基于虛擬化技術的高職院校云計算數(shù)據(jù)中心建設方案研究

劉陽

【摘要】 重點分析了虛擬化技術在云計算數(shù)據(jù)中心建設中的作用，系統(tǒng)闡述了基于虛擬化技術的高職院校云計算數(shù)據(jù)中心整體建設思路和功能定位，設計了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡融合拓撲結構圖，并提出了各子平臺建設的原則和要點，為計劃建設虛擬化云計算數(shù)據(jù)中心的高職院校提供了一套實用、可行的參考方案。

【關鍵詞】 虛擬化 云計算 數(shù)據(jù)中心 資源池

一、高職院校云計算數(shù)據(jù)中心建設需求分析

高職院校近幾年來得到了迅猛發(fā)展，特別是自2006年國家支持建設100所示范高職院校以來，高職院校在校園信息化建設、IT實訓基地建設等方面投入了大量資金，大大改善了IT相關專業(yè)和課程教學校內(nèi)實訓條件，符合高職教育對應用型、技能型人才培養(yǎng)所需實訓條件建設的要求，為“工學結合”、“做教學”等教學組織與實施創(chuàng)造了良好的實訓環(huán)境，也提高了校園網(wǎng)絡服務教學管理的效益，但在傳統(tǒng)的信息中心建設與管理、IT實訓室建設與維護過程中大都遇到以下問題：

（1）幾乎每年都要進行硬件采購、軟件升級，做計劃、招投標和建設周期較長，而且不斷擴容的軟硬件設施給學校增加了投資成本，并給網(wǎng)管人員帶來越來越大的管理困難。

（2）服務器利用率低、運維成本高，多數(shù)服務器業(yè)務單一，系統(tǒng)維護、升級和擴容等都會帶來業(yè)務暫停等問題。

（3）服務器間的兼容性差，原有系統(tǒng)遷移到新平臺上，就會帶來新老系統(tǒng)兼容等問題。

（4）存儲設備數(shù)量多、架構不統(tǒng)一。學校大量各類資源分布存儲在不同的存儲網(wǎng)絡上，既不利于業(yè)務管理、又存在信息共享困難等問題。

（5）信息中心大量IT資源對各二級部門的貢獻不夠，不能夠發(fā)揮資源效益，以減少二級學院IT投資特別是計算機類機房的重復投資問題。

能否設計一種新的技術架構和運行管理平臺來克服以上問題？

有，那就是構建基于虛擬化技術的云計算平臺，建設一個集成統(tǒng)一的信息化服務數(shù)據(jù)中心[1]，將學校有限的IT軟硬件資源，通過虛擬化技術，構建成“無限”應用的各種資源池，利用云計算提供的SaaS（Software as a Service，軟件即服務）、PaaS（Platform as a Service，平臺即服務） 和IaaS（Infrastructure as a Service，架構即服務）三種服務模式，實現(xiàn)對客戶“按需分配”，滿足對學校IT資源的各種應用。

但由于云計算平臺建設投入較大，技術與管理復雜，是目前制約高職院校云計算數(shù)據(jù)中心建設的一個主要原因。根據(jù)高職院校的辦學特點，云計算數(shù)據(jù)中心建設可以按照私有云和共有云相結合的設計方案，采用SaaS 和PaaS服務模式為校內(nèi)師生云客戶端提供上課和實訓所需的軟件與工具在線服務，各二級學院或部門不再需要單獨采購大量本地存儲磁盤和預裝教學需要的種類繁多的平臺系統(tǒng)軟件和開發(fā)工具，更不用擔心服務器硬件擴展、軟件升級等維護問題，計算機機房中上課所需要的課程資源、軟件工具等均可存儲在云計算數(shù)據(jù)中心，機房中的電腦和師生的移動設備如云終端設備、筆記本電腦等不再需要單獨安裝大量的軟件資源，數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一配備云服務專業(yè)技術團隊負責維護和管理系統(tǒng)運行，這無疑會大大節(jié)省的學校在信息化機房建設的資金和時間投入，也大大提高了學校IT資源的整體效益。

二、云計算三種服務模式在數(shù)據(jù)中心建設中應用分析

目前，云計算服務模式由如下三種架構，用戶可以根據(jù)自己的業(yè)務特點選擇一種或多種服務模式，這里根據(jù)高職院校數(shù)據(jù)中心建設與師生需求特點簡要分析這三種云計算服務模式的應用區(qū)別。

