崔 征

（河北公安警察職業(yè)學(xué)院，河北 石家莊 050091）

隨著高校信息化建設(shè)不斷深入，校園網(wǎng)上運(yùn)行的應(yīng)用系統(tǒng)日益增長(zhǎng)，快速增長(zhǎng)的應(yīng)用需要部署大量的服務(wù)器作為硬件支撐平臺(tái)。為保證服務(wù)器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)中心建立數(shù)據(jù)中心或托管機(jī)房向服務(wù)器提供不間斷電源、溫度控制、網(wǎng)絡(luò)帶寬和安全防護(hù)等運(yùn)行支撐環(huán)境。

高校應(yīng)用服務(wù)具備下列共同特點(diǎn)：第一，應(yīng)用種類(lèi)多，系統(tǒng)環(huán)境復(fù)雜，對(duì)操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)要求各不相同。第二，服務(wù)器硬件由網(wǎng)絡(luò)中心管理，應(yīng)用系統(tǒng)由各相關(guān)職能部門(mén)負(fù)責(zé)管理和維護(hù)。第三，多數(shù)應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心對(duì)應(yīng)著一臺(tái)物理服務(wù)器。第四，部分應(yīng)用服務(wù)器運(yùn)行負(fù)荷較輕對(duì)服務(wù)器是資源浪費(fèi)。這些特點(diǎn)導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心在管理和維護(hù)大量服務(wù)器時(shí)面臨系統(tǒng)管理復(fù)雜、資源利用率低、安全控制與數(shù)據(jù)備份困難等問(wèn)題。如何解決上述問(wèn)題成為數(shù)據(jù)中心建設(shè)與運(yùn)行中重點(diǎn)考慮的因素。將虛擬化技術(shù)應(yīng)用到校園網(wǎng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，可較好地解決當(dāng)前數(shù)據(jù)中心面臨的一系列問(wèn)題，為數(shù)據(jù)中心服務(wù)器部署提供了一種新的解決方案。

一、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器管理面臨的問(wèn)題

（一）維護(hù)管理水平低

采用獨(dú)立服務(wù)器的方式進(jìn)行部署，需要投入大量的人力、物力為每一個(gè)物理服務(wù)器進(jìn)行維護(hù)。不同時(shí)期購(gòu)買(mǎi)的服務(wù)器給維護(hù)帶來(lái)了困難，硬件設(shè)備的多樣性導(dǎo)致系統(tǒng)恢復(fù)需要較長(zhǎng)時(shí)間，服務(wù)器出現(xiàn)問(wèn)題后停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)。

（二）資源利用率不高

多數(shù)服務(wù)器利用率不高，對(duì)服務(wù)器資源的利用只有20%左右，這些服務(wù)器占用了大量的數(shù)據(jù)中心空間和運(yùn)行支撐資源。

（三）存在安全隱患

數(shù)據(jù)中心為學(xué)校各院系、管理部門(mén)提供Windows虛擬目錄存放二級(jí)網(wǎng)站。Windows虛擬目錄隔離性差，常出現(xiàn)一個(gè)網(wǎng)站染毒或后臺(tái)代碼漏洞故障導(dǎo)致整臺(tái)服務(wù)器癱瘓影響其他部門(mén)網(wǎng)站的情況。

（四）數(shù)據(jù)備份困難

應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，不同的硬件平臺(tái)與操作系統(tǒng)給系統(tǒng)備份與快速恢復(fù)帶來(lái)了困難，管理員難以對(duì)不同的系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)備份，不能快速恢復(fù)軟件系統(tǒng)。

二、虛擬化技術(shù)

軟件虛擬化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要有完全虛擬化、部分虛擬化和操作系統(tǒng)層虛擬化三種方式，區(qū)別在于虛擬機(jī)監(jiān)控層 (Virtual Machine Monitor，VMM)所在位置、功能與實(shí)現(xiàn)方式有所不同。

（一）完全虛擬化

完全虛擬化技術(shù)通過(guò)在虛擬機(jī) （Virtual Machine)和宿主機(jī) (Host)底層硬件之間建立抽象層虛擬機(jī)監(jiān)控層來(lái)管理各個(gè)虛擬機(jī)。通過(guò)VMM層，完全虛擬化技術(shù)模擬出多個(gè)BIOS級(jí)的完整虛擬硬件平臺(tái)，單硬件平臺(tái)上可運(yùn)行多個(gè)異種類(lèi)型的操作系統(tǒng)虛擬機(jī)。虛擬機(jī)對(duì)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)完全透明。完全虛擬化的缺點(diǎn)是VMM中間層代碼轉(zhuǎn)換會(huì)給宿主機(jī)帶來(lái)一定開(kāi)銷(xiāo)。該技術(shù)主要代表是EMC公司的VMware和Microsoft公司的Virtual Server。

