〔摘 要〕介紹虛擬化技術(shù)和虛擬化軟件VMware vSphere 4，著重介紹圖書館虛擬化關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合大連理工大學(xué)圖書館整合數(shù)字圖書館服務(wù)的方案，詳細介紹虛擬化在數(shù)字圖書館的具體應(yīng)用。為構(gòu)建高效穩(wěn)定、持續(xù)發(fā)展、綠色環(huán)保的數(shù)字圖書館提供有效途徑。

〔關(guān)鍵詞〕虛擬化;VMWARE;數(shù)字圖書館

DOI:10.3969/j.issn.1008-0821.2010.10.021

〔中圖分類號〕TP368 〔文獻標識碼〕B 〔文章編號〕1008-0821(2010)10-0077-04

Virtualization Technology in Digital Library ApplicationsWang Zhengjun Jin Yuling

(Library，Dalian University of Technology，Dalian 116023，China)

〔Abstract〕This paper introduced virtualization technology and virtualization software VMware，virtualization in the library focuses on key technologies，combined with Dalian University of Technology Library Integrated Digital Library Services program，it also discussed details of virtualization specific applications in the digital library.For building highly efficient and stable，sustainable development，green environmental protection to provide effective means of digital libraries.

〔Keywords〕virtualization;VMWARE;digital library

隨著數(shù)字圖書館技術(shù)的高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)應(yīng)用越來越多。傳統(tǒng)的“一臺服務(wù)器、一個操作系統(tǒng)、一種應(yīng)用”的模式，已經(jīng)不能滿足復(fù)雜多變的數(shù)字圖書館的實際應(yīng)用需要。突顯的問題主要有以下幾個方面，第一，數(shù)字圖書館對硬件的不斷投入，仍然不能滿足不斷增長的業(yè)務(wù)需要，硬件的后續(xù)添置和升級需要投入大量經(jīng)費。第二，已投入生產(chǎn)的硬件資源得不到充分利用，高投入低產(chǎn)出與節(jié)能綠色環(huán)保背道而馳。第三，對硬件資源的管理調(diào)配不靈活，不能按需分配資源。第四，業(yè)務(wù)應(yīng)用與硬件耦合度太大，硬件問題影響業(yè)務(wù)的正常運行。

針對上訴問題，尋找一種能夠充分利用并靈活配置管理硬件資源，提高應(yīng)用服務(wù)的可部署性、持續(xù)性、高效性的方案，是數(shù)字圖書館亟待解決的問題。虛擬化技術(shù)正是這一方案的有效途徑。

1 虛擬化技術(shù)概述

虛擬化是動態(tài)基礎(chǔ)架構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)建塊，利用虛擬化可以在一臺物理機上運行多個虛擬機，因而得以在多個環(huán)境間共享這一臺計算機的資源^[1]。不同的虛擬機可以在同一臺物理機上運行不同的操作系統(tǒng)以及多個應(yīng)用程序。虛擬化會使基礎(chǔ)架構(gòu)更加靈活，從而能以更快速、更經(jīng)濟有效且更動態(tài)的方式來分配IT資源，并能幫助數(shù)字圖書館應(yīng)對不斷變化的需求級別和全新的業(yè)務(wù)需求所帶來的挑戰(zhàn)。

目前市場上典型的虛擬機技術(shù)實現(xiàn)有VMware ESX Server、Microsoft Hyper-V和Critrix XenServer等^[2]，其中VMware市場占有份額較大，因此本文以其為例對虛擬機相關(guān)技術(shù)的實際應(yīng)用進行探討。

1.1 VMware工作原理

VMware虛擬化的工作原理是直接在計算機硬件上面插入一個精簡的軟件層(如圖1)。該軟件層包含一個以動態(tài)和透明方式分配硬件資源的虛擬機監(jiān)視器(或稱“管理程序”)，在其上可構(gòu)建多個虛擬機，在虛擬機上部署實際需要的操作系統(tǒng)和應(yīng)用^[3]。由于是將整臺計算機(包括CPU、內(nèi)存、操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備)封裝起來，因此虛擬機可與所有標準的x86操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動程序完全兼容。虛擬化最直接的效果就是單臺計算機上安全運行多個操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，每個操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以在需要時訪問其所需的資源。

