林仙土

摘要：隨著高校數(shù)字化校園建設的不斷深入，各項業(yè)務系統(tǒng)逐漸增多，高校面臨的嚴峻問題是需要繼續(xù)增加硬件資源的投入，但當前服務器資源利用率低、運維成本高、服務保障水平低，難以滿足信息化建設的要求。本文通過構(gòu)建基于VMware虛擬化技術(shù)的數(shù)字化校園系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)了資源的統(tǒng)一規(guī)劃和管理，提高了資源的利用率，增強了系統(tǒng)的整體安全性，保障了高校數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化校園；虛擬化；VMware；高可用性；分布式資源調(diào)度

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2016）23-0106-05

數(shù)字化校園現(xiàn)狀與問題

隨著高校信息化建設的不斷推進，數(shù)字化校園建設已成為學校教學、辦公和科研等工作的有力保障。但隨著業(yè)務系統(tǒng)和應用平臺需求的日益增長，若建設過程中仍采用“一套應用一套系統(tǒng)”的模式，學校數(shù)據(jù)中心則需要不斷增加服務器的數(shù)量，而這種傳統(tǒng)服務器架構(gòu)的管理模式存在諸多不利因素，突出表現(xiàn)在：

①服務器資源的利用率低。為保證業(yè)務系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，一般根據(jù)系統(tǒng)的峰值資源要求配置服務器的性能，但大部分服務器不會被經(jīng)常訪問，加上一臺服務器只運行一個操作系統(tǒng)，受系統(tǒng)和平臺不同的限制，服務器的CPU、內(nèi)存等使用率一般不超過10%，資源閑置浪費嚴重。

②投入成本高。隨著業(yè)務系統(tǒng)的增加，服務器數(shù)量不斷增多，還要增加相應的配套設施，導致建設成本遞增且占用較多的物理空間。同時，針對不同廠家、不同型號的設備，實現(xiàn)統(tǒng)一管理難度很大，而單臺式的維護方式工作量較大，對機房管理人員造成了較大的壓力。此外，部分服務器過了保修期，維護、維修的費用也是不小的開支。

③服務保障水平低。目前大部分應用系統(tǒng)采用單臺服務器的部署方式，一旦服務器出現(xiàn)故障，就會導致服務中斷，并且系統(tǒng)維護、擴容或升級時需要停機，也會造成應用服務的中斷，嚴重影響學校各項工作的正常開展。

④能耗高。隨著服務器的不斷增多，設備耗能和空調(diào)耗能加劇，學校數(shù)據(jù)中心的能耗費用劇增，每年僅支付的電費就達到數(shù)十萬元。[1]

⑤部署新業(yè)務的時間周期較長。當有新的應用需要部署時，需要經(jīng)過預算、采購、系統(tǒng)安裝、調(diào)試、測試、上線等多個環(huán)節(jié)，無法做到及時響應。

針對上述問題，本文提出了基于虛擬化技術(shù)構(gòu)建一個安全、高可用性的數(shù)字化校園硬件平臺。

虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)是最近幾年較熱門的技術(shù)之一，它是通過映射或抽象的方式屏蔽物理資源的復雜性，簡化基礎設施的管理，同時超出其物理局限性，解決異構(gòu)平臺的管理難度，提高資源的利用率和靈活性。[2-3]服務器虛擬化是指將來自服務器的各種資源抽象成邏輯資源，不受物理上的限制，使CPU、內(nèi)存等硬件資源成為可動態(tài)管理的資源池，實現(xiàn)一臺物理服務器上運行多臺相互隔離的虛擬機，提高資源的利用率，達到服務器的邏輯整合。

目前市場上已有一些成熟的虛擬化產(chǎn)品，如vSphere、Hyper-v、FusionSphere等。vSphere是基于云計算的新一代虛擬化套件，提供了虛擬化基礎架構(gòu)、高可用性、分布式資源調(diào)度、快速數(shù)據(jù)備份還原、集中管理等一整套的解決方案，是當前應用最為廣泛的虛擬化平臺，其包含三個基本組件：ESXi Server、vCenter Server和vSphere Client。ESXi Server是一款支持硬件虛擬化并可以獨立安裝和運行在裸機上的系統(tǒng)，通過對物理服務器進行虛擬化，提供創(chuàng)建和運行虛擬機的虛擬化平臺，安裝之后的服務器我們稱之為ESXi主機。作為vSphere的神經(jīng)中樞，vCenter Server主要用來管理整個虛擬化環(huán)境，為所有的主機和服務器提供集中化管理和性能監(jiān)控。vSphere Client是用戶用來連接vCenter Server或單個ESXi Server的交互工具，實現(xiàn)遠程維護和管理。[4-5]