（二）部分虛擬化

部分虛擬化也稱(chēng)為準(zhǔn)虛擬化。為了減輕宿主機(jī)的負(fù)擔(dān)，部分虛擬化技術(shù)通過(guò)使用虛擬化應(yīng)用接口(API)來(lái)定制客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)內(nèi)核，以替代不可虛擬的某些X86特權(quán)指令，使其與VMM層協(xié)同工作，從而提升虛擬機(jī)性能。部分虛擬化的缺點(diǎn)是虛擬機(jī)對(duì)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)不完全透明。部分虛擬化技術(shù)的代表是使用開(kāi)源虛擬化技術(shù)的Xen。

（三）操作系統(tǒng)虛擬化

操作系統(tǒng)虛擬化的概念是在一個(gè)公用操作系統(tǒng)中復(fù)制出多個(gè)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)運(yùn)行鏡像。操作系統(tǒng)虛擬化技術(shù)沒(méi)有獨(dú)立的VMM虛擬化處理層，提供了一種更瘦的虛擬架構(gòu)體系。該虛擬化方式效率較高，但不能在單宿主機(jī)上實(shí)現(xiàn)異種操作系統(tǒng)客戶(hù)虛擬機(jī)部署。SWsoft公司的Virutozzo和Sun公司的Solaris Container采用了操作系統(tǒng)虛擬化技術(shù)。

（四）CPU輔助虛擬化功能

虛擬化技術(shù)在一個(gè)宿主機(jī)中支持多個(gè)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)運(yùn)行，需要通過(guò)VMM軟件層來(lái)調(diào)度客戶(hù)機(jī)對(duì)宿主機(jī)CPU、內(nèi)存和I/O資源的申請(qǐng)。傳統(tǒng)X86架構(gòu)的CPU并不是為支持多個(gè)操作系統(tǒng)并行運(yùn)行而設(shè)計(jì)，客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所需的特權(quán)指令 (rivilege0)依靠VMM軟件層模擬實(shí)現(xiàn)，軟件模擬將會(huì)帶來(lái)性能上的損失。虛擬化技術(shù)的發(fā)展和重要性使Intel與AMD兩大CPU制造商都重新設(shè)計(jì)了X86架構(gòu)，分別提供Intel VT-x和AMD VC兩種CPU硬件輔助虛擬化 (Hardware Virtualization Assistance)技術(shù)來(lái)提高虛擬機(jī)效率。硬件輔助虛擬化在CPU芯片內(nèi)創(chuàng)建了新的ring-1特權(quán)層，讓VMM運(yùn)行在ring-1位置，VMM成一個(gè)VM控制結(jié)構(gòu)來(lái)支持每個(gè)新虛擬機(jī)，并提供一組新指令集用來(lái)建立、管理和退出各種VM。并在VMM和VM之間提供了內(nèi)容交換框架 (Framework for Context-Switching)，通過(guò)讓虛擬機(jī)也能執(zhí)行ring 0特權(quán)指令，消除了操作系統(tǒng)的ring特權(quán)轉(zhuǎn)換問(wèn)題，降低了虛擬代碼轉(zhuǎn)換帶來(lái)的損耗。

三、虛擬化軟件平臺(tái)的選擇

（一）虛擬化技術(shù)實(shí)施考慮因素

數(shù)據(jù)中心使用虛擬化技術(shù)，需要充分考慮以下五種因素：

1.應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)CPU、內(nèi)存、I/0設(shè)備的需求

將一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)遷移到虛擬機(jī)中，需評(píng)估應(yīng)用對(duì)計(jì)算機(jī)資源的需求，視頻服務(wù)這類(lèi)連續(xù)占用計(jì)算機(jī)資源的應(yīng)用并不適合遷移到虛擬機(jī)中。

2.擬整合的物理服務(wù)器數(shù)量

整合服務(wù)器的數(shù)量與宿主機(jī)硬件性?xún)r(jià)比之間的關(guān)系需要平衡。

3.虛擬機(jī)運(yùn)行的操作系統(tǒng)類(lèi)型

是否需要多種操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)同時(shí)運(yùn)行。

4.采用何種虛擬化技術(shù)

