基于CAS的服务器虚拟化在高校实验室的应用

高金金，李潞洋

(1.山西财经大学 实验教学中心，山西 太原 030051；2.山西省自动化研究所，山西 太原 030012)

基于CAS的服务器虚拟化在高校实验室的应用

高金金1，李潞洋2

(1.山西财经大学 实验教学中心，山西 太原 030051；2.山西省自动化研究所，山西 太原 030012)

虚拟化技术的应用可以解决高校实验室服务器管理和维护困难的问题，提高计算资源的利用率。本文讨论了传统服务器管理方式的一些问题，介绍了虚拟化技术带来的便利及其优势，最终实现了基于H3C CAS虚拟化平台的高校实验室服务器的虚拟化设计与部署。

服务器虚拟化；高校实验室；CAS

伴随着高校信息化建设的推进，应用于科研、教学和管理方面的信息化系统相继建设完成并逐步扩大系统的规模。系统建设初期，承载的业务量较小，无需过高的计算能力，在管理方面也不存在太复杂的问题，但是随着业务量的增加，系统需通过改造和扩容来提高其业务能力，系统就会变得非常复杂，计算资源也难以得到快速有效地调配，在系统扩展的过程中，现有系统极有可能被新的系统完全取代，随后被停用，这样不仅造成了计算资源的浪费，而且系统的建设与日常运维成本也会成倍提升。

虚拟化[1]技术的出现有效解决了传统信息系统计算资源利用率低、调配困难、可扩展性差、管理困难等问题，本文将以山西财经大学实验教学中心实验室设施的虚拟化，深入阐述虚拟化技术在高校实验室中的应用。

1 物理计算资源所面临的问题

1.1 运行现状

高校的实验教学中心一般都承担着全校不同专业学生的实验教学任务。而不同学科的实验室会不同程度地利用计算机信息化技术为实验教学提供技术支撑。为保障实验教学任务的顺利进行，各类实验室分别安装了不同类型复杂的业务系统，这些业务系统各自配备了相应的管理服务器、业务服务器、业务网络和客户端。

1.2 管理困难

不同学科实验室的业务系统基本相互独立，这就需要购置大量的信息业务设备，占用了大量的空间资源，地理位置分布方面也往往十分分散，实验室管理人员常常奔波于各个业务系统所在的不同楼层甚至于不同建筑物之间，同时还要面对大量的物理硬件，很难集中高效地进行服务器的管理和维护工作。

1.3 资源利用率低

为保障各个实验信息业务系统的独立性，各实验室针对自己的实验业务大多配备了独立的服务器资源和网络资源。但有些实验业务对计算能力要求有限，配备服务器的运算能力远远超出了实验业务的需求，造成了运算资源的浪费。有些实验室在地理位置上比较接近，却依然独享自己的网络系统，交换机等网络资源长期处于低负荷运行状态，造成了较低的网络资源利用率。

1.4 运算资源难以调配

通过总结以往实验教学的经验，我们发现对计算能力要求较高的实验课程的数量在全部实验课程中占有比重较低，而对计算能力要求一般的实验课程在全部实验课程中往往占有较高的比重，这就导致了我们不得不为对计算能力要求较高的实验课程设立性能足够强大的信息业务设备，但较低的使用频度却使得这些昂贵的计算资源在更多的时间里处于闲置状态，无法为其他较低性能要求的实验课程提供服务，造成运算资源调配的困难。

1.5 可扩展性差

随着实验内容的丰富、实验方式的探索与改进，实验教学对实验设备的计算能力需求提高、存储容量也需要随之扩充。然而通过升级硬件来提升服务器的计算能力和存储空间往往投资巨大、效果却依然有限，甚至需要废弃当前的服务器平台，造成资产的损失。

1.6 运维成本较高

因为实验信息业务系统存在的这些问题，导致我们需要安排大量的实验室计算机管理人员负责这些系统的日常维护，而大量的硬件设备在运行过程中也消耗着大量的电力资源和易损耗材料，尤其是随着业务系统规模的不断扩张，运维成本增加所带来的弊端也会进一步被放大。

2 服务器虚拟化技术及其优势

服务器虚拟化是指将服务器物理资源抽象成逻辑资源，让一台服务器变成几台甚至上百台相互隔离的虚拟服务器。虚拟化平台[2]为服务器虚拟化提供了集成解决方案，通过虚拟化平台可以将各类虚拟的业务服务器独立地运行在物理服务器集群上，虚拟化平台负责将物理服务器集群的各类资源合理地分配给各个虚拟服务器，以保障整个实验业务环境的高可用性，同时也可以提高物理服务器集群各类资源的利用率。虚拟化技术为高校实验教学信息业务系统带来的优势主要体现在以下三方面：

2.1 计算资源虚拟化

计算资源的虚拟化是指将具有强大运算能力的物理运算资源虚拟成为一个计算资源池，计算资源池中的计算资源可以部分或者全部分配给某一虚拟实验业务服务器，而每一台虚拟实验业务服务器所享有的计算资源是独立于其他的虚拟服务器的。计算资源主要包括CPU和内存，虚拟化平台将物理服务器集群的CPU以核心为单位虚拟化成为共享CPU池，将物理服务器集群的内存以字节为单位虚拟化成为共享内存池，各个虚拟业务服务器可以自由地分配CPU核心数量和内存容量以保障其可用性。虚拟化平台可根据各虚拟业务服务器的负载量动态调整其享有的计算资源的数量，实现计算资源的弹性分配，提高了整个物理服务器集群的计算资源利用率。在未来需要扩充整个系统的计算能力时，只需要在物理服务器集群中增加计算节点，无需对当前系统的逻辑业务做过多调整。

