基于Hyper-V的經(jīng)管實(shí)驗(yàn)中心服務(wù)器虛擬化部署

韓友前

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)管理處，江蘇 徐州 221116)

高校經(jīng)管類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)主要是利用B/S架構(gòu)的應(yīng)用軟件來仿真模擬企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)，這些應(yīng)用部署在服務(wù)器上，學(xué)生使用計(jì)算機(jī)通過瀏覽器遠(yuǎn)程進(jìn)行訪問。隨著企業(yè)和教學(xué)信息化建設(shè)的逐步推進(jìn)，這類實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的數(shù)量也日益增多，從而導(dǎo)致對(duì)服務(wù)器的需求急劇增加。為了減少應(yīng)用之間的沖突，傳統(tǒng)的管理方式通常是一臺(tái)服務(wù)器只部署一個(gè)應(yīng)用。在這種煙囪式架構(gòu)管理模式下，服務(wù)器的資源利用率低，應(yīng)用部署周期長，管理維護(hù)困難，高可用性和數(shù)據(jù)安全難以保障[1]。

以某職業(yè)院校經(jīng)管實(shí)驗(yàn)中心為例，該實(shí)驗(yàn)中心擁有200 余臺(tái)計(jì)算機(jī)和4 臺(tái)服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為千兆局域網(wǎng)。部署了會(huì)計(jì)、電商、營銷以及物流等專業(yè)的多個(gè)應(yīng)用，主要為本校經(jīng)管類專業(yè)學(xué)生上課、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)及技能大賽提供服務(wù)。這些應(yīng)用都是采用B/S 架構(gòu)，部署環(huán)境為Windows Server操作系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是并發(fā)訪問量較低，一般不超過80個(gè)用戶，對(duì)服務(wù)器性能要求不高，使用具有間斷性。存在的主要問題是服務(wù)器數(shù)量需求過多，資源利用率低、分配不合理，無容災(zāi)備份。近年來，隨著應(yīng)用數(shù)量的不斷增加，一臺(tái)物理服務(wù)器只部署一個(gè)應(yīng)用的管理模式弊端日益凸顯。為了解決應(yīng)用數(shù)量多和服務(wù)器數(shù)量有限且資源利用率低的矛盾，經(jīng)管實(shí)驗(yàn)中心以其中一臺(tái)服務(wù)器硬件損壞，需購置新服務(wù)器為契機(jī)，決定整合軟硬件資源，實(shí)施服務(wù)器虛擬化。通過比較VMware vSphere、Hyper-V、Citix Xen、Linux KVM 等主流企業(yè)級(jí)虛擬化產(chǎn)品[2]，從易用性、使用成本、兼容性及經(jīng)管類應(yīng)用的特點(diǎn)等因素考量，最終選擇了微軟的Hyper-V服務(wù)器虛擬化解決方案。

1 Hyper-V虛擬化技術(shù)簡介

服務(wù)器虛擬化是將服務(wù)器的硬件資源抽象為可以動(dòng)態(tài)調(diào)配的邏輯資源，利用軟件技術(shù)將一臺(tái)物理服務(wù)器生成若干相互臺(tái)隔離的虛擬服務(wù)器的一種技術(shù)，這些虛擬出來的服務(wù)器可以像物理服務(wù)器一樣部署各種應(yīng)用[3]。服務(wù)器虛擬化技術(shù)是一項(xiàng)相對(duì)成熟的技術(shù)，引入該技術(shù)可極大地提高資源利用率和運(yùn)維效率，有效緩解資源和應(yīng)用之間的供需矛盾。Hyper-V是微軟公司出品的基于Hypervisor的企業(yè)級(jí)虛擬化解決方案。它是一種裸金屬架構(gòu)的虛擬化技術(shù)，輕量級(jí)的Hypervisor 虛擬化層位于硬件之上，負(fù)責(zé)為虛擬機(jī)提供隔離的運(yùn)行環(huán)境及資源調(diào)度。Hyper-V 管理程序采用微內(nèi)核架構(gòu)，底層的Hypervisor 運(yùn)行在最高特權(quán)級(jí)別下，微軟稱之為Ring-1，來賓操作系統(tǒng)內(nèi)核及驅(qū)動(dòng)運(yùn)行在Ring0，而應(yīng)用程序則運(yùn)行在Ring3[4]。Hy?per-V的基本架構(gòu)如圖1所示。和其他虛擬化產(chǎn)品相比，Hyper-V主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

