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摘要：随着高校数字化校园建设的不断深入，各项业务系统逐渐增多，高校面临的严峻问题是需要继续增加硬件资源的投入，但当前服务器资源利用率低、运维成本高、服务保障水平低，难以满足信息化建设的要求。本文通过构建基于VMware虚拟化技术的数字化校园系统平台，实现了资源的统一规划和管理，提高了资源的利用率，增强了系统的整体安全性，保障了高校数据中心的稳定运行。
关键词：数字化校园；虚拟化；VMware；高可用性；分布式资源调度
中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2016）23-0106-05
数字化校园现状与问题
随着高校信息化建设的不断推进，数字化校园建设已成为学校教学、办公和科研等工作的有力保障。但随着业务系统和应用平台需求的日益增长，若建设过程中仍采用“一套应用一套系统”的模式，学校数据中心则需要不断增加服务器的数量，而这种传统服务器架构的管理模式存在诸多不利因素，突出表现在：
①服务器资源的利用率低。为保证业务系统的正常运转，一般根据系统的峰值资源要求配置服务器的性能，但大部分服务器不会被经常访问，加上一台服务器只运行一个操作系统，受系统和平台不同的限制，服务器的CPU、内存等使用率一般不超过10%，资源闲置浪费严重。
②投入成本高。随着业务系统的增加，服务器数量不断增多，还要增加相应的配套设施，导致建设成本递增且占用较多的物理空间。同时，针对不同厂家、不同型号的设备，实现统一管理难度很大，而单台式的维护方式工作量较大，对机房管理人员造成了较大的压力。此外，部分服务器过了保修期，维护、维修的费用也是不小的开支。
③服务保障水平低。目前大部分应用系统采用单台服务器的部署方式，一旦服务器出现故障，就会导致服务中断，并且系统维护、扩容或升级时需要停机，也会造成应用服务的中断，严重影响学校各项工作的正常开展。
④能耗高。随着服务器的不断增多，设备耗能和空调耗能加剧，学校数据中心的能耗费用剧增，每年仅支付的电费就达到数十万元。[1]
⑤部署新业务的时间周期较长。当有新的应用需要部署时，需要经过预算、采购、系统安装、调试、测试、上线等多个环节，无法做到及时响应。
针对上述问题，本文提出了基于虚拟化技术构建一个安全、高可用性的数字化校园硬件平台。
虚拟化技术
虚拟化技术是最近几年较热门的技术之一，它是通过映射或抽象的方式屏蔽物理资源的复杂性，简化基础设施的管理，同时超出其物理局限性，解决异构平台的管理难度，提高资源的利用率和灵活性。[2-3]服务器虚拟化是指将来自服务器的各种资源抽象成逻辑资源，不受物理上的限制，使CPU、内存等硬件资源成为可动态管理的资源池，实现一台物理服务器上运行多台相互隔离的虚拟机，提高资源的利用率，达到服务器的逻辑整合。
目前市场上已有一些成熟的虚拟化产品，如vSphere、Hyper-v、FusionSphere等。vSphere是基于云计算的新一代虚拟化套件，提供了虚拟化基础架构、高可用性、分布式资源调度、快速数据备份还原、集中管理等一整套的解决方案，是当前应用最为广泛的虚拟化平台，其包含三个基本组件：ESXi Server、vCenter Server和vSphere Client。ESXi Server是一款支持硬件虚拟化并可以独立安装和运行在裸机上的系统，通过对物理服务器进行虚拟化，提供创建和运行虚拟机的虚拟化平台，安装之后的服务器我们称之为ESXi主机。作为vSphere的神经中枢，vCenter Server主要用来管理整个虚拟化环境，为所有的主机和服务器提供集中化管理和性能监控。vSphere Client是用户用来连接vCenter Server或单个ESXi Server的交互工具，实现远程维护和管理。[4-5]
