基于Hyper-V的经管实验中心服务器虚拟化部署

韩友前

（江苏建筑职业技术学院实验实训管理处，江苏 徐州 221116)

高校经管类专业的实验实训教学主要是利用B/S架构的应用软件来仿真模拟企业的生产经营活动，这些应用部署在服务器上，学生使用计算机通过浏览器远程进行访问。随着企业和教学信息化建设的逐步推进，这类实训平台的数量也日益增多，从而导致对服务器的需求急剧增加。为了减少应用之间的冲突，传统的管理方式通常是一台服务器只部署一个应用。在这种烟囱式架构管理模式下，服务器的资源利用率低，应用部署周期长，管理维护困难，高可用性和数据安全难以保障[1]。

以某职业院校经管实验中心为例，该实验中心拥有200 余台计算机和4 台服务器，网络环境为千兆局域网。部署了会计、电商、营销以及物流等专业的多个应用，主要为本校经管类专业学生上课、实习、实训及技能大赛提供服务。这些应用都是采用B/S 架构，部署环境为Windows Server操作系统。其主要特点是并发访问量较低，一般不超过80个用户，对服务器性能要求不高，使用具有间断性。存在的主要问题是服务器数量需求过多，资源利用率低、分配不合理，无容灾备份。近年来，随着应用数量的不断增加，一台物理服务器只部署一个应用的管理模式弊端日益凸显。为了解决应用数量多和服务器数量有限且资源利用率低的矛盾，经管实验中心以其中一台服务器硬件损坏，需购置新服务器为契机，决定整合软硬件资源，实施服务器虚拟化。通过比较VMware vSphere、Hyper-V、Citix Xen、Linux KVM 等主流企业级虚拟化产品[2]，从易用性、使用成本、兼容性及经管类应用的特点等因素考量，最终选择了微软的Hyper-V服务器虚拟化解决方案。

1 Hyper-V虚拟化技术简介

服务器虚拟化是将服务器的硬件资源抽象为可以动态调配的逻辑资源，利用软件技术将一台物理服务器生成若干相互台隔离的虚拟服务器的一种技术，这些虚拟出来的服务器可以像物理服务器一样部署各种应用[3]。服务器虚拟化技术是一项相对成熟的技术，引入该技术可极大地提高资源利用率和运维效率，有效缓解资源和应用之间的供需矛盾。Hyper-V是微软公司出品的基于Hypervisor的企业级虚拟化解决方案。它是一种裸金属架构的虚拟化技术，轻量级的Hypervisor 虚拟化层位于硬件之上，负责为虚拟机提供隔离的运行环境及资源调度。Hyper-V 管理程序采用微内核架构，底层的Hypervisor 运行在最高特权级别下，微软称之为Ring-1，来宾操作系统内核及驱动运行在Ring0，而应用程序则运行在Ring3[4]。Hy⁃per-V的基本架构如图1所示。和其他虚拟化产品相比，Hyper-V主要有以下几个优点：

图1 Hyper-V的基本架构

1）Hyper-V 是微软公司的产品，对Windows 操作系统具有更好的兼容性，来宾操作系统无须安装任何第三方驱动。

2）Hyper-V 采用微内核架构，代码高度精简，安全稳定，执行效率高，性能接近物理服务器性能。Hy⁃pervisor 层不提供应用程序编程接口，受到攻击的可能性较小。

3）Hyper-V 和Windows 服务器高度集成，使用统一视窗风格的微软管理控制台，部署方便，操作界面友好。

2 部署过程

2.1 虚拟化基础设施规划

服务器虚拟化涉及服务器技术、存储技术和网络技术等多方面的知识[5]。在部署Hyper-V服务器虚拟化之前，要对该平台的架构和功能进行充分研究，例如故障转移群集、虚拟机动态迁移和复制功能等技术要了然于心。规划方案的好坏将直接影响着虚拟化平台最终的运行效果，应根据经管类应用对服务器要求不是很严苛，使用上具有间断性、周期性和并发访问量低的特点，充分利用现有资源，遵循技术可靠、简单实用、分步实施的原则对虚拟化平台进行详细的规划和设计。主要做好主机硬件选型、网络、存储、备份和高可用性等方面的规划。

1)服务器主机硬件选型

Hyper-V 主机是虚拟机运行的载体，其硬件性能直接决定着虚拟化平台的性能和扩展能力，选择一个配置合理，性能足够支撑虚拟机负载运行的主机至关重要。

① CPU选型

Hyper-V 虚拟化需要CPU 支持硬件辅助虚拟化（Intel VT 或AMD-V）和数据执行保护（Data Execution Prevention,DEP）技术。虚拟机使用的是逻辑处理器，它的数量是由主机CPU的核心数决定的，主机的CPU核心数越多、时钟频率越高效果越好[6]

