楊 方 ，陳曉冬 ，楊 蕊 ，崔玉祥 ，曹宇賓 ， 趙慧芳 ，韓 晉，潘大豐，張婧文，范林平

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息研究所，山西 太原 030031；2.山西省農(nóng)業(yè)廣播電視學(xué)校實踐培訓(xùn)基地，山西 太原 030002）

基于vSphere技術(shù)的農(nóng)業(yè)科研云平臺研究和構(gòu)建

楊 方1，陳曉冬1，楊 蕊1，崔玉祥1，曹宇賓1， 趙慧芳1，韓 晉1，潘大豐1，張婧文1，范林平2

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息研究所，山西 太原 030031；2.山西省農(nóng)業(yè)廣播電視學(xué)校實踐培訓(xùn)基地，山西 太原 030002）

云計算技術(shù)已成為當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要技術(shù)支撐，農(nóng)業(yè)科研基礎(chǔ)領(lǐng)域?qū)τ跀?shù)據(jù)計算分析性能的需求日漸增長。從理論、技術(shù)和實踐3個維度出發(fā)，詳細(xì)論述了構(gòu)建農(nóng)業(yè)科研云平臺的過程，包括云計算理論、vSphere技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施、規(guī)劃和實施細(xì)節(jié)等，列舉了農(nóng)業(yè)科研云平臺具體應(yīng)用場景，最后探討了預(yù)期開展的云服務(wù)。

vSphere；云平臺；IaaS；分布式交換機；虛擬機；生物信息學(xué)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)

隨著云計算技術(shù)普及，高校、科研院所等企事業(yè)單位的信息中心虛擬化建設(shè)也逐漸開展，在農(nóng)業(yè)科研領(lǐng)域，基于云計算技術(shù)的各種農(nóng)業(yè)信息服務(wù)平臺也得到廣泛應(yīng)用，美國、德國、日本、韓國等都應(yīng)用云計算技術(shù)開發(fā)農(nóng)產(chǎn)品交易平臺，并取得了良好效果[1]；在國內(nèi)，山東的金農(nóng)工程[2]、中國南京綠色科技研究院研發(fā)的農(nóng)業(yè)智能綜合信息服務(wù)平臺、河北的基于云模式的農(nóng)產(chǎn)品交流信息服務(wù)平臺[3]等都是農(nóng)業(yè)云計算的應(yīng)用案例。此外，地理信息系統(tǒng)、生物信息學(xué)、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、虛擬農(nóng)業(yè)等學(xué)科技術(shù)與農(nóng)業(yè)科研工作融合度越來越高，國內(nèi)已有云計算與GIS、物聯(lián)網(wǎng)等學(xué)科相結(jié)合的理論研究和應(yīng)用，如天津師范大學(xué)基于物聯(lián)網(wǎng)與云計算服務(wù)的農(nóng)業(yè)溫室智能化平臺研究與應(yīng)用[4]，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)基于云計算和WebGIS的農(nóng)業(yè)信息服務(wù)系統(tǒng)[5]、基于云計算的農(nóng)業(yè)勞動力季節(jié)性轉(zhuǎn)移信息平臺[6]等等。以上這些農(nóng)業(yè)信息服務(wù)平臺和應(yīng)用對數(shù)據(jù)計算性能、存儲量、計算速度等硬件資源提出了更高的要求，單臺普通服務(wù)器、PC機硬件資源十分有限，難以快速處理如此大量復(fù)雜的各類數(shù)據(jù)。

本研究主要借鑒國內(nèi)外農(nóng)業(yè)云服務(wù)應(yīng)用經(jīng)驗，利用云計算技術(shù)搭建IaaS云基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)，整合硬件資源，為山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科研人員提供更高更快的彈性云計算平臺，達(dá)到軟硬件資源共享，以加快山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科研信息化進程。

