云计算环境下数字图书馆高性能虚拟化资源管理与调度策略

●陈 臣

（兰州商学院 网络中心，兰州 730020）

1 引言

近年来，云计算技术已成为数字图书馆建设、运营、维护、扩展的核心技术，是云图书馆优化IT基础设施架构和提高读者云阅读活动满意度的基础策略。在关系云图书馆读者服务能力和市场竞争力的众多因素中，云系统安全性、运行效率、能源损耗、可控性和总体拥有成本是构成云图书馆可用性评估的主要内容，而虚拟化则是关系云资源大规模整合、动态调度、弹性管理、性能优化的支撑技术。

2 云图书馆虚拟化资源管理内容与需求

2.1 云图书馆虚拟化资源管理内容

虚拟化是云计算技术的核心组成部分，也是云图书馆服务平台构建与云服务活动开展的基础。虚拟化技术通过对云系统中的操作系统、计算系统、存储设备、网络资源、应用软件、硬件等要素实施虚拟化管理，为用户提供一个通用的虚拟化资源逻辑访问接口，从而隐藏系统属性和应用操作之间的差异，实现了云资源高效、安全、统一、动态、经济、自动化的管理与调度。云虚拟化应用内容涵盖数字图书馆系统规划、组织建设、运营维护、扩展升级的各个环节，主要分为服务器虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化、应用虚拟化、平台虚拟化和桌面虚拟化。

2.1.1 服务器虚拟化

服务器虚拟化是一种将底层物理设备与上层操作系统、软件分离的去耦合技术。它将硬件、操作系统和应用程序统一装入一个可迁移的虚拟机档案文件中，利用虚拟化管理软件将多个物理设备划分为一个大的资源池统一管理，从而增强了不同物理设备之间的耦合性。

云图书馆可在单一物理服务器上同时运行多个虚拟机，在提高云资源利用率和降低能耗的前提下实现服务器的多用户共享。此外，服务器虚拟化可根据云图书馆读者群数量和阅读内容，对云资源实施弹性管理与灵活分配，实现了云服务器系统的快速部署、软件发布和系统备份。同时，可根据云应用需求在不同服务器上实现虚拟机的直接迁移，确保虚拟化服务器具有较强的安全性、便捷性、可靠性和可扩展性。[1]

2.1.2 存储虚拟化

云图书馆存储虚拟化指利用虚拟化技术，将多个存储设备或存储系统虚拟化为一个大的存储资源池统一管理，实现了存储系统资源的逻辑映像与物理存储设备管理分离。并在存储资源管理上屏蔽了图书馆云存储系统底层基础架构的复杂性，为图书馆系统管理员提供了云存储系统全面、详细、简单、无缝的存储虚拟化结构逻辑视图。管理员可根据用户云存储服务的内容和性能要求，统一、按需、经济、可扩展地为用户提供数据存储功能服务，实现了云图书馆存储系统功能的整合、更新、扩展和优化。

2.1.3 网络虚拟化

网络虚拟化主要由网络核心层虚拟化、网络接入层虚拟化和虚拟机网络交换组成。核心层网络虚拟化是云图书馆数据中心核心网络设备的虚拟化，其主要目标为提高网络核心层交换系统的安全性、利用率、灵活性、可扩展性，为云系统资源的动态伸缩和灵活调度提供高效的核心层网络数据交换支持。网络接入层虚拟化技术确保数据中心接入层支持新的以太网技术，使用户可以多种灵活的部署方式接入网络。虚拟机网络交换通过创建虚拟网络交换机和对物理网卡实施虚拟化，在同一物理设备内部为不同的虚拟机提供虚拟化数据流量交换和虚拟网卡数据传输功能。

网络虚拟化通过对不同用户和虚拟机逻辑上的隔离，使其虚拟设备数据传输具有相对独立性和可监控性，确保虚拟化网络安全、可管、弹性、可扩展，为云图书馆虚拟化应用和云阅读服务数据提供科学、安全、可控、经济的虚拟化数据传输服务。[2]

2.1.4 平台与应用虚拟化

平台虚拟化是为提高云图书馆管理和应用服务程序开发效率，由云图书馆管理员集成各种开发资源而虚拟出的一个面向开发人员的统一接口。云图书馆管理和应用服务程序开发者可根据管理和读者云服务应用系统需求，在集成的虚拟平台中开发各种管理和应用软件并嵌入到云计算系统中，以提高云图书馆的管理效率和读者云阅读服务质量。