2.1 SaaS模式

SaaS的技術特點是：云數(shù)據(jù)中心根據(jù)云客戶端的軟件應用申請下發(fā)相應的軟件系統(tǒng)和軟件工具，對使用者來說，節(jié)省了在本地網(wǎng)絡購置服務器硬件和軟件以及應用授權上的開支，也無需單獨安裝工具和軟件；而對云數(shù)據(jù)中心來說，只不過是一個客戶應用請求而已，無需額外增加投資，只需下發(fā)一個服務即可。

譬如，學校計算機實訓機房，可以根據(jù)課程所需要的軟件環(huán)境，隨時向云數(shù)據(jù)中心在線動態(tài)申請相應的軟件，數(shù)據(jù)中心通過虛擬化桌面，給師生終端批量下發(fā)上課需要的教學與實訓軟件即可，完成教學和實訓任務后可以隨時釋放這些應用，這無疑會大大減少二級部門在實訓機房上的投資，也減輕了機房管理團隊的工作壓力。

2.2 PaaS模式

PaaS模式依賴于在云數(shù)據(jù)中心構建的一套完整的虛擬化平臺為客戶提供所需要的開發(fā)工具如Apache、MySQL、JBoss Application Server以及應用程序開發(fā)庫和接口等資源，云客戶端可以在線設計、創(chuàng)建、開發(fā)、部署以及管理自己的應用，但無需要管理這些平臺運行環(huán)境。譬如，學校師生可以充分利用PaaS服務模式，無需搭建和管理自己的軟件開發(fā)環(huán)境，只需在線申請使用云數(shù)據(jù)中心提供的多樣性開發(fā)平臺即可，這為師生從事軟件開發(fā)以及項目研究提供了靈活豐富的資源平臺。

2.3 IaaS模式

IaaS是以提供網(wǎng)絡基礎設施如CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡以及存儲等IT資源作為服務形式，云用戶可以向云數(shù)據(jù)中心申請這些軟硬件資源，構建屬于自己的虛擬運行平臺，用戶可以在該平臺上部署運行自己的應用軟件，并能夠控制屬于自己租約的IT資源。譬如，學?？梢葬槍δ承┱n程構建專門的實訓室，通過申請IaaS，二級學院可以擁有自助式服務模式，在該平臺上通過云計算中心提供的基礎設施，構建一套適合上課和實訓的虛擬實訓室，既能夠滿足正常上課和實訓需要，又能提供師生軟件項目研發(fā)等需要。

三、虛擬化技術在數(shù)據(jù)中心建設中的應用分析

虛擬化，就是通過虛擬化軟件在一臺計算機或服務器物理主機上虛擬出多臺可以同時運行多種操作系統(tǒng)的邏輯主機，如圖1所示，每臺虛擬的邏輯主機上的應用系統(tǒng)可以相互獨立地運行。虛擬化技術實現(xiàn)了對IT軟硬件資源的動態(tài)按需分配、靈活規(guī)劃調(diào)度、虛擬機間資源共享等功能，大大提高了對IT資源利用效率[2]。

在學校云計算數(shù)據(jù)中心部署虛擬化，可實現(xiàn)對學校信息化基礎設施等資源的利用、減少軟硬件采購資金的重復投入、節(jié)省機房空間、提高設備集成性、減少能耗、降低管理成本、縮短建設周期等。利用虛擬化技術，將一組物理硬件資源組織成為邏輯上的資源池（Resurce Pool），并通過管理平臺，實現(xiàn)動態(tài)、均衡分配資源池中資源，也可根據(jù)業(yè)務需求和業(yè)務重要程度預設服務策略，通過監(jiān)控資源池的使用情況，智能地為虛擬機調(diào)配資源，從而實現(xiàn)對IT資源的有效、高效利用和管理。

四、基于虛擬化技術的云計算數(shù)據(jù)中心建設方案

學校在進行云計算數(shù)據(jù)中心設計時，應拋棄傳統(tǒng)的計算、存儲和網(wǎng)絡架構模式，將計算與交換集成在一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡平臺上，實現(xiàn)網(wǎng)絡融合、減少網(wǎng)絡匯聚與接入層的分段，在統(tǒng)一的管理域內(nèi)，利用數(shù)據(jù)交換核心，減少I/O適配器、布線及外圍設備，實現(xiàn)交換、存儲與高性能數(shù)據(jù)計算，并實現(xiàn)對云數(shù)據(jù)中心軟硬件資源的集中管理。主要建設模塊包括：

