汪克峰, 葉飛躍, 錢 進(jìn)

(江蘇理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院, 江蘇 常州 213001)

改進(jìn)虛擬云平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

汪克峰, 葉飛躍, 錢 進(jìn)

(江蘇理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院, 江蘇 常州 213001)

分析了當(dāng)今云端平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì),提出虛擬云平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室的改進(jìn)方案。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了比較,改進(jìn)方案使得實(shí)驗(yàn)室的軟硬件成本低、后期維護(hù)工作量小、集中管理數(shù)據(jù),并且大大提高了數(shù)據(jù)的安全性。目前云計(jì)算與大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)以及深度學(xué)習(xí)相互結(jié)合,建設(shè)一套更全面、更完善的虛擬云平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室是當(dāng)今計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的趨勢(shì)和方向。

虛擬云平臺(tái)； 改進(jìn)虛擬云； 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

目前,云計(jì)算在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用,特別是近幾年興起的“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí),很多高校和企業(yè)都在新建云計(jì)算或云平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室。江蘇理工學(xué)院目前有一個(gè)虛擬云平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室,筆者根據(jù)該實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建以及后期使用管理的經(jīng)驗(yàn),提出改進(jìn)虛擬云平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)的思路與建議。

1 傳統(tǒng)虛擬云平臺(tái)架構(gòu)

虛擬云平臺(tái)的結(jié)構(gòu)通常是利用幾臺(tái)服務(wù)器虛擬出幾十臺(tái)小規(guī)模的虛擬機(jī)作為虛擬機(jī)管理器(OVP),利用其中一臺(tái)服務(wù)器兼作為虛擬桌面控制器(OVD),通過交換機(jī)把虛擬機(jī)數(shù)據(jù)傳送給專用存儲(chǔ)設(shè)備。整個(gè)虛擬云平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室采用云終端+云桌面的方式來管理。

傳統(tǒng)的桌面虛擬化平臺(tái)是對(duì)每臺(tái)服務(wù)器虛擬出一定數(shù)量的專屬虛擬機(jī),不能隨機(jī)分配,因而對(duì)后期節(jié)點(diǎn)的增加有很大的限制,難以處理服務(wù)器的突發(fā)故障。傳統(tǒng)的桌面虛擬化平臺(tái),其管理節(jié)點(diǎn)必須是一臺(tái)單獨(dú)的服務(wù)器或者虛擬機(jī),一旦管理平臺(tái)發(fā)生故障,則會(huì)失去對(duì)整個(gè)虛擬化平臺(tái)的控制,存在嚴(yán)重的單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)[1]。

虛擬云平臺(tái)是利用桌面虛擬化技術(shù),在一臺(tái)性能強(qiáng)大的服務(wù)器上虛擬出若干臺(tái)虛擬機(jī)(VM)。用戶可以在虛擬機(jī)中安裝操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序,系統(tǒng)管理員可以根據(jù)需要將1臺(tái)或多臺(tái)虛擬機(jī)分配給1個(gè)或多個(gè)用戶,而用戶不再需要獨(dú)立的PC機(jī),只需要部署一臺(tái)安全、易管理的云計(jì)算終端就可以連接并使用該服務(wù)器中的虛擬機(jī),通過網(wǎng)絡(luò)把服務(wù)器端的虛擬主機(jī)傳輸?shù)娇蛻舳?以PC機(jī)的形式供用戶使用[2]。

這種傳統(tǒng)模式的虛擬化云平臺(tái)有以下幾點(diǎn)特點(diǎn)：

(1) 只適用于小規(guī)模范圍,而且服務(wù)器大部分都是相互獨(dú)立的,有些是小集群模式,后期VM節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展與管理不變；

(2) 只能進(jìn)行正常的計(jì)算,其功能相當(dāng)于入門級(jí)PC機(jī),不能勝任3D、多媒體制作、軟件測(cè)試等耗資源的程序,也不適于大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)；

(3) 中心網(wǎng)絡(luò)采用百兆網(wǎng)線LAN,所有的數(shù)據(jù)都要通過服務(wù)器,對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求非常高,播放在線高清視頻會(huì)出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象；