②内存选型

Hyper-V 支持动态内存技术，即根据每个虚拟机预期负载的不同动态分配所需内存。在虚拟化中，内存的容量比速度更重要，要给管理系统保留足够的内存，可以按照每个虚拟机分配4GB或以上的内存容量配置主机内存。

2)存储规划

存储系统是虚拟化平台的重要组成部分，它的存储效能往往会成为制约虚拟化平台性能发挥的瓶颈，特别是那些部署了I/O 操作密集的数据库系统。Hy⁃per-V 主机除了支持使用本地直接连接存储，还支持IP SAN、FC SAN、NAS等多种网络共享存储方式[7]。应根性能、扩展性及使用成本等因素选择存储系统。如果虚拟机数量不多，产生的数据量较小，选择本地直接连接存储是最简单的低成本存储方式。

3)网络规划

网络是虚拟化平台的基础设施之一，Hyper-V 主机的虚拟网络将对物理网络结构产生影响。Hyper-V虚拟机需要通过主机上的网卡进行数据通信，规划网络时要保证服务器的网口数量能满足虚拟化业务需求，一般服务器都会配备至少两块网卡，如果使用网络存储或在有群集的网络环境，建议Hyper-V主机至少配置四块网卡。

根据主机硬件选型原则和存储、网络规划本案例选择戴尔Power Edge T440作为虚拟化主机，管理操作系统为Windows Server 2016 标准版，其配置如表1所示。

表1 Hyper-V主机配置

2.2 Hyper-V服务器的安装与管理

Hyper-V 有两种安装形式，一种是集成在Win⁃dows Server 操作系统中的Hyper-V 角色，另一种是独立安装的使用命令行界面的Hyper-V Server 服务器。Hyper-V 角色是图形界面的，集成在Windows Server操作系统中，其优点是安装使用方便。独立安装的Hyper-V Server 服务器是命令行界面的，其优点是安全性和稳定性较好，但操作不方便，适合有一定计算机基础的专业人员使用。Hyper-V 虚拟机的管理可以使用系统内置的Hyper-V管理器，也可以部署专业的系统中心虚拟机管理器（System Center Virtual Ma⁃chine Manager,SCVMM）[8]。因为实验中心虚拟化主机不多且架构较为简单，使用Hyper-V管理器即可满足虚拟化平台的管理维护需求。

1)Hyper-V角色安装

在虚拟化主机上安装图形界面的Windows Server 2016操作系统，然后通过“添加角色和功能”勾选“Hy⁃per-V”，选择其中一个的网卡创建外部虚拟交换机，根据向导完成Hyper-V角色的添加。添加完Hyper-V角色重启后，Hypervisor 虚拟化层就会被部署在硬件之上并接管物理服务器，原操作系统将变成一个具备管理权限的虚拟系统，同时Hyper-V管理器也会被安装在系统上[9]。

2)虚拟机的创建与应用部署

在Hyper-V 管理器中点击新建虚拟机，根据向导选择虚拟机存储位置、启动内存大小、虚拟交换机，创建虚拟硬盘，通过Windows Server 系统镜像安装操作系统完成虚拟机的创建。创建好的虚拟机可以像物理服务器一样部署各种经管类实训应用平台。由于Hyper-V 不支持虚拟机直接使用优盘，可以将应用安装软件上传到FTP服务器，然后复制到虚拟机上进行安装。

应用的部署需要一个安装了操作系统的虚拟机环境。使用Hyper-V管理器创建虚拟机步骤较多，为减少重复性操作，可以通过以下两种方式快速创建一个带操作系统的虚拟机。

1 新建一个虚拟机，安装操作系统，然后在Hy⁃per-V 管理器中将虚拟机导出，当有新的应用需要部署时，就可以导入该虚拟机，快速生成新的虚拟机，注意在导入时要选择“复制虚拟机（创建新的唯一ID）”。

2 新建一个虚拟机并安装操作系统，利用系统准备工具Sysprep 删除系统安全标识符（SID）等系统特定的信息并关机，然后将该虚拟机的虚拟硬盘拷贝到其他位置。当需要创建新的虚拟机时就可以引用该虚拟硬盘，快速生成带操作系统的虚拟机。

2.3 物理服务器迁移

虚拟化的一个实用功能是可以将现有物理服务器迁移到虚拟平台上继续提供业务服务，在没有部署SCVMM 虚拟化管理平台的环境下，通过以下三种方式可以将物理服务器迁移到Hyper-V 虚拟化平台中[10]。

1）安装微软虚拟机转换器（Microsoft Virtual Ma⁃chine Converter，MVMC），根据向导完成物理服务器到Hyper-V虚拟机的转换。

2）利用VMware公司出品的VMware VCenter Con⁃verter 工具，先将物理服务器转换成VMware 虚拟机，然后再利用Vmdk2Vhd、StarWind V2V Converter 等工具将vmdk 格式的虚拟硬盘转换为VHD 格式，然后利用此虚拟硬盘创建虚拟机。使用UEFI 启动，系统分区是GPT格式的物理机建议使用此方法。