5.虛擬機(jī)實(shí)施的軟件費(fèi)用

（二）虛擬化技術(shù)比較

虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的三種方式從隔離性與兼容性方面的比較是：完全虛擬化>部分虛擬化>操作系統(tǒng)層虛擬化；從虛擬機(jī)的運(yùn)行效益比較是：完全虛擬化<部分虛擬化<操作系統(tǒng)層虛擬化。隔離性與運(yùn)行效益是虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)必須考慮的兩個(gè)主要因素，各種技術(shù)方式都是在這一對(duì)矛盾因素中尋求平衡點(diǎn)。完全虛擬化方式具有良好的隔離性、兼容性與靈活性，缺點(diǎn)是VMM軟件層代碼轉(zhuǎn)換會(huì)帶來(lái)一定的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)。CPU輔助虛擬化硬件技術(shù)的出現(xiàn)使完全虛擬化由軟件層模擬的功能已逐步轉(zhuǎn)向硬件化，虛擬化效率不斷提高。隨著CPU輔助虛擬化技術(shù)的不斷完善，完全虛擬化技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景。

（三）VMware Server虛擬機(jī)軟件

VMware公司是完全虛擬化技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，提供從桌面虛擬開(kāi)發(fā)環(huán)境VMware Workstation、虛擬服務(wù)器VMware Server到虛擬數(shù)據(jù)中心平臺(tái)VMware Infrastructure的全方位虛擬應(yīng)用。VMware Server是中小型虛擬服務(wù)器應(yīng)用套件，宿主機(jī)可運(yùn)行于Windows與Linux平臺(tái)，單一宿主機(jī)上同時(shí)支持 Windows、 Linux、 Netware、 Solairs等 32位與64位操作系統(tǒng)虛擬機(jī)。兼容Intel公司的CPU輔助虛擬化技術(shù)，提供客戶(hù)機(jī)虛擬對(duì)稱(chēng)多處理 (SMP)功能。VMware Server配合VMware Converter工具可完成應(yīng)用系統(tǒng)從物理服務(wù)器動(dòng)態(tài)遷移到虛擬機(jī)。VMware Server軟件免費(fèi)發(fā)放，構(gòu)架如圖l所示。綜合考慮系統(tǒng)的兼容性、靈活性與軟件費(fèi)用等因素，VMware Server是校園網(wǎng)數(shù)據(jù)中心這類(lèi)中型虛擬化應(yīng)用的最佳軟件平臺(tái)。

圖1 Vmware Server的結(jié)構(gòu)

四、VMServer虛擬機(jī)的實(shí)施

（一）宿主機(jī)硬件平臺(tái)

宿主機(jī)上要運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)，系統(tǒng)負(fù)擔(dān)較重，需要從CPU、內(nèi)存及I/O三個(gè)方面考慮硬件平臺(tái)的配置。

1.CPU的選擇

完全虛擬化技術(shù)中，具備輔助虛擬化功能的CPU將會(huì)大幅提升虛擬服務(wù)的運(yùn)行效益。VMware Serve兼容Intel-VT技術(shù)。Intel公司Conroe核心的CPU均具備VT功能，可選擇Intel的多核心系列CPU。

2.內(nèi)存

VMware Server內(nèi)存管理使用預(yù)分配方式，宿主機(jī)物理內(nèi)存的配置取決于運(yùn)行的虛擬機(jī)個(gè)數(shù)與每個(gè)虛擬機(jī)預(yù)分配內(nèi)存的大小。宿主機(jī)操作系統(tǒng)自身運(yùn)行需要一定的內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)，而虛擬機(jī)的硬盤(pán)讀寫(xiě)速度與宿主機(jī)分配多少內(nèi)存作為文件緩沖相關(guān)。宿主機(jī)物理內(nèi)存應(yīng)不小于全部虛擬機(jī)所需內(nèi)存總和加上lGB。

3.磁盤(pán)子系統(tǒng)

虛擬機(jī)的硬盤(pán)對(duì)于宿主機(jī)而言是以文件方式存在。虛擬機(jī)的讀寫(xiě)最終會(huì)轉(zhuǎn)為宿主機(jī)的I/O動(dòng)作，所以宿主機(jī)的磁盤(pán)子系統(tǒng)吞吐能力容易形成瓶頸。宿主機(jī)需選用并發(fā)讀寫(xiě)性能較好的SCSI硬盤(pán)，并通過(guò)RAID 5或RAID 0+l方式提高硬盤(pán)子系統(tǒng)的速度和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性。

（二）宿主機(jī)操作系統(tǒng)選擇

VMware Server的宿主機(jī)操作系統(tǒng)支持Linux和Windows系統(tǒng)。選擇何種操作系統(tǒng)作為宿主機(jī)支撐平臺(tái)需從穩(wěn)定性、運(yùn)行效益、客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)幾方面綜合考慮。

