0.0.255.255 area 0。

路由器配置，Router主要設置路由策略，允許云平臺中的虛擬機訪問互聯網：ip access-list extended 197；166 permit ip 192.168.4.0 0.0.0.255 any。4.3.2 建立分布式交換機 通過vSphere Client管理軟件進入主界面后，在“數據中心”容器里建立分布式交換機，創建分布式端口組并編輯分布式交換機的屬性和策略。根據虛擬網絡規劃，我們劃分了3個分布式端口組，分別是Info_Bio，Sta_Ana，Com_App，并標識 VLAN ID對應 VLAN200，VLAN300，VLAN400，每個端口組分配15個端口，這樣在該分布式交換機下可創建45個虛擬機。具體細節請參閱文獻[10]。

4.3.3 創建虛擬機 vSphere創建虛擬機有直接創建、克隆、模板等多種方式。在實施過程中，需注意以下3點：虛擬機CPU數量不能超過ESXi主機邏輯CPU數量或虛擬機操作系統支持的CPU數量；根據業務類型把虛擬機正確劃分到相應的分布式端口組；虛擬機操作系統安裝完成后，需安裝VMware Tools以提高虛擬機操作系統性能、增強虛擬機管理。具體細節參閱文獻[13]。

5 農業科研云平臺應用

目前，我們在云平臺上開展了農業信息平臺托管、生物信息計算、農業云體驗等3類業務，農業科研人員根據需求向管理人員提出硬件資源申請，管理人員為其分配相應資源和賬號后，可使用遠程桌面方式遠程操作。農業信息平臺托管主要提供涉農網站、涉農信息平臺的互聯網信息服務，一般部署Windows Server 2008等服務器操作系統；生物信息計算主要提供基因組測序類計算分析服務，一般部署Linux服務器操作系統以及基因序列拼接、比對、排序、識別和測序等軟件；農業云體驗主要向科研人員提供虛擬機租用服務，一般部署Win7，Win10操作系統以及SPSS等數據統計分析軟件。

6 結論

實踐證明，利用vSphere搭建的云平臺有效地提升了網絡運維效率和管理水平，本平臺不但能降低農業信息化軟硬件投資和中心機房運維費用，提高服務器、存儲和網絡等設備利用率，而且能優化改善農業科研數據處理方式，提高數據計算效率，為從事生物信息學、農業物聯網、虛擬農業、農業試驗數據統計分析等領域的農業科研人員提供了一個安全高效的信息化平臺。

vSphere是IT行業一流的云計算技術，雖然該平臺已投入試運行階段，但尚有許多問題需要深入研究、很多應用需要探索。我們下一步將在云平臺中部署軟件資源池，為農業科研人員提供常用軟件下載、并發共享類軟件使用和網盤等在線云服務；同時加強調研力度，征求農業科研人員對信息技術的訴求，提供多樣化的云計算服務，為發展現代農業提供技術支撐。

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Research and Construction of Agricultural Science Cloud Platform Based on vSphere Technology

YANGFang1，CHENXiaodong1，YANGRui1，CUI Yuxiang1，CAOYubin1，ZHAOHuifang1，HANJin1，PANDafeng1，ZHANGJingwen1，FANLinping2
（1.Institute ofAgricultural Science and TechnologyInformation，Shanxi AcademyofAgricultural Sciences，Taiyuan 030031，China；2.Practice TrainingBase，Shanxi Agricultural Radioand Television School，Taiyuan 030002，China）

Cloud computing technology has become an important technical support for the development of modern agriculture.The demand for data computingand analysis performance is becoming more and more important in the field ofagricultural scientific research.This paper discusses the process of constructing agricultural science cloud platform from three aspects:theory,technology and practice,including cloud computing theory,vSphere technology,infrastructure,planning and implementation details,and lists the agricultural research cloud platformspecific application scenarios,and finallyexplores the expected cloud services.

vSphere;cloud platform;IaaS;distributed switch;virtual machine;bioinformatics;modern agriculture

TP393.09

A

1002-2481（2017）11-1863-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.11.32

2017-08-09

山西省農業科學院農業科技創新研究項目（CXKT1514）；山西省農業科學院提升工程項目（2016ZZCX-21）

楊 方（1982-），男，山西芮城人，助理研究員，碩士，主要從事農業信息技術研究工作。