虚拟服务器技术在高校经管类实验中心的应用

孙玉良，黄漫红

(北京农学院 经济管理学院，北京 昌平区 102206)

随着信息化技术的发展，高等院校计算机信息化程度越来越高，同时经济管理管类专业的应用服务与各种模拟教学实验软件也越来越多，需要的环境要求也越来越高，现在普遍的模式是一个物理服务器装了几个甚至是十几个教学模拟软件，经常出现软件互相冲突的现象。由于服务器的硬件资源是固定的，软件使用的资源是动态的，采购新的服务器硬件设备不但增加了采购和运作成本，还会造成资源浪费无法物尽其用，在这种情况下，服务器的负载只能达到其性能的10%～30%，导致了大量的硬件、存储空间以及电力消耗的浪费。同时由于不用教学应用存在许多不可预知的兼容性问题，致使好多使用资源比较小的应用，需要独占服务器来运行，其实它所使用的服务器资源非常少，这样就造成资源巨大的浪费，导致服务器数量的增长，造成了资源和经费的浪费。经管类的教学实验实习已经从过去单一的手工模拟逐步转变为利用计算机软件技术模拟实验实习的阶段。

1 当前经管类实验中心及服务器应用的现状

1.1 经管类实验中心的特点总结

1.1.1 经管类实验实习教学模拟软件众多

经管类的课程众多，涉及管理、会计、金融、市场营销等学科[1]，这些学科所需要的实验教学模拟软件主要以财务会计类、企业ERP、跨专业现代服务业类、企业竞争模拟系统、物流管理、电子沙盘等为主，同时也有各种统计教学软件，如SPSS、VIEWS、STATA等，以及各种数据库，以供老师和学生做科研的时候查询使用。以经管学院的实验中心为例，2015～2016学年，我实验教学中心承担经济管理学院工商管理、会计学、农林经济管理、国际经济与贸易、投资学、市场营销6个专业的全部实验课及部分课程实习。共涉及27门课程，共计285个实验项目、23个班、17 857人次、600学时的实验和会计实务、商务英语写作模拟实训、营销综合实训、证券投资学实训等12门的实习，共计有6 628人次、936学时；同时还负担研究生的多元统计方法与应用、农林项目投资与案例分析、财务管理与分析、中级计量经济学、中级宏观经济学、经济学研究方法论等14门课程共计2 775人次、418学时。如此众多的实验实习课程，所以对于各种实验实习软件的需求不断增加，实验教学中心目前已经购买在用的实验教学模拟软件40余套、数据库2套。对如此多的应用进行管理，且不占用过多资源，是经济管理实验室的重点与急需解决的课题。

1.1.2 经济管理类实验教学中心的实习模拟软件类型

模拟软件大致有单机版、C/S(client/server，客户端/服务器端)和B/S(browse/server浏览器/服务端)3种类型。B/S是以后发展的趋势和潮流，随着现在云计算机大数据的发展，新版本的经济管理的实验教学实习模拟的软件都改成了B/S构建模式，即使用浏览器访问/服务器及存储模式。这种模式可以让软件跨平台、跨设备来运行，可以在PC机和平板终端运行，不需要在PC上安装客户端软件，只需要浏览器即可完成软件的教学实验任务。学生通过浏览器访问服务器，即可进行相应的实验实习操作。前面已经提到实验教学中心有这种B/S架构的实验实习模拟软件40余种，这些软件分布安装在不同的物理服务器上，部分软件之间有冲突，需要经常调整。因此，经济管理实验室 B/S架构的软件对服务器提出了数量的要求。

