虚拟化技术在高校中的应用

虚拟化技术在高校中的应用

叶惠文¹　董燕红²　梁承平²

（1.华南师范大学教育技术中心，广东广州，510631，E-mail：huiwenye@126.com；

2.广州粤前信息科技有限公司，广东广州，510631，E-mail：hpgzedu@126.com）

摘　要：本文就目前高校信息化硬件支撑系统的建设与应用中碰到的问题，提出了将虚拟化存储和虚拟化服务器两种技术结合一体的解决的方案，并对该方案在华南师范大学的实践应用的效果及效益进行了分析。

关键词：虚拟化技术　服务器虚拟化　存储虚拟化　操作系统

Virtualization Technology in University’s Application

Ye Huiwen¹　Dong Yanhong²　Liang Chengping²

（1.South China Normal University Educational Technology Center，510631，E-mail：huiwenye@126.com；2.Guangzhou infopro information technology coltd，510631，E-mail：hpgzedu@126.com）

Abstract：In this paper，hardware support for current University information system construction and application problems encountered，Proposed the virtual storage and virtual server technology with two integrated solution to the problem.the program for South China Normal University in the practical application the results and benefits of are analyzed。

Key Words：virtualization’virtualization；servervirtualization；storagevirtualization；operating system

一、高校目前信息化建设现状

现今的社会是一个信息化社会，信息在社会发展中也扮演着越来越重要的角色。作为社会人才培训的基地——教育行业，对信息的及时性、可靠性的要求也越来越高。各学校在信息化建设方面不断的投入，并呈现出不断加大的趋势，各种不同的应用系统也纷纷建立起来，而且已经深入各种教学活动中。

信息化建设越深入，对信息化产业的依赖性就越强。伴随而来的是对信息化资源及时性、可靠性、易用性的要求就愈加严格。但是目前高校在资源建设过程中，往往在信息化建设中采用的都是在每套硬件系统的基础上运行单个应用系统的方式，该方式不仅极大的浪费了硬件资源，还使得应用系统的可靠性、稳定性、可维护性都无法得到有效的保证；各个应用系统，独立的遍布在机房不同的机柜，“信息孤岛”不断的产生；信息资源无法得到有效的共享，数据的挖掘和分析工作难以开展；应用系统不断增加，造成机房的管理工作日益的繁重和复杂化；在硬件濒临淘汰的时候，数据的迁移也给数据管理人员，出了一道不小的难题。这些问题，无不制约着信息化技术的开展。

二、虚拟化技术解决方案

1.虚拟化解决方案综述

要解决高校目前的问题，主题就是提高目前硬件的使用效率，并降低软件与硬件的密切的耦合性。而解决这些问题，虚拟化无疑是一个良好的方向。云计算的需要，为虚拟化技术的发展提供了一个良好的催化剂。目前各大厂商也在不断加入虚拟化市场，推出不同的虚拟化解决方案。作为IDC管理者，需要考虑目前的使用环境，选择符合自身需求的解决方案来解决实际的问题。

虚拟化目前有服务器虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化、桌面虚拟化等几大块。服务器虚拟化可以提升服务器的使用效率，并可以降低软件和硬件的耦合特性，在未来的数据中心，有着巨大的发挥空间；存储虚拟化，在数据容灾和可扩展维护方面，是不可或缺的；网络虚拟化，为解决云计算带宽的瓶颈提供了新的思路，所有这些为今后的数据中心的数据处理和应用提供了高效率、高可用性、高扩展性强、易于管理的技术支持。

以下是以华南师范大学的虚拟化支撑定平台为例，依靠服务器虚拟化和存储虚拟化技术，提供一个两者相结合的虚拟化解决方案，实现软硬件的相对独立，来解决目前华南师范大学所遇到的问题。整体的架构如图1所示。

图1　虚拟化支撑平台结构图

在整个系统的架构方案中，从下往上分为4个层次，虚拟存储层、虚拟服务器层、应用程序层、用户层。整个平台通过虚拟平台管理系统来进行管理，实现计算资源平台由数据中心管理，应用系统管理人员管理维护自己的小虚拟化（虚拟机系统），整个流程实现全自动化功能。