圖1 Hyper-V的基本架構(gòu)

1）Hyper-V 是微軟公司的產(chǎn)品，對(duì)Windows 操作系統(tǒng)具有更好的兼容性，來賓操作系統(tǒng)無須安裝任何第三方驅(qū)動(dòng)。

2）Hyper-V 采用微內(nèi)核架構(gòu)，代碼高度精簡，安全穩(wěn)定，執(zhí)行效率高，性能接近物理服務(wù)器性能。Hy?pervisor 層不提供應(yīng)用程序編程接口，受到攻擊的可能性較小。

3）Hyper-V 和Windows 服務(wù)器高度集成，使用統(tǒng)一視窗風(fēng)格的微軟管理控制臺(tái)，部署方便，操作界面友好。

2 部署過程

2.1 虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃

服務(wù)器虛擬化涉及服務(wù)器技術(shù)、存儲(chǔ)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多方面的知識(shí)[5]。在部署Hyper-V服務(wù)器虛擬化之前，要對(duì)該平臺(tái)的架構(gòu)和功能進(jìn)行充分研究，例如故障轉(zhuǎn)移群集、虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移和復(fù)制功能等技術(shù)要了然于心。規(guī)劃方案的好壞將直接影響著虛擬化平臺(tái)最終的運(yùn)行效果，應(yīng)根據(jù)經(jīng)管類應(yīng)用對(duì)服務(wù)器要求不是很嚴(yán)苛，使用上具有間斷性、周期性和并發(fā)訪問量低的特點(diǎn)，充分利用現(xiàn)有資源，遵循技術(shù)可靠、簡單實(shí)用、分步實(shí)施的原則對(duì)虛擬化平臺(tái)進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。主要做好主機(jī)硬件選型、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、備份和高可用性等方面的規(guī)劃。

1)服務(wù)器主機(jī)硬件選型

Hyper-V 主機(jī)是虛擬機(jī)運(yùn)行的載體，其硬件性能直接決定著虛擬化平臺(tái)的性能和擴(kuò)展能力，選擇一個(gè)配置合理，性能足夠支撐虛擬機(jī)負(fù)載運(yùn)行的主機(jī)至關(guān)重要。

① CPU選型

Hyper-V 虛擬化需要CPU 支持硬件輔助虛擬化（Intel VT 或AMD-V）和數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)（Data Execution Prevention,DEP）技術(shù)。虛擬機(jī)使用的是邏輯處理器，它的數(shù)量是由主機(jī)CPU的核心數(shù)決定的，主機(jī)的CPU核心數(shù)越多、時(shí)鐘頻率越高效果越好[6]

②內(nèi)存選型

Hyper-V 支持動(dòng)態(tài)內(nèi)存技術(shù)，即根據(jù)每個(gè)虛擬機(jī)預(yù)期負(fù)載的不同動(dòng)態(tài)分配所需內(nèi)存。在虛擬化中，內(nèi)存的容量比速度更重要，要給管理系統(tǒng)保留足夠的內(nèi)存，可以按照每個(gè)虛擬機(jī)分配4GB或以上的內(nèi)存容量配置主機(jī)內(nèi)存。

2)存儲(chǔ)規(guī)劃

存儲(chǔ)系統(tǒng)是虛擬化平臺(tái)的重要組成部分，它的存儲(chǔ)效能往往會(huì)成為制約虛擬化平臺(tái)性能發(fā)揮的瓶頸，特別是那些部署了I/O 操作密集的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。Hy?per-V 主機(jī)除了支持使用本地直接連接存儲(chǔ)，還支持IP SAN、FC SAN、NAS等多種網(wǎng)絡(luò)共享存儲(chǔ)方式[7]。應(yīng)根性能、擴(kuò)展性及使用成本等因素選擇存儲(chǔ)系統(tǒng)。如果虛擬機(jī)數(shù)量不多，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量較小，選擇本地直接連接存儲(chǔ)是最簡單的低成本存儲(chǔ)方式。

3)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

網(wǎng)絡(luò)是虛擬化平臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)施之一，Hyper-V 主機(jī)的虛擬網(wǎng)絡(luò)將對(duì)物理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。Hyper-V虛擬機(jī)需要通過主機(jī)上的網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)時(shí)要保證服務(wù)器的網(wǎng)口數(shù)量能滿足虛擬化業(yè)務(wù)需求，一般服務(wù)器都會(huì)配備至少兩塊網(wǎng)卡，如果使用網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)或在有群集的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，建議Hyper-V主機(jī)至少配置四塊網(wǎng)卡。