1.1.3 不同的经管类实验实习教学模拟软件对相对应的支撑软件的版本要求也不尽相同

比如软件A可能需要SQL数据库的版本是2000，而软件B可能需要SQL2005或者SQL2008，而配置的物理服务器，由于不能同时运行多个操作系统，所以只能在同一个操作系统里边安装多个服务应用。但是，这些软件安装在一起使用起来是有冲突的，不能满足教学实验的要求，为了避免软件的相互冲突就只能在服务器安装一种软件应用，这样物理服务器的资源就会浪费。实验教学中心当时也是多种教学实习模拟软件安装在同一服务器上，经常出现的系统环境方面的冲突，导致各实验实习教学模拟软件不能兼容。这种情况下，就需要增加一定数量的物理服务器，购买物理服务器在经费上与时效上都是有时间与条件的，不会很快满足教学实验要求，所以从某种意义上说，造成物理服务器(单个服务服务器)短缺，而服务器硬件资源(单个服务器在运行应用后所剩余的CPU、内存等资源)大量闲置，没有发挥它应用的效能。

近几年，随着信息化技术的迅猛发展，云计算大数据的普及，经济管理类实验教学中心的教学软件应用不断增加。经济管理类软件应用众多的特点，对服务器的需求增大。但是随着国家政策的调整以及物理服务器的价格高等条件的制约，大量购买服务器越来越难。因此，服务器虚拟化技术是解决这一难题的好办法，也符合节约型社会要求[2]。

服务器虚拟化是将众多无序的独立服务器的硬件资源，独立形成一个个资源池，又统一分配管理，让它们的CPU、内存、存储、USB、串口等资源形成统一的一个管理资源池，管理者、使用者可以随意通过对资源池的调配来分配应用程序不同的操作系统与不同的虚拟资源，从而提高这些服务器硬件资源的利用率，简化管理，对物理服务器的资源进行整合，让服务器对应用业务变化更具适用力，更适应当前技术的发展，更加高效地运行。

从稳定与安全方面来说，服务器虚拟化技术对服务器的可用性、可靠性进行了深化，将原先无法通过单个服务器来完成的应用进行颠覆性的革命，这样就大大提高了业务应用的连续性的级别，降低了独立服务器故障率，减少由于独立服务器系统宕机恢复的时间。服务器虚拟化技术让每台服务器可以安装无数个不同操作系统与应用(在资源允许的情况下)，这样就扩大了作为每个独立服务器存在时的利用率[3]。服务器虚拟化可以将存储、网络、本地磁盘设备进行整合虚拟化，并且可以在此基础上调协防火墙，在此基础上对虚拟网络进行安全管理，对程序进行监控，通过这种集中化管理与资源再分配，再次提升服务器虚拟化技术的安全性。

1.2 目前经管类实验教学中心的服务器应用存在的问题

1.2.1 服务器资源利用率低

学校网络中心原有的一些服务，如文件服务、WEB服务等业务使用的是独立的服务器，使用频率不高，但占用相当多的物理服务器，不仅只使用了一小部分服务器的资源，而且效率也有待提升。大多数实验中心服务端的应用，为保证应用安全性和连续可靠性，服务器机房都配备独立的数据服务器并采用双热备的方式，对于多应用的服务器，则采用共享存储负载均衡或冷备方式。如果所有的应用都这样做，就会导致预备的服务器数量越来越多。虽然这些措施可以提高安全性和可靠性，但作为备用系统与服务器在备用时都处于闲置状态，没有产生它的效益。除此之外，很多学校的网络中心或实验中心都会兼顾未来一段时间(3～5年)的扩容需求，设备采购完成后，服务器机房及存储的使用一般不到50%(包含备机)，计算服务器资源负载状态一般为本身逻辑的10%～15%。按这个整体来计算，资源就形成大量浪费，得不到合理使用[4]。

1.2.2 服务器独立运行

每个物理服务器都需要独立管理、运行。随着业务的增加，应用的更新，物理服务器也会增加，每台服务器搭建一个应用，资源就相当分散，不能统一整合来管理，升级、维护等问题需要到网络中心服务器上逐一解决。