虚拟存储层：在资源建设的前期，充分考虑和华南师范大学目前现有条件，在存储虚拟化层次的设计时兼容华南师范大学目前正在使用的各种不同厂商的存储设备，并能够有良好的可扩展性。该层次主要采用的INFOCORE的OSNSolution系列软件将不同厂商的存储设备，整合到一起，实现数据的统一管理、保护与容灾。

虚拟服务器层：该层次主要为虚拟机提供计算资源使用。通过在服务器上面，安装一个虚拟中间层，使得虚拟机可以在上面运行。同样，该层次充分的考虑了能够兼容不同的种类的服务器，还要考虑能够支持不同类型的操作系统。目前，市场上的软件有VMware、Citrix、KVM等。在综合考虑技术、性能以及价格比的情况下，在华师大的解决方案中采用了KVM技术。

应用程序层：指虚拟服务器上安装的各类应用程序，以及为应用程序服务的负载均衡软件和数据库等。该部分视具体应用环境而定。由于应用程序使用操作系统隔离，所以各个应用程序相互独立运行，相互的影响降到了最低，具有很好的可靠性。

用户：安装好应用程序后，用户就可以在通过使用各种各样的应用服务，来进行诸如上网浏览课件、提交作业、观看视频等学习。

2.存储虚拟化的解决

在存储虚拟化层，使用的是OSNSolution（开放式网络存储管理系统）系统。该系统的核心技术为存储虚拟化引擎（Storage Virtualization Engine）。如图2所示。

图2　存储虚拟化原理

存储虚拟化引擎把物理存储介质纳入到存储池管理，进行统一的存储池管理，并将分配虚拟化的存储资源交由SAN模块，SAN模块则把虚拟化后的存储资源通过标准的FC或iSCSI协议提供给需要存储空间的应用服务器使用，在此基础之上是OSNSolution的各功能模块。

OSNSolution还包括一个网络数据交换子系统和一个系统配置界面及性能监控报警子系统。网络数据交换子系统实现信核

数据存储服务器之间的通讯以及生产系统和容灾系统之间的数据交换，而系统配置界面及性能监控报警子系统则负责系统的配置和状态的监控。

在该层次，可以整合不同的FC SAN、IP SAN、SAS等存储资源，形成一个统一资源池，在实现对数据进行统一管理的同时，实现数据的快照、CDP、镜像、存储集群、网络备份、容灾恢复等功能，可以有效的对数据进行保护，实现数据的高可用性。

3.服务器虚拟化的解决

在服务器虚拟化层，使用的是KVM（Kernel-based Virtual Machine）技术。该技术将工业标准服务器和存储虚拟化成了一个整体，聚合成一个动态的可集中管理的资源池，可使任何应用或操作系统保持持续优化和高可用状态。它使得数据中心管理者有能力去转化、管理和优化他们的IT系统架构。KVM技术通过在Linux内核中，添加一个KVM Driver的程序，来管理虚拟的物理硬件；然后通过一个修改后的Qemu程序，来模拟X86的虚拟硬件空间；最后在Linux下使用虚拟化技术，运行客户端模式，来访问相应的虚拟机。客户模式进程是运行在虚拟机内的，它非常象正常模式（无虚拟实例），有它自己的内核和用户空间变量、在客户模式下可以使用正常的kill和ps命令，因为无虚拟实例，KVM虚拟机表现为一个正常的进程，能象其他进程一样被杀掉，KVM利用硬件虚拟技术虚拟处理器的形态，虚拟机的内存管理由内核直接处理^［1］。如图3所示。

图3　服务虚拟化原理

在这个模式下，由于虚拟机通过内核直接调用硬件资源，因此资源消耗是很少的。同样，由于使用了KVM Driver，因此要求物理主机的CPU，能够支持虚拟化技术。在整个虚拟化平台中，各子系统即各自独立又相互关联与协作，完成整个虚拟化平台的可靠性功能支撑。

安装部署中，KVM系统可以分为3个部分：存储系统、服务器虚拟化操作系统、虚拟化管理平台。图4即为一个KVM虚拟化的案例：

图4　KVM虚拟化系统架构

·存储系统

存储系统主要完成虚拟化平台的数据处理与保存功能，所有管理平台、系统运行平台、各个独立的虚拟虚拟化都要依赖其存储功能来完成计算所求。

·服务器/虚拟化操作系统

服务器虚拟化系统主要包括物理服务器运行的操作系统及虚拟化软件，是支持所有虚拟虚拟化运行的可靠保证，充分利用虚拟化功能实现统一硬件资源整合，在统一的硬件平台上来实现虚拟化的分配、运行和维护。