圖1 VMware工作原理

1.2 VMware體系結(jié)構(gòu)

目前VMware面向數(shù)據(jù)中心的虛擬化推出的產(chǎn)品為VMware vSphere 4，該虛擬化平臺主要由ESX Server、vCenter Server和vSphere Client三部分組成，其中ESX Server直接部署于物理服務(wù)器之上，作為基礎(chǔ)架構(gòu)全面虛擬化服務(wù)器、存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)資源，虛擬機運行于ESX Server之上。vCenter Server套件可集中管理VMware vSphere環(huán)境，快速部署虛擬機，并監(jiān)控物理服務(wù)器和虛擬機的性能，對其進行有效控制和管理^[4]。vSphere Client既可作為ESX Server單獨的管理配置工具，也可以連接vCenter Server服務(wù)器，對VMware vSphere環(huán)境進行集中管理。典型的企業(yè)級虛擬化應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 虛擬化應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)

2 VMware數(shù)字圖書館虛擬化整合的關(guān)鍵技術(shù)

采用VMware構(gòu)建一個數(shù)字圖書館的虛擬化環(huán)境主要利用以下技術(shù)，這也是VMware vSphere眾多特性中，在改善數(shù)字圖書館的高效穩(wěn)定應(yīng)用中體現(xiàn)明顯其的特性。

2.1 集群技術(shù)

為克服圖書館數(shù)據(jù)中心對硬件資源和應(yīng)用無法統(tǒng)一管理的問題，采用基于vCenter構(gòu)建集群的方案，可以將多個ESX主機建立集群，所有運行于這些ESX主機上的虛擬機都歸屬于這個集群。創(chuàng)建好集群后，可以快速添加和削減VMware ESX主機及虛擬機，輕松查看有關(guān)集群和分配到該集群的虛擬機的信息、配置詳細信息、過量分配集群的故障切換設(shè)置和標志。

2.2 VMware HA

VMware HA是高可用性群集控制組件，可不間斷地監(jiān)控群集中所有的ESX Server主機，當檢測到故障時，以零停機時間遷移虛擬機(需VMotion技術(shù)配合)，將正在運行的虛擬機從一臺物理服務(wù)器移動至另一臺物理服務(wù)器，而不影響最終用戶。由于數(shù)字圖書館中許多業(yè)務(wù)需要不間斷服務(wù)，所以利用VMware HA可以保證業(yè)務(wù)虛擬機不受硬件故障的影響，保證業(yè)務(wù)的可靠性服務(wù)。

2.3 VMware VMotion

該組件可在不中斷服務(wù)的情況下，將虛擬機動態(tài)地在不同的物理主機(ESX主機)之間進行實時遷移。特別是在數(shù)字圖書館的數(shù)據(jù)庫服務(wù)(如Oracle、Mysql等)中，這種不間斷服務(wù)的切換級別，可以使服務(wù)持續(xù)進行。

2.4 Vare DRS

VMware DRS將VMotion及HA技術(shù)融合在一起，根據(jù)ESX主機的CPU或內(nèi)存資源負載，動態(tài)地遷移虛擬機至負載較輕的ESX主機上，期間可以利用DRS建議，把一臺ESX主機上的多個虛擬機放置在不同ESX主機上。在實際應(yīng)用中可將數(shù)字圖書館中所有電子資源歸屬于一個VMware HA集群，該集群利用VMware DRS監(jiān)測硬件服務(wù)器狀態(tài)，動態(tài)分配虛擬機到物理服務(wù)器，并根據(jù)硬件的實際使用情況，利用VMotion遷移技術(shù)，自動遷移虛擬機致硬件資源平衡^[5]。

2.5 快速部署特性

虛擬機的系統(tǒng)安裝、應(yīng)用程序安裝，可以通過虛擬軟件所提供的工具進行直接克隆或間接從宿主機遷移的方式來進行，省去了大量的安裝配置時間，新系統(tǒng)的配置從原來的幾個小時縮小為幾分鐘就可部署完成。

2.6 精簡存儲模式

按實際需要分配存儲空間，提升存儲空間利用率。數(shù)字資源占用較大的存儲空間，以往的直接連接存儲的方案，存在分配較大空間但使用率低的問題。但是利用虛擬化的精簡模式，可以先指定一個最大化的虛擬空間，但是該空間實際大小為實際存儲的內(nèi)容大小，根據(jù)存儲內(nèi)容的不斷增大而增大。

