虚拟机在图书馆服务器低碳化服务中的应用与推广——以安徽行政学院图书馆为例

虚拟机在图书馆服务器低碳化服务中的应用与推广——以安徽行政学院图书馆为例

王宁

(安徽行政学院，合肥 230059)

摘要：针对目前图书馆服务器能源消耗量大的现状，分析虚拟机技术的主要应用优势，提出将虚拟机应用在图书馆低碳化服务过程中，以降低服务器及外围设备的能源消耗，充分满足不同应用方式对系统资源的多种要求，提高图书馆服务器资源的利用率。并以安徽行政学院为例，探讨虚拟机服务配置及使用情况，分析虚拟机在区域图书馆低碳化服务中的应用前景。

关键词：虚拟机；低碳化服务；服务器；图书馆服务

中图分类号：G250.78 文献标识码：B

基金项目：安徽省高等学校图书情报工作委员会2013年度研究基金重点项目(TGW13A10)；2013年省级质量工程项目(2013JYXM596)

作者简介：王宁，女，副研究馆员。

收稿日期：2014-09-11

The application and promotion of the virtual machine technology in

library server of low-carbon services

——Taking the library of Anhui Administration Institute as an example

WANG Ning

(Anhui Institute of Administration, Hefei230059, China)

Abstract：Aiming at the high-consumption of energy in library servers, this article makes an analysis of the advantages of the application of virtual machine, puts forward the application of virtual machine technology in the process of the low carbon service in library, so as to reduce the energy consumption of servers and peripheral equipment, to fully meet the different requirements for system resources, and to greatly improve the rate of utilization of server resources. By taking Anhui Administration Institute as an example, the author of the article probes into the virtual machine services configuration and usage, and points out the application prospect of virtual machine in the low carbonization in library services.

Key words：virtual machine technology; low-carbon service; server; library services

随着数字化图书馆的快速发展和日臻完善，信息技术在图书馆的建设和应用中发挥着越来越重要的作用。信息技术的应用虽然给图书馆的服务和管理带来诸多便利，但随着图书馆服务项目的增多、服务时间的延长，所需的服务器数量和种类越来越多，服务器的能源消耗在图书馆日常运行中日渐高涨。这种局面与当今社会倡导的低碳理念格格不入。如何在充分满足用户服务的情况下逐步减少能源的消耗，如何将各种不同的服务器整合在一起以提高资源的利用率，是图书馆亟需解决的问题，虚拟机技术的出现能很好地解决这一难题。

通过在服务器上安装多个虚拟机，每个虚拟机就像一台独立的服务器。在一台服务器上运行多个应用能提高服务器效率,减少需要管理和维护的服务器数量；当应用需求增加时，可迅速创建更多虚拟机，无需增加物理服务器即可灵活地响应，最大程度地满足数字图书馆的发展需要。

1图书馆低碳化服务中服务器存在的弊端

现阶段，信息技术在图书馆的日常运行中仍占据着主导地位，从图书的采购、编目、借阅和查询，到信息的采集、整理和推送，再到数字化书刊的阅读、下载等，都依靠服务器在后台支撑。无论是大、中型图书馆，还是小型图书馆，服务器总数量和随之所产生的碳排放总量及能源消耗量都在逐年攀升，这与图书馆所倡导的低碳化服务宗旨格格不入，图书馆服务器存在的主要弊端如下：

1.1　服务器能源消耗多、碳排放量大

近年来，图书馆采购了大量的数字资源，各数据厂商都设立独有的使用管理平台，难免会出现如端口冲突、数据库角色过多、密码等问题。为避免各类冲突的产生，各馆一般在每台服务器上最多只安装一至二种应用平台。

以安徽行政学院为例，计算一个小型图书馆的能源消耗量。在该院首先是满足图书编目和借阅的图书管理系统，这套系统用两台服务器，一台用于日常的信息处理，一台用做热冗余；中国知网的期刊一台；读秀知识库一台；网络信息检索一台；VPN服务器一台。这样就相当于需要六台服务器，这种数量在中小馆都不算多。但这六台服务器加上为其提供环境的空调需要多少碳排放？每台服务器按照平均功率200W为准，每天24小时，一年按照365天计算：6*0.2*24*365*0.785=8251.92公斤的二氧化碳(0.785为生产一度电需要的碳排放量)；冷却设备为了处理一瓦电所产生的热量自身需要消耗0.8瓦电力(0.8是HP实验室的经验值)，这又产生了6*0.2*24*365*0.8*0.785=6601.54公斤的二氧化碳。两者之和达到了14853公斤的二氧化碳。这种碳排放总量还是只针对一台服务器进行热冗余的情况下产生的。