根據(jù)主機(jī)硬件選型原則和存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃本案例選擇戴爾Power Edge T440作為虛擬化主機(jī)，管理操作系統(tǒng)為Windows Server 2016 標(biāo)準(zhǔn)版，其配置如表1所示。

表1 Hyper-V主機(jī)配置

2.2 Hyper-V服務(wù)器的安裝與管理

Hyper-V 有兩種安裝形式，一種是集成在Win?dows Server 操作系統(tǒng)中的Hyper-V 角色，另一種是獨(dú)立安裝的使用命令行界面的Hyper-V Server 服務(wù)器。Hyper-V 角色是圖形界面的，集成在Windows Server操作系統(tǒng)中，其優(yōu)點(diǎn)是安裝使用方便。獨(dú)立安裝的Hyper-V Server 服務(wù)器是命令行界面的，其優(yōu)點(diǎn)是安全性和穩(wěn)定性較好，但操作不方便，適合有一定計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的專業(yè)人員使用。Hyper-V 虛擬機(jī)的管理可以使用系統(tǒng)內(nèi)置的Hyper-V管理器，也可以部署專業(yè)的系統(tǒng)中心虛擬機(jī)管理器（System Center Virtual Ma?chine Manager,SCVMM）[8]。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中心虛擬化主機(jī)不多且架構(gòu)較為簡單，使用Hyper-V管理器即可滿足虛擬化平臺(tái)的管理維護(hù)需求。

1)Hyper-V角色安裝

在虛擬化主機(jī)上安裝圖形界面的Windows Server 2016操作系統(tǒng)，然后通過“添加角色和功能”勾選“Hy?per-V”，選擇其中一個(gè)的網(wǎng)卡創(chuàng)建外部虛擬交換機(jī)，根據(jù)向?qū)瓿蒆yper-V角色的添加。添加完Hyper-V角色重啟后，Hypervisor 虛擬化層就會(huì)被部署在硬件之上并接管物理服務(wù)器，原操作系統(tǒng)將變成一個(gè)具備管理權(quán)限的虛擬系統(tǒng)，同時(shí)Hyper-V管理器也會(huì)被安裝在系統(tǒng)上[9]。

2)虛擬機(jī)的創(chuàng)建與應(yīng)用部署

在Hyper-V 管理器中點(diǎn)擊新建虛擬機(jī)，根據(jù)向?qū)нx擇虛擬機(jī)存儲(chǔ)位置、啟動(dòng)內(nèi)存大小、虛擬交換機(jī)，創(chuàng)建虛擬硬盤，通過Windows Server 系統(tǒng)鏡像安裝操作系統(tǒng)完成虛擬機(jī)的創(chuàng)建。創(chuàng)建好的虛擬機(jī)可以像物理服務(wù)器一樣部署各種經(jīng)管類實(shí)訓(xùn)應(yīng)用平臺(tái)。由于Hyper-V 不支持虛擬機(jī)直接使用優(yōu)盤，可以將應(yīng)用安裝軟件上傳到FTP服務(wù)器，然后復(fù)制到虛擬機(jī)上進(jìn)行安裝。

應(yīng)用的部署需要一個(gè)安裝了操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)環(huán)境。使用Hyper-V管理器創(chuàng)建虛擬機(jī)步驟較多，為減少重復(fù)性操作，可以通過以下兩種方式快速創(chuàng)建一個(gè)帶操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)。

1 新建一個(gè)虛擬機(jī)，安裝操作系統(tǒng)，然后在Hy?per-V 管理器中將虛擬機(jī)導(dǎo)出，當(dāng)有新的應(yīng)用需要部署時(shí)，就可以導(dǎo)入該虛擬機(jī)，快速生成新的虛擬機(jī)，注意在導(dǎo)入時(shí)要選擇“復(fù)制虛擬機(jī)（創(chuàng)建新的唯一ID）”。

2 新建一個(gè)虛擬機(jī)并安裝操作系統(tǒng)，利用系統(tǒng)準(zhǔn)備工具Sysprep 刪除系統(tǒng)安全標(biāo)識(shí)符（SID）等系統(tǒng)特定的信息并關(guān)機(jī)，然后將該虛擬機(jī)的虛擬硬盤拷貝到其他位置。當(dāng)需要?jiǎng)?chuàng)建新的虛擬機(jī)時(shí)就可以引用該虛擬硬盤，快速生成帶操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)。