1 云計算

云計算是分布式處理、并行處理和網(wǎng)格計算的發(fā)展和延伸，具有強大的計算能力和存儲能力。云計算包括3個層次的服務(wù)，即基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（I-aaS）、平臺即服務(wù)（PaaS）、軟件即服務(wù)（SaaS），用戶使用的資源由第三方提供并動態(tài)分配和組織資源，用戶可以通過終端設(shè)備個性化地調(diào)度資源[7-9]。

2vSphere云技術(shù)

虛擬化作為云計算的核心技術(shù)之一，是目前整個IT行業(yè)發(fā)展的方向，能實現(xiàn)資源的充分利用、簡化管理、方便維護，提高整個IT部門的效率。vSphere是VMware公司推出的一套服務(wù)器虛擬化解決方案，虛擬服務(wù)器已經(jīng)逐漸代替物理服務(wù)器成為支撐信息化服務(wù)的主要手段，實際應(yīng)用證明，虛擬機可以滿足絕大多數(shù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的要求，能提高服務(wù)器資源的管理效率，規(guī)范服務(wù)器資源的使用[10]，vSphere一直以其易用性和易管理性得到大家的認(rèn)同[11]。

vSphere 主要包括 ESXi，vCenter Server，vCenter Server插件和vCenter Server數(shù)據(jù)庫等組件，在平臺建設(shè)過程中，我們采用vSphere 5.5版本。ESXi是一種虛擬化平臺，用于將主機硬件作為一組標(biāo)準(zhǔn)化資源進行聚合，將虛擬機創(chuàng)建為一組配置和磁盤文件，虛擬機是運行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的軟件計算機；vCenter Server充當(dāng)連接到網(wǎng)絡(luò)的VMware ESXi主機的中心管理員，將多個主機的資源加入池中并管理這些資源，有效監(jiān)控和管理物理及虛擬基礎(chǔ)架構(gòu)；vCenter Server插件提供額外特性和功能的應(yīng)用程序；vCenter Server數(shù)據(jù)庫用于維護vCenter Server環(huán)境中虛擬機、主機和用戶的狀態(tài)[12]。

vSphere組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

vSphere提供3種管理方式，即vSphere Web Client，vSphere Client和vSphere命令行界面，受管對象主要包括群集、數(shù)據(jù)存儲、主機、虛擬機、網(wǎng)絡(luò)等。數(shù)據(jù)存儲指本地SCSI磁盤、SAN磁盤陣列、iSCSI SAN磁盤陣列或網(wǎng)絡(luò)附加存儲（NAS）陣列；主機指安裝ESXi的物理機；網(wǎng)絡(luò)指一組虛擬網(wǎng)絡(luò)接口卡（虛擬網(wǎng)卡）、標(biāo)準(zhǔn)交換機或分布式交換機，以及端口組或分布式端口組[13]。

3 農(nóng)業(yè)科研云平臺基礎(chǔ)設(shè)施

3.1 服務(wù)器等硬件設(shè)施

山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息研究所中心機房現(xiàn)有曙光服務(wù)器3臺、曙光存儲陣列1臺。單臺服務(wù)器主要配置如下：2顆 AMD Opteron（tm）Processor 6320 CPU，2.8 GHz，8 核，內(nèi)存 64 G，硬盤1T，2個RJ45端口；存儲陣列主要配置如下：15T存儲容量，2個RJ45端口。

3.2 物理網(wǎng)絡(luò)

本部分僅介紹云平臺部署關(guān)鍵因素，如路由交換設(shè)備等，不涉及網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備。山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息研究所中心機房現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如下：1臺銳捷路由器、2臺三層銳捷交換機、1臺銳捷二層交換機。2臺三層交換機作為中轉(zhuǎn)，上聯(lián)1臺路由器，下聯(lián)1臺二層交換機，三者之間作聚合鏈路配置，服務(wù)器接入二層交換機。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。

