李曉佳，李 楠，劉 萍

（吉林師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林 四平 136000）

0 引 言

隨著云技術(shù)、虛擬化技術(shù)的快速發(fā)展，云平臺(tái)的理念越來(lái)越深入高校教學(xué)和科研平臺(tái)的建設(shè)中，云計(jì)算為用戶提供了海量共享資源和軟件，給教學(xué)和科研提供了優(yōu)質(zhì)的環(huán)境和服務(wù)，其網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化和集成化的優(yōu)點(diǎn)，有效地解決了部署實(shí)驗(yàn)環(huán)境過(guò)程中硬件資源匱乏和因大量損耗導(dǎo)致維護(hù)成本上升的問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建中，除了利用虛擬化技術(shù)提高教學(xué)效率外，研究中還利用虛擬主機(jī)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，節(jié)約硬件資源，提高實(shí)驗(yàn)室共享率和優(yōu)化度。

1 虛擬化技術(shù)

虛擬化是在現(xiàn)有的硬件資源中剝離出具有相同硬件配置和完成軟件操作的獨(dú)立運(yùn)行環(huán)境，但資源之間可以相互共享，主控平臺(tái)能夠?qū)⒊橄蠡馁Y源進(jìn)行整合，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理及任務(wù)分配，子節(jié)點(diǎn)接收到主節(jié)點(diǎn)分配的任務(wù)后，繼之以數(shù)據(jù)的運(yùn)算及執(zhí)行處理，各子節(jié)點(diǎn)資源相對(duì)獨(dú)立，具有單獨(dú)或共享的IP地址，主機(jī)資源之間互不影響。虛擬化技術(shù)的提出，可以提高計(jì)算機(jī)的資源執(zhí)行效率和有效管理，將虛擬化技術(shù)應(yīng)用于高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理中，將多操作系統(tǒng)、多門實(shí)驗(yàn)環(huán)境與系統(tǒng)服務(wù)資源池相融合，更能凸顯虛擬化平臺(tái)的靈活性，優(yōu)化教學(xué)環(huán)境，減少對(duì)底層硬件系統(tǒng)的依賴，降低維護(hù)成本。

虛擬主機(jī)技術(shù)可以充分運(yùn)用有限的硬件資源，將一個(gè)服務(wù)器的資源進(jìn)行有效邏輯劃分，使用戶在相同的硬件環(huán)境支撐下，仍然可以滿足多用戶操作。虛擬主機(jī)的性能與服務(wù)器主機(jī)的硬件配置、虛擬主機(jī)的數(shù)量密切相關(guān)，因此需要在保證用戶數(shù)量的前提條件下進(jìn)一步平衡系統(tǒng)資源配置。

2 DHCP的工作原理

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸成熟，客戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和資源的擴(kuò)充性要求逐步提升，使用DHCP服務(wù)器的優(yōu)勢(shì)是為了更加高效地管理和分配IP地址，降低靜態(tài)IP地址分配的出錯(cuò)率，在集群環(huán)境的搭建和部署中，利用DHCP服務(wù)器動(dòng)態(tài)地為子節(jié)點(diǎn)配置網(wǎng)絡(luò)信息，包括IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)、DNS服務(wù)器地址，租約等參數(shù)，可以提高配置效率，保證子節(jié)點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò)暢通，避免IP地址沖突。在集群的部署過(guò)程中，由于子節(jié)點(diǎn)的數(shù)目較多，配置IP的工作量較大，可以利用DHCP服務(wù)器為提出申請(qǐng)的客戶端自動(dòng)分配IP地址，租約結(jié)束后自動(dòng)收回，從而實(shí)現(xiàn)IP地址的有效再利用。DHCP的工作過(guò)程分為以下幾個(gè)階段：

（1）發(fā)現(xiàn)階段。主機(jī)向全網(wǎng)絡(luò)廣播數(shù)據(jù)包，發(fā)送DHCP Discover報(bào)文，DHCP服務(wù)器、主機(jī)、主機(jī)、主機(jī)等安裝TCP/IP協(xié)議的主機(jī)都能收到該請(qǐng)求，數(shù)據(jù)包的信息主要包括網(wǎng)卡的MAC地址和計(jì)算機(jī)名稱等。在廣播請(qǐng)求的過(guò)程中，只有DHCP服務(wù)器才可以做出響應(yīng)。主機(jī)還不確定自己的網(wǎng)絡(luò)歸屬，因此封包的源地址為0.0.0.0，目的地址為255.255.255.255。具體操作過(guò)程如圖1所示。

圖1 發(fā)現(xiàn)階段Fig.1 Discovery stage

（2）提供階段。在網(wǎng)絡(luò)中接收到廣播信息的DHCP服務(wù)器做出響應(yīng)，在IP地址列表中選擇尚未出租的IP地址擬分配給主機(jī)，DHCP Offer報(bào)文中包括MAC地址、網(wǎng)絡(luò)配置信息、提供的IP地址及租期。這一過(guò)程中仍然通過(guò)廣播的方式發(fā)送信息，網(wǎng)絡(luò)中的客戶機(jī)均能收到此消息。同時(shí)DHCP Server為此客戶保留由其提供的IP地址，從而不會(huì)為其他DHCP客戶分配此IP地址。具體操作過(guò)程如圖2所示。