VMotion是威睿（VMware）公司的一项独特技术，实现了在两台服务器不停机的情况下实时迁移虚拟机，通过内存克隆技术，不影响用户的使用，是所有vSphere高级功能的基础。[6]分布式资源调度功能，简称DRS，是指通过创建资源池，可以根据业务需求在资源池中动态分配资源。由于每个应用所需的资源不同，可以制定出DRS的各项阈值和规则，协调可用资源和预定义业务优先顺序，实现资源配置的智能化管理。高可用性功能，简称HA，实现为集群中的多台主机提供快速中断恢复。当某台主机硬件或操作系统发生故障时，可在短时间内恢复应用的正常运行，实现经济高效的高可用性。[7-8]VMware Data Protection（简称VDP）作为vSphere中全新的备份还原工具[9-10]，可为虚拟化环境提供简单、经济高效、无代理的备份还原方式，相对于传统的VCB和VDR，其备份恢复数据更快，消除重复效果更好。
服务器虚拟化在数字化校园中的应用
台州科技职业学院数字化校园系统是一个由统一数据交换平台、统一身份认证平台、统一信息门户平台和诸多业务系统组成的大型项目，为提升系统运行的质量，学校考虑构建数字化校园服务器虚拟化平台。
1.系统资源规划
根据数字化校园建设的需要，学校新购了8台惠普刀片服务器HPBL460c Gen8和一台HP存储MSA2040，结合原有的部分硬件资源，淘汰过保的旧服务器，重新对应用平台进行部署，如表1所示。
2.虚拟化实施
（1）构建虚拟化架构，下页图1是服务器虚拟化架构图。
（2）为每台物理服务器安装ESXi系统，并设置相关参数，包括主机名、IP地址、登录账号和密码等。
（3）在一台用户机上通过浏览器访问系统Web页面，下载并安装vSphere Client客户端，然后就可以通过该机连接到ESXi主机进行管理。 （4）安装vCenter Server和vCenter数据库，用于对虚拟机主机进行统一管理。
（5）挂接磁盘阵列。在阵列中划分LUN，设置光纤交换机为阵列和主机建立数据通道，然后在阵列中建立映射，最后配置ESXi主机，加入阵列中分配的空间。
（6）建立虚拟机，并部署相应的应用。创建虚拟机有两种方式：一是新建虚拟机，设置好相关硬件参数，通过加载操作系统的ISO镜像文件安装虚拟机操作系统；二是直接迁移原有系统至虚拟机。针对一些旧系统或者重新部署应用较困难的系统，学校采用P2V工具将物理机上的系统迁移至虚拟机中，并设置好硬件资源和存储位置。迁移完毕后，由虚拟机接替原有系统的工作，关闭原先的物理服务器。[11]
（7）通过vSphere Web Client部署VDP虚拟机，配置好相关参数，完成VDP的注册。[12]
3.虚拟化环境管理
通过vSphere Client操作控制台连接到vCenter，可以方便地对所有EXSi主机、虚拟机及其软硬件资源进行管理和配置，如创建虚拟机、启动和关闭虚拟机、监控系统性能和利用率、修改虚拟机的硬件配置、查看资源映射和拓扑图等，甚至根据需要随时迁移虚拟机至其他主机或存储位置，而不影响业务的连续性，图2为虚拟化平台管理窗口。
HA功能作为vSphere的高级功能之一，是以一群ESXi服务器为主的集群功能，创建一个不会蓝屏的环境。在HA集群中，每一台服务器持续监测集群中其他服务器的心跳信号，如果一台服务器在持续三个时间间隔后仍没有发出心跳信号，那么该服务器上运行的虚拟机就会自动被转移到集群中的其他服务器上。学校为整个数字化校园系统创建数据中心和集群，开启HA功能并配置好相关参数，这样就不用担心因为服务器故障而使学校网站无法访问或者OA系统中断服务，大大提高了数据中心的安全性和高可用性，HA配置界面如图3所示。