应用虚拟化是把云应用对底层系统和硬件的依赖抽象出来，通过虚拟化技术屏蔽了底层可能与其他应用产生冲突的内容，从而解除应用与操作系统和硬件的耦合关系，使云应用系统降低了对操作系统和硬件设备的依赖性，提高了应用系统在云计算环境中的独立性、可移植性和可扩展性。

2.2 云图书馆虚拟化资源管理需求

2.2.1 虚拟机的可迁移性需求

图书馆读者云阅读活动具有突发性和云资源需求海量的特点，如果采取人工静态的资源分配方式，则无法满足图书馆云系统管理和开展云阅读服务活动，对虚拟机创建与云资源分配的即时性需求。因此，虚拟机资源应根据云图书馆运营需求实现动态调整和实时迁移。为了确保云系统高效管理和不间断服务，要求虚拟机在迁移过程中不停机并保证云服务的连续性，安全、实时、快速、无缝地完成虚拟机在不同物理服务器间的迁移。加强对虚拟机迁移过程的监控、管理，要求虚拟机在迁移过程中不应增加虚拟化网络拓朴结构的复杂度，以及降低云系统运营的效率与安全性。

2.2.2 虚拟化网络的数据传输高效性需求

云计算环境下，数字图书馆虚拟化网络具有网络拓朴结构复杂、易变，虚拟化核心链路数据交换任务重，网络内部虚拟机分布不均衡且突发虚拟化数据流量大的特点。因此，科学规划虚拟化网络结构并减少虚拟交换设备的数量以及有效均衡虚拟化核心链路数据传输压力，是提高虚拟化网络传输效率的关键。在正确规划物理网络设备（交换机、路由器、防火墙等）拓朴结构的同时，应加强虚拟交换设备的创建、管理和安全界限划分，实现虚拟化网络设备与虚拟数据流量的有效监控和可视化管理，不断提高虚拟化网络安全策略部署的科学性和有效性，确保虚拟化数据传输安全、高效、经济、可控。[3]

2.2.3 虚拟化资源调度的科学性需求

云阅读应用服务是由图书馆云管理、云计算、云存储、云网络等多系统共同支持，通过对云资源的合理分配、调度而实现云服务系统效率最优和低碳运营。

（1）云系统资源调度应根据读者云阅读服务活动的优先级别、任务量、服务标准、云系统总效率而制定分配策略，确保调度策略具有较高的时效性和可执行性，能够在降低云资源消耗成本的前提下简化资源调度复杂度。（2）图书馆云资源调度应符合相应的云计算标准，可确保云资源在不同系统、不同用户、不同应用层面之间自由调度。（3）图书馆云数据中心虚拟资源管理应坚持统一部署、集中管理、按需调配、分布使用的原则，实现资源的智能自动化部署、管理、监控和优化。

2.2.4 实现虚拟化资源的细粒度管理需求

云图书馆虚拟化资源管理具有涉及内容广泛、过程复杂、低层物理设备差异性强、智能自动化要求高的特点。因此，在云计算复杂环境中实现虚拟化资源的细粒度管理，是大幅提高云图书馆系统资源使用效率和降低运营成本的关键。

（1）云图书馆虚拟化资源调度、管理中，要求虚拟化资源管理系统对服务器、存储器、网络设备、操作系统、中间件、应用程序的云资源有效实施监控，并根据云虚拟化池资源总量和云系统应用资源需求，智能、自动化地进行云资源细粒度管理与分配。（2）在云虚拟化资源管理中，要求监控系统可根据所监测到的云资源分配、使用和利用效率数据，对云资源管理、分配策略进行动态优化。

2.2.5 保证资源管理过程的规范、连续性

图书馆云数据中心资源管理过程可分为资源发现、资源监控、资源存储和资源调度四部分。（1）要求资源管理系统能够快速、自动地发现用户所需要的虚拟资源，实现所发现虚拟资源与物理设备之间的逻辑关联。资源监控系统可自动监测基础硬件设施资源的状态、 性能，以及资源实现虚拟化后的管理、分配状况和效率。（2）资源监控系统能够自动监测虚拟资源的状态、 性能，及时将虚拟资源的创建、划分、分配、释放、回收信息传输到分析系统，以提高资源的管理效率。（3）资源调度系统能够对不同的资源管理、调度策略进行评判，并依据所监控的管理效率数据进行云资源调度系统的自我完善，实现资源调度策略的最优化配置。[4]

3 云图书馆高性能虚拟化资源管理与调度策略

3.1 以读者云服务业务为核心的虚拟资源管理与调度

图书馆读者云服务业务开展的内容、对象、有效性与经济性，是决定云虚拟化资源管理、调度模式、安全、效率与策略的主要因素。因此应确立以读者云服务业务为核心的虚拟资源管理、调度策略，提高虚拟化应用的云资源保障水平。

