VMware vSphere在构建Linux虚拟机实验平台中的应用

郭　芸, 吴　娴, 张　魁

(苏州大学 计算机科学与技术学院, 江苏 苏州　215006)



VMware vSphere在构建Linux虚拟机实验平台中的应用

郭芸, 吴娴, 张魁

(苏州大学 计算机科学与技术学院, 江苏 苏州215006)

为有效解决Linux实验管理过程中的一些常见问题,提出一种利用VMware vSphere构建Linux虚拟机实验平台的方案。阐述了该方案的设计与实现过程。该平台能为实验教学灵活、快速地定制个性化的Linux操作系统环境,并实现数据保护、云访问等多项功能,使用、管理和维护极为方便,可大大降低硬件资源和维护成本。该方案比传统方案有诸多优势,是一种较为理想的高校Linux实验平台构建方案。

实验平台； 虚拟化技术； VMware vSphere； Linux系统

1　Linux实验平台虚拟化的必要性

在高校Linux操作系统实验平台的建设[1-4]和管理中,实验室管理人员需要面对3个问题:一是目前Windows是主流操作系统,每台计算机都需要安装Windows系统,而Linux相对属于专业系统；二是Linux存在多种版本,主流的有Red Hat、Fedora、Ubuntu等,不但它们的配置方法有区别,而且版本的更新速度也非常快；三是不同的Linux实验需要配置不同的系统环境、不同的系统版本、不同的实验配置。

对于第一个问题,一般采用安装双系统的方式来解决,安装方式主要有硬盘直接安装、虚拟机方式、Live CD、Live USB等。它们各有优势,但共同的问题是难以兼顾节约硬盘资源和实现底层操作,而底层操作对于Linux实验是非常重要的。

对于第二个问题,一般的解决方式是选择一种Linux版本来安装,例如统一安装Ubuntu,管理员需要时常对系统进行升级以保持版本最新。只安装一种版本有一个缺憾,就是学生无法体验和学习不同的Linux版本。

对于第三个问题,一般只能被动地根据实验的具体要求反复配置环境。这种简单的应对方式大大增加了管理的难度和成本。

随着云计算技术热潮的兴起,采用虚拟化技术已成为企业合理利用资源的首选方式[5]。高校实验教学平台的构建也应顺应这一发展趋势[6-10]。按照这一思路,我们开发了一款基于VMware vSphere4.x的虚拟机实验平台。该平台使用VMware Web Service API来开发,实现了虚拟机申请、虚拟机模板制作与备份、虚拟机部署、虚拟机管理和使用等多项功能。通过该虚拟机管理平台,任课教师和学生可根据需要申请虚拟机资源,为实验灵活、快速地定制Linux操作系统。学生可在实验中接触到更多、更新的Linux系统版本,实验室管理人员的工作负担也大大减轻。此外,由于使用了Hadoop HDFS来存储用户的虚拟机文件和数据,学生个人信息的完备性和私密性也可以得到保障,例如保护学生在虚拟机实验平台中所做的作业、所写的文档不被剽窃等。该虚拟机实验平台为Linux操作系统课程的实验环节创造了一个坚实的基础平台支撑。下面简单介绍一下该平台,希望能为相关实验人员提供参考。

2　Linux实验平台的设计与实现

VMware vSphere是一套基于云的数据中心虚拟化平台,提供了包括虚拟化基础架构、监控、集中管理等在内的一整套解决方案,可实现服务器、网络和存储器的全方位虚拟化。它主要包括VMware ESXi Server、VMware vSphere Clien和VMware vCenter Server 3个组件。

作为一个比较特殊的管理平台,虚拟机管理平台介于服务器和用户之间,如图1所示。它可以处理虚拟机申请,也可以对虚拟机进行监控和管理。

图1　环境整体结构图

为了方便用户的使用,系统采用B/S结构；为了提高虚拟机模板及虚拟机灾备还原的速度,使用Hadoop的HDFS的文件存储；利用云终端提供可靠的访问控制；为实现临时信息互访而使用了JavaBean技术。在我校2013级计算机学院学生的Linux操作系统课程中试用了该实验平台。在试用的过程中,对机房管理人员、授课教师和学生进行了培训,并收集反馈信息完善系统。

2.1云平台的搭建

本系统使用2台装有Windows Server 2003 Enterprise x64的服务器，分别完成云平台的管理工作(即VMware vSphere服务端)和活动目录(Active Directory)功能。部署2台装有VMware ESXi服务的服务器作为虚拟主机平台。VMware vSphere客户端为1台装有Windows XP的普通PC机。另外,配置3台装有CentOS 6.3和Linux的计算机，分别运行虚拟机管理平台和Hadoop集群系统。

当VMware vSphere服务端加入活动目录后,就由它统一管理部署ESXi服务的计算机,从而实现VMware中一些高级的虚拟化功能,例如虚拟机的实时迁移、高可用性管理、分布式的资源调度等。

