賀建偉 樊成立

【摘 要】云計(jì)算將改變我們獲取計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、數(shù)據(jù)資源的方式，基于云計(jì)算IaaS構(gòu)建虛擬化實(shí)驗(yàn)室是私有云的應(yīng)用。文中給出了一個(gè)私有云的創(chuàng)建案例。基于云計(jì)算IaaS構(gòu)建虛擬化實(shí)驗(yàn)室必須有一個(gè)好的管理系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)功能虛擬機(jī)鏡像管理、實(shí)驗(yàn)方案管理、虛擬機(jī)管理、用戶管理等。構(gòu)建虛擬化實(shí)驗(yàn)室要考慮資源的調(diào)度和分配，與傳統(tǒng)機(jī)房相比虛擬化實(shí)驗(yàn)室具有節(jié)省經(jīng)費(fèi)、方便管理、利用率高、開放性、方便實(shí)踐教學(xué)等特點(diǎn)，還能做一些在傳統(tǒng)機(jī)房不能開設(shè)實(shí)驗(yàn)，有助于提升學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

【關(guān)鍵詞】云計(jì)算；虛擬化；管理系統(tǒng)

一、引言

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境弊端多多，表現(xiàn)為：①實(shí)驗(yàn)時(shí)間短暫且時(shí)間固定、地點(diǎn)固定，致使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境無(wú)法保留，長(zhǎng)周期、連續(xù)性實(shí)驗(yàn)無(wú)法開展，昂貴服務(wù)器等資源經(jīng)常閑置。而學(xué)生大量空余時(shí)間又難以利用；②實(shí)驗(yàn)室軟硬件配置固定，不能滿足層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式要求，束縛了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，不利于創(chuàng)新人才培養(yǎng)；③高校辦學(xué)經(jīng)費(fèi)有限，計(jì)算機(jī)等設(shè)備更新相對(duì)滯后，部分實(shí)驗(yàn)因設(shè)備性能不足無(wú)法進(jìn)行等等。為此構(gòu)建真正能實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)開放的校園計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境非常必要。

云計(jì)算依照提供方式分為三種：IaaS（提供基礎(chǔ)設(shè)施作為服務(wù)）、PaaS（提供平臺(tái)作為服務(wù)）、SaaS（提供軟件作為服務(wù)）。IaaS主要通過(guò)虛擬化技術(shù)，向用戶提供虛擬機(jī)。用戶可以在虛擬機(jī)中安裝軟件、進(jìn)行各種操作，當(dāng)然用戶也可以安裝自己希望的操作系統(tǒng)。云計(jì)算是計(jì)算與存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展方向，它將改變我們使用計(jì)算機(jī)的方式。PaaS和SaaS將成為人們接受計(jì)算服務(wù)的主要方式，構(gòu)建基于云計(jì)算IaaS虛擬化實(shí)驗(yàn)室（以下簡(jiǎn)稱虛擬化實(shí)驗(yàn)室）真正能夠解決全網(wǎng)絡(luò)開放的校園計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

二、虛擬化實(shí)驗(yàn)室優(yōu)勢(shì)

（1）節(jié)省經(jīng)費(fèi)：虛擬機(jī)的硬件是從云端的資源池中獲取的，而云中的資源池通常被認(rèn)為是“無(wú)限的”。當(dāng)然，作為云基礎(chǔ)的硬件，也需要更新?lián)Q代，但是云的硬件通常是服務(wù)器級(jí)別的計(jì)算機(jī)，容易通過(guò)擴(kuò)展提高性能，比普通PC淘汰的速度慢。

（2）管理更加方便：虛擬化實(shí)驗(yàn)室的所有虛擬機(jī)都在云端，一般都有配套的管理軟件，在操作系統(tǒng)安裝、軟件部署、安全防范等方面都比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室更加方便快捷有效，節(jié)省人力物力。

（3）開放性：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室出于安全和工作安排，只在工作時(shí)間開放，虛擬化實(shí)驗(yàn)室可以一年365天一天24小時(shí)開放。

（4）資源利用率更高：云中的資源是動(dòng)態(tài)分配的?？梢园讶５馁Y源都集中一起管理，動(dòng)態(tài)分配，按需分配，使資源分配合理，利用率提高。

（5）具有不可替代性：從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，PaaS和SaaS是云計(jì)算兩種主要方式，但在PaaS和SaaS沒(méi)有普及以前，IaaS將會(huì)優(yōu)先普及。而且，依賴于操作系統(tǒng)本身的課程學(xué)習(xí)，必須使用云計(jì)算IaaS方式構(gòu)建虛擬化實(shí)驗(yàn)室。因此虛擬化實(shí)驗(yàn)室具有不可替代性。