将DRS技术应用于数字化校园中，可以对一些具有明显周期性突发访问的系统进行资源调配，如迎新系统，在每年九月份开学报到时，总会出现非常集中的访问。按照以往的做法就是为迎新系统配置性能足够高的硬件平台以满足需求，但是过了迎新阶段，这些服务器资源基本处于闲置状态。现在运用虚拟化的DRS技术，只需要在资源池中给迎新系统预留足够的资源，以满足迎新阶段集中的访问量，而在其余时期可以将这些资源回收用于其他地方。
虚拟化技术的出现打破了传统数据备份机制的限制，主机内的每台虚拟机可看作是一个包含多个文件的整体。在VMware虚拟化环境下，使用VDP实现数据的备份和恢复是一种方便且可靠的方式。VDP可与vCenter Server完成集成，对备份作业进行高效的集中式管理，同时将备份数据存放于经过重复数据消除的目标存储中。[13]VDP是针对虚拟机整机进行备份的，可以实现整机恢复和文件级恢复。
高效应用服务的数据可分为三类：①有频繁的数据更新且数据量较小的应用，如资产管理系统、办公OA系统等。②有较固定的更新时间且数据量不大的应用，如迎新系统、招生系统等。③更新时间不固定且数据量较大的应用，如精品课程、视频网站等。对应不同的数据变化类型，采用分类备份的策略，如表2所示。
4.虚拟化测试
在系统部署并配置完之后，接下来就是对虚拟化环境进行测试，部分测试包括：①模拟主机故障，将被测主机关机或断网，通过ping命令测试该主机上的虚拟机，发现出现短暂时间的丢包，之后就恢复稳定运行。经验证，故障主机上的虚拟机已经迁移到集群中的另一台主机上开始工作。②恢复测试主机的正常状态，观察该主机重新加入集群中，通过资源调度，部分虚拟机在不中断服务的情况下迁移到该主机。③消耗系统资源测试资源调度功能。编写shell脚本或者采用LoadRunner设计脚本，并在被测机器上运行，消耗系统资源使其超载，经过一段时间验证发现该台主机上的部分虚拟机已迁移至其他主机上继续工作，集群中主机的性能得到平衡。④手动迁移多台虚拟机至被测主机，使其资源消耗趋于满负荷，观察一段时间发现部分虚拟机已自动迁出，证实集群的资源调度功能能平衡主机间的负载。
结束语
在数字化校园平台建设中运用虚拟化技术，充分利用系统资源，使原来10%以下的资源利用率提高至50%～60%，同时解决了资源利用不平衡、故障恢复慢以及高能耗等问题，整体提升了数字化校园系统的运行质量，为全校师生提供了更优质的服务。
关键词：数字化校园；虚拟化；VMware；高可用性；分布式资源调度
中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2016）23-0106-05
数字化校园现状与问题
随着高校信息化建设的不断推进，数字化校园建设已成为学校教学、办公和科研等工作的有力保障。但随着业务系统和应用平台需求的日益增长，若建设过程中仍采用“一套应用一套系统”的模式，学校数据中心则需要不断增加服务器的数量，而这种传统服务器架构的管理模式存在诸多不利因素，突出表现在：
①服务器资源的利用率低。为保证业务系统的正常运转，一般根据系统的峰值资源要求配置服务器的性能，但大部分服务器不会被经常访问，加上一台服务器只运行一个操作系统，受系统和平台不同的限制，服务器的CPU、内存等使用率一般不超过10%，资源闲置浪费严重。
②投入成本高。随着业务系统的增加，服务器数量不断增多，还要增加相应的配套设施，导致建设成本递增且占用较多的物理空间。同时，针对不同厂家、不同型号的设备，实现统一管理难度很大，而单台式的维护方式工作量较大，对机房管理人员造成了较大的压力。此外，部分服务器过了保修期，维护、维修的费用也是不小的开支。
③服务保障水平低。目前大部分应用系统采用单台服务器的部署方式，一旦服务器出现故障，就会导致服务中断，并且系统维护、扩容或升级时需要停机，也会造成应用服务的中断，严重影响学校各项工作的正常开展。
④能耗高。随着服务器的不断增多，设备耗能和空调耗能加剧，学校数据中心的能耗费用剧增，每年仅支付的电费就达到数十万元。[1]