·虚拟化平台管理中心

整个复杂的虚拟化架构中，必须通过一个强大的管理平台来实现对硬件资源的整合和虚拟化，对功能服务器的模板制作与部署，对所有虚拟化运行环境进行启动、停止、删除、回收等，对整个虚拟化平台运行性能进行实时监控和日志报告等功能，同时还实现用户交互接口，用户可以方便地登录到虚拟化平台，申请功能服务器及硬件资源，启动、停止自己功能服务器功能。

通过该技术，可以实现以下的功能：

·整合空闲服务器和存储资源，为新项目重新部署这些资源

·提升运作效率

·改进服务器的管理灵活性

·通过零当机维护改善服务等级

·标准化环境和改进安全

·灾难状态下，减少恢复时间

·更少冗余的情况下，确保高可用性

·更有效的适应动态商业的需求

·在技术支持和培训方面降低成本

4.方案的应用

目前，该方案已经在华南师范大学顺利的实施。在上面运行的应用系统有课程中心、移动学习平台、精品课程点播平台、教育信息技术中心网站、机房管理“账务中心”、直播系统平台、教学主楼教学观摩系统目录服务器等等。通过该方案，能够较好的解决目前遇到的问题，实现了品牌、多机型的服务器和存储设备高度融合，提高了这些设备的利用率；同时，较好地解决了以往应用系统与支撑硬件平台必须捆绑的技术问题，实现了应用系统的可靠性、高可用性、可伸缩性，促进了高校信息化的应用的发展。

三、效益分析

利用该方案，可以明显在以下方面产生效益：

·快速应对高校信息化多应用现状，能有效节省服务器、存储硬件投入

利用该方案，将服务器和存储整合到一起，进行统一管理和部署，能够充分发挥原有服务器剩余的计算空间与存储空间，实现动态的划分，在提高服务器和存储的使用效率同时，有效的降低硬件的投入。而新增的服务器和存储也能加入到统一资源池，依据实际的应用量与计算量合理的分配服务器和存储的资源，也方便了未来资源的动态扩展。

·有效减少由于硬件故障而造成的应用系统瘫痪，减少维护经费

利用该方案，运行着应用程序的虚拟机，不再依赖于某个物理主机，而是可以在集群内不同的物理主机进行动态迁移。单节点或几个节点硬件的损坏，不再影响到软件的运行，可以有效降低由于硬件损坏而造成应用系统瘫痪的风险，减少这部分硬件的投入。同时，由于虚拟机是在服务器集群内运行，可以兼容新硬件资源，因此应用可以平滑迁移进新的硬件平台，硬件更新换代时，不再需要支付迁移应用系统的维护费用。

·能使现有硬件资源平滑升级，充分整合现有硬件资源，实现一体化管理

利用该方案，可以将现有的各种服务器和存储，整合到一起，实现各种资源和平台的一体化管理，在可以对资源进行动态分配和扩展的同时，还可以方便的对各个平台进行一体化管理。不仅能够最大限度的保护现有的投资，还使得机房的管理简单化、规范化，节约了管理成本。

随着应用系统的增多和主流服务器性能的日益提升，使用传统的平台搭建应用环境，将会造成硬件资源的浪费

四、应用前景展望

虚拟化技术是云计算关键技术之一，随着云计算从理念、理论到应用，它正逐步应用于各个领域的信息化之中。因此，华南师范大学的《多应用虚拟化支撑平台》^［6］的应用实践不仅解决应用服务与硬件支撑的矛盾，而且随着物联网、智慧学校、智慧城市、智慧地球将从概念转为现实，高校的数字化、信息化的教学资源日益膨胀，虚拟化将是支撑信息化的重要的必不可少的手段，将会在信息服务、管理、维护等方面发挥不可请替代的作用。

参考文献

［1］ 百度文库《KVM技术原理》

［2］ 董耀祖、周正伟，《基于X86架构的系统虚拟机技术与应用》，计算机工程，2006年第13期：71

［3］ 红帽官方网站.www.redhat.com

［4］ 信核数据官方网站.www.infocore.com

［5］ HP官方网站.www.hp.com