1.host操作系統(tǒng)平臺(tái)穩(wěn)定性

Linux平臺(tái)在內(nèi)存分配、系統(tǒng)資源占用，進(jìn)程調(diào)度、遠(yuǎn)程管理等方面更加高效與靈活。Windows系統(tǒng)在易用性與管理性方面具有優(yōu)勢(shì)。從系統(tǒng)平臺(tái)的穩(wěn)定性考慮，Linux系統(tǒng)優(yōu)于Windows平臺(tái)。

2.虛擬機(jī)與宿主機(jī)操作系統(tǒng)一致

虛擬機(jī)以文件方式存在于宿主機(jī)，虛擬機(jī)的讀寫(xiě)盤(pán)的動(dòng)作對(duì)于宿主機(jī)而言是文件讀寫(xiě)。測(cè)試表明在虛擬機(jī)與宿主機(jī)具備相同操作系統(tǒng)時(shí)，虛擬機(jī)具有較高的I／0性能。虛擬機(jī)與宿主機(jī)為異種操作系統(tǒng)時(shí)，不同文件格式的轉(zhuǎn)化帶來(lái)較大的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，降低了虛擬機(jī)的I／0性能。當(dāng)虛擬機(jī)運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)時(shí)應(yīng)選擇Windows作為VMware server的宿主機(jī)支持環(huán)境。

（三）VMware Server的獲取

VMware Server當(dāng)前發(fā)布版本為2.0，提供Windows版本和Linux版本。兩個(gè)版本和VMware Converter工具均可從http://www.vmware.com/網(wǎng)站獲取，在線(xiàn)注冊(cè)后免費(fèi)獲取軟件授權(quán)碼。

（四）VMServer的部署

在校園網(wǎng)數(shù)據(jù)中心部署一套VMware Server系統(tǒng)，建立8個(gè)Windows和4個(gè)Linux虛擬機(jī)面向?qū)W校的應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)。宿主機(jī)硬件配置為Intel 3GB Xeon X5450 CPU*2，8 GB內(nèi)存，146 GB SCSI盤(pán)*3，千兆網(wǎng)卡*2。

1.安裝VMware Server宿主機(jī)

（1）進(jìn)入宿主服務(wù)器SCSI管理程序?qū)⑷齻€(gè)146 GB的SCSI硬盤(pán)建為RAID5邏輯盤(pán)。

（2）規(guī)劃好分區(qū)后在宿主機(jī)上安裝Windows 2003操作系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)Web方式遠(yuǎn)程管理，IIS服務(wù)組件必須安裝，安裝完畢后關(guān)閉一切不必要的Windows服務(wù)進(jìn)程以提高宿主機(jī)的安全性和降低資源占用。

（3）安裝 VM SERVER 2.0組件，填寫(xiě)VMware網(wǎng)站上注冊(cè)時(shí)獲得的授權(quán)碼。

2.建立虛擬機(jī)

（1）虛擬機(jī)硬件資源分配。根據(jù)各應(yīng)用系統(tǒng)需求建立虛擬硬件資源分配表，合理分配宿主機(jī)資源。

（2）使用VM Server Control建立虛擬機(jī)硬件資源。對(duì)CPU需求較高的虛擬機(jī)可啟用SMP功能。虛擬機(jī)內(nèi)存和物理磁盤(pán)大小根據(jù)應(yīng)用分配。硬盤(pán)類(lèi)型選用SCSI方式，硬盤(pán)空間選擇立即配方式，空間動(dòng)態(tài)分配方式的I/0效率非常低，不建議使用。為虛擬機(jī)添加網(wǎng)卡并分配工作網(wǎng)段。

（3）安裝虛擬機(jī)操作系統(tǒng)。VMServer虛擬機(jī)的光驅(qū)支持加載ISO鏡像文件，將操作系統(tǒng)光盤(pán)轉(zhuǎn)為ISO鏡像存放在宿主機(jī)中，可提高虛擬機(jī)操作系統(tǒng)的安裝速度和便于以后添加系統(tǒng)組件。操作系統(tǒng)安裝完畢后，啟動(dòng)虛擬機(jī)，在VMServer Control的VM菜單-->Install VMware tool選項(xiàng)中為虛擬機(jī)操作系統(tǒng)安裝VMware提供的管理和驅(qū)動(dòng)軟件以提高虛擬機(jī)的性能。