1.2　服务器的资源利用率低

目前图书馆所使用的服务器，每台服务器上最多装有两个应用数据库。由于数据库的访问量较低，其上的CPU利用率是很低的，很多时候都是在10%以下(如下图所示)，但服务器上其它硬件并不会因为CPU运行率低就会减少能源消耗；虽然提高CPU的利用率会使其功耗增加，但计算机的其它硬件并不会因此而增加功耗。

也就是说，图书馆需要投入大量的经费购买服务器，因为每一个数字化应用都必须安装在一台物理服务器上，且每提供一项新的服务就需要再购买一台新的服务器，随着应用的不断增加，图书馆一般要购买越来越多的服务器。另外，由于服务器数量多，用电量大，产生大量的热量，使机房的制冷又增加了更多的耗电量，而且，随着完成不同任务的服务器数量越来越多，管理这些服务器变得越来越复杂，成本越来越高。同时又面临着服务器利用率低的困扰，造成资源的极大浪费。

图1图书馆服务器的CPU利用率情况

2虚拟机在图书馆服务器中的应用优势

2.1　虚拟机(Virtual Machine)概述

虚拟机(VM)是通过软件模拟的、具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。通过虚拟机软件，可以在一台物理计算机上模拟出多台虚拟的计算机，这些虚拟机拥有同物理计算机相同的使用性能，可以安装操作系统、安装应用程序、访问网络资源等[1]。每个虚拟机拥有自己独立的操作界面，在每个虚拟机里可自由地选择安装系统和软件，同时与物理计算机和其它虚拟机相互间不会产生冲突。虚拟机技术大概可以分成三类：完全虚拟化、半虚拟化、模拟器。

2.2　虚拟机在图书馆服务器低碳化服务中的应用优势

信息技术的进步为图书馆的延伸服务提供了巨大便利，同时也是以日益增加的能源消耗为代价的。与其它大、中型图书馆相比，该学院服务器的配置量还是很低的，从这样一个小型图书馆的配置数量，可以推断出其它大、中型图书馆的服务器配置数量更是令人震惊。如何在保持服务规模和服务质量不变的前提下，降低能源消耗是目前图书馆迫切需要解决的难题，虽然云计算和云存储的出现为图书馆信息处理提供了一种选择，但对于数量众多的中小馆而言，无论是从技术力量，还是资金运行方面来说，短期内实现云计算和云存储有一定的难度，因此，架设本地服务器、改进目前的图书馆应用技术仍是最佳的选择，将虚拟机技术引入到图书馆可以有效解除以上困境。

与传统技术相比，通过虚拟机技术可以将 N 个虚拟服务器并行于同一台物理服务器上，使以往的“多种应用、多个操作系统、多台服务器”模式改变为“多种应用、多个操作系统、一台服务器”，主要目的是解决现有服务器日益老化、机房拥挤、节约电力能源、管理员维护等问题。在服务器端实施虚拟机之后，可以大大减少中心机房能耗、降低采购成本，还可使所有虚拟服务器的资源分配动态调整，提高其运行效率[2]，其主要应用优势有：

2.2.1 服务器及外围设备的能源消耗

前文分析传统的服务器应用方式，服务器的平均利用率通常在5-15%之间，而采用虚拟机架构整合后，服务器的平均利用率可达到60%-80%。这样，完全可以通过在两台高配置的八路双核服务器上，创建四十个虚拟服务器的方式，来完成传统方式中需要四十多台低配置的双路双核服务器才能完成的工作任务。将虚拟机应用在图书馆，越是大型图书馆，其节能效果就越显著。以安徽行政学院为例，可以从原来的六台服务器降到三台，服务器和空调的能源消耗都降低了一半左右。另外，图书馆服务器的总体数量减少，除了能降低服务器本身的能源消耗，还对服务器的周边设备，如网络设备、制冷和UPS等的能耗需求量大幅减少。