4 農(nóng)業(yè)科研云平臺規(guī)劃和實施

4.1 硬件資源集成

首先，每臺服務(wù)器中1個RJ45端口連接Layer2 Switch中的Access端口，1個RJ45端口連接Layer2 Switch中的Trunk端口（用于創(chuàng)建vSphere分布式交換機），存儲陣列的2個RJ45端口連接Layer2 Switch中的Access端口。

其次，在3臺服務(wù)器上裸機安裝ESXi-6.0，并分配IP地址，通過創(chuàng)建虛擬機安裝vCenter Server，用于管理整個群集。具體細(xì)節(jié)請參閱文獻[14]。

最后，通過使用ESXi-6.0群集技術(shù)和IP SAN數(shù)據(jù)存儲方式，整合服務(wù)器和存儲陣列后的云平臺實際硬件資源，達(dá)到內(nèi)存192G，CPU134.4GHz，存儲18T。

4.2 虛擬網(wǎng)絡(luò)

vSphere提供標(biāo)準(zhǔn)交換機（vSS）、分布式交換機（vDS）和混合結(jié)構(gòu)3種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

4.2.1 vSS（vSphere Standard Switch）網(wǎng)絡(luò) 標(biāo)準(zhǔn)交換機模擬物理以太網(wǎng)交換機，其默認(rèn)邏輯端口數(shù)量為120，每個端口均可連接虛擬機的一個網(wǎng)絡(luò)適配器。vSphere默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)配置為vSS，對于ESXi主機數(shù)量少、管理簡單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本能滿足要求，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.2.2 vDS（vSphere Distributed Switch）網(wǎng)絡(luò) vDS是所有關(guān)聯(lián)ESXi主機之間的一個交換機，這使管理員能夠設(shè)置跨所有成員主機的網(wǎng)絡(luò)配置，可在虛擬機之間進行內(nèi)部流量轉(zhuǎn)發(fā)或通過連接到物理以太網(wǎng)適配器（上行鏈路適配器）鏈接到外部網(wǎng)絡(luò)，并使得虛擬機可在跨多個主機進行遷移時保持其網(wǎng)絡(luò)配置一致，在容災(zāi)方面顯得尤為重要。vMotion是vSphere的實時遷移功能，可以實現(xiàn)在不停機的情況下將整個運行中的虛擬機從一臺物理服務(wù)器轉(zhuǎn)移到另一臺物理服務(wù)器，完成無縫遷移，在千兆以太網(wǎng)中，整個過程只需要不到2 s[15]。vDS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

vDS可分配一個或多個分布式端口組，分布式端口組將多個端口分組到一個公共配置下，并為連接到帶標(biāo)記網(wǎng)絡(luò)的虛擬機提供穩(wěn)定的定位點。每個分布式端口組都由一個對于當(dāng)前數(shù)據(jù)中心唯一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽來標(biāo)識，VLAN用于將端口組流量限制在物理網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的一個邏輯以太網(wǎng)網(wǎng)段中。利用網(wǎng)絡(luò)資源池，可以按網(wǎng)絡(luò)流量的類型來管理網(wǎng)絡(luò)流量[16]。

當(dāng)存在大量ESXi主機時，由于每個ESXi主機都要維護一個獨立的vSS，以保證虛擬機在Vmotion過程中網(wǎng)絡(luò)正常，日常維護工作量較大。而vDS網(wǎng)絡(luò)配置一致，能夠集中管理所有的虛擬機流量，具有VLAN劃分、安全和流量控制等功能?？紤]到云平臺可擴展性、預(yù)期業(yè)務(wù)增長以及平臺容災(zāi)、魯棒性等，本平臺構(gòu)建過程中采用了“vSS＋vDS”混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，vSS用于日常網(wǎng)絡(luò)管理，vDS用于業(yè)務(wù)虛擬機。

