基于VMware虚拟架构的数字化校园平台解决方案

王良莹

(辽宁对外经贸学院)



基于VMware虚拟架构的数字化校园平台解决方案

王良莹

(辽宁对外经贸学院)

随着高校信息化建设的飞速发展，越来越多的学校事务应用需要庞大数量的服务器来支持.数量众多的服务器为建设数字化校园提供了硬件支撑，但是也带来了高成本、资源浪费和运维管理难度大等困扰.本文在简述服务器虚拟化技术及其优势的基础上，以辽宁对外经贸学院数字化校园建设为例，详细论述了基于VMware的服务器虚拟化解决方案.

数字化校园；服务器虚拟化； VMware

0 引言

随着高校信息化建设的不断深入，数字化校园建设得到了长足发展，出现了越来越多的运行在不同操作系统和软件开发平台下具有不同功能的信息系统.为了减少互相影响，一般情况下把不同的应用程序安装在不同的服务器上，这样做的结果是导致服务器数量的飙升，同时增加了大量的运行维护工作.虚拟化运行模式通过虚拟化技术将服务器等硬件资源整合起来，可以有效避免上述弊端，极大地提高服务器资源的使用效率，因而得到越来越多用户的青睐[1，6].

1 高校数字化校园建设现状

数字化校园建设就是要建设数字化的教学、科研与管理环境，它通过校园网的建设来实现信息与资源的共享互通，从而为教学、科研等管理活动服务[2].其建设目标定位为：通过数据共享和应用集成将各种校园应用整合在一个统一的门户下，为用户提供一站式资源管理和个性化服务.近年来，大部分高校都完成了数字化校园的基础建设，并以此为依托扩展了在基础教学、日常办公、课程实训等多维度的应用.可是现在的硬件平台还存在诸多问题：(1)服务器利用率较低.大多数服务器的容量利用率不足15%.(2)运维成本居高不下.大量的服务器需要巨额采购资金，而且增加了机房密度，服务器管理和应用部署工作量很大.(3)核心业务的可靠性和高可用性有待提高.目前大部分核心业务系统还是采用单机服务器来实现，若服务器出现故障将会导致应用中断，数据恢复成本昂贵、操作复杂.

2 服务器虚拟化技术综述

2.1 服务器虚拟化技术简介

虚拟化技术是当今IT领域研究的一个热点.服务器虚拟化技术有两种，一种是将一台物理服务器虚拟成多台虚拟服务器以运行不同的应用；另一种是将离散的多台物理服务器连结在一起形成分布式云计算，提供并行处理和高性能计算.由于该技术可以将集群内包括服务器在内的资源进行有效的整合，形成可以动态管理的资源池，从而提高硬件资源的使用效率，保证业务系统的敏捷性和适应能力[3].

图1 服务器集群后形成的资源池

2.2 主要的服务器虚拟化技术

2.2.1 硬件分区

硬件虚拟技术就是将硬件资源虚拟成分别拥有独立的处理器、存储和操作系统的多个分区.采用硬件分区后，可以实现多个不同的应用程序实例运行在同一台物理服务器之上.这种分区方法的局限性在于不能对资源进行灵活的调配[4].

2.2.2 完全虚拟化

完全虚拟化技术的代表产品是VMware的ESX server和Microsoft的Virtual PC、Virtual Server.该技术通过使用hypervisor在虚拟机和物理服务器之间建立一个中间层，能够让操作系统不做修改就可以安装在VM上.Hypervisor作为主机操作系统直接运行在裸机上，而由其管理的虚拟服务器运行客户端操作系统.但是hypervisor会带来处理器开销.

2.2.3 准虚拟化

准虚拟化技术又叫做半虚拟化.它通过修改用户的操作系统，使其能够与hypervisor协同工作，从而减轻了完全虚拟化情况下CPU的负荷.思杰的Xen是该技术的一个代表，由于需要对操作系统进行某些核心层面的修改，所以Xen只适用于对Linux、Solaris等开源操作系统的虚拟化处理.

2.2.4 操作系统层虚拟化

操作系统层虚拟化就是在操作系统层面增加虚拟服务器功能.在操作系统层虚拟化环境下，主机操作系统负责多个VM之间的硬件资源分配，所有VM要求运行相同的操作系统，并且彼此独立[5].由于使用了相同的操作系统，在运维管理方面相比异构环境更容易些.该技术的主要优点是本机的运行速度较快，性能较高；缺点就是不够灵活.Windows server 2008中集成了Hyper-V，提供虚拟化功能.

2.3 服务器虚拟化的技术优势

2.3.1 整合优化IT投资，提高资源利用率

在一台服务器上安装多个虚拟机来运行不同的应用程序，这种技术使得服务器的需求大大降低，节省了能源，机房也不再那么拥挤，服务器利用率提高到80%，资金和运营成本可节省50%之多[6].虚拟化技术能够实现资源池的动态集中管理，使得IT架构具有良好的扩展能力和柔性化，并且能灵活应对业务需求的改变.