2.2.2 降低服务器的管理成本

一方面，虚拟机允许将多项应用程序合并到单个服务器，通过增加所部属的服务器的利用率，图书馆只需要更少的物理服务器来满足应用需求，大大降低了硬件的投入和管理成本。另一方面，虚拟化服务器为每个应用程序提供合适的运行环境，从根本上改变了应用程序的管理成本。因为，管理员无须为每项应用安装和维护一个单独的操作系统实例，这种较低的操作系统实例无形之中降低了每项应用的管理成本。另外，虚拟机技术拥有和传统的资源管理软件一样的精细控制粒度。这种控制允许管理工具精确地为虚拟操作系统实例进行资源分配， 方便用户轻松地建立成本驱动模型来部署资源[3]。

2.2.3 对服务器进行管理、维护、升级及迁移

虚拟机因其实质为软件容器，在这样的“封装”容器内，它避开了服务器配置的复杂性和重复性，可对服务器资源进行故障隔离、动态分配；它具备超乎寻常的可移植性，可实现无缝地实时迁移，在服务器管理与维护工作中，极大地缩短了服务器重新安装部署的时间；它安全性能高，可通过在VMM层对它上面的虚拟机资源访问施加安全认证，既可有效地实施整体安全认证，又可对属于特定用户群的虚拟机网络访问实施限制等。

2.2.4 提高服务器资源的利用率

虚拟化允许多个资源密集型应用程序运转在同一台物理服务器上, 降低了独立服务器中经常存在的未利用资源比率，大大提高了服务器的资源利用率。与传统单台服务器部署单一的应用方式相比，虚拟机架构方式的最大优势在于，可以充分满足不同应用对系统资源的不同要求，如有的应用只需要一个3.0 GHz CPU，512MB的内存就可以很好地运行，而有的高访问率、高吞吐量的应用则需要两个甚至是四个双核的CPU，8GB的内存才能保证稳定的运行。在传统的方式下，往往不可能针对每一种应用来采购服务器，而是用一种或几种标准配置的服务器来统一采购，这样，势必会造成某些应用资源富裕，而另一些应用面临资源紧张的情况，且应用之间不能互相调配资源。采用虚拟机架构后，由于每个虚拟机所需使用的系统资源都是由虚拟架构软件统一调配，这种调配可以在虚拟机运行过程中发挥在线运行作用，使得任何一个应用都可以有充分的资源保证来稳定运行。同时，该应用过程中，当前使用不到的资源又可以被其它更需要资源应用临时借用一下，最大限度地提高了系统中整体资源的利用率。

总之，将虚拟技术应用在图书馆低碳化服务中，一方面降低了物理服务器的实际运行数量，降低碳排放、降低能源总消耗量；另一方面又可以整合服务器，提高服务器的资源利用率。

2.3　虚拟机有效规避图书馆服务器中的弊端

利用虚拟机技术可以有效解决物理计算机不易解决的难题，扬长避短，发挥其在图书馆低碳化服务中的技术优势，集中体现在以下几个方面：

2.3.1 可避免计算机之间对端口的抢占

当在一台服务器上使用两个或两个以上的信息服务系统时，由于典型的服务器端口是80，这时就会产生对端口的争夺。利用虚拟机可避免此类情况的发生。

2.3.2 可为一些特殊软件提供特殊的安装环境

每个软件都有自己的安装环境，特别是一些需要特殊数据库支持或者特定网络环境的软件，这时就需要数量众多的服务器来分别部署、安装各自的软件。利用虚拟机技术还可以在一台计算机上运行两个互不兼容的应用程序。

2.3.3 有利于解决热冗余问题

有利于解决热冗余问题，特别是中小馆由于资金的短缺很难为每台服务器都配备热冗余，一旦服务器出现故障就不能提供服务。若利用虚拟机技术则可以在一台物理计算机上同时运行几台虚拟机，把容易产生冲突的软件分别安装在不同的虚拟机上。

2.3.4 便于测试新应用系统

利用虚拟机可以为程序测试搭建相应的测试环境，进行全过程的调试工作。假如在一台物理计算机上运行四个虚拟机，而其中一个虚拟机崩溃了，其它三个仍将继续运行，使图书馆在不增加任何硬件设备投入的情况下，可搭建任意测试平台，且不会影响现有系统的性能。