3 數(shù)字化圖書館虛擬化方案的實施

大連理工大學(xué)圖書館的數(shù)字化發(fā)展較快，數(shù)據(jù)中心有大量應(yīng)用軟件和數(shù)字資源，并且有相當規(guī)模的硬件設(shè)備支撐這些應(yīng)用的正常運轉(zhuǎn)。其中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為美國凱創(chuàng)企業(yè)級核心交換機Matrix N7，服務(wù)器基本都為HP和DELL等品牌服務(wù)器，數(shù)量為40多個，存儲設(shè)備為EMC CX3-20光纖存儲，容量為18T。在未采用虛擬化方案之前，基本上是“一臺服務(wù)器、一個操作系統(tǒng)、一種應(yīng)用”的模式，為克服文章開始介紹的這種模式的缺點，我們對市場上已有的虛擬化解決方案進行調(diào)研，最后決定采用業(yè)界領(lǐng)先的VMware vSphere虛擬化方案來優(yōu)化數(shù)字圖書館的服務(wù)。

3.1 虛擬化硬件配置

為實施VMware vSphere方案，采用兩臺HP580服務(wù)器和3臺DELL2950服務(wù)器作為ESX Server，服務(wù)器配置如表1。服務(wù)器通過光纖連接至SAN架構(gòu)的CX3-20存儲，利用存儲空間部署虛擬機。采用一臺DELL2950服務(wù)器作為vCenter服務(wù)器。

作為ESX Server的物理服務(wù)器，其上要運行多個虛擬服務(wù)器，所以需要較高的硬件配置，尤其需要較多的CPU和大容量的內(nèi)存。在本方案中，ESX Server直接安裝于物理服務(wù)器本地硬盤，而虛擬機及數(shù)字資源均部署于光纖存儲上，所以本地硬盤只需要兩個硬盤做Raid1就可以了。

所有ESX服務(wù)器均配置4個集成千兆INTEL網(wǎng)卡，每個服務(wù)器網(wǎng)卡分兩組連接兩個核心千兆交換機，利用VMware ESX網(wǎng)卡綁定功能，做到網(wǎng)絡(luò)充分冗余，并且提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

存儲CX3-20使用雙光纖交換機做線路冗余，因此ESX服務(wù)器都集成雙口HBA，保證到存儲的線路冗余。硬件示意圖如圖3。圖3 硬件示意圖

3.2 方案規(guī)劃

購買VMware vCenter和VMware vSphere 4的軟件，根據(jù)物理服務(wù)器的CPU數(shù)量，購買軟件的16個CPU的授權(quán)。安裝部署過程在此不做過多介紹，下面著重介紹在我館虛擬化實施中發(fā)揮VMware特性的地方。

為了發(fā)揮VMware虛擬化集中管理的特性，采用集群的管理模式，根據(jù)大連理工大學(xué)圖書館數(shù)據(jù)中心的實際應(yīng)用狀況，主要依據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用對硬件資源的消耗和實時性需求，將虛擬化方案劃分為兩個集群:

集群一:數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)集群，包括以下服務(wù):

(1)圖書館業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)軟件服務(wù)，包括圖書館自動化管理系統(tǒng)、OPAC服務(wù)器、ORACLE數(shù)據(jù)庫等;

(2)本地鏡像電子資源服務(wù)，如電子書、電子期刊、學(xué)位論文等;

(3)多媒體資源服務(wù)，如音頻、視頻和書后光盤等非紙資源;

(4)網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，如WEB、DNS、DHCP、FTP、網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)認證、遠程訪問等。

該集群中圖書館自動化系統(tǒng)是最為關(guān)鍵的業(yè)務(wù)服務(wù)之一，要確保圖書館自動化系統(tǒng)的持續(xù)正常運行，并提供不間斷的OPAC服務(wù)和定時的郵件發(fā)送等基本的服務(wù)，至關(guān)重要的是要保證后臺Oracle 數(shù)據(jù)庫的健壯、穩(wěn)定和高效。通過vSphere Client的管理功能，設(shè)置Oracle的虛擬服務(wù)器為最高優(yōu)先服務(wù)級別，并通過VMware VMotion HA功能設(shè)置虛擬服務(wù)器的熱備功能，保證數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的高可用性。

電子資源、多媒體資源和網(wǎng)絡(luò)等服務(wù)對資源消耗不是很大，個別服務(wù)可能存在較大峰值情況，所以采用虛擬化整合服務(wù)器資源后，動態(tài)分配資源給虛擬服務(wù)使用。VMware DRS可以監(jiān)測服務(wù)的實際使用情況，根據(jù)應(yīng)用的實際需要從資源池中分配合適的資源給予使用。所有服務(wù)都脫離硬件獨立運行，通過集群中的VMware VMotion HA保證服務(wù)的高可用性。

