云计算虚拟化架构在三明学院数据中心的应用

刘孙发，张武威

（三明学院 现代教育技术中心，福建 三明 365004）

云计算虚拟化架构在三明学院数据中心的应用

刘孙发，张武威

（三明学院 现代教育技术中心，福建 三明 365004）

数据中心是地方本科院校数字化校园建设的核心。通过对三明学院数据中心现状的分析，提出了利用云计算虚拟化来架构数据中心的方案，重点是应用VMware vSphere对三明学院数据中心进行虚拟化架构部署与实施，实践表明：数据中心利用云计算底层核心的虚拟化架构，有利于节约资金成本，提高服务器资源的空间利用率；同时也便于应用系统的部署与管理，提高了应用服务和资源运行的可靠性、安全性和稳定性。

云计算；虚拟化架构；数据中心

随着大数据时代的到来，国内外各大厂商陆续推出采用云计算虚拟化架构建设数据中心解决方案，其中应用比较广泛的有VMware vSphere、Google App engine、Microsoft Azure、Amazon EC2、IBM Blue Cloud[1]。这些厂商推出的虚拟化架构解决方案都集中于解决减少数据中心的资金投入、提高硬件资源的利用率、提供便携的维护与管理、提高应用服务和资源的可靠性。近年来，随着高校数字化的不断发展，地方本科院校数据中心对可提供的服务要求越来越多，各种软硬件需求不断增加，传统的数据中心模式在资金投入、场地环境需求、硬件资源利用率、部署管理、服务的可靠性上都突显出不同程度的困难。云计算在解决各大IT业巨头数据中心难题的同时，也被运用到了高校的数据中心建设中。通过对数据中心进行虚拟化架构的部署与实施，节省了资金投入、节约了机房空间、提高服务器资源的利用率、便于了部署与管理、提高应用服务和资源的可靠性。我国教育部《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》明确提出，要求利用先进网络的信息技术，整合资源，构建先进、高效、实用的高等教育信息基础设施[2]。云计算的虚拟化架构为教育信息化建设开拓了新思路。

1 三明学院数据中心的现状

三明学院校园网数据中心建于2001年，于2008年进行了机房搬迁，配有不间断供电系统、机房精密空调系统、场地环境监控系统、综合布线系统，服务器30多台，现有应用系统有：OA系统、邮件系统、教务系统、一卡通系统、网站群系统、财务系统、科研管理系统、视频点播系统、精品课程系统、用户上网认证系统、用户上网日志系统、综合档案管理系统等，为用户提供的服务有：WWW、FTP、EMAIL、VPN、VPDN、VOD、DNS、DHCP等。三明学院数据中心虚拟化前的服务器拓扑结构，如图1所示。此传统拓扑结构存在的问题：资金的需求量大，场地环境因素已经饱和；资源利用率低，平均利用率为10%-15%[3]；部署与管理难，扩展性差；稳定运行安全性差等。

图1 三明学院数据中心虚拟化前的服务器拓扑图

2 云计算及其核心技术虚拟化

2.1 云计算的概述

自2006年由Google首席执行官埃里克·施密特在搜索引擎大会（SES）首次提出“云计算”的概念后，由于其具有超大规模、虚拟化、高可靠性、通用性、高可扩展性、按需服务和极其廉价等特点，云计算被社会各界广泛运用，成为继1980年代大型计算机到客户端-服务器的大转变之后的又一种巨变。但是，有关云计算的概念，目前为止还没有一个统一的定义。其中，最广为接受的是美国国家标准与技术研究院（NIST）定义：云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络，服务器，存储，应用软件，服务），这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互[4]。这样的云计算模式不仅提高了资源的利用率，而且还具有“按需自助服务、无所不在的网络访问、快速弹性能力、可计量的服务、共享的资源池”等基本特性和“软件即服务、平台即服务、基础设施即服务”等交付方式，以及具有“私有云、社区云、公有云、混合云”等4种部署模式[5]。