2.3.5 便于进行故障隔离

在虚拟机中，中央处理器芯片从系统其它部分划分出一段存储区域，操作系统和应用程序都运行在“保护模式”环境下。如果在某虚拟机中出现程序冻结现象，并不会影响运行在虚拟机外的程序操作和操作系统的正常工作。由于创建了多个虚拟机，每个虚拟机上只运行少数的应用程序，这样系统崩溃的机会降低到最小程度。如果一个虚拟机出现故障或安全问题，故障不会愈演愈烈，而且只有一个虚拟机会受到影响。

3虚拟机在图书馆低碳化服务过程中的应用实践

3.1　国内图书馆架设虚拟机硬、软件配置及选择

虚拟机硬件的选择应根据各馆的实际情况，主要从内存、CPU、网络及磁盘资源等方面来考虑。(1)内存。给虚拟机分配内存不要考虑越大越好，只要适用就行，因为对于虚拟机来说，任何时候增加内存都非常简单、容易，只要需要随时可以增加。(2)CPU。一般情况下，每个CPU内核能支持四个单CPU虚拟机，但这个数字可以随着CPU平均使用率而改变，最高数可为十个虚拟机。(3)网络。虚拟服务器所需的网络接口卡(NIC) 数量，可以基于冗余的需求、是否需要网络存储以及所选择的功能进行调整和变化。假如使用网络存储，最好拥有多于四个NIC的服务器。(4)磁盘资源。目前存储网络分为FC SAN和IP SAN两种，FC SAN磁盘存储是执行效果最好的磁盘解决方案，只是价格比较昂贵；IP SAN磁盘存储在性能上接近FC SAN的性能，价格也比较合理，是较好的选择。

虚拟机软件的选择很多，目前主要有Virtual Box、VMware、Virtual PC、Virtuozzo SUN XP版Java虚拟机、微软最新操作系统Windows 2008 Server中使用其内置的Hyper—V等，在数字图书馆应用中需要在一台服务器上同时启动多台虚拟服务器，对服务器系统资源占用量较大。VMware是一个安全性高、实用性强的可靠选择，它能模拟出主板、内存、硬盘、光驱、网卡等多种硬件，还能设定并随时修改操作系统的操作环境，可以安装Windows、Linux 等真实的操作系统及各种应用程序。完全隔离且保护不同的OS操作环境及应用软件，下载地址为：http://www.vmware.com[4]。

笔者通过文献调研发现，国内已有许多图书馆将虚拟机技术应用到图书馆服务器的整合之中，在降低能耗、提高资源利用率等方面发挥了无与伦比的优势。如在中国石油大学图书馆、福州大学图书馆、重庆电子工程职业学院图书馆、闽西职业技术学院图书馆等，部分服务器已利用虚拟机技术，实现了多种应用系统在一台物理服务器上的统一部署，达到提高服务器利用率、节约经费、降低能耗的目的；在温州图书馆，从2005年开始，逐步对中国知网CNKI、维普、超星、方正Apabi等多台物理镜像服务器进行合并，同时也合并其它在线网站和馆内OA办公自动化系统的服务器，通过几年的运行，已节约了大量的硬件设备投入和管理成本[5]。

3.2　安徽行政学院虚拟机服务配置图

为了充分利用现有的服务器可以采用在其内部加载虚拟机的方式，具体的数量可以根据服务器的配置来决定。每台虚拟机和物理计算机为了运行流畅建议为其最少保留1G的内存。这样就可以根据服务器上内存的大小大致推测出可以运行几台虚拟服务器。

以安徽行政学院为例，该院除了VPN服务器和图书管理系统一台是2013年购置的，其它服务器都于2005年初购置，相对来说配置比较低，其中四核处理器只有用于中国知网的期刊服务器、VPN服务器和图书管理系统的。根据前面介绍，该院实际要运行五台服务器就可以完成服务，鉴于该院机器老旧、性能不高，所以在此选用三台服务器来组建虚拟机完成服务并热冗余。具体配置如下图:

图2　安徽行政学院图书馆虚拟机服务配置图

3.3　安徽行政学院虚拟机拟整合实施方案

因虚拟机技术改进方案综合多种因素，需分期、分批对本馆现有网络服务器进行合并改造，主要分为 3个阶段进行。第1阶段：采用虚拟机技术进行整合，逐步将原来的 6个服务器迁移合并到3台服务器上，这样可以节省3台服务器。虚拟化改造服务器合并方案如下表所示。第2阶段：将9个网站中的数据库从虚拟机中分离，合并到一个专用的数据库服务器中。第3阶段：用替换下来的一台服务器安装ISA Server，对迁移后的服务器进行保护。