2.3 物理服務(wù)器遷移

虛擬化的一個(gè)實(shí)用功能是可以將現(xiàn)有物理服務(wù)器遷移到虛擬平臺(tái)上繼續(xù)提供業(yè)務(wù)服務(wù)，在沒有部署SCVMM 虛擬化管理平臺(tái)的環(huán)境下，通過以下三種方式可以將物理服務(wù)器遷移到Hyper-V 虛擬化平臺(tái)中[10]。

1）安裝微軟虛擬機(jī)轉(zhuǎn)換器（Microsoft Virtual Ma?chine Converter，MVMC），根據(jù)向?qū)瓿晌锢矸?wù)器到Hyper-V虛擬機(jī)的轉(zhuǎn)換。

2）利用VMware公司出品的VMware VCenter Con?verter 工具，先將物理服務(wù)器轉(zhuǎn)換成VMware 虛擬機(jī)，然后再利用Vmdk2Vhd、StarWind V2V Converter 等工具將vmdk 格式的虛擬硬盤轉(zhuǎn)換為VHD 格式，然后利用此虛擬硬盤創(chuàng)建虛擬機(jī)。使用UEFI 啟動(dòng)，系統(tǒng)分區(qū)是GPT格式的物理機(jī)建議使用此方法。

3）對(duì)于一些使用Windows Server2008或其他早期版本的服務(wù)器，使用微軟推出的Disk2vhd轉(zhuǎn)換工具更方便一些，將物理服務(wù)器的磁盤轉(zhuǎn)換為VHD或VHDX格式的虛擬硬盤，然后使用該虛擬硬盤作為虛擬機(jī)硬盤創(chuàng)建虛擬機(jī)，完成物理服務(wù)器的轉(zhuǎn)換。使用Legacy BIOS 啟動(dòng)，硬盤分區(qū)是MBR 格式的物理服務(wù)器建議使用此方法。

2.4 高可用性的實(shí)現(xiàn)

將所有虛擬機(jī)放在一臺(tái)服務(wù)器主機(jī)上存在較大風(fēng)險(xiǎn)，高可用性可以保證服務(wù)器在計(jì)劃或非計(jì)劃停機(jī)后能快速恢復(fù)業(yè)務(wù)，從而解決業(yè)務(wù)的連續(xù)性問題。Hyper-V 的高可用性可以使用故障轉(zhuǎn)移群集功能來實(shí)現(xiàn)，但是部署故障轉(zhuǎn)移群集較為復(fù)雜，需要購置專用的存儲(chǔ)設(shè)備，使用成本較高，一般小型機(jī)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)。Hyper-V 的復(fù)制功能為高可用性和容災(zāi)提供了一種簡單廉價(jià)的解決方案[11]。不需要額外購置昂貴的共享式網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)，只需要兩臺(tái)服務(wù)器即可實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的異地復(fù)制功能。其中一臺(tái)Hyper-V 主機(jī)作為主服務(wù)器，在線提供業(yè)務(wù)服務(wù)，另外一臺(tái)服務(wù)器作為副本服務(wù)器處于脫機(jī)狀態(tài)。在初始復(fù)制完成后，主服務(wù)器的增量數(shù)據(jù)就會(huì)根據(jù)設(shè)定頻率每隔一段時(shí)間異步傳輸?shù)礁北痉?wù)器上。當(dāng)主服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)副本服務(wù)器就會(huì)接替主服務(wù)器繼續(xù)工作，從而保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性。復(fù)制功能的基本原理如圖2所示。

圖2 Hyper-V復(fù)制功能示意圖

2.5 數(shù)據(jù)容災(zāi)備份

Hyper-V 主機(jī)和虛擬機(jī)在運(yùn)行過程中都可能出現(xiàn)各種無法預(yù)料的問題，為了保障數(shù)據(jù)的安全，備份顯得尤為重要。數(shù)據(jù)備份軟件非常多，可以選擇其中的1-2 種備份軟件對(duì)Hyper-V 主機(jī)和虛擬機(jī)進(jìn)行備份。數(shù)據(jù)保護(hù)管理器（Data Protection Manager，DPM）是微軟企業(yè)級(jí)的數(shù)據(jù)備份解決方案，它和SCVMM 一樣屬于微軟系統(tǒng)中心家族的成員，是虛擬化平臺(tái)理想的備份方案，但是DPM 需要單獨(dú)購買，需要安裝SQL Server數(shù)據(jù)庫，部署較復(fù)雜。在沒有部署DPM的環(huán)境下，以下兩種方式可以實(shí)現(xiàn)Hyper-V主機(jī)和虛擬機(jī)的備份。