（1）应提高云图书馆虚拟化资源管理系统对云计算、云存储、云网络资源的虚拟化协调管理水平，实现对云系统虚拟化资源的完全、绝对控制与调度，管理系统应具有较强的开放性。（2）虚拟化管理、调度系统接口符合云计算标准规范，可兼容不同厂家、不同性能、不同操作系统、不同程序语言环境为开展云阅读服务业务，自动实现系统内部的任务部署和资源分配。可开展基于读者云服务应用管理的质量监控和评估，自动、智能化地实现对虚拟资源管理与调度活动的优化。（3）虚拟化管理、调度系统可根据读者云服务业务的迁移，而实现安全策略的自动化迁移。能够为每个虚拟化应用划分相应的安全管理策略组，并依据安全需求对策略组进行即时调整和规划、管理。虚拟化应用迁移后，及时根据迁移后虚拟化安全环境变化特点采取新的安全策略，并应用到新的虚拟化设备资源管理与调度活动中。[5]

3.2 加强虚拟化管理、调度平台的功能性建设

云计算环境中，虚拟化资源具有系统结构复杂、迁移性强、虚拟环境稳定性差、管理过程可控性低的特点。因此在云图书馆虚拟化管理、调度平台建设中，首先应坚持平台管理与调度对象广泛、过程简单、服务交互、成本低廉的原则，重点加强管理与调度平台的安全管理、资源管理、策略管理、监控管理的水平建设，在平台虚拟化资源管理过程中实现可视化、可控化管理。其次，由于虚拟机的动态迁移和网络拓朴结构具有不稳定性，且系统与网络边界变得模糊、易变。为了提高管理、调度平台对虚拟化资源的可控性，应提高平台对虚拟化资源的整合与分解能力，根据云资源总量与用户实际需求实现动态资源调配。第三，在虚拟化管理、调度平台界面设计中，应提高管理界面的可视化、友好性设计水平。管理员可通过可视化界面，实现对所有物理服务器、虚拟机运行情况的即时监控，实现对全部虚拟资源的管理、维护及部署等操作。最后，在虚拟化管理、调度平台功能设计中，应确保管理与调度任务统一界面、统一部署、统一管理和统一维护，提高管理与调度工作的统一、协调性。

3.3 提高服务器虚拟化效率和灵活性

服务器虚拟化的主要内容可分为对物理设备CPU、内存及I/O接口实现虚拟化。提高云图书馆服务器虚拟化效率和灵活性，是实现虚拟机快速部署和科学配置，加强虚拟机迁移有效性、云资源动态分配、虚拟机负载均衡和云系统读者服务保障力的关键。

云图书馆服务器虚拟化应用具有环境复杂、安全威胁多、虚拟化应用效率要求高、多用户共享的特点。因此，服务器虚拟化应坚持面向用户、面向服务、面向资源、面向应用的原则，提高虚拟化应用的有效性和可用性。（1）应根据服务器物理设备性能和虚拟机服务的任务特点，严格控制虚拟机创建的数量与规模，采用虚拟机逻辑隔离方法提高虚拟化应用的安全性和可靠性。（2）当多个虚拟机同时执行多个云应用服务任务时，应坚持任务等级优先和排队的原则，确保虚拟化资源分配的公平性与合理性。（3）通过统一的虚拟机管理界面实现对位于同一物理机，或不同物理机上的多个虚拟机的可视化管理，管理内容应包括虚拟机的动态实时生成、启动、停止、迁移、调度、负荷、监控，实现虚拟机的快速部署、更新、升级和负载均衡。

3.4 确保存储虚拟化的安全性与可用性

安全、高效的数据存储和管理，是图书馆开展读者云阅读服务活动的前提与基础。（1）云图书馆在数据存储中应将云存储资源划分为一个大的资源池统一管理，通过有效屏蔽异构存储系统之间的差异性，来简化云存储系统虚拟化资源的划分、管理、分配、回收过程，并对存储系统中的内存、磁盘等设备采取逻辑隔离方式，保证多用户环境下的数据存储安全和具有较低的用户访问复杂性。（2）应根据云图书馆数据存取的安全、效率、成本和可用性需求，选取相应的虚拟化存储方式，在确保数据安全性、可用性的前提下降低存储成本，通过合理的协议和存储模式实现云存储系统的低碳运营。（3）在虚拟化存储过程中，应将涉及云图书馆安全和读者云阅读关键服务的数据存储到独立的物理设备中，并执行有效的安全监控、防御策略，采取数据存储加密和访问身份认证的方式，确保数据虚拟化存储具有较高的安全性与可用性。[6]