2.3.2 简化管理和提高工作效率

在虚拟化环境下，服务器数量的锐减使得系统结构变得相对简单，从而能够让用户在管理和分配服务器的工作负载上，具有充分的选择空间.同时虚拟化提供的虚拟隔离层，能帮助管理人员进行硬件维护和故障排除[6]，并实现了程序更新的自动化.

2.3.3 提高数据灾备和迁移的可靠性

服务器虚拟化可以将传统的应用程序变成可移动的文件，能够实现业务系统的动态迁移和业务连续不间断运行的高可用服务器环境，是一种理想的数据灾备解决方案[6].

3 基于VMware的数字化校园平台虚拟化部署方案

3.1 数字化校园建设中的服务器功能需求

该方案以辽宁对外经贸学院数字化校园建设为例进行阐述.学校从2003年开始进行校园网建设，目前已经实现了统一的门户网站、校园一卡通和移动办公系统.目前正在进行数据中心建设，用以实现统一的数据共享与交换平台和统一的身份认证与授权平台.

为了满足学校官网和OA系统的高可靠运行，满足DNS 服务器和邮件系统的不间断运行[1]，学校已经部署了近50台服务器，但是在处理大并发访问的应对上还是能力不足.以教务平台的使用为例，每学期期初学校都会组织在校生进行网上选课，服务器和数据库在短时间内存在大量的并发访问，如果超过1800人同时在线选课系统就宕机了.此外还有学生成绩管理系统和百科园在线考试系统的使用，都要求服务器有充分的响应能力.利用虚拟化平台可以很方便实现上述目标，提高服务级别的同时还可降低整体拥有成本(TCO).

3.2 服务器虚拟化方案设计与实施

根据学校数字化校园建设的总体思路，本方案建议使用VMware vSphere5对学校目前的业务应用进行虚拟化部署.

3.2.1 VMware 虚拟化架构

VMware(Virtual Machine ware)公司是世界第四大系统软件公司，其vSphere系列产品，是VMware的企业级产品，该产品在虚拟化和云计算基础架构领域一直处于业界领先地位.中国很多保险公司、商业银行以及政府部门在建设数据中心的时候都不约而同地选择了该产品.

VMware vSphere提供的虚拟化应用产品组件具体有：(1)ESX/ESXi：是运行数据中心级应用的旗舰产品，安装在裸服务器上的强大Server，可以利用命令和工具直接在其上创建虚拟机.(2)vCenter：即虚拟中心，用于集中管理ESX/ESXi主机及其上的虚拟机.(3)vClient：客户端软件，可以使用户远程连接到虚拟中心或单个VMware主机上.(4)vCenter Converter：将物理服务器和第三方虚拟机快速转换为 VMware 虚拟机的迁移工具.(5)vMotion：在应用不中断的情况下，将正在运行的虚拟机在不同的服务器之间进行迁移.(6)SMP(Symmetric Multi-Processing)：通过 SMP单个VM可以同时使用主机服务器中的多个CPU，以处理过重的工作负载，如ERP、数据库等企业级应用的虚拟化.(7)VMFS：一种群集文件系统，它允许对同一个虚拟机的存储同时进行读写操作，支持虚拟机迁移、故障重启等新型分布式服务.(8)HA(High Availability)：即高可用性，主要提供应用程序的快速中断恢复服务.(9)DRS(Distributed Resource Scheduler)：DRS借助VMotion迁移功能在一个大的资源池中对分配给每一台虚拟机的资源进行智能优化.(10)Consolidated Backup：提供统一的在线备份功能.

图2 VMware vSphere基本组成

3.2.2 服务器虚拟化具体实施步骤

1.对服务器、存储等资源进行规划和部署

要实施服务器的虚拟化，首先是要对物理服务器进行分类.学校里的教务系统、办公系统、图书馆、一卡通等诸多业务应用，它们可能运行在Windows、UNIX、Linux等不同的操作系统平台之上，访问的数据库平台也可能不同，分类时要考虑这些因素.其次是要对虚拟服务器进行规划.规划时要考虑到业务系统扩展对服务器处理能力的需求，要结合负载、并发访问量等指标，尽量做到科学合理.最后就是对CPU、存储等硬件资源和应用、服务等软件资源进行有效的整合，建立虚拟服务器的集群[1,6].

具体实施方案是：选用基于Intel Xeon系列处理器的物理服务器和VMware vSphere5 服务器虚拟化软件进行虚拟化部署.将VCenter Server平台运行在Windows Server 2008 R2系统环境下，通过其主动管理功能发挥 vSphere 潜能，提高在虚拟基础架构各个级别上的集中控制和可见性.用户采用vClient客户端程序与vSphere 主机或虚拟中心建立连接，并对虚拟机进行管理.

共享存储网络可以使用 EMC 的光纤存储阵列，VMware vSphere主机通过 HBA 卡与网络存储相连.也可以采用IP SAN (Storage Area Network)或者 NAS (Network Attached Storage)等相对便宜的存储方式.学校可以根据资金情况自行选择存储模式.