1.2.3 服务器硬件老化，应用不稳定

随着服务器开机时间的增长，应用的不断更新，服务器会自然老化，旧的服务器就无法满足日益增加的应用变化的需要，如果更换成新的服务器，应用迁移就比较麻烦，有的应用甚至需要重新购买[5]。而采购全新的服务器，一台服务器只安装一个应用的话，采购成本大，也增加了管理难度。

1.2.4 软件兼容性冲突

不少网络中心在一个独立的服务器上搭建多个应用。由于业务类型有可能相同或又有区别，众多的教学应用业务系统，不同的语言开发，不的版本，不同的老师对环境的要求，会造成很多冲突，不能做到统一管理和部署，软件也可能不能正常使用，系统的安全稳定运行达不到要求。

1.2.5 宕机停机

在硬件出现故障，需要维护升级或者扩容等情况下，安装在此物理机的教学应用业务需要停止工作，不能迁移运行，造成系统中断，影响业务教学任务与使用应用，特别是一些重要以及一些24小时不中断的应用，如财务系统、教务系统，重要的WEB应用等[6]。

1.2.6 应用业务安全性、应用的连续性要求越来越高，管理更复杂

在实际使用过程中，为了保证安全性与业务连续性，对独立服务的管理越来越高，但由于服务宕机、硬件故障致使业务中断，需要快速恢复，许多学校都采用双机或多机热备的方式，来保证应用的正常运行。利用这种方案来保证安全性与可靠性，此时备机是没有利用到的，因为备机在空闲的时间是不需要工作的。大部分业务，物理服务器都是处于开机状态，备用机既浪费资源还耗费资源，并且增加了维护的成本与工作人员的维护工作量。

1.2.7 业务应用扩展难，临时环境搭建耗时耗力

由于业务应用与业务处理量的不断增加，对服务器的运维的方案使用肯定会是一个快速增长的态势，大量应用软件与课程不断增加，数据库不断累积。还有终端硬件设备，云计算技术终端设备，单独服务器难以支撑未来业务应用的扩展要求，需要不断地增加投入[7]。而按传统方案增加应用就得增加服务器，随之增加投入成本。另外，学校临时应用环境的搭建，如部分老师需要搭建临时的测试系统，使用时间不长，但又需要硬件服务器资源；如临时考试系统，需要准备硬件资源，还要搭建软件环境，使用完以后又会迅速拆除，环境搭建费时费力，无法快速上线。

1.2.8 新应用服务器的上线部署时间久、周期长

随着教学的不断发展，新的业务系统在学校的使用会越来越多，不管是教学系统，财务系统，web应用，视频应用等，都需要独立的硬件服务器来支撑。传统的方式得采购硬件与搭建软件，然后再搭建环境，整个系统的部署时间少则一周，多达一月，系统上线的时间就可更长。

总之，在大数据信息化的当下，为了解决服务器不断增量所带的来的问题，提高服务器的资源的使用效率，同时降低采购成本与运行成本，提高业务安全性、连续性、灵活性，需要提供一个对所有服务器资源进行整合的一个平台，所以就得对服务器进行虚拟化整合来管理。

2 服务器虚拟化技术的设计方案

要实现对服务器硬件虚拟化整合资源进行统一管理，就要充分利用学校现现有资源，减少硬件投入；利用服务器虚拟化，整合学校分散应用；通过虚拟机资源分配，快速扩展应用；利用虚拟化技术，保障业务安全性[8]；考虑后期业务发展的需要，软硬件都能够支持平滑扩容同时也要考虑应用的稳定性，提高服务器资源利用率。

2.1 服务器虚拟化的设计原则

2.1.1 实用性和先进性原则

在进行虚拟化规划构件时，要根据目前已有资源进行规划，对所属应用资源进行评估，利用现在的成熟的技术、管理理念、技术和方法，建立符合当前发展要求，既节约资源，又物尽其用，如图1所示。

2.1.2 平台可靠性和稳定性

为了保证在虚拟服务器上运行的应用系统的可靠性和稳定性，其主要从虚拟化系统的整体设计架构、硬件设备的运行性能，技术实施措施规范、系统的整体管理、研发力量技术支持及运维能力等多方面进行规划设计，确保达到运行要求。