VMotion是威睿（VMware）公司的一項獨特技術(shù)，實現(xiàn)了在兩臺服務器不停機的情況下實時遷移虛擬機，通過內(nèi)存克隆技術(shù)，不影響用戶的使用，是所有vSphere高級功能的基礎。[6]分布式資源調(diào)度功能，簡稱DRS，是指通過創(chuàng)建資源池，可以根據(jù)業(yè)務需求在資源池中動態(tài)分配資源。由于每個應用所需的資源不同，可以制定出DRS的各項閾值和規(guī)則，協(xié)調(diào)可用資源和預定義業(yè)務優(yōu)先順序，實現(xiàn)資源配置的智能化管理。高可用性功能，簡稱HA，實現(xiàn)為集群中的多臺主機提供快速中斷恢復。當某臺主機硬件或操作系統(tǒng)發(fā)生故障時，可在短時間內(nèi)恢復應用的正常運行，實現(xiàn)經(jīng)濟高效的高可用性。[7-8]VMware Data Protection（簡稱VDP）作為vSphere中全新的備份還原工具[9-10]，可為虛擬化環(huán)境提供簡單、經(jīng)濟高效、無代理的備份還原方式，相對于傳統(tǒng)的VCB和VDR，其備份恢復數(shù)據(jù)更快，消除重復效果更好。

服務器虛擬化在數(shù)字化校園中的應用

臺州科技職業(yè)學院數(shù)字化校園系統(tǒng)是一個由統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換平臺、統(tǒng)一身份認證平臺、統(tǒng)一信息門戶平臺和諸多業(yè)務系統(tǒng)組成的大型項目，為提升系統(tǒng)運行的質(zhì)量，學校考慮構(gòu)建數(shù)字化校園服務器虛擬化平臺。

1.系統(tǒng)資源規(guī)劃

根據(jù)數(shù)字化校園建設的需要，學校新購了8臺惠普刀片服務器HPBL460c Gen8和一臺HP存儲MSA2040，結(jié)合原有的部分硬件資源，淘汰過保的舊服務器，重新對應用平臺進行部署，如表1所示。

2.虛擬化實施

（1）構(gòu)建虛擬化架構(gòu)，下頁圖1是服務器虛擬化架構(gòu)圖。

（2）為每臺物理服務器安裝ESXi系統(tǒng)，并設置相關(guān)參數(shù)，包括主機名、IP地址、登錄賬號和密碼等。

（3）在一臺用戶機上通過瀏覽器訪問系統(tǒng)Web頁面，下載并安裝vSphere Client客戶端，然后就可以通過該機連接到ESXi主機進行管理。

（4）安裝vCenter Server和vCenter數(shù)據(jù)庫，用于對虛擬機主機進行統(tǒng)一管理。

（5）掛接磁盤陣列。在陣列中劃分LUN，設置光纖交換機為陣列和主機建立數(shù)據(jù)通道，然后在陣列中建立映射，最后配置ESXi主機，加入陣列中分配的空間。

（6）建立虛擬機，并部署相應的應用。創(chuàng)建虛擬機有兩種方式：一是新建虛擬機，設置好相關(guān)硬件參數(shù)，通過加載操作系統(tǒng)的ISO鏡像文件安裝虛擬機操作系統(tǒng)；二是直接遷移原有系統(tǒng)至虛擬機。針對一些舊系統(tǒng)或者重新部署應用較困難的系統(tǒng)，學校采用P2V工具將物理機上的系統(tǒng)遷移至虛擬機中，并設置好硬件資源和存儲位置。遷移完畢后，由虛擬機接替原有系統(tǒng)的工作，關(guān)閉原先的物理服務器。[11]

（7）通過vSphere Web Client部署VDP虛擬機，配置好相關(guān)參數(shù)，完成VDP的注冊。[12]

3.虛擬化環(huán)境管理

通過vSphere Client操作控制臺連接到vCenter，可以方便地對所有EXSi主機、虛擬機及其軟硬件資源進行管理和配置，如創(chuàng)建虛擬機、啟動和關(guān)閉虛擬機、監(jiān)控系統(tǒng)性能和利用率、修改虛擬機的硬件配置、查看資源映射和拓撲圖等，甚至根據(jù)需要隨時遷移虛擬機至其他主機或存儲位置，而不影響業(yè)務的連續(xù)性，圖2為虛擬化平臺管理窗口。