（6）高可靠性：“虛擬化”使用了數(shù)據(jù)多副本容錯(cuò)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)同構(gòu)可互換等措施來(lái)保障服務(wù)的高可靠性，使用虛擬化計(jì)算比使用本地計(jì)算機(jī)可靠。

三、虛擬化實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）虛擬化實(shí)驗(yàn)室的基本架構(gòu)

建設(shè)虛擬化實(shí)驗(yàn)室的主要思路是：建立私有云或者由服務(wù)商提供云，用戶通過(guò)云終端獲取云中的計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、數(shù)據(jù)資源等。云使用高性能硬件提供資源池，包括計(jì)算池、存儲(chǔ)池、網(wǎng)絡(luò)池、數(shù)據(jù)池等。使用虛擬化技術(shù)創(chuàng)建所需虛擬機(jī)，用戶通過(guò)云終端（通常是瀏覽器）遠(yuǎn)程訪問(wèn)虛擬機(jī)。虛擬機(jī)中能夠進(jìn)行的操作和操作方式，與在真實(shí)計(jì)算機(jī)中進(jìn)行操作是一樣的。虛擬化實(shí)驗(yàn)室總體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 虛擬化實(shí)驗(yàn)室總體架構(gòu)圖

其中虛擬化資源中心邏輯圖如圖2所示，最底層為硬件資源池，提供計(jì)算、存儲(chǔ)等資源。資源池上面是計(jì)算機(jī)群集和虛擬化工具，作用是調(diào)用資源池中的資源，創(chuàng)建虛擬機(jī)。常用服務(wù)器虛擬化軟件品牌有 VMWare、思杰、KVM、微軟（Hyper-V）等，VMWare 的 vSphere 相對(duì)比較成熟，可以安裝大多數(shù)操作系統(tǒng)。虛擬化軟件不同，調(diào)用硬件資源的方式也不同，有的直接調(diào)用硬件資源，有的要通過(guò)操作系統(tǒng)或虛擬軟件調(diào)用。因此這兩層的關(guān)系因?yàn)槭褂玫奶摂M化軟件不同而不同，我校使用的是免費(fèi)的XenServer。虛擬化實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)通過(guò)虛擬化工具實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬機(jī)的管理。另外虛擬化實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)還要實(shí)現(xiàn)用戶管理、實(shí)驗(yàn)方案管理、計(jì)費(fèi)管理等，用戶最終通過(guò)局域網(wǎng)或Internet訪問(wèn)云計(jì)算中心虛擬化實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)認(rèn)證后即可獲得IaaS服務(wù)。

圖2 虛擬化資源中心邏輯圖

（二）虛擬化實(shí)驗(yàn)室云端硬件

虛擬化實(shí)驗(yàn)室云端硬件主要由計(jì)算模塊、管理模塊、交換模塊和客戶端硬件等組成。

（1）計(jì)算模塊16套，標(biāo)配（1×XEON 5560，4*4G， 2×1TSATA），最大可擴(kuò)展到32G內(nèi)存，最大支持6塊硬盤。標(biāo)配500W高效電源模塊，最大能支持150臺(tái)虛擬機(jī)環(huán)境。

（2）管理模塊1套，標(biāo)配一個(gè)，可選另一個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)冗余，可實(shí)現(xiàn)共享KVM切換、開關(guān)機(jī)等全方位管理控制監(jiān)視功能；可選KVM Over IP功能模塊；

（3）交換模塊2套16口千兆交換機(jī)，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算模塊的內(nèi)部高速互聯(lián)以及外部高速擴(kuò)展

（4）客戶端硬件：不需要另外添置，使用淘汰的PC機(jī)即可。也可以使用瘦客戶機(jī)。

（三）虛擬化實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)

虛擬化實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)由以下模塊組成：群集管理模塊、虛擬機(jī)鏡像管理模塊、實(shí)驗(yàn)方案管理模塊、虛擬機(jī)管理模塊、用戶管理模塊、虛擬網(wǎng)絡(luò)管理模塊、計(jì)費(fèi)管理模塊、作業(yè)模塊、監(jiān)控模塊。

群集管理模塊的功能包括機(jī)柜的添加、刪除和查詢，物理機(jī)的添加刪除和查詢，虛擬機(jī)的遷移等。

虛擬機(jī)鏡像是創(chuàng)建虛擬機(jī)的模板，新建一個(gè)虛擬機(jī)就是從相應(yīng)的虛擬機(jī)鏡像復(fù)制出一個(gè)新的虛擬機(jī)文件。虛擬機(jī)鏡像管理模塊的功能包括：創(chuàng)建、修改、刪除和編輯虛擬機(jī)鏡像，設(shè)置虛擬機(jī)磁盤個(gè)數(shù)、大小，設(shè)置虛擬機(jī)使用的CPU個(gè)數(shù)（或核數(shù)）。