4.1云計算基礎架構

云計算基礎架構是利用虛擬化技術，對服務器資源、存儲與災備系統(tǒng)、網(wǎng)絡設施等進行有機整合，形成虛擬化計算資源池、存儲資源池、網(wǎng)絡資源池等共享資源平臺，對云客戶端實現(xiàn)需支付服務、自動分發(fā)部署，并具備容災熱備、異構遷移等功能。

4.2云計算運營行管理平臺

云計算數(shù)據(jù)中心由大量的物理與虛擬化IT資源，為了保障整體系統(tǒng)的正常運行，必須構建一套對這些IT資源進行統(tǒng)一運行監(jiān)控、資源調(diào)度、服務支付、故障處理、計費記賬、性能優(yōu)化、配置修改、安全策略等管理平臺，使日常運維、管理、控制等更加科學、有效和及時。

圖2是學校云計算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡架構拓撲[2]圖。

1、虛擬化基礎架構設計

（1）虛擬化計算資源池設計

計算虛擬化即服務器虛擬化，是通過虛擬化操作系統(tǒng)來實現(xiàn)的。在服務器節(jié)點或服務器資源池上，安裝虛擬軟件系統(tǒng)如vSphere，對宿主服務器的CPU、內(nèi)存、網(wǎng)卡以及I/O等進行虛擬化處理，安裝多個可運行不同操作系統(tǒng)的邏輯服務器（如圖3所示），并根據(jù)業(yè)務劃分安裝相應的應用軟件和工具，如此，一臺物理服務器就似乎變成了多臺服務器在運行，從而大大提高了計算資源的利用率，降低了采購和建設成本，增強了系統(tǒng)的配置靈活性和可用性。

設計要點：

1）企業(yè)級刀片服務器控制箱，配備冗余電源、風扇和機箱管理模塊，內(nèi)置FCoE交換機，配置足夠的內(nèi)部10Gb服務器端口和萬兆SFP+模塊。

2）物理服務器配置足夠的CPU和內(nèi)存，支持虛擬化集群，以保障虛擬化平臺的構建。

3）多路虛擬CPU（vSMP），以快速部署批量并發(fā)云端用戶的服務請求。

4）在線添加虛擬CPU（vCPU）， 虛擬內(nèi)存（vMemory）和虛擬磁盤（vDisk），保證系統(tǒng)無間斷運行。

5）支持在線虛擬機間、虛擬機與物理機間業(yè)務遷移，實現(xiàn)對業(yè)務動態(tài)調(diào)控、負載均衡處理。

6）支持Windows、Linux等主流操作系統(tǒng)，并兼容VMWare、Hyper-V、RHEL-KVM以及華為等業(yè)界主流虛擬化運行管理平臺

（2）存儲資源池設計

存儲資源池是云計算數(shù)據(jù)中心建設的重要內(nèi)容，是提供云端信息服務、數(shù)據(jù)存儲與管理、數(shù)據(jù)共享與檢索以及數(shù)據(jù)災備的重要平臺。采用光纖存儲系統(tǒng)SAN架構，配置冗余高速背板帶寬的光纖交換機，滿足不同云計算用戶的訪問。設計要點：

1）具有高速緩存的SAS磁盤陣列控制器，支持多種RAID方式，具有在線動態(tài)調(diào)整LUN的容量、在線修改RAID級別等功能。

2）支持FC、NAS、iSCSI應用以及配置10Gb/s FCoE、8Gb/s FC光纖通道等端口。

3）支持固態(tài)硬盤（SSD）、高速硬盤（比如15000轉）、高容量SATA硬盤

4）實現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同LUN之間的動態(tài)、在線無中斷數(shù)據(jù)遷移

5）具備定期增量備份（Incremental Backup）、全量備份（Full Backup）和差異備份（Differential Backup）等備份方式。

6）基本的硬件冗余，如緩存、處理器、適配器卡、電源及風扇等。

（3）桌面虛擬化設計

桌面虛擬化[4]是云客戶端共享云數(shù)據(jù)中心資源的重要應用平臺，是云數(shù)據(jù)中心根據(jù)用戶業(yè)務需要，對大批量并發(fā)用戶動態(tài)、統(tǒng)一或個性化下發(fā)桌面應用的手段，包括桌面操作系統(tǒng)、應用程序等應用，減少客戶端預裝系統(tǒng)，使用戶云端設備成為瘦客戶端（Thin Client），網(wǎng)管人員可以通過專業(yè)化管理工具如VMware vCenter實現(xiàn)對云平臺上的客戶端集中管理。設計要點包括：