電子資源需要占用較大的存儲空間，為能夠靈活分配使用存儲空間，利用VMware的精簡存儲模式，按資源占用空間的實際需要分配實際的存儲空間。

集群二:無盤服務(wù)集群，我館有近400臺微機，其中約300臺為無盤工作站，這些無盤工作站的應(yīng)用業(yè)務(wù)和服務(wù)類型主要有3種，分別是自動化管理系統(tǒng)客戶端、OPAC和文獻檢索免費終端、和電子閱覽室計費讀者用終端，因為無盤工作站啟動時間、使用時間均比較集中，對無盤服務(wù)器處理能力、硬盤速度、網(wǎng)絡(luò)傳輸速度等要求較高，無盤系統(tǒng)服務(wù)的硬件負擔比較重，在未虛擬化之前，根據(jù)工作站的服務(wù)類型，將其服務(wù)分別置于3～4臺獨立的物理服務(wù)器上，一旦某臺服務(wù)器硬件故障，其所服務(wù)的幾十臺工作站就無法使用，對圖書館工作造成很大影響。采用虛擬化方案后，使用3臺DELL 2950服務(wù)器做集群。在集群中按每60臺無盤終端對應(yīng)一個無盤服務(wù)器，構(gòu)建5個虛擬無盤服務(wù)器。集群中通過VMware DRS資源監(jiān)測與分配機制，保證每個虛擬無盤服務(wù)器根據(jù)需要獲得到足夠的硬件資源，并且依賴VMware VMotion HA硬件故障自動切換應(yīng)用服務(wù)，保證無盤服務(wù)的不間斷運行。

大連理工大學(xué)新校區(qū)圖書館馬上要投入運行，屆時將會增加500臺無盤終端，無盤服務(wù)端的硬件資源將會出現(xiàn)瓶頸，添加硬件資源的擴展只需在無盤服務(wù)集群中動態(tài)添加VMware ESX主機。無盤虛擬服務(wù)器可以通過拷貝復(fù)制虛擬機文件的方式快速部署。

3.3 應(yīng)用效果

采用了VMware虛擬化整合圖書館網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)之后，取得了以下效果。

(1)自動化系統(tǒng)是圖書館中的核心系統(tǒng)，必須保證系統(tǒng)的不間斷性和實時性。在虛擬化方案中為自動化系統(tǒng)設(shè)置較高的運行級別，并且利用VMware VMotion的HA來保證系統(tǒng)的不間斷性。

(2)通過VMWARE虛擬化平臺的物理隔離技術(shù)，完成各業(yè)務(wù)服務(wù)器操作系統(tǒng)與服務(wù)器硬件之間的相對獨立，為圖書館業(yè)務(wù)平臺提供一個與服務(wù)器硬件無關(guān)的基礎(chǔ)架構(gòu)。

(3)通過服務(wù)器虛擬化平臺的高可用性、故障冗余功能，為圖書館業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供一個與操作系統(tǒng)、應(yīng)用無關(guān)的高可用性服務(wù)器環(huán)境，消除因服務(wù)器軟、硬件故障對各業(yè)務(wù)的影響，保證各業(yè)務(wù)的連續(xù)運行。

(4)通過VMWARE服務(wù)器虛擬化軟件的存儲管理功能，實現(xiàn)對圖書館EMC CX3-20光纖存儲的資源統(tǒng)一管理，根據(jù)各應(yīng)用實際使用存儲空間進行資源分配，提高現(xiàn)有光纖存儲的資源利用率，減少不必要的存儲空間擴容。

(5)服務(wù)器及存儲虛擬化解決方案在提高資源的利用效率的同時，能夠提供高可用性，節(jié)省管理和維護費用，縮短部署和實施應(yīng)用系統(tǒng)的時間。

4 小 結(jié)

數(shù)字圖書館利用VMware虛擬化整合圖書館業(yè)務(wù)很有意義，不僅提高了數(shù)字圖書館對硬件資源的利用率，而且提高了業(yè)務(wù)應(yīng)用的可靠性和高效性。減少圖書館的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器及配套設(shè)置的投入，減少能源消耗，符合政府提出的節(jié)能環(huán)保的發(fā)展路線。

參考文獻

[1]張振倫.虛擬機的演化[J].軟件世界，2007，(13):12-13.

[2]趙華茗.基于虛擬機的高可用信息服務(wù)平臺[J].現(xiàn)代圖書情報技術(shù)，2009，(12):18-24.

[3]何曉龍，成凱.透視虛擬化技術(shù)[J].軟件世界，2007，(11):17.

[4]陳忠安.SWsoft虛擬化技術(shù)[J].軟件世界，2007，(13):14-15.

[5]魯松.計算機虛擬化技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2008.