1）利用Hyper-V 管理器的導(dǎo)入導(dǎo)出功能備份虛擬機(jī)，當(dāng)應(yīng)用部署到虛擬機(jī)并調(diào)試完畢后，導(dǎo)出虛擬機(jī)作為原始備份。在虛擬機(jī)無法正常運(yùn)行或需要遷移到其他服務(wù)器上時(shí)，可以導(dǎo)入虛擬機(jī)恢復(fù)應(yīng)用到初始狀態(tài)[12]。

2）使用Windows Server Backup 功能備份數(shù)據(jù)。Windows Server Backup 是Windows Server 2016系統(tǒng)內(nèi)置的一個(gè)功能，可以為小型組織或個(gè)人服務(wù)器提供基本的備份解決方案。在服務(wù)器管理器上“添加角色和功能”安裝“Windows Server Backup”功能，然后根據(jù)向?qū)?duì)虛擬機(jī)進(jìn)行一次性備份或按照計(jì)劃任務(wù)定期備份。備份數(shù)據(jù)應(yīng)存放在專用存儲(chǔ)設(shè)備上，也可以利用其他閑置的服務(wù)器開啟SMB或ISCSI文件服務(wù)功能建立共享存儲(chǔ)，將備份文件存放在共享空間里。

3 運(yùn)行效果

經(jīng)管實(shí)驗(yàn)中心采用微軟Hyper-V 虛擬化技術(shù)方案實(shí)施服務(wù)器虛擬化，在一臺(tái)戴爾Power Edge T440服務(wù)器上虛擬出9個(gè)虛擬機(jī)，這些虛擬機(jī)和其他物理服務(wù)器一起分別部署了不同的應(yīng)用，為經(jīng)管類各專業(yè)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供服務(wù)，虛擬機(jī)資源分配及部署應(yīng)用如表2所示。實(shí)施服務(wù)器虛擬化一年多來，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，管理高效，用戶體驗(yàn)良好[13]。實(shí)施服務(wù)器虛擬化前后相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示。

表2 虛擬機(jī)資源分配及部署應(yīng)用

表3 服務(wù)器虛擬化部署前后對(duì)比

1）提高了應(yīng)用的部署效率，利用虛擬化平臺(tái)快速生成虛擬機(jī)，新應(yīng)用可以快速部署并交付使用。應(yīng)用的部署周期由過去的從服務(wù)器采購到交付使用的數(shù)周時(shí)間縮短到了數(shù)小時(shí)的時(shí)間。

2）將服務(wù)器虛擬化成多個(gè)相互隔離的虛擬機(jī)，其中的一臺(tái)虛擬機(jī)發(fā)生故障不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，資源根據(jù)虛擬機(jī)的不同負(fù)載動(dòng)態(tài)分配，實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)服務(wù)器部署多個(gè)應(yīng)用的目的，服務(wù)器資源得到了有效利用，節(jié)約了服務(wù)器的采購和運(yùn)維成本，減少了能源消耗。

3）高可用性和數(shù)據(jù)安全得到保障。利用Hyper-V 復(fù)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)應(yīng)用依然可用。利用系統(tǒng)內(nèi)置的Windows Server Backup 備份功能保障了虛擬化平臺(tái)的數(shù)據(jù)安全。

4 結(jié)束語

基于微軟Hyper-V 技術(shù)的服務(wù)器虛擬化解決方案，部署簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，管理靈活高效，用戶體驗(yàn)良好。該平臺(tái)具備高可用性，可以動(dòng)態(tài)調(diào)配硬件資源，能極大地提高資源利用率，減少了物理服務(wù)器的使用和能源消耗，滿足了財(cái)會(huì)、營銷、物流、酒店管理等經(jīng)管類應(yīng)用對(duì)服務(wù)器的需求。對(duì)于類似經(jīng)管實(shí)驗(yàn)中心這種應(yīng)用數(shù)量多、并發(fā)訪問量不高的小型數(shù)據(jù)中心來說，微軟的Hyper-V 虛擬化技術(shù)是一種操作簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的理想解決方案。