HA功能作為vSphere的高級功能之一，是以一群ESXi服務器為主的集群功能，創(chuàng)建一個不會藍屏的環(huán)境。在HA集群中，每一臺服務器持續(xù)監(jiān)測集群中其他服務器的心跳信號，如果一臺服務器在持續(xù)三個時間間隔后仍沒有發(fā)出心跳信號，那么該服務器上運行的虛擬機就會自動被轉(zhuǎn)移到集群中的其他服務器上。學校為整個數(shù)字化校園系統(tǒng)創(chuàng)建數(shù)據(jù)中心和集群，開啟HA功能并配置好相關(guān)參數(shù)，這樣就不用擔心因為服務器故障而使學校網(wǎng)站無法訪問或者OA系統(tǒng)中斷服務，大大提高了數(shù)據(jù)中心的安全性和高可用性，HA配置界面如圖3所示。

將DRS技術(shù)應用于數(shù)字化校園中，可以對一些具有明顯周期性突發(fā)訪問的系統(tǒng)進行資源調(diào)配，如迎新系統(tǒng)，在每年九月份開學報到時，總會出現(xiàn)非常集中的訪問。按照以往的做法就是為迎新系統(tǒng)配置性能足夠高的硬件平臺以滿足需求，但是過了迎新階段，這些服務器資源基本處于閑置狀態(tài)?，F(xiàn)在運用虛擬化的DRS技術(shù)，只需要在資源池中給迎新系統(tǒng)預留足夠的資源，以滿足迎新階段集中的訪問量，而在其余時期可以將這些資源回收用于其他地方。

虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)備份機制的限制，主機內(nèi)的每臺虛擬機可看作是一個包含多個文件的整體。在VMware虛擬化環(huán)境下，使用VDP實現(xiàn)數(shù)據(jù)的備份和恢復是一種方便且可靠的方式。VDP可與vCenter Server完成集成，對備份作業(yè)進行高效的集中式管理，同時將備份數(shù)據(jù)存放于經(jīng)過重復數(shù)據(jù)消除的目標存儲中。[13]VDP是針對虛擬機整機進行備份的，可以實現(xiàn)整機恢復和文件級恢復。

高效應用服務的數(shù)據(jù)可分為三類：①有頻繁的數(shù)據(jù)更新且數(shù)據(jù)量較小的應用，如資產(chǎn)管理系統(tǒng)、辦公OA系統(tǒng)等。②有較固定的更新時間且數(shù)據(jù)量不大的應用，如迎新系統(tǒng)、招生系統(tǒng)等。③更新時間不固定且數(shù)據(jù)量較大的應用，如精品課程、視頻網(wǎng)站等。對應不同的數(shù)據(jù)變化類型，采用分類備份的策略，如表2所示。

4.虛擬化測試

在系統(tǒng)部署并配置完之后，接下來就是對虛擬化環(huán)境進行測試，部分測試包括：①模擬主機故障，將被測主機關(guān)機或斷網(wǎng)，通過ping命令測試該主機上的虛擬機，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)短暫時間的丟包，之后就恢復穩(wěn)定運行。經(jīng)驗證，故障主機上的虛擬機已經(jīng)遷移到集群中的另一臺主機上開始工作。②恢復測試主機的正常狀態(tài)，觀察該主機重新加入集群中，通過資源調(diào)度，部分虛擬機在不中斷服務的情況下遷移到該主機。③消耗系統(tǒng)資源測試資源調(diào)度功能。編寫shell腳本或者采用LoadRunner設計腳本，并在被測機器上運行，消耗系統(tǒng)資源使其超載，經(jīng)過一段時間驗證發(fā)現(xiàn)該臺主機上的部分虛擬機已遷移至其他主機上繼續(xù)工作，集群中主機的性能得到平衡。④手動遷移多臺虛擬機至被測主機，使其資源消耗趨于滿負荷，觀察一段時間發(fā)現(xiàn)部分虛擬機已自動遷出，證實集群的資源調(diào)度功能能平衡主機間的負載。

結(jié)束語

在數(shù)字化校園平臺建設中運用虛擬化技術(shù)，充分利用系統(tǒng)資源，使原來10%以下的資源利用率提高至50%～60%，同時解決了資源利用不平衡、故障恢復慢以及高能耗等問題，整體提升了數(shù)字化校園系統(tǒng)的運行質(zhì)量，為全校師生提供了更優(yōu)質(zhì)的服務。