表1　拟利用虚拟机技术改造服务器合并方案

3.4　安徽行政学院虚拟机技术的应用效果

从上图可以看出，利用三台物理服务器就可以完成以前最少需要六台服务器才能完成的服务任务，而且为每个服务都配备了热冗余，可以保证所有的服务都可实现不间断。这样进行配置主要还是因为该院的服务器配置低，如果有更高性能的服务器，完全可以用两台服务器就能完成所有的服务，而且还可以增加其它服务项目。主要效果如下：

(1)通过服务器整合，控制和减少物理服务器的数量,明显提高每个物理服务器及其CPU的资源利用率，从而降低硬件成本。(2)加快新服务器和应用的部署，大大降低服务器重建和应用加载时间，而且现在可以进行快速的硬件维护和升级，不需要像以前那样，硬件维护需要数天的变更管理准备和维护。(3)不再担心旧系统的兼容性、维护和升级等一系列问题。

4虚拟机在图书馆低碳化服务中的区域推广

将虚拟机技术应用在图书馆中，虽然可以降低图书馆的能源消耗量，但是仅依靠单一图书馆的运用还不能达到规模效益。为了实现规模效益、达到更大规模的节能减排，可以通过虚拟机技术将一台 Workstation 配置成由若干台虚拟机组成的局域网，并在它上面开发测试各种网络应用无疑为图书馆网络服务提供了很好的实验环境。这样就可以在图书馆集中的区域内建立一个图书馆数据服务中心。由这个数据中心为区域内的图书馆提供数据处理服务，这样可以在环境温度、网络设备、人员配置和服务器上实现最优的规模效益。

该数据中心由区域内各图书馆根据数据处理量的大小，按比例集资建设和分配使用，这样就避免了原来每个图书馆都要建设一个完整的信息处理中心，大大节约了人员配置的消耗；降低了在保持环境温度和网络设备运行上的能源浪费。在服务器的运行上由中心根据各运行项目，统一计算出项目对服务器资源的消耗量，配置、协调好每一台服务器的使用，使每一台服务器都能在最优模式下运行，实现资源的最大化利用。从而在某一地区的部分图书馆范围内尽快形成节能减排规模效益。

5总结

在原有的服务器上架构虚拟机，发挥其独特的技术优势，可以使图书馆在保证服务质量和提高数据安全性的前提下，大大降低能源消耗总量，实现图书馆低碳化的建设目标。目前我国图书馆虚拟机技术仍处在初级阶段，但应用潜力很大。随着虚拟机技术的创新应用和发展成熟，其在我国图书馆低碳化服务中的应用价值将不断被拓展。今后，图书馆可以在数据及信息处理上，转变思维、大胆探索，不再局限于“一家一户、自足自给”的模式，而以“开放、合作、共赢”的模式不断探索新技术的应用前景。

参考文献：

[1] 吴乾清.基于VMware 的数字图书馆服务器虚拟化研究与应用[J].科技情报开发与经济，2010，20(21):47-49.

[2] 胡朝晖等.虚拟机在高职院校图书馆中的应用研究[J].重庆三峡学院学报，2011，(3):67-69.

[3] 吴德萍.虚拟机技术在图书馆服务器端的应用[J].科技情报开发与经济，2008，(2):15-17.

[4] 程守民.探析虚拟机技术在高校数字图书馆中的应用[J].农业网络信息，2011，(3):58-60.

[5] 吴景裕.浅谈如何应用虚拟机节约图书馆计算机硬件成本[J].科技情报开发与经济，2009，(30)：53-55.

[6] 董秋生,黄文,马骏涛等.服务器虚拟化技术在数字图书馆服务器整合中的应用[J].情报理论与实践，2009，(1):119-121.

[7] 任毅鹏.虚拟机技术在图书馆管理系统中的应用[J].情报探索，2011，(10):103-105.

[8] 申彦舒.利用虚拟机技术实现图书馆服务器整合的探讨[J].图书馆研究，2010，(11):36-37．

(责任编辑：傅正)