圖2 提供階段Fig.2 Providing stage

（3）選擇階段。主機(jī)可能會(huì)收到多臺(tái)DHCP服務(wù)器的響應(yīng)，一般會(huì)選擇首先到達(dá)的信息，并向網(wǎng)絡(luò)中廣播所接收的DHCP服務(wù)器的相關(guān)信息，DHCP Request報(bào)文中包含客戶端的MAC地址、接受的租約中的IP地址、提供此租約的DHCP服務(wù)器地址，其他的DHCP服務(wù)器將撤銷由其所提供的IP地址信息。具體操作過(guò)程如圖3所示。

圖3 異常行為定位Fig.3 Location of abnormal behaviors

圖3 選擇階段Fig.3 Selection stage

（4）確認(rèn)階段。當(dāng)DHCP服務(wù)器接收到主機(jī)的請(qǐng)求之后，會(huì)返回主機(jī)確認(rèn)信息DHCP ACK報(bào)文，用廣播通訊的方式將IP地址及其配置信息發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)接收到確認(rèn)信息后，首先查詢IP地址是否沖突，如果沖突，則拒絕該IP地址并重新廣播。如果網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有使用該IP地址，則可以完成IP地址初始化，將IP地址信息與主機(jī)的網(wǎng)卡綁定。具體操作過(guò)程如圖4所示。

圖4 確認(rèn)階段Fig.4 Confirmation stage

（5）客戶機(jī)租期續(xù)約。DHCP客戶機(jī)申請(qǐng)的IP資源不是長(zhǎng)久有效的，超出有效的租約期后，客戶機(jī)若還想繼續(xù)使用該IP需向DHCP服務(wù)器再次發(fā)送請(qǐng)求。客戶機(jī)會(huì)在租約結(jié)束之前向DHCP Server發(fā)送消息包，接收到響應(yīng)后，客戶機(jī)根據(jù)消息包中的相關(guān)配置參數(shù)完成更新配置，可以繼續(xù)使用原IP地址。如果沒(méi)收到響應(yīng)，在租約快結(jié)束時(shí)再次申請(qǐng)。若一直沒(méi)有續(xù)約成功，則租約有效期過(guò)后，客戶機(jī)必須放棄這個(gè)IP地址，重新申請(qǐng)新的IP資源。具體操作過(guò)程如圖5所示。

圖5 租期續(xù)約Fig.5 Lease renewal

3 MAC地址的綁定

由于DHCP服務(wù)器分配地址存在不固定性，并且多個(gè)節(jié)點(diǎn)在分配IP的過(guò)程中，容易出現(xiàn)設(shè)置重復(fù)，集群之外的其他節(jié)點(diǎn)可能盜用分配好的IP地址，都會(huì)導(dǎo)致地址資源的分配和使用上出現(xiàn)混亂。為了解決上述問(wèn)題，在集群的部署過(guò)程中，考慮將IP地址與網(wǎng)卡的MAC地址進(jìn)行綁定，在地址資源的配置過(guò)程中，即使出現(xiàn)IP設(shè)置錯(cuò)誤或者重復(fù)的問(wèn)題，也會(huì)因MAC地址不匹配而設(shè)置失敗，因MAC地址具有唯一性，通過(guò)IP地址與MAC地址的綁定，也可以回溯集群中具有重復(fù)地址資源的計(jì)算機(jī)名等信息，保證網(wǎng)絡(luò)使用的高效性和暢通性。

IP地址是使用在網(wǎng)絡(luò)層及以上層的地址，注重邏輯標(biāo)識(shí)，設(shè)置相對(duì)自由，在同一網(wǎng)絡(luò)中具有唯一性。MAC地址是數(shù)據(jù)鏈路層和物理層使用的地址，燒錄于網(wǎng)卡的EPROM，是基于硬件的標(biāo)識(shí)，一般不做修改。在通信鏈路層中，數(shù)據(jù)幀的交換一般通過(guò)交換機(jī)或其他2層設(shè)備，需要用到主機(jī)間的MAC地址，但主機(jī)網(wǎng)卡配置的是IP地址，此時(shí)就需要借助ARP協(xié)議，可用于將IP地址轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)接口的硬件地址，以此保障進(jìn)行通信。主機(jī)依靠IP地址與MAC地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系封裝數(shù)據(jù)幀，對(duì)IP地址進(jìn)行解析后，則檢查ARP表中得到IP地址與MAC地址的綁定關(guān)系，2層設(shè)備在收到含有目標(biāo)MAC地址的數(shù)據(jù)幀后，與表中的MAC地址進(jìn)行比較，相符則將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，不相符則丟棄。

4 批量部署虛擬主機(jī)節(jié)點(diǎn)

（1）批量創(chuàng)建虛擬主機(jī)節(jié)點(diǎn)的配置代碼。研發(fā)得到的配置代碼整體如下。

（2）批量設(shè)置虛擬主機(jī)節(jié)點(diǎn)IP的配置代碼。研發(fā)得到的配置代碼整體如下。

5 結(jié)束語(yǔ)

在有限資金投入的前提下，為了搭建更優(yōu)質(zhì)的教學(xué)和科研平臺(tái)，引入虛擬主機(jī)技術(shù)是十分必要的。虛擬技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的創(chuàng)新，全面提升教學(xué)效果，還可以構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，模擬更多的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境場(chǎng)景，降低實(shí)驗(yàn)和維護(hù)成本，充分整合高校計(jì)算機(jī)資源，滿足多學(xué)科和交叉學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，使虛擬平臺(tái)發(fā)揮更大的作用。