2.2 分布式存储

分布式存储是一种Scale-Out[3]存储架构，相比传统的SAN(包括FC-SAN和IP-SAN)方式，分布式存储采用的横向扩展方式更利于存储容量的扩充，在扩展容量时只需要在存储集群中增加存储节点即可，无需过多配置现有存储设备，甚至不需要停止当前业务系统的运行就可以完成。

2.3 交换资源虚拟化

网络设施虚拟化可以将各个虚拟业务服务器通过一个虚拟的交换网络进行连接，摒弃了过去大量的服务器集群内部的业务和管理的数据链接，无需人工接线，在管理上更加快捷方便。同时也减少了物理交换设备的使用量，降低了投资和维护成本。

3 虚拟化平台实施与应用

3.1 虚拟化平台选型

在国内外众多的虚拟化产品中，通过对不同平台在性能、稳定性、安全性、资源利用、资源调度和容灾等方面分析比较，本方案最终选定H3C CAS作为虚拟化平台。H3C CAS虚拟化平台基于第三代虚拟化架构，采用高性能的虚拟化内核，实现了计算、网络、存储、安全虚拟化的全面融合，能够有效地整合IT基础设施资源、精简服务器数量、简化IT操作，达到提高物理资源利用率和降低整体拥有成本的效果[4]。

3.2 设计与实施

1) 硬件基础设施配置

为保障各实验信息业务系统的可用性，我们采用了3台H3C FlexServer R390高性能服务器组成物理集群为本系统提供计算资源。其中两台为业务服务器，另外一台为业务服务器兼任管理服务器。我们分别在三台服务器上安装了CAS虚拟化平台，并按照表1进行网络配置。

表1 物理服务器集群配置

2) 分布式存储配置

该方案选择H3C零存储作为分布式存储系统以便与CAS虚拟化平台高度整合。每一台计算资源服务器所装载的存储系统均作为分布式存储系统的一个存储节点。为保障分布式存储物理数据的高性能与健壮性，每一个存储节点均需配置RAID1+0。完成磁盘阵列配置后的单个存储节点容量约为8TB，其中留用2TB作为本地系统磁盘，作为CAS和零存储系统在该节点存储支持，其余6TB作为该节点的横向共享存储空间。

在三个存储节点上分别安装H3C vStor零存储管理平台，并挂载该节点的横向共享存储空间。以EXT4作为物理存储文件系统对挂载点进行格式化。分别按照表1中存储网卡的IP配置lich.conf文件中的存储节点IP地址，并配置管理服务器作为零存储的仲裁节点。

3) 虚拟业务服务器配置

由各实验室管理员进行统计后向虚拟化系统管理员提交申请，CAS管理员创建虚拟服务器并按照需求对计算资源进行分配。我中心参与首批服务器虚拟化改造的业务服务器共12台，它们的12个虚拟业务网卡被连接至名为Vswitch-app的虚拟交换机上，并且开启HA和DRS功能来保障虚拟业务服务器的高可用性和弹性计算分配能力。

4) 业务迁移

各实验室管理员将原有服务器中的业务系统安装至分配的虚拟服务器，并将原业务系统的数据导入虚拟服务器。在迁移工作完成后，停用原有服务器。图1为整体业务迁移完成后系统的运行情况。

图1 系统运行情况图

4 总结

服务器虚拟化技术解决了高校实验室管理与维护两方面的难题，在完成了首批实验室信息业务系统服务器的虚拟化改造后，服务器计算能力有了一定的提升，三台物理服务器的利用率也始终维持在一个较为合理的水平。我中心信息系统硬件维护人员的工作负荷明显降低；系统运行一个月以来，电力消耗相比之前减少了1215 kW/h(千瓦时)。随着虚拟服务器运行稳定，我中心计划整合原有分散的服务器，节省实验室面积，同时便于管理。未来，我们将会进一步探索虚拟化技术在高校实验室多元化应用，利用虚拟化桌面[5]实现实验客户端的虚拟化。

[1] 陈康，郑纬民.云计算:系统实例与研究现状[J].软件学报,2009(5):1338.

[2] 肖斐.虚拟化云计算中资源管理的研究与实现[D].西安：西安电子科技大学，2010:7-9.

[3] 冷志强.基于分布式文件系统GlusterFS的横向扩展云存储的研究与实现[D].上海：复旦大学，2014:14.

[4] H3C CAS虚拟化平台[OL].http://www.h3c.com.cn/Products_Technology/Products/H3Cloud/Catalog/Cloud_Virtualization/CAS_CVM/.

[5] 林飞跃，林先津.云桌面在教学管理中的应用[J].实验室研究与探索,2013(10):337.

Application of Server Virtualization Based on CAS in University Laboratory

Gao Jinjin1, Li Luyang2

(1.ExperimentalTeachingCenter,ShanxiUniversityofFinance&Economics,TaiyuanShanxi030051,China;2.ShanxiAutomationResearchInstitute,TaiyuanShanxi030012,China)

Virtualization technology can solve the problems of server management and maintenance in university laboratory, at the same time improve the utilization of computing resources. This article discusses some of the problems of conventional server management, introduces the convenience and advantages of virtualization technology, and ultimately the virtual platform of university laboratory server is designed and applied based on H3C CAS.

server virtualization; university laboratory; CAS

2016-09-18

高金金(1988- )，女，山西吕梁人，助理实验师，硕士研究生，研究方向：基于内容的图像检索。

1674- 4578(2016)06- 0013- 02

TP391

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