⑤部署新业务的时间周期较长。当有新的应用需要部署时，需要经过预算、采购、系统安装、调试、测试、上线等多个环节，无法做到及时响应。
针对上述问题，本文提出了基于虚拟化技术构建一个安全、高可用性的数字化校园硬件平台。
虚拟化技术
虚拟化技术是最近几年较热门的技术之一，它是通过映射或抽象的方式屏蔽物理资源的复杂性，简化基础设施的管理，同时超出其物理局限性，解决异构平台的管理难度，提高资源的利用率和灵活性。[2-3]服务器虚拟化是指将来自服务器的各种资源抽象成逻辑资源，不受物理上的限制，使CPU、内存等硬件资源成为可动态管理的资源池，实现一台物理服务器上运行多台相互隔离的虚拟机，提高资源的利用率，达到服务器的逻辑整合。
目前市场上已有一些成熟的虚拟化产品，如vSphere、Hyper-v、FusionSphere等。vSphere是基于云计算的新一代虚拟化套件，提供了虚拟化基础架构、高可用性、分布式资源调度、快速数据备份还原、集中管理等一整套的解决方案，是当前应用最为广泛的虚拟化平台，其包含三个基本组件：ESXi Server、vCenter Server和vSphere Client。ESXi Server是一款支持硬件虚拟化并可以独立安装和运行在裸机上的系统，通过对物理服务器进行虚拟化，提供创建和运行虚拟机的虚拟化平台，安装之后的服务器我们称之为ESXi主机。作为vSphere的神经中枢，vCenter Server主要用来管理整个虚拟化环境，为所有的主机和服务器提供集中化管理和性能监控。vSphere Client是用户用来连接vCenter Server或单个ESXi Server的交互工具，实现远程维护和管理。[4-5]
VMotion是威睿（VMware）公司的一项独特技术，实现了在两台服务器不停机的情况下实时迁移虚拟机，通过内存克隆技术，不影响用户的使用，是所有vSphere高级功能的基础。[6]分布式资源调度功能，简称DRS，是指通过创建资源池，可以根据业务需求在资源池中动态分配资源。由于每个应用所需的资源不同，可以制定出DRS的各项阈值和规则，协调可用资源和预定义业务优先顺序，实现资源配置的智能化管理。高可用性功能，简称HA，实现为集群中的多台主机提供快速中断恢复。当某台主机硬件或操作系统发生故障时，可在短时间内恢复应用的正常运行，实现经济高效的高可用性。[7-8]VMware Data Protection（简称VDP）作为vSphere中全新的备份还原工具[9-10]，可为虚拟化环境提供简单、经济高效、无代理的备份还原方式，相对于传统的VCB和VDR，其备份恢复数据更快，消除重复效果更好。
服务器虚拟化在数字化校园中的应用
台州科技职业学院数字化校园系统是一个由统一数据交换平台、统一身份认证平台、统一信息门户平台和诸多业务系统组成的大型项目，为提升系统运行的质量，学校考虑构建数字化校园服务器虚拟化平台。
1.系统资源规划
根据数字化校园建设的需要，学校新购了8台惠普刀片服务器HPBL460c Gen8和一台HP存储MSA2040，结合原有的部分硬件资源，淘汰过保的旧服务器，重新对应用平台进行部署，如表1所示。
2.虚拟化实施
（1）构建虚拟化架构，下页图1是服务器虚拟化架构图。
（2）为每台物理服务器安装ESXi系统，并设置相关参数，包括主机名、IP地址、登录账号和密码等。
（3）在一台用户机上通过浏览器访问系统Web页面，下载并安装vSphere Client客户端，然后就可以通过该机连接到ESXi主机进行管理。 （4）安装vCenter Server和vCenter数据库，用于对虚拟机主机进行统一管理。
（5）挂接磁盘阵列。在阵列中划分LUN，设置光纤交换机为阵列和主机建立数据通道，然后在阵列中建立映射，最后配置ESXi主机，加入阵列中分配的空间。