2.2 云计算的虚拟化技术

“云计算，是将大量计算机、服务器和交换机等网络设备构成一个动态的资源池来统一进行管理，用户可根据自己的需求从资源池中动态索取所需的服务；该资源池通过虚拟化技术为用户提供服务，软件和业务数据都是在云中运行或存储的，用户不需要拥有硬件基础设施。”[6]因而，虚拟化是云计算基础平台的核心部分[7]。

虚拟化技术，即是将硬件资源和操作平台虚拟化，通过高性能服务器虚拟出多个虚拟机，每台虚拟机有自己的操作系统和应用程序，可以在同一台物理机上实现不同操作系统和多个应用程序的运行。虚拟化的核心技术有：（1）VMotion在线迁移技术以使虚拟机在正常运行状态下从一台物理服务器移动到另一台物服务器，而服务不中断。（2）VMware DRS（distributed resource scheduler）分布式资源调度，基于自定义规则的智能跨资源池动态调整计算资源。（3）VMware HA（high availability）高可用性，当有一服务器发生故障时，自动启动新的虚拟机。虚拟化架构数据中心利用这些核心技术使资源利用率提高，部署管理便捷，应用服务和资源的可靠性提高。

3 虚拟化架构在地方本科院校数据中心的设计与实施

3.1 虚拟化架构设计目标

利用VMware vSphere云计算操作系统，实现基础架构中的服务器、存储、网络等全面虚拟化，将数据中心转变为云计算基础架构的虚拟化管理模式，改变了数据中心传统模式下的服务器与应用服务“一对一”或“一对多”不合理部署，使数据中心的资源得到充分利用，减少管理和运行成本，提高了应用服务与资源的运行质量和效率。而且，还能提供安全、可靠、灵活、低风险的云服务模式。

3.2 虚拟化架构的拓扑结构

VMware vSphere拓扑结构由4部分组成：存储器网络和阵列、网络资源、x86虚拟化服务器、vCenter Server和vSphere Client，如图2所示。

图2 VMware vSphere架构拓扑图

存储器网络和阵列是虚拟化的基础，由vSphere来统一分配存储资源，这些资源在同一个数据中心之间的虚拟机可以共享，物理存储资源可以来自服务器本地 SCSI、SATA或SAS硬盘，光纤通道SAN存储阵列。三明学院数据中心采用HUAWEI O-ceanStor S2200T 存 储 ，Cisco MDS9124光纤交换机。

网络设备将为整个虚拟化的数据中心提供可靠的网络连接，包含虚拟机之间的相互连接或虚拟机连接到外部的物理网络等，三明学院数据中心物理网络采用的是RG-S8610万兆交换机。

x86服务器主机是用来运行ESXi的虚拟层，将 CPU、内存、存储器和资源虚拟化为多个虚拟机。在部署了vCenter Server的群集当中，物理主机可以动态添加或从群集移除。三明学院数据中心采用Sun Blade X6270 M3服务器。源统一在一起，使这些资源在整个数据中心中的各个虚拟机共享；vSphere Client客户端是用来管理vCenter Server的人机交互通道。三明学院数据中心vCenter Server管理服务器采用IBM X3650。其虚拟化架构设计实施中所需要的服务器及其相关设备，如表1所示。

表1 三明学院数据中心虚拟化架构服务器及其相关设备一览表

3.3 虚拟化架构在地方本科院校数据中心的实施成效

3.3.1 节约资金与节约空间，提高服务器资源的利用率

目前，三明学院数据中心部署的2台ESXi主机已经共计虚拟40台虚拟服务器，实际使用的物理资源如CPU和内存还没有达到50%，还可以进一步部署更多的虚拟服务器，如表2所示。按计算可以生成80台虚拟服务器，若都换成2U物理机架服务器，估计也需要240万元左右，需要42U的标准机柜5个左右。显然极大的减小了资金的投入，也节约了空间，同时也提高了服务器资源的利用率。