2.1.3 可扩展性和易维护性

要充分考虑系统的可扩展生和对应用平台的方便维护，要适应不断变化的应用系统，降低对电能的消耗，降低人力成本维护费用等[9]。

2.1.4 可管理性

从管理员提供仪表盘图表多种方式展现资源现状，监控主机的各项资源使用，并设置阈值报警，并及时了解各项指标状态，以对应用进行调节与重新分配。

2.1.5 安全性

内置安全组防火墙，对用户登录、权限、操作日志、程序运行日志进行安全控制，通过虚拟交换机技术设定防火墙防止网络上的非法入侵。

图1 服务器的网络拓扑图

2.2 服务器虚拟化需要的设计原则

针对经管类实验中心存在的问题，为了解决这些问题，依据虚服务器虚拟化所要遵循的设计原则，对服务器虚拟化技术的需求的设计需求做了以下几个方面的探索。

2.2.1 服务器整合，提高资源利用率，消除软件冲突

通过对服务器硬件进行虚拟化，把独立的服务服务器资源进行整合，每台独立的物理服务器通过硬件虚拟化，可以创建并同时运行多个虚拟服务器，每个虚拟服务器可以安装不同的操作系统，如Windows、Linux、Unix等常用的服务器操作系统，以此来满足教学应用个性化需求，如图2所示；每个虚拟机都可以搭建不同的教学实验实习软件，以及文件服务、计费服务、WEB服务、各种考试、学生自主学习系统、自习系统等，各应用的虚拟服务器之间相互独立、互不影响，并且可以单独将应用备份迁移出来，只要在这个平台上使用硬件虚拟货将所有的服务器管理起来，对业务的流畅运行有了保证，对资源的利用更加合理，充分发挥服务器的作用、不造成资源浪费，将服务器利用率提升至85%以上[10]。

图2 虚拟化前后服务器对比图

2.2.2 临时应用快速部署，未来应用迅速上线

通过服务器硬件虚拟化技术可将一台物理服务器虚拟化成多台服务器，并且可能通过建立好的模板，迅速生成新的应用、应用更新升级，可以快速地上线部署，只需在实现了虚拟化的服务器上创建虚拟机，搭建新的应用，无需投入新的硬件设备，解决新老应用之间的个性设置与冲突。

如果临时实验与考试需要搭建一个应用环境，可以利用以前建立好的系统模板，快速生成一个对应的应用系统，再分给此虚拟机合理的资源。此过程非常简单，无需要重新采购或安装一台新的服务器，直接生成即可[11]。使用完成后，空间与资源直接可以收回。随时随地通过远程网络都可以完成环境的部署，如等级考试、英语考试或其他老师要的临时实验实习环境，都可以按需迅速扩展，随时搭建，随时删除，简化管理，如图3所示。

图3 虚拟化服务器和应用的扩展图

2.2.3 USB及加密狗设备支持

经管类的实验教学中心的教学软件特别多，部分软件需要通过加密狗授权访问，虚拟机服务器必须可以智能读取加密狗信息，将物理服务器的加密狗映射指定给搭建了该教学软件的虚拟机使用，每个虚拟机业务系统对应相应的加密狗，不影响各教学软件厂商业务系统的授权使用方式。

1)物理服务器插入USB设备，可指定使用该USB设备的虚拟机，在管理平台上统一配置。

2)一个USB设备同时只能有一个虚拟机使用。

3)如果物理服务器USB接口有限，可通过USB集线器，接入更多USB设备，以方便被虚拟机使用，如图4所示。

图4 USB设备的分类图

2.2.4 能够定时任务，确保实验教学中心的各项业务正常运行

对批量虚拟机制定定时策略，可进行排程，每天、每周、每月，单次定时关机、重启、启动虚拟机。学校需要定期对数据中心业务服务器进行重启时可制订定时任务，确保各项服务运行正常。