1）可按用戶不同業(yè)務，將一朵“大云”切分成多個邏輯“子云”，各“子云”在資源申請與分配、生成與交付等管理流程，可獨立于上層“大云”系統(tǒng)門戶，以增強服務支付的靈活性。

2）虛擬桌面系統(tǒng)能夠支持多種前端協(xié)議，如HP RGS、PCOIP、RDP等。

3）支持內(nèi)置企業(yè)級數(shù)據(jù)庫功能，虛擬桌面無需再購買第三方的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

4）能夠快速分發(fā)應用程序，并可以運行在PC、移動終端、云終端等不同操作系統(tǒng)平臺上，能夠轉換成EXE或MSI格式，方便用戶個性化應用和分發(fā)（如計算機機房內(nèi)部）。

2、 統(tǒng)一交換網(wǎng)絡設計

隨著10GB以太網(wǎng)應用的普及，基于FCoE和無損10GB以太網(wǎng)技術已經(jīng)在云計算數(shù)據(jù)中心建設中被采用，為實現(xiàn)將SAN存儲數(shù)據(jù)流、計算數(shù)據(jù)流和普通交換數(shù)據(jù)流整合到一個統(tǒng)一網(wǎng)絡交換平臺提供了較充裕的帶寬，既降低了網(wǎng)絡建設的復雜度與投資，又能滿足大量云客戶端對高帶寬、低延遲、安全性和可靠性的需求。核心交換機和存儲交換機SAN應配置足夠的10GB網(wǎng)絡端口，用于與計算資源池中的服務器、存儲資源池中控制器、連接，并具備跨機箱10GB智能堆疊、支持FCoE協(xié)議等。

3、統(tǒng)一管理系統(tǒng)設計

虛擬化數(shù)據(jù)中心IT資源龐大，為了便于資源管理、動態(tài)調(diào)配，需要一套功能強大的云管理工具平臺，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)中心的計算資源池、網(wǎng)絡資源池、存儲資源池的統(tǒng)一管理、優(yōu)化和協(xié)調(diào)，并具備虛擬桌面分發(fā)、資源運行監(jiān)控、安全策略配置及資源優(yōu)化等功能，從而提高對云計算數(shù)據(jù)中心運行管理的自動化和智能化。

4、 安全策略

傳統(tǒng)安全措施仍需要在云計算中心進行強化，包括防火墻安全策略、入侵防御系統(tǒng)IPS、VPN隧道技術、防病毒軟件、數(shù)據(jù)災備、接入認證等措施，保障前端網(wǎng)絡的接入安全。但在虛擬化運行平臺上，由于大量虛擬化系統(tǒng)的應用以及大量云端用戶開放性地接入數(shù)據(jù)中心，這就對網(wǎng)絡安全提出了更高的要求，因此，數(shù)據(jù)中心安全方案可以選擇基于虛擬化技術平臺的深度安全管理軟件，如趨勢科技的Deep Security、VMware的VMware vShield等，保障后端虛擬化系統(tǒng)和各種資源池的運行安全。

五、結語

以往校園數(shù)據(jù)中心建設、業(yè)務擴展等都需要重新進行大量軟硬件的采購預算，即使是一個業(yè)務量也要走一遍從申報計劃、制定標書、招投標、采購等一系列建設流程，大量這類“單個業(yè)務”占據(jù)了不少軟硬件資源，利用率低下，運行成本和管理成本高。

因此，采用虛擬化和云計算技術，只需在原有系統(tǒng)上添加一套虛擬計算和服務即可。譬如，過去每年都要投入大量人力、物力、時間等規(guī)劃建設計算機實訓室或升級原有計算機實訓室的運行平臺，如今，利用云計算數(shù)據(jù)中心，采用SaaS或PaaS模式，二級學院隨時可以構建教學實訓環(huán)境，并且隨時得到最新應用系統(tǒng)，讓各二級學院計算機相關實訓室由“有型”變得“無型”、由固定變成可移動。

參 考 文 獻

[1]孟凡立 徐明 張慰.基于云計算的高校數(shù)據(jù)中心設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代教育技術.2012（3）99-103

[2]李丹 陳貴海 任豐原 蔣長林 徐明偉.數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的研究進展與趨勢[J].計算機學報.2014（2） 259-274

[3]郭廣軍 賀江濤 黎梅 謝東.面向云計算的虛擬化應用集群部署研究[J].湖南人文科技學院學報.2014（2）123-128

[4]柏忠賢 崔純 張建.高校云計算實驗室虛擬化解決方案探究[J].軟件導刊.2014（6）5-8