4.3 虛擬網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和實施

隨著各種攻擊工具在互聯(lián)網(wǎng)上的廣泛傳播，黑客技術(shù)的門檻越來越低，“網(wǎng)站被掛馬”、“網(wǎng)站被入侵”等現(xiàn)象屢見不鮮，網(wǎng)站隨時都有“被黑”的風(fēng)險[17]。因此，為保障農(nóng)業(yè)科研數(shù)據(jù)安全，筆者根據(jù)業(yè)務(wù)類型劃分為生物信息學(xué)（Info_Bio）、統(tǒng)計分析學(xué)（Sta_Ana）、一般應(yīng)用（Com_App）三類網(wǎng)絡(luò)，對應(yīng)192.168.2.0，192.168.3.0，192.168.4.0 網(wǎng)段，再基于IP劃分 VLAN，分別創(chuàng)建 VLAN200，VLAN300，VLAN400，在Layer3 Switch上配置ACL策略，禁止外部網(wǎng)絡(luò)訪問虛擬機，禁止不同VLAN之間相互訪問，增強數(shù)據(jù)訪問安全性。

4.3.1 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)配置 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)配置涉及二層交換機、三層交換機和路由器，相關(guān)網(wǎng)絡(luò)配置命令可參考銳捷廠商提供的文檔[18]。為允許云平臺新建VLAN中的虛擬機訪問互聯(lián)網(wǎng)，需修改Layer2 Switch和Layer3 Switch之間的聚合鏈路端口配置，添加如下命令：

interfaceAggregatePort110；switchportmodetrunk；switchport trunk allowed vlan remove 1-19，21-29，31-39，41-99，101-199，201-299，301-399，401-4094。

以創(chuàng)建一般應(yīng)用平臺（Com_App）為例，各層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置如下：

二層交換機配置，Layer2 Switch鏈接了物理服務(wù)器和數(shù)據(jù)存儲，需要在此交換機上配置Trunk端口并創(chuàng)建 VLAN：vlan 400；name Com_App400；interface GigabitEthernet 0/29；switchport mode trunk；switchport trunk allowed vlan remove 1-199，201-299，301-399，401-4094// 僅 允 許 VLAN200，300，400訪問。

三層交換機配置，Layer3 Switch主要設(shè)置安全訪 問 策 略 ：vlan 400；name Com_App400；interface VLAN 400；no ip proxy-arp；ip access-group 140 in//訪問策略；ip address 192.168.4.254 255.255.255.0//分配網(wǎng)關(guān)地址；ip access-list extended 140//不同網(wǎng)段之間禁止訪問；10 deny ip 192.168.4.0 0.0.0.255 192.168.1.0 0.0.0.255；20 deny ip 192.168.4.0 0.0.0.255 192.168.2.0 0.0.0.255；30 deny ip 192.168.4.0 0.0.0.255 192.168.3.0 0.0.0.255；40 permit ip anyany。

router ospf110//創(chuàng)建VLAN400被動接口，并聲明相應(yīng)主干區(qū)域：passive-interface VLAN 400；network 192.168.4.0 0.0.255.255 area 0。

路由器配置，Router主要設(shè)置路由策略，允許云平臺中的虛擬機訪問互聯(lián)網(wǎng)：ip access-list extended 197；166 permit ip 192.168.4.0 0.0.0.255 any。4.3.2 建立分布式交換機 通過vSphere Client管理軟件進入主界面后，在“數(shù)據(jù)中心”容器里建立分布式交換機，創(chuàng)建分布式端口組并編輯分布式交換機的屬性和策略。根據(jù)虛擬網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，我們劃分了3個分布式端口組，分別是Info_Bio，Sta_Ana，Com_App，并標(biāo)識 VLAN ID對應(yīng) VLAN200，VLAN300，VLAN400，每個端口組分配15個端口，這樣在該分布式交換機下可創(chuàng)建45個虛擬機。具體細(xì)節(jié)請參閱文獻[10]。