为了实现虚拟机模板的备份、增强系统的可靠性,使用了Linux系统中的虚拟文件功能，调用Hadoop分布式文件系统中的API实现模板文件的远程备份。

2.2基本功能实现

虚拟机管理平台的基本功能主要包括:虚拟机的申请、虚拟机模板的制作与备份、虚拟机的部署、虚拟机的管理以及虚拟机的使用。根据Linux操作系统课程的教学需求,分别针对每项功能研究了实现方法和关键技术。

(1) 虚拟机申请。为了方便师生的使用,按照简单、直观的原则来设计虚拟机申请使用界面,并提供预先制作的虚拟机模板供用户选择。考虑到申请单数据上传到后台的数据比较大、参数类型也比较多,我们使用JavaBean来实现临时信息的交互,解决多参数传递问题,从而减轻服务器的负担。在提交申请时,本系统将数据存放在JavaBean中,并由Java的数据访问接口将数据记录在数据库中,由此管理员就可以看到相关的申请信息,因而用户提交申请时不需要过多考虑申请是否满足要求。

(2) 虚拟机模板制作与备份。供用户申请时选择的虚拟机模板由系统管理员预先制作,同时为了保证部署的快速调用,模板还需要通过上传模块放在云存储上。需要通过vSphere Client访问服务器来完成模板的制作。系统管理员根据不同需要配置软硬件环境,生成OVF模板,例如根据Linux操作系统的版本更新需求或教师的教学要求添加虚拟机,配置CPU数量、内存大小和虚拟网络类型等参数,制作并导出相应的OVF虚拟机模板,最后上传至云存储备份。

(3) 虚拟机部署。系统管理员审批用户提交的申请后,在审批页面上选择ESXi主机/vCenter服务器,并根据命名规则对虚拟机命名然后提交,如图2所示。随后,通过调用后台数据库DAO文件,页面Java代码将信息传送给部署代码,完成虚拟机的部署。

图2　审批和部署虚拟机

(4) 虚拟机管理。虚拟机管理分为基本管理和高级管理。基本管理指师生对自己的虚拟机的管理,包括启动、关闭、重启等。我们设计了使用便捷的管理界面,如图3所示。只要点击某个虚拟机名称所在行的“Power On”、“Power Off”或“Restart”按钮后,就能实现该台虚拟机的启动、关闭或重启；也可勾选几台虚拟机,然后按左下角的“Power On”按钮,就能同时启动多台虚拟机。另外,为了保障虚拟机能安全、正常地运行,使用虚拟机克隆技术对虚拟机进行备份,并对主机/服务器/虚拟机进行实时监控。这些功能属于高级管理。

图3　虚拟机基本管理界面

(5) 虚拟机使用。用户登录后,可通过搜索功能查看虚拟机的占用资源情况。若有已启动的虚拟机,虚拟机使用页面上会给出提示信息,如图4所示。根据提示信息,用户可通过智能手机、普通PC等云终端的远程连接来访问相应的虚拟机。

图4　虚拟机使用页面

3　实践效果

我校“Linux操作系统”课程的实验主要分为命令行的操作和图形界面的操作两大类。由于Linux的发行版本很多,任课教师也各有所好,实验平台无法固定。近几年来,我们选择过Red Hat 9、Red Hat Enterprise 4、Fedora、CentOS、Ubuntu等各种Linux的发行版本。由于各种发行版在图形界面和命令界面都有非常大的区别,任课教师和实验室管理人员每次开课前都需要为本学期的课程重新设计实验大纲和搭建实验平台。

根据软件安装这个有代表性的实验可以说明发行版之间的区别。

在我校2012年编写的Linux实验教学大纲中有一个软件安装实验。该实验要求学生为Red Hat Enterprise Linux 4安装pidgin-2.6.6,并提供了rpm形式的安装文件。该实验连续用于2届学生,此后因为实验平台变更为Ubuntu 14,实验要求就改为:利用dpkg命令和apt-get命令为Ubuntu安装google-chrome浏览器,并为学生提供了deb形式的安装文件。在实验过程中,也不断有学生询问是否可以在Fedora系统中练习使用yum命令安装软件。

除了该实验外,还有许多Linux操作系统下的实验受Linux版本的限制而具有不同的操作方法,如图形桌面的使用和管理、用户和磁盘管理等。而利用我们开发的基于VMware vSphere的Linux实验教学平台,只需简单设置就能快速部署不同版本的实验环境。该平台已在我校2013级计算机学院学生中使用,取得了很好的教学效果,得到了师生的广泛好评。