该方案具体实施架构如图3所示.

图3 服务器虚拟化平台架构图

2. 虚拟环境搭建

(1)物理环境准备

① 服务器硬件预先安装和配置确认；

② 网络交换机安装和物理环境确认；

③ 存储系统安装和环境确认.

建议：单台服务器配置8核以上的CPU，尽可能将服务器配置到最大内存，至少配置1到3个虚拟交换机.采用同一厂商、同一产品家族和同一代处理器的服务器组成的集群，可以获得最好的VMotion兼容能力.

(2)安装VMware ESXi主机

(3)安装VMware vCenter和相关组件，连接到SQL Server数据库

(4)安装VMware vCenter Converter

(5)配置Data Centers

① 根据规划方案配置VMware Date Center；

② 创建Cluster；

③ 配置HA和DRS；

④ 配置各项监控策略参数和虚拟机默认参数；

⑤ 开启VMotion等基础功能；

⑥ 建立Swap file策略.

(6)添加VMware ESXi主机到VMware vCenter

(7)配置存储

(8)创建虚拟机网络使用的vSwitch(或dvSwitch)

(9)配置虚拟交换机端口的负载均衡和安全

(10)将ESXi主机添加至Cluster

3. 系统迁移

经过上述步骤，服务器虚拟化环境基本就准备好了.现在可以对现有的业务系统做实时迁移.不同业务系统的迁移要在仔细了解应用类型、业务关联方式等情况之后才能给出最佳方案.

(1)迁移环境检查

主要是物理服务器硬件配置检查，服务器所运行的应用系统环境需要进一步调研.

(2)数据备份

迁移前需对源主机数据进行完全备份.

(3)实施迁移

可根据应用迁移的复杂程度决定虚拟化先后顺序：较易实现P2V的应用(如可用Converter工具直接迁移的应用)可先做迁移，较难或不能做P2V迁移的应用可考虑采用重新安装方式迁移.

物理服务器的P2V的迁移方法如下：

① 安装VMware Converter (热迁)或使用Convert CD(冷迁)，或第三方工具；

② 设置Converter的网络信息；

③ 设置源机器、目标机器的相关参数(IP或主机名、用户账号、资源池和存储位置等)；

④ VMware Tool的选项设置、Custom的选项设置、电源状态选项设置；

⑤ 进行迁移.

当虚拟机运行出现故障或需要负载均衡时，VMware 的HA和DRS功能都会自动启动VMotion功能，实现几乎无中断的虚拟服务器迁移，其过程如图4所示：

图4 用VMotion实现虚拟机的迁移

(4)虚拟化测试

测试阶段的工作主要一方面是断开源物理服务器，连接目标VM，检查目标VM的运行情况；另一方面是要通过模拟各种情况下的突发故障，检测系统的可靠性和可用性.此外，可根据测试的结果调整资源分配，进行性能优化.

4 结束语

服务器虚拟化技术具有很好的技术领先性和性价比，在高校数字校园建设中值得推广.VMware的第五代虚拟架构vShpere5代表了当前主流的虚拟化技术，它将处理器和存储等硬件资源整合成一个大的资源池，保证了业务系统的敏捷性、适应能力以及站点容灾.随着虚拟化技术的创新发展和应用成熟，必将为高校数字化校园平台建设提供更先进的技术、更好的效益以及宽泛的选择性.

[1] 杨照岩,滕红丽,谷小青,等.服务器虚拟化技术在高校数据中心建设中的应用[J].农业网络信息, 2013(11).

[2] 任红军.高职院校数字化校园建设初探[J].鄂州大学学报,2012,19(2)：21-25 .

[3] 张春芳,卢献利,赵攀龙,等.虚拟化技术在企业信息系统资源整合中的应用[J].内蒙古农业大学学报:自然科学版, 2014(4).

[4] 罗国富,查贵庭,李恒贝.虚拟化技术在校园网中的应用研究[J].中国教育信息化,2010(5)：77-80 .

[5] 李永达.虚拟机应用系统的设计与实现[D].西安:西安电子科技大学硕士学位论文,2010.

[6] 卢凯.服务器虚拟化技术在数字校园建设中的应用[J].软件导刊,2012,11(6)：120-121 .The Solutions of Digital Campus Platform Based on the VMware Virtual Server Architecture

(责任编辑：李家云)

Wang Liangying

( Liaoning University of International Business and Economics)

With the rapid development of information construction of colleges and universities, more and more of the teaching, management, and other applications require large number of servers to be supported. Because of large-scale hardware platform for various activities in colleges and universities, strong support is provided at the same time, which also brought insufficient resource utilization, wasteful resource and difficult management. On the basis of the brief server virtualization technology and its advantages, Liaoning University of International Business and Economics construction of digital campus as an example, solutions are discussed based on VMware server virtualization.

Digital campus; Server virtualization; VMware

2016-04-03

TP393.18

A

1000-5617(2016)03-0042-04