如在每周上课期间，部分应用的虚拟机可以自动关机，到设置的时间自动启动，减少管理员手动开启关闭的步骤。

2.2.5 虚拟机系统动态迁移

随着服务器使用年限的增加，那些还没有更新的服务器资源比较老旧，可能出现服务器宕机情况，即使新的服务器，也可能出现各种故障，从而影响实验实习教学的开展。如果应用在虚拟服务器上，不存在与硬件兼容性问题，这样就可以有效地对业务进行迁移[12]。

1)物理服务器故障，可以利用HA高可有性动态迁移将服务自动运行在可使用的服务器上，如将考试系统或者WEB服务进行迁移，不中断不改变服务状态与数据，保证教学应用业务连续性，如图5所示。

2)服务使用高峰时段，当某个应用需要大量运算时，可以将其虚拟机的资源扩大，让有空余资源的物理资源池来接受此虚拟机的运行业务，这样就保证了应用服务质量，动态平衡资源池与数据中心的负载。

3)实验教学中心运维检修或者由于故障维护时，可将虚拟机迁移到另一台物理服务器上运行，而不是直接停掉服务器上的所有服务。

图5 虚拟机的动态迁移图

2.2.6 高峰期业务访问，应用负载均衡

在虚拟访问量高峰时段，服务器超载响应缓慢，导致某个实验教学软件经常受阻甚至中断，通过应用负载均衡，创建多个虚拟机共同承载该业务 (如报名系统、选课系统、跨专业等)，并根据虚拟机服务器优先级，在使用访问高峰时段，让核心的应用业务的访问优先获得服务器的运算资源，以支撑大量并发流；高峰时段过后，虚拟机会自动释放其虚拟机资源参与运行其他业务，按需调整，合理利用[13]，如图6所示。

图6 虚拟服务器的资源按需调整图

2.2.7 多种数据存储方式，保障数据安全

相比较传统操作系统和应用数据直接存储在物理服务器本地硬盘，在虚拟环境中，虚拟机磁盘使用远端共享存储设备，数据都集中保存在共享存储设备中，那么意味着物理服务器故障，业务数据都不会丢失，虚拟机迁移后继续正常运行。

支持直接挂在裸存储设备，虚拟机直接识别；支持ISCSI、FC、NFS、CIFS多种共享存储 方式；支持存储多路径，容错保障访问可靠性。

2.2.8 安全可靠，容灾备份

主机、虚拟机、平台、数据库底层安全加固，虚拟服务器隔离保护，平台强制访问策略，SSL安全认证、轻代理杀毒兼容，虚拟化平台无代理自动备份，定时将虚拟机、虚拟机文件、后端数据库全量、增量备份。当虚拟机故障影响业务正常运行时，可以快速进行恢复，当用存储 (FC、ISCSI等)为虚拟磁盘存储时，虚拟化支持对活动的虚拟机创建快照，并且恢复后的状态与创建时的状态完全一致。

3 结束语

综上所述，通过对服务器的虚拟化，可以远程集中管理、维护经管实验教学中心机房服务器、虚拟机、网络、数据存储，管理员远程部署服务器，实时监控业务运行情况，资源按需调整，并实现 “故障动态迁移”“负载均衡”等高可用性功能，以高弹性计算能力支撑各种实验教学模拟软件的运行，确保各个教学模拟软件的稳定、高效运行，提高了服务器资源的利用率。给应用增加更好的扩展性，让服务器运维简单化，低成本化。服务器运维离开机房远程管理，把实验教学中心的管理者从简单、重复、繁杂的工作中解脱出来，提高了运维人员的效率，同时也保证了服务器的稳定性、易用性、可持续性，解决了硬件服务器数量资源不足，节约了资源，降低了成本。在云计算大数据化的今天，高校经管类实验室服务器的管理与应用越来越迫切地需要这项技术的嵌入。

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