(4) 云終端配置低,只有內(nèi)置的Linux系統(tǒng),當(dāng)虛擬機(jī)出現(xiàn)問題時(shí)終端就不能使用,而且終端電源與虛擬機(jī)內(nèi)系統(tǒng)電源管理沒有相互響應(yīng),使用起來很不便。

2 虛擬云平臺(tái)架構(gòu)的改進(jìn)

2.1 改進(jìn)的多路桌面控制器

傳統(tǒng)的桌面虛擬化平臺(tái),用以管理桌面創(chuàng)建和用戶授權(quán)的桌面連接控制器 (connection server),是一臺(tái)單獨(dú)的服務(wù)器或者某臺(tái)物理服務(wù)器內(nèi)的一臺(tái)虛擬機(jī)。當(dāng)大量用戶同時(shí)接入虛擬桌面時(shí),需要由桌面控制器進(jìn)行認(rèn)證。此時(shí),桌面控制器會(huì)因?yàn)椴l(fā)請(qǐng)求太多,從而引發(fā)連接啟動(dòng)風(fēng)暴,導(dǎo)致部分用戶接入虛擬桌面失敗,需要重復(fù)連接。情況嚴(yán)重時(shí),桌面控制器將崩潰,并導(dǎo)致后續(xù)所有用戶無法接入虛擬桌面。因此,傳統(tǒng)的桌面控制器無法有效地解決連接啟動(dòng)風(fēng)暴的問題,即使通過虛擬機(jī)的高可用方式,也會(huì)在切換過程中導(dǎo)致用戶的認(rèn)證中斷[3-5]。

CDesktop OVD開創(chuàng)性地提出了多路桌面控制器架構(gòu),其結(jié)構(gòu)如圖1所示,即OVD在集群中與OVP一樣成對(duì)部署,多OVD之間會(huì)同步用戶的配置信息并互相備份。在Thinclient用戶端,填寫接入服務(wù)器IP時(shí),可以寫入多個(gè)OVD IP,或者以域名的方式,解析出多個(gè)OVD IP。當(dāng)大并發(fā)接入時(shí),一旦集群中一臺(tái)OVD性能不足,Thinclient無法連接到OVD或者連接OVD超時(shí),會(huì)自動(dòng)嘗試連接集群中其他OVD。一旦連接成功,當(dāng)前的OVD上已經(jīng)有整個(gè)集群中OVD的所有配置信息,從而可以完成用戶的認(rèn)證登錄。

圖1 多路桌面控制結(jié)構(gòu)圖

在不增加任何額外硬件投入的情況下,多路OVD桌面控制器技術(shù)很好地解決了桌面控制器的接入風(fēng)暴和單點(diǎn)故障問題,提升了整個(gè)桌面云平臺(tái)的穩(wěn)定性。

2.2 實(shí)現(xiàn)虛擬化平臺(tái)高并發(fā)性和高可用性

改進(jìn)虛擬云平臺(tái)改變了傳統(tǒng)的服務(wù)器搭配方式,采用了分布式集群,并且專屬外部存儲(chǔ)分布到所有服務(wù)器內(nèi),支持iSCSI、SAN、NAS、SSD等主流的存儲(chǔ)系統(tǒng)。

(1) 集群監(jiān)聽機(jī)制。假設(shè)A、B、C 3個(gè)服務(wù)器在一小組并且組成集群F,每個(gè)服務(wù)器都有一個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)SA、SB、SC?？梢约僭O(shè)一個(gè)較大的存儲(chǔ)S=SA+SB+SC。A、B、C服務(wù)器會(huì)不斷地去刷新各自的狀態(tài)信息,同時(shí)互相會(huì)監(jiān)聽。當(dāng)A內(nèi)存儲(chǔ)沒有需要的數(shù)據(jù),會(huì)自動(dòng)搜索B和C內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