（4）復(fù)制多個(gè)虛擬機(jī)。將安裝完畢的第一個(gè)虛擬機(jī)作為樣板，可快速地復(fù)制多個(gè)同類(lèi)操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)。在宿主機(jī)中打開(kāi)VMware Server存放第一個(gè)虛擬機(jī)的目錄，將此目錄全部?jī)?nèi)容拷貝到新目錄。 在 VMware Server Control的 File-->Import菜單中打開(kāi)新拷貝目錄中的vmc后綴文件，啟動(dòng)新虛擬機(jī)時(shí)系統(tǒng)會(huì)提示建立新的虛擬機(jī)識(shí)別(UUID)號(hào)。

（5）遷移服務(wù)器到虛擬機(jī)。服務(wù)器中運(yùn)行的應(yīng)用系統(tǒng)可使用VMware Converter工具遷移到一個(gè)虛擬機(jī)中。

（五）VMware Server的管理

傳統(tǒng)對(duì)物理服務(wù)器的管理是使用本地控制臺(tái)方式。VMware Server提供了基于IP地址的虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程管理功能，系統(tǒng)管理員可在任何地方通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)虛擬機(jī)進(jìn)行BIOS級(jí)管理與監(jiān)控。

1.Web遠(yuǎn)程管理

安裝VMware Server時(shí)選擇Web管理組件，可通過(guò)http://宿主機(jī)IP：端口號(hào)的方式遠(yuǎn)程管理與監(jiān)控虛擬機(jī)。Web管理界面提供了宿主機(jī)與每個(gè)虛擬機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，CPU、內(nèi)存等使用情況，可遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)重啟動(dòng)每個(gè)虛擬機(jī)。Web管理界面如圖2所示。

圖2 Vmware Server Web遠(yuǎn)程管理

2.控制臺(tái)遠(yuǎn)程管理

虛擬機(jī)控制臺(tái)提供了虛擬機(jī)屏幕管理功能，通過(guò)遠(yuǎn)程控制臺(tái)可以完成新建、導(dǎo)入虛擬機(jī)，改變虛擬機(jī)的硬件配置，調(diào)整虛擬機(jī)的BIOS參數(shù)，對(duì)運(yùn)行中的虛擬機(jī)進(jìn)行軟件安裝與調(diào)試等功能。所有的遠(yuǎn)程操作與管理員通過(guò)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)管理服務(wù)器完全相同，如圖3所示。

3.控制臺(tái)光驅(qū)遠(yuǎn)程掛接功能

光驅(qū)遠(yuǎn)程掛接功能是將遠(yuǎn)程控制臺(tái)所在計(jì)算機(jī)的光驅(qū)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分配給宿主機(jī)中的虛擬機(jī)。當(dāng)管理員需要將光盤(pán)數(shù)據(jù)裝入虛擬機(jī)時(shí)，不需要將這張光盤(pán)放入宿主機(jī)光驅(qū)，只需在VM Server Control中將控制臺(tái)光驅(qū)遠(yuǎn)程掛接到虛擬機(jī)中，為遠(yuǎn)程管理與維護(hù)帶來(lái)了極大的方便。

4.快照功能

通過(guò)VMware Server Control控制臺(tái)，可對(duì)運(yùn)行中的虛擬機(jī)進(jìn)行快照 (Snapshot)。執(zhí)行快照時(shí)，VMware Server將對(duì)整個(gè)虛擬機(jī)的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)備份，生成快照文件。虛擬機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題后，使用快照恢復(fù)功能，幾分鐘內(nèi)即可恢復(fù)宕機(jī)的服務(wù)。

圖3 Vmware Server Control控制臺(tái)

五、 結(jié)束語(yǔ)

虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)是計(jì)算機(jī)技術(shù)的又一次創(chuàng)新，它改變了操作系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)硬件之間的層次關(guān)系。虛擬化軟件作為一個(gè)中間件出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中，通過(guò)整合計(jì)算平臺(tái)動(dòng)態(tài)分配資源的方式提高了計(jì)算機(jī)硬件的利用率，向上提供了一致的虛擬硬件平臺(tái)，使得系統(tǒng)的遷移、備份均與硬件無(wú)關(guān)，且易于管理與維護(hù)。VMware Server是完全虛擬化技術(shù)的代表性應(yīng)用，其功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性好、免費(fèi)發(fā)放，適用于校園網(wǎng)數(shù)據(jù)中心虛擬服務(wù)器的建設(shè)。數(shù)據(jù)中心使用虛擬化技術(shù)解決了物理服務(wù)器資源利用率低、維護(hù)困難、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，提高了維護(hù)管理水平降低了建設(shè)成本。

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