通过实际使用效果的对比可以发现,基于VMware vSphere的Linux实验教学平台较之原来采用的“直接安装”和“虚拟机”两种方式,更具有以下优势。

(1) 设计人性化,使用方便。该实验平台中有关虚拟机的申请、使用和管理、监控等功能的设计都是以方便用户使用为主导思想的。用户在申请、使用虚拟机时,不必关心后端服务器集群是如何运作的。这大大提高了虚拟机的使用效率和服务器的资源利用率。

(2) 可创建模板,部署灵活。管理员可以将部署好的基础应用平台虚拟机创建成模板,再根据具体课程的教学计划,通过模板为上课的学生快速部署实验虚拟机。管理员再也不需要耗费大量时间重装操作系统、配置系统和安装应用。

(3) 数据的安全性较高。管理员可以通过对学生用户的权限设置对服务器关键数据进行保护,可以有效地控制学生实验课上的操作行为,并有效防范病毒、木马、黑客程序对实验平台系统的破坏。

(4) 学生可随时随地访问实验平台。学生可以在宿舍通过校园网、在校外通过互联网随时随地访问实验平台,有利于学生在课余时间及时对所学知识进行巩固复习,让有限的教学资源得到充分的利用,有助于提高教学灵活性和教学质量。

(5) 有效节省系统运行和维护成本。通过虚拟化整合方案,可以减少服务器采购数量、降低采购成本。实验室的实体设备数量减少了,也可以降低用电、空调等方面的成本。更重要的是,由于系统实现了集中管理,复杂度得到降低,从而节省了大量人工维护成本。

4　结语

Linux操作系统课程对系统环境要求较高,本文构建的基于VMware vSphere的实验教学平台能很好地满足课程对环境的要求。学生只要通过云终端设备访问平台,并根据实验所需环境提出申请,便可获得符合要求的虚拟机系统。这既不需要占用本地的硬盘资源,又能获得与本地直接安装Linux操作系统相同的使用体验,从而可以顺利实行Linux的底层操作。实验平台可以很好地解决多版本问题,版本的更新、升级也极为方便,只要管理员更改虚拟机的配置便可实现。灾备功能的设计能让用户数据和系统在故障出现后及时得到恢复。因虚拟机保存在云存储中,所以用户的

虚拟机及硬件设备都能得到有效的管理和维护并降低维护成本。该平台为高校Linux实验教学平台建设提供了一个可借鉴的方案。

该实验平台不仅能够运用于Linux操作系统课程,还可以继续向操作系统原理、程序设计、计算机网络、物联网等实践性较强的课程推广。该平台的研发对高校实验室虚拟化建设方向的发展是一个推动,同时对提高服务器资源的管理效率、规范服务器资源的使用也起到了很好的示范作用。

References)

[1] 梁正平,申向军,洪皓.Linux创新教学实验中心的建设与探索[J].实验技术与管理,2011,28(12):127-131.

[2] 马向玲,范宇明,赵安兴,等.虚拟机在嵌入式系统实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2008,25(6):86-89.

[3] 周铁成,张惠敏.DRBL在构建Linux教学实验平台中的应用[J].实验室研究与探索,2010,29(12):199-201.

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[5] IBM虚拟化与云计算小组.虚拟化与云计算[M].北京:电子工业出版社,2009.

[6] 张魁.基于VMWARE VSPHERE的虚拟机管理平台设计与实现[D].苏州:苏州大学,2013.

[7] 沈奎林,杜瑾.基于VMware vSphere虚拟化技术构建图书馆云服务平台初探[J].现代图书情报技术,2011(10):74-78.

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[9] 任昱,李青荣.基于VMware vSphere虚拟化资源管理平台研究[J].计算机应用与软件,2012,29(5):219-223.

[10] 刘晓洪.基于虚拟化技术构建校园云服务平台的研究[J].控制工程,2014,21(2):315-318.

Application of VMware vSphere in construction of Linux virtual experimental platform

Guo Yun, Wu Xian, Zhang Kui

(School of Computer Science and Technology, Soochow University, Suzhou 215006, China)

A scheme of constructing Linux virtual experimental platform with VMware vSphere is proposed to effectively solve some common problems in the process of Linux experimental management. The design and implementation of the scheme are described. The platform is easy to use, manage and maintain, on which personalized Linux operating system environment can be quickly customized for experimental teaching and a number of functions, such as data protection, cloud access, etc., can be realized. The hardware resources and maintenance costs can be greatly reduced. Practical results show that the proposed scheme has many advantages over traditional ones and is ideal for constructing university Linux experimental platform.

experimental platform; virtualization technology; VMware vSphere; Linux system

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.035

2015-12-02

江苏省高校自然科学研究项目(12KJB520017)；苏州大学高等教育教改研究课题(5731504613)

郭芸(1979—),女,江苏苏州,硕士,讲师,主要研究领域为操作系统和信息安全.

E-mail：guoyun@suda.edu.cn

TP316.8

B

1002-4956(2016)6-0136-04