（6）建立虚拟机，并部署相应的应用。创建虚拟机有两种方式：一是新建虚拟机，设置好相关硬件参数，通过加载操作系统的ISO镜像文件安装虚拟机操作系统；二是直接迁移原有系统至虚拟机。针对一些旧系统或者重新部署应用较困难的系统，学校采用P2V工具将物理机上的系统迁移至虚拟机中，并设置好硬件资源和存储位置。迁移完毕后，由虚拟机接替原有系统的工作，关闭原先的物理服务器。[11]
（7）通过vSphere Web Client部署VDP虚拟机，配置好相关参数，完成VDP的注册。[12]
3.虚拟化环境管理
通过vSphere Client操作控制台连接到vCenter，可以方便地对所有EXSi主机、虚拟机及其软硬件资源进行管理和配置，如创建虚拟机、启动和关闭虚拟机、监控系统性能和利用率、修改虚拟机的硬件配置、查看资源映射和拓扑图等，甚至根据需要随时迁移虚拟机至其他主机或存储位置，而不影响业务的连续性，图2为虚拟化平台管理窗口。
HA功能作为vSphere的高级功能之一，是以一群ESXi服务器为主的集群功能，创建一个不会蓝屏的环境。在HA集群中，每一台服务器持续监测集群中其他服务器的心跳信号，如果一台服务器在持续三个时间间隔后仍没有发出心跳信号，那么该服务器上运行的虚拟机就会自动被转移到集群中的其他服务器上。学校为整个数字化校园系统创建数据中心和集群，开启HA功能并配置好相关参数，这样就不用担心因为服务器故障而使学校网站无法访问或者OA系统中断服务，大大提高了数据中心的安全性和高可用性，HA配置界面如图3所示。
将DRS技术应用于数字化校园中，可以对一些具有明显周期性突发访问的系统进行资源调配，如迎新系统，在每年九月份开学报到时，总会出现非常集中的访问。按照以往的做法就是为迎新系统配置性能足够高的硬件平台以满足需求，但是过了迎新阶段，这些服务器资源基本处于闲置状态。现在运用虚拟化的DRS技术，只需要在资源池中给迎新系统预留足够的资源，以满足迎新阶段集中的访问量，而在其余时期可以将这些资源回收用于其他地方。
虚拟化技术的出现打破了传统数据备份机制的限制，主机内的每台虚拟机可看作是一个包含多个文件的整体。在VMware虚拟化环境下，使用VDP实现数据的备份和恢复是一种方便且可靠的方式。VDP可与vCenter Server完成集成，对备份作业进行高效的集中式管理，同时将备份数据存放于经过重复数据消除的目标存储中。[13]VDP是针对虚拟机整机进行备份的，可以实现整机恢复和文件级恢复。
高效应用服务的数据可分为三类：①有频繁的数据更新且数据量较小的应用，如资产管理系统、办公OA系统等。②有较固定的更新时间且数据量不大的应用，如迎新系统、招生系统等。③更新时间不固定且数据量较大的应用，如精品课程、视频网站等。对应不同的数据变化类型，采用分类备份的策略，如表2所示。
4.虚拟化测试
在系统部署并配置完之后，接下来就是对虚拟化环境进行测试，部分测试包括：①模拟主机故障，将被测主机关机或断网，通过ping命令测试该主机上的虚拟机，发现出现短暂时间的丢包，之后就恢复稳定运行。经验证，故障主机上的虚拟机已经迁移到集群中的另一台主机上开始工作。②恢复测试主机的正常状态，观察该主机重新加入集群中，通过资源调度，部分虚拟机在不中断服务的情况下迁移到该主机。③消耗系统资源测试资源调度功能。编写shell脚本或者采用LoadRunner设计脚本，并在被测机器上运行，消耗系统资源使其超载，经过一段时间验证发现该台主机上的部分虚拟机已迁移至其他主机上继续工作，集群中主机的性能得到平衡。④手动迁移多台虚拟机至被测主机，使其资源消耗趋于满负荷，观察一段时间发现部分虚拟机已自动迁出，证实集群的资源调度功能能平衡主机间的负载。
结束语
在数字化校园平台建设中运用虚拟化技术，充分利用系统资源，使原来10%以下的资源利用率提高至50%～60%，同时解决了资源利用不平衡、故障恢复慢以及高能耗等问题，整体提升了数字化校园系统的运行质量，为全校师生提供了更优质的服务。