4.3.3 創(chuàng)建虛擬機 vSphere創(chuàng)建虛擬機有直接創(chuàng)建、克隆、模板等多種方式。在實施過程中，需注意以下3點：虛擬機CPU數(shù)量不能超過ESXi主機邏輯CPU數(shù)量或虛擬機操作系統(tǒng)支持的CPU數(shù)量；根據(jù)業(yè)務(wù)類型把虛擬機正確劃分到相應(yīng)的分布式端口組；虛擬機操作系統(tǒng)安裝完成后，需安裝VMware Tools以提高虛擬機操作系統(tǒng)性能、增強虛擬機管理。具體細(xì)節(jié)參閱文獻[13]。

5 農(nóng)業(yè)科研云平臺應(yīng)用

目前，我們在云平臺上開展了農(nóng)業(yè)信息平臺托管、生物信息計算、農(nóng)業(yè)云體驗等3類業(yè)務(wù)，農(nóng)業(yè)科研人員根據(jù)需求向管理人員提出硬件資源申請，管理人員為其分配相應(yīng)資源和賬號后，可使用遠(yuǎn)程桌面方式遠(yuǎn)程操作。農(nóng)業(yè)信息平臺托管主要提供涉農(nóng)網(wǎng)站、涉農(nóng)信息平臺的互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)，一般部署Windows Server 2008等服務(wù)器操作系統(tǒng)；生物信息計算主要提供基因組測序類計算分析服務(wù)，一般部署Linux服務(wù)器操作系統(tǒng)以及基因序列拼接、比對、排序、識別和測序等軟件；農(nóng)業(yè)云體驗主要向科研人員提供虛擬機租用服務(wù)，一般部署Win7，Win10操作系統(tǒng)以及SPSS等數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件。

6 結(jié)論

實踐證明，利用vSphere搭建的云平臺有效地提升了網(wǎng)絡(luò)運維效率和管理水平，本平臺不但能降低農(nóng)業(yè)信息化軟硬件投資和中心機房運維費用，提高服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備利用率，而且能優(yōu)化改善農(nóng)業(yè)科研數(shù)據(jù)處理方式，提高數(shù)據(jù)計算效率，為從事生物信息學(xué)、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、虛擬農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等領(lǐng)域的農(nóng)業(yè)科研人員提供了一個安全高效的信息化平臺。

vSphere是IT行業(yè)一流的云計算技術(shù)，雖然該平臺已投入試運行階段，但尚有許多問題需要深入研究、很多應(yīng)用需要探索。我們下一步將在云平臺中部署軟件資源池，為農(nóng)業(yè)科研人員提供常用軟件下載、并發(fā)共享類軟件使用和網(wǎng)盤等在線云服務(wù)；同時加強調(diào)研力度，征求農(nóng)業(yè)科研人員對信息技術(shù)的訴求，提供多樣化的云計算服務(wù)，為發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)提供技術(shù)支撐。

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Research and Construction of Agricultural Science Cloud Platform Based on vSphere Technology

YANGFang1，CHENXiaodong1，YANGRui1，CUI Yuxiang1，CAOYubin1，ZHAOHuifang1，HANJin1，PANDafeng1，ZHANGJingwen1，F(xiàn)ANLinping2
（1.Institute ofAgricultural Science and TechnologyInformation，Shanxi AcademyofAgricultural Sciences，Taiyuan 030031，China；2.Practice TrainingBase，Shanxi Agricultural Radioand Television School，Taiyuan 030002，China）

Cloud computing technology has become an important technical support for the development of modern agriculture.The demand for data computingand analysis performance is becoming more and more important in the field ofagricultural scientific research.This paper discusses the process of constructing agricultural science cloud platform from three aspects:theory,technology and practice,including cloud computing theory,vSphere technology,infrastructure,planning and implementation details,and lists the agricultural research cloud platformspecific application scenarios,and finallyexplores the expected cloud services.

vSphere;cloud platform;IaaS;distributed switch;virtual machine;bioinformatics;modern agriculture

TP393.09

A

1002-2481（2017）11-1863-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.11.32

2017-08-09

山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新研究項目（CXKT1514）；山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提升工程項目（2016ZZCX-21）

楊 方（1982-），男，山西芮城人，助理研究員，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究工作。