在諸如網(wǎng)絡(luò)服務(wù)一類課程的實(shí)驗(yàn)中，每一個(gè)學(xué)生需要幾臺(tái)虛擬機(jī)才能完成實(shí)驗(yàn)，其中的虛擬機(jī)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)連接、磁盤數(shù)量等配置都可能不同。在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中所需求的所有虛擬機(jī)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等，我們稱之為一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)方案管理模塊的功能包括：創(chuàng)建、編輯、刪除實(shí)驗(yàn)方案，在創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)方案時(shí)要選擇虛擬機(jī)鏡像和數(shù)量、設(shè)置虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接、設(shè)置虛擬機(jī)的內(nèi)存大小。

根據(jù)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案生成的一套虛擬機(jī)稱為一個(gè)實(shí)例。虛擬機(jī)管理模塊的功能包括：創(chuàng)建、編輯、刪除虛擬機(jī)實(shí)例等。創(chuàng)建虛擬機(jī)時(shí)要選擇實(shí)驗(yàn)方案，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案創(chuàng)建虛擬機(jī)，確定實(shí)例數(shù)量，選擇虛擬機(jī)的部署方式。虛擬機(jī)的部署方式有橫向和縱向兩種。橫向部署時(shí)虛擬機(jī)被平均部署在所有不同的物理機(jī)上，各個(gè)物理機(jī)負(fù)載比較均衡；縱向部署虛擬機(jī)時(shí)優(yōu)先部署在前面的物理機(jī)上，前面的物理機(jī)滿載后再部署在后面的物理機(jī)上。

用戶管理模塊：用戶分為4級(jí)用戶。1級(jí)用戶可以添加、刪除機(jī)柜、物理機(jī)；2級(jí)用戶可以添加、刪除虛擬機(jī)鏡像；3級(jí)用戶可以添加、刪除實(shí)驗(yàn)方案，添加刪除4級(jí)用戶或批量導(dǎo)入4級(jí)用戶，創(chuàng)建虛擬機(jī)實(shí)例，為4級(jí)用戶分配虛擬機(jī)實(shí)例；4級(jí)用戶可以登錄分配給自己的各個(gè)虛擬機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

虛擬機(jī)管理模塊可以添加、刪除虛擬網(wǎng)絡(luò)，計(jì)費(fèi)管理模塊可以對(duì)用戶計(jì)時(shí)收費(fèi)、強(qiáng)制關(guān)機(jī)等，作業(yè)模塊可以分發(fā)和提交作業(yè)，監(jiān)控模塊可以監(jiān)控學(xué)生進(jìn)行的操作。

（四）云中資源的分配

一般認(rèn)為，云中的資源是無(wú)限的。但作為私有云，硬件資源總是有限的，那么虛擬機(jī)的數(shù)量也是有限的。一般來(lái)說(shuō)，要估算一臺(tái)虛擬機(jī)對(duì)資源的需求，必須結(jié)合虛擬機(jī)中運(yùn)行的程序?qū)Y源的需求來(lái)考慮。虛擬機(jī)的用途不同，需要運(yùn)行的程序也不同，對(duì)資源的需求也不同。但虛擬機(jī)中操作系統(tǒng)對(duì)資源的需求還是容易估算的，參考操作系統(tǒng)的硬件配置需求即可。需要注意的是，不同于PC機(jī)，云中的資源是動(dòng)態(tài)分配的，所以要考慮整體資源的分配。創(chuàng)建虛擬機(jī)必須占用磁盤空間，開啟虛擬機(jī)必須要占用內(nèi)存，所以云中磁盤總量決定了可以創(chuàng)建的虛擬機(jī)的數(shù)量，云中的內(nèi)存總量決定了可以同時(shí)開啟的虛擬機(jī)數(shù)量。虛擬軟件Hyper-V具有差異磁盤功能，VMware具有連接克隆功能，這些功能可以節(jié)省很多磁盤空間。設(shè)置虛擬機(jī)有較大的內(nèi)存，虛擬機(jī)運(yùn)行更加流暢，但同時(shí)能開啟的虛擬機(jī)數(shù)量會(huì)減少；相反，設(shè)置虛擬機(jī)較小的內(nèi)存，虛擬機(jī)運(yùn)行流暢性變差，但能同時(shí)開啟更多的虛擬機(jī)。

四、總結(jié)

云計(jì)算將改變我們獲取計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、數(shù)據(jù)資源的方式。我校在構(gòu)建私有云方面做了有益的嘗試，基于云計(jì)算IaaS構(gòu)建的虛擬化實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)2年的運(yùn)行，取得了一些經(jīng)驗(yàn)和可喜的成效，節(jié)省了經(jīng)費(fèi)，方便了管理，提高了實(shí)驗(yàn)室的利用率，還為教師和學(xué)生科研等提供了更好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，達(dá)到了預(yù)期的目的。

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