(2) 虛擬機(jī)加鎖機(jī)制。在正常情況下,A、B、C上運(yùn)行的虛擬機(jī)是加鎖的,即只有本臺(tái)OVP才能控制自身的虛擬機(jī)。當(dāng)A故障時(shí),A的狀態(tài)信息將不再更新,B、C會(huì)立刻得到這個(gè)信息,并開始對(duì)A上的虛擬機(jī)進(jìn)行接管。此時(shí),A的虛擬機(jī)會(huì)全部解鎖,直至A正常,將虛擬機(jī)重新加鎖,由自己來接管。當(dāng)然,如果某臺(tái)物理服務(wù)器需要維護(hù),在無需中斷服務(wù)的情況下,可將服務(wù)器之上的虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移至其他服務(wù)器,管理員可以快速、完整地執(zhí)行透明的運(yùn)維工作。

(3) 分布式集群。如果集群規(guī)模很大,需要虛擬出很多VM節(jié)點(diǎn)或者涉及到大量的并發(fā)數(shù)據(jù),可以對(duì)集群服務(wù)器進(jìn)行分組,組成一個(gè)分布式集群,形成組與組之間為分布式、組內(nèi)是集群式,既能保證平臺(tái)的高并發(fā)性,又能保證平臺(tái)的高可用性[6-8]。

2.3 最優(yōu)的硬件資源投入和高效節(jié)能的云終端

基于ARM架構(gòu)的云終端,整機(jī)功耗5～10 W,相對(duì)于PC機(jī)(一般功耗200 W)節(jié)能效果高達(dá)90%以上,在規(guī)模部署云桌面之后,能夠迅速降低用電成本,做到節(jié)能減排。在存儲(chǔ)上使用了120 GB以上的固態(tài)硬盤,保障了數(shù)據(jù)讀寫流暢性。

新的云終端預(yù)裝了雙操作系統(tǒng),分別是底層的linux系統(tǒng)和常用的Windows系統(tǒng)。如果網(wǎng)絡(luò)因突發(fā)情況中斷時(shí),終端與服務(wù)器斷開,終端會(huì)自動(dòng)切入自帶的操作系統(tǒng)繼續(xù)工作,等網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)自動(dòng)把數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器,保障了云終端平臺(tái)不會(huì)發(fā)生系統(tǒng)崩潰的情況。

在每個(gè)服務(wù)器集群工作組中都配備了大容量和穩(wěn)定性好的UPS,以保障服務(wù)器的供電,杜絕了斷電引起服務(wù)器存儲(chǔ)陣列混亂而鎖定的現(xiàn)象。表1比較了舊的云終端與改進(jìn)后新的云終端的若干參數(shù)指標(biāo)。

表1 改進(jìn)云終端和傳統(tǒng)云終端硬件指標(biāo)參數(shù)對(duì)比

2.4 內(nèi)存頁合并技術(shù)

當(dāng)多用戶在各自虛擬桌面里運(yùn)行應(yīng)用程序或者系統(tǒng)進(jìn)程,其使用內(nèi)存都是按內(nèi)存頁的形式(即分頁)計(jì)算的。那么,當(dāng)使用的內(nèi)存頁是相同的時(shí)候,多個(gè)桌面就可以共享的這個(gè)內(nèi)存頁。比如操作系統(tǒng)同時(shí)啟動(dòng)的時(shí)候,很多內(nèi)容都是一樣的,而這些內(nèi)容是先寫到內(nèi)存里面,然后再讀出來。所以通過內(nèi)存合并技術(shù)可以節(jié)省大部分相同的內(nèi)存頁(見圖2)。

圖2 內(nèi)存頁合并圖

內(nèi)存頁合并是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程。由于查找相同的內(nèi)存頁且合并也是要消耗CPU資源的,所以在CPU空閑時(shí),OVP會(huì)自動(dòng)進(jìn)行內(nèi)存頁掃描,而當(dāng)CPU繁忙時(shí),則會(huì)停止掃描。

通過CDesktop OVP的內(nèi)存頁合并技術(shù),能夠最多節(jié)省35%的內(nèi)存使用,從而保障了在有限的硬件資源下,能夠有更多的內(nèi)存來部署更多的虛擬桌面,提高了內(nèi)存的利用率。