3.5 加强虚拟化网络数据传输承载能力

云计算环境下，数字图书馆网络拓朴结构复杂多变，网络内部数据传输呈现横向流量逐步减少，而纵向流量不断增加并向云端汇集的趋势。此外，由于读者云个性化阅读方式的不断发展与变革，云图书馆数据传输也由传统的小容量数字文本文件，转变为以视频、语音等为主的海量多媒体文件，对网络的带宽和即时性传输要求高。

云图书馆虚拟化网络的数据传输承载能力，是云图书馆数据中心资源管理和虚拟机运营高效的保障（1）应提高虚拟网络拓朴结构的科学性和逻辑性水平可根据网络结构和数据传输保障对象特点，利用虚拟化技术将数据中心物理网络划分为多个逻辑子网络确保逻辑子网络之间具有相对的独立性和隔离性，保证数据传输和虚拟机迁移具有较高的安全性。（2）应构建云图书馆大规模的二层交换网络（主要为数据中心内部、不同数据中心之间二层网络），实现虚拟化环境中计算资源在二层网络范围内的透明化传输与迁移，确保虚拟化网络在广泛的网络环境中具有较高的计算资源传输能力，有效实现二层网络数据互访和云业务迁移。（3）实现云计算环境中虚拟化网络的可视管理。随着虚拟化网络复杂性和不稳定性增加，虚拟化网络中虚拟机位置、虚拟数据传输路径、虚拟机迁移过程、虚拟化网络边界变得更加模糊，云图书馆管理员无法通过可视化监控进行网络现状分析和故障定位。因此，应通过虚拟化网络资源视图，明确物理服务器、虚拟机、虚拟交换机、虚拟网络系统参数(端口数量、端口组、VLAN、物理网卡的地址绑定等)特性，实现虚拟化网络的故障定位、系统优化、策略调整和参数设置。

3.6 突出平台虚拟化、应用虚拟化的有效性与可控性

平台虚拟化有效性关系到在图书馆云管理、应用程序开发过程中，能否有效控制开发风险、提高开发效率和降低开发成本。因此，云图书馆应确保平台虚拟化具有通用的系统与数据接口，能够支持第三方开发工具和软件在平台上运行。各种开发软件（服务）在接入到平台之前，平台能够对开发软件的安全性、合法性、可用性和易控性进行审查，并对开发平台与云虚拟化环境的兼容性，以及用户使用过程的经济性进行评估，确保具有较高的应用软件开发安全性、高效性、经济性和可控性。最后，平台在使用过程中，应根据用户需求对平台进行升级、完善，并通过有效的管理监控来防范运营风险。

应用虚拟化的有效性与可控性，决定了云管理与应用系统的管理效率、云服务性能、读者云阅读活动满意度和系统未来可扩展性。（1）应利用屏蔽底层异构性技术来消除虚拟化应用与操作系统、硬件的耦合关系，确保任何云虚拟化应用服务程序可根据云虚拟化资源分配实际和用户服务需求，运行在任意的虚拟化设备中。（2）应用虚拟化应具备良好的应用环境兼容性，能够屏蔽底层设备和其他虚拟化应用产生的冲突，用户可通过自定义方式来个性化选择虚拟应用环境。（3）为了提高虚拟化应用的运营效率并降低运营成本，应用程序应选择在尽量少的物理服务器上运行，以提高单一物理服务器的使用效率。对于关系到云图书馆安全和用户服务质量的应用，应坚持安全与用户满意第一的原则，为虚拟化应用分配单独的物理服务器。（4）云图书馆必须即时监控应用虚拟化的运营效率、安全稳定性、关键业务用户满意度、云投资收益率，坚持应用虚拟化效率最优和用户满意度相结合的原则，不断提高云图书馆应用虚拟化服务的整体收益率。

［1］王庆波，等.虚拟化与云计算［M］.北京：电子工业出版社，2009.

［2］孙瑞锋，赵政文．基于云计算的资源调度策略［J］.航空计算技术，2010，3（4）：103-105.

［3］袁文成，等.面向虚拟资源的云计算资源管理机制［J］．西北工业大学学报，2010，5（28）：704-708.

［4］高宏卿，邢颖.基于经济学的云资源管理模型研究［J］.计算机工程与设计，2010，31（19）：4139-4146.

［5］刘鹏程，陈榕．面向云计算的虚拟机动态迁移框架［J］.计算机工程，2010，36（5）：37-39.

［6］周文煜，等.基于虚拟机迁移的虚拟机集群资源调度［J］.华中科技大学学报，2011，39（1）：130-133.