3）对于一些使用Windows Server2008或其他早期版本的服务器，使用微软推出的Disk2vhd转换工具更方便一些，将物理服务器的磁盘转换为VHD或VHDX格式的虚拟硬盘，然后使用该虚拟硬盘作为虚拟机硬盘创建虚拟机，完成物理服务器的转换。使用Legacy BIOS 启动，硬盘分区是MBR 格式的物理服务器建议使用此方法。

2.4 高可用性的实现

将所有虚拟机放在一台服务器主机上存在较大风险，高可用性可以保证服务器在计划或非计划停机后能快速恢复业务，从而解决业务的连续性问题。Hyper-V 的高可用性可以使用故障转移群集功能来实现，但是部署故障转移群集较为复杂，需要购置专用的存储设备，使用成本较高，一般小型机构很难实现。Hyper-V 的复制功能为高可用性和容灾提供了一种简单廉价的解决方案[11]。不需要额外购置昂贵的共享式网络存储系统，只需要两台服务器即可实现虚拟机的异地复制功能。其中一台Hyper-V 主机作为主服务器，在线提供业务服务，另外一台服务器作为副本服务器处于脱机状态。在初始复制完成后，主服务器的增量数据就会根据设定频率每隔一段时间异步传输到副本服务器上。当主服务器出现故障时副本服务器就会接替主服务器继续工作，从而保证业务的连续性。复制功能的基本原理如图2所示。

图2 Hyper-V复制功能示意图

2.5 数据容灾备份

Hyper-V 主机和虚拟机在运行过程中都可能出现各种无法预料的问题，为了保障数据的安全，备份显得尤为重要。数据备份软件非常多，可以选择其中的1-2 种备份软件对Hyper-V 主机和虚拟机进行备份。数据保护管理器（Data Protection Manager，DPM）是微软企业级的数据备份解决方案，它和SCVMM 一样属于微软系统中心家族的成员，是虚拟化平台理想的备份方案，但是DPM 需要单独购买，需要安装SQL Server数据库，部署较复杂。在没有部署DPM的环境下，以下两种方式可以实现Hyper-V主机和虚拟机的备份。

1）利用Hyper-V 管理器的导入导出功能备份虚拟机，当应用部署到虚拟机并调试完毕后，导出虚拟机作为原始备份。在虚拟机无法正常运行或需要迁移到其他服务器上时，可以导入虚拟机恢复应用到初始状态[12]。

2）使用Windows Server Backup 功能备份数据。Windows Server Backup 是Windows Server 2016系统内置的一个功能，可以为小型组织或个人服务器提供基本的备份解决方案。在服务器管理器上“添加角色和功能”安装“Windows Server Backup”功能，然后根据向导对虚拟机进行一次性备份或按照计划任务定期备份。备份数据应存放在专用存储设备上，也可以利用其他闲置的服务器开启SMB或ISCSI文件服务功能建立共享存储，将备份文件存放在共享空间里。

3 运行效果

经管实验中心采用微软Hyper-V 虚拟化技术方案实施服务器虚拟化，在一台戴尔Power Edge T440服务器上虚拟出9个虚拟机，这些虚拟机和其他物理服务器一起分别部署了不同的应用，为经管类各专业实习实训教学提供服务，虚拟机资源分配及部署应用如表2所示。实施服务器虚拟化一年多来，系统运行稳定，管理高效，用户体验良好[13]。实施服务器虚拟化前后相关数据对比如表3所示。

表2 虚拟机资源分配及部署应用

表3 服务器虚拟化部署前后对比

1）提高了应用的部署效率，利用虚拟化平台快速生成虚拟机，新应用可以快速部署并交付使用。应用的部署周期由过去的从服务器采购到交付使用的数周时间缩短到了数小时的时间。

2）将服务器虚拟化成多个相互隔离的虚拟机，其中的一台虚拟机发生故障不会影响整个系统的运行，资源根据虚拟机的不同负载动态分配，实现了一台服务器部署多个应用的目的，服务器资源得到了有效利用，节约了服务器的采购和运维成本，减少了能源消耗。

3）高可用性和数据安全得到保障。利用Hyper-V 复制技术实现了在服务器出现故障时应用依然可用。利用系统内置的Windows Server Backup 备份功能保障了虚拟化平台的数据安全。

4 结束语

基于微软Hyper-V 技术的服务器虚拟化解决方案，部署简单，运行稳定，管理灵活高效，用户体验良好。该平台具备高可用性，可以动态调配硬件资源，能极大地提高资源利用率，减少了物理服务器的使用和能源消耗，满足了财会、营销、物流、酒店管理等经管类应用对服务器的需求。对于类似经管实验中心这种应用数量多、并发访问量不高的小型数据中心来说，微软的Hyper-V 虚拟化技术是一种操作简单、经济实用的理想解决方案。