2.5 鏈接克隆與I/O優(yōu)化

在CDesktop OVP內(nèi)建立好模板后,進(jìn)行虛擬機(jī)的克隆,多個(gè)克隆虛擬機(jī)的公共部分(共同來自模板的部分)可以共用同一份內(nèi)存空間和同一份磁盤空間。因此在服務(wù)器主機(jī)資源相同的情況下,采用鏈接克隆的方式可以支持更多的虛擬機(jī)、運(yùn)行更多的業(yè)務(wù),或者運(yùn)行更多的虛擬桌面,節(jié)省大量的內(nèi)存和存儲(chǔ)資源。

由于虛擬機(jī)的同時(shí)啟動(dòng)會(huì)對(duì)磁盤I/O有非常大的沖擊,所以在CDesktop OVD的存儲(chǔ)架構(gòu)中,會(huì)將模板保存在SSD硬盤上。由于一個(gè)SSD硬盤的IOPS可達(dá)上萬次,從而避免了在多臺(tái)虛擬機(jī)同時(shí)啟動(dòng)時(shí)存在的I/O風(fēng)暴問題,而用戶的個(gè)人數(shù)據(jù)存放在普通的SAS或SATA硬盤內(nèi)。采用SSD+SAS/SATA的混合存儲(chǔ)方案,不但保障了虛擬機(jī)內(nèi)操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的高效啟動(dòng)和運(yùn)行,同時(shí)為用戶提供了相對(duì)廉價(jià)的存儲(chǔ)容量,降低了部署桌面虛擬化時(shí)較高的存儲(chǔ)費(fèi)用,極大降低了總體IT成本。

2.6 無共享存儲(chǔ)的高可用性

改進(jìn)虛擬云平臺(tái)架構(gòu)的高可用性為用戶提供了持續(xù)的服務(wù),能在很短的時(shí)間內(nèi)將有服務(wù)器接替出故障的服務(wù)器上的所有虛擬機(jī)。但是這需要有存儲(chǔ)設(shè)備作為后端支撐,于是存儲(chǔ)設(shè)備將成為虛擬化整個(gè)部署中的關(guān)鍵。

去除共享存儲(chǔ)、提供高可用性,將成為虛擬化平臺(tái)的一大優(yōu)勢(shì)。OVP平臺(tái)的集群管理模塊會(huì)利用多臺(tái)服務(wù)器自身的磁盤,組建成一個(gè)大的集群,同時(shí)繼承OVP平臺(tái)原有的對(duì)稱式集群的特點(diǎn),所有的服務(wù)器所扮演的角色和配置都是一樣的,沒有元數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置,從而避免分布式存儲(chǔ)的元數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的單點(diǎn)故障。

無存儲(chǔ)的高可用性的架構(gòu)如圖3所示。

圖3 無存儲(chǔ)的高可用性的架構(gòu)圖

虛擬機(jī)的數(shù)據(jù)將會(huì)被存儲(chǔ)管理模塊按照一定大小分割成塊,然后把每個(gè)塊按照一定的哈希算法進(jìn)行分配,寫入多個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)其中某個(gè)服務(wù)器出現(xiàn)問題的時(shí)候,集群管理模塊能夠獲知,存儲(chǔ)管理模塊就會(huì)再次根據(jù)塊的哈希算法,選擇下一個(gè)存儲(chǔ)了該塊的其他的服務(wù)器作為數(shù)據(jù)讀取的源,從而找到相應(yīng)的塊數(shù)據(jù),支持服務(wù)器故障時(shí)數(shù)據(jù)的高可用性。通過存儲(chǔ)管理模塊將底層封裝,對(duì)上層的虛擬機(jī)來說就是一個(gè)透明的數(shù)據(jù)讀取過程[9-12]。

3 改進(jìn)虛擬云平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)

(1) 完善的全系列虛擬化方案。方案涵蓋瘦客戶機(jī)的自由擴(kuò)展與管理、多路虛擬桌面控制器OVD、全新虛擬機(jī)管理軟件OVP三大環(huán)節(jié),方案全面、兼容性好、性價(jià)比高,為IT提供了一種更加精簡和安全的方法來管理用戶和提供可按需訪問的敏捷桌面服務(wù),使得它應(yīng)用范圍非常廣泛。