表2 ESXi主机虚拟服务器数量 及CPU、内存使用情况

3.3.2 便于部署与管理，提高应用服务和资源的可靠性

(1)VMware VMotion在线迁移技术，可以在服务应用不中断的情况下，完成虚拟机操作系统、内存数据和虚拟机配置的迁移，从一个主机到另一个主机的过程，相比传统数据中心要停机与中断服务，虚拟化架构的数据中心更方便硬件维护的升级。实证表明，通过手动方式将其中一台ESXi主机的虚拟服务器VMotion到另一台ESXi主机上并正常工作是件非常容易的事。

(2)VMware DRS（distributed resource scheduler）分布式资源调试功能持续地监控Resource pool资源池的利用率，同时为虚拟机动态地分配合理的资源。通过调整相应的优先权可以设定相应服务的重要等级，确保重要业务优先服务。如学校主页虚拟机优先级别可以设置相对高，这样可以确保学校主页服务总能优先获得资源；选课期间的教务管理系统虚拟机都可以把规则中的优先权提高，以保证相应服务的质量。实证表明，在一台ESXi运行的虚拟服务器上做并发压力测试时，该台ESXi上的部分虚拟服务器VMotion到了另一台ESXi主机工作。

(3)VMware HA（high availability）高可用性，当监控到集群中有主机意外故障时，会自动在其他主机上启动故障主机上之前承载的虚拟机。实证表明，将其中一台ESXi主机关机，在集群中的所有虚拟服务器都能正常工作，所有的虚拟服务器已经自动VMotion到另一台ESXi主机上并正常工作。

4 结束语

通过云计算虚拟化架构在地方本科院校数据中心的设计与实施表明，虚拟化架构数据中心有利于节约资金，节约空间，提高服务器资源的利用率；对VMware VMotion、DRS、HA验证表明虚拟化架构的数据中心便于部署与管理，提高应用服务和资源的可靠性等优点。相比传统的数据中心，借助虚拟化架构的云计算中心具有资源共享和动态分配、绿色节能环保、高自动化和高可用等特点，满足了数据中心发展的需求[8]。经过整个设计实施及验证获得了许多经验，为今后的三明学院数据中心建设提供了可靠的保障。

［1］雷万云．云计算技术、平台及应用案例［M］．北京：清华大学出版社，2011．

［2］教育部．教育信息化十年发展规划 (2011-2010年）［EB／OL］．（2012-03-30）［2014-7-23］．http：／／www．edu．cn／zong_he_870／20120330／t20120330_760603．shtml．

［3］林守林，邵宗有，刘新春，等．一种基于CPU利用率的功率控制策略的研究与实现［J］．计算机工程与科学，2009，31（A1）：282-285．

［4］林伟伟，齐德昱．云计算资源调度研究综述［J］．计算机科学，2012，39（10）：1-6．

［5］许利军，闪永强．云计算技术在数字化校园建设中的应用研究［J］．新乡学院学报：自然科学版，2013，30（5）：346-347．

［6］高雪莹，吴韶波，陈思锦．云计算极其安全技术［J］．物联网技术，2014（3）：88-90．

［7］唐彦，肖亮．服务器虚拟化关键技术探析［J］．数字通信，2012（3）：11-19．

［8］钱琼芬，李春林，张小庆，等．云数据中心虚拟资源管理研究综述［J］．计算机应用研究，2012，29（7）：2411-2421．

（责任编辑：朱联九）

Application on Virtualization Architecture of Data Center at Sanming Uninversity Based on Cloud Computing

(Modern Education Technology Center,Sanming University,Sanming 365004,China)

The data center is the core of the digital campus construction in local undergraduate university.Through the analysis of the current status of Sanming University data center,the architecture of data center based on cloud computing virtualization technology is proposed in this paper,which the emphasis is put on the deployment and implementation of Sanming University data center by the application of VMware vSphere.The implementation of the data center shows the advantages of saving money and space,improving utilization of the server resource,the convenient deployment and management of application system,improving the reliability,safety and stability of application service and resource operation.

cloud computing;virtualization architecture;data center

G434

A

1673-4343（2014）04-0086-05

10．14098／j．cn35－1288／z．2014．04．016

2014-04-16

全国教育信息技术研究“十二五”规划重点课题（136221309）

刘孙发，男，福建周宁人，助理实验师。研究方向：教育技术。