(2) 卓越的用戶體驗(yàn)。云終端硬件的升級(jí)和操作系統(tǒng)的改進(jìn),增強(qiáng)了設(shè)備的可用性,并且做到了終端系統(tǒng)與虛擬機(jī)系統(tǒng)開關(guān)機(jī)的相互響應(yīng)和千兆到桌面的網(wǎng)絡(luò)升級(jí),對(duì)各種應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行性能調(diào)優(yōu),高效傳輸協(xié)議VDX達(dá)到與傳統(tǒng)PC一致的訪問體驗(yàn)。尤其是對(duì)于高清視頻的本地和在線播放,達(dá)到清晰流暢的體驗(yàn)效果,解決了傳統(tǒng)平臺(tái)的卡頓現(xiàn)象。

(3) 更全面的數(shù)據(jù)安全保障。OVP、OVD和 Thinclient三方認(rèn)證保障用戶接入安全；全方位的加密算法保障傳輸安全；靈活訪問控制進(jìn)行集中鑒權(quán)、數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)和備份保障個(gè)人數(shù)據(jù)安全；高可靠性HA設(shè)計(jì)保障平臺(tái)安全。最終,實(shí)現(xiàn)了端到端桌面虛擬化安全保護(hù)。

(4) 集中式Web管理模式。整套方案僅需OVP和OVD兩大組件,可提供集中式、單一化的遠(yuǎn)程運(yùn)維模式,提高了虛擬桌面部署的易用性和可維護(hù)性。

(5) 混合的服務(wù)器搭建模式。采用了全新的分布式集群搭建模式,既具有集群的可靠性,又有分布式的可用性,由于取消了專門的外設(shè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心,把存儲(chǔ)嵌入到服務(wù)器當(dāng)中,既增加了服務(wù)器讀寫速度,又減少了一些經(jīng)費(fèi)開銷和后期管理的工作。

4 結(jié)語

改進(jìn)的虛擬云平臺(tái)是對(duì)傳統(tǒng)的虛擬云平臺(tái)的改進(jìn),將集群的可靠性和分布式的可用性相結(jié)合,大大提高了云服務(wù)器的工作效率,并且對(duì)后期服務(wù)器內(nèi)VM節(jié)點(diǎn)的可控性、靈活性和穩(wěn)定性有了很大的提升。改進(jìn)的虛擬云平臺(tái)同時(shí)對(duì)云終端進(jìn)行了軟硬件的升級(jí)和改進(jìn),對(duì)服務(wù)器搭建的模式進(jìn)行了改變,服務(wù)器的配置可以根據(jù)需要選配,使得其使用業(yè)務(wù)范圍得到了增加,特別有利于流行大數(shù)據(jù)研究、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)。相信在未來,這種改進(jìn)的虛擬云平臺(tái)有著更好的發(fā)展前景,特別能夠給計(jì)劃構(gòu)建虛擬云平臺(tái)的高校實(shí)驗(yàn)室和企事業(yè)單位有很大的幫助。

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Design and construction of laboratory with improved virtual cloud platform

Wang Kefeng, Ye Feiyue, Qian Jin

(School of Computer Engineering,Jiangsu University of Technology,Changzhou 213001,China)

The current development trend of cloud platform is analyzed and the improvement scheme of the virtual cloud platform laboratory is proposed. As compared with the traditional computer laboratory,the improvement scheme makes the cost of the hardware and software low,and the late maintenance workload small. It also helps centralize the management of data and greatly improve the security of the data. At present,the cloud computing is well combined with big data,machine learning and deep learning. Therefore,the construction of a more comprehensive and perfect virtual cloud platform laboratory is the trend and direction of the development of the computer laboratory.

virtual cloud platform; improved virtual cloud; laboratory construction

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.030

2017-01-10

教育部人文社會(huì)科學(xué)青年基金項(xiàng)目(15YJCZH129),江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20161199)；江蘇理工學(xué)院教改項(xiàng)目(11610311614)

汪克峰(1981—),男,江蘇常州,碩士,講師,主要研究方向?yàn)閿?shù)字圖像處理技術(shù)、信息安全.

E-mail：wkf88@163.com

G434

A

1002-4956(2017)07-0114-04