高校信息資源虛擬化技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)踐

王琪　史先娟　秦國剛

摘要：本文通過高校中各類軟硬件系統(tǒng)利用率低、負(fù)載不均、容災(zāi)備份低、能耗高、投入高產(chǎn)出低等問題進(jìn)行了研究，詳細(xì)分析了高校網(wǎng)絡(luò)線路資源、計(jì)算資源、硬件設(shè)備、大數(shù)據(jù)量存儲資源的使用現(xiàn)狀，并提出了解決當(dāng)前高校信息系統(tǒng)發(fā)展問題中整體方案。將資源整體融合成應(yīng)用虛擬池，充分挖掘計(jì)算資源。在本文中對各類虛擬化技術(shù)應(yīng)用方法與應(yīng)用效果進(jìn)行了詳細(xì)闡述，證明了本方案的優(yōu)點(diǎn)與可行性。

關(guān)鍵詞：虛擬化；信息系統(tǒng)；利用率；計(jì)算資源

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003 6970.2016.05.016

本文著錄格式：王

琪，史先娟，秦國剛.高校信息資源虛擬化技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)踐.軟件，2016，37（5）：63-67

0.引言

虛擬化技術(shù)現(xiàn)今發(fā)展迅猛，各類廠商不斷研究針對計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)級別的應(yīng)用技術(shù)并迅速推陳出新，虛擬化技術(shù)的本質(zhì)其實(shí)就是不斷發(fā)掘IT軟硬件資源的可充分利用之處，帶給各行業(yè)用戶更大的利益與價值。作者在集成商與高校單位中工作多年，見證了虛擬化應(yīng)用從無到有、逐步起步強(qiáng)大的發(fā)展歷程。

如今高校信息應(yīng)用需求不斷增加，絕大部分教學(xué)資源已經(jīng)網(wǎng)絡(luò)平臺化，師生的日常教學(xué)、科研、生活越來越依賴手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)與軟件系統(tǒng)。同時用戶體驗(yàn)越來越重要，要求資源平臺響應(yīng)及時、界面簡潔、使用方便、內(nèi)容豐富、所見所得，但高校的應(yīng)用規(guī)模普遍在萬人以上，并發(fā)訪問時形成海量數(shù)據(jù)請求，如此大規(guī)模的訪問壓力下給網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用、計(jì)算與存儲資源帶來了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。尤其在迎新、選課、報(bào)名、離校、上課等使用高峰期，在傳統(tǒng)運(yùn)行模式下谷時利用率低、峰時資源窮盡等情況層出不窮，給運(yùn)維人員帶來了很大的挑戰(zhàn)，所以利用虛擬化技術(shù)對數(shù)據(jù)中心及校園網(wǎng)進(jìn)行全面虛擬化改造，不但可以提高物理資源的利用率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的快速部署靈活調(diào)度，還可以進(jìn)一步降低管理成本。

通過長期使用、研究逐步發(fā)現(xiàn)原有IT運(yùn)行模式存在如下缺點(diǎn)：單體物理設(shè)備硬件資源利用率低，設(shè)備功耗大，系統(tǒng)部署效率偏低，冗余性低，資源調(diào)度不靈活。所以通過對校園各類網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲虛擬化的研究，分析傳統(tǒng)模式的問題與發(fā)展瓶頸，必須要能找到符合當(dāng)前高校信息系統(tǒng)特殊需求的應(yīng)用方案，最終期望的結(jié)果是信息資源的使用類似現(xiàn)在的水、電、氣一樣就可以快速獲取直接使用，用戶使用體驗(yàn)良好，不必關(guān)心計(jì)算設(shè)備、存儲或數(shù)據(jù)等相關(guān)資源位置和具體部署方式。

1.建設(shè)目標(biāo)

當(dāng)前信息系統(tǒng)一直朝著資源整合、精細(xì)化管理的趨勢發(fā)展，利用虛擬化整體解決方案的目標(biāo)就是解決物理設(shè)備利用率低下、維護(hù)困難等問題，降低運(yùn)行維護(hù)和建設(shè)成本，幫助管理人員更高效利用資源充分發(fā)掘投資價值。

具體而言，通過信息資源虛擬化能夠達(dá)到如下目標(biāo)：

（1）在用戶無需知情或感覺中斷的情況下進(jìn)行虛擬化部署及改造，無縫融入現(xiàn)有信息系統(tǒng)中。

（2）降低信息系統(tǒng)管理復(fù)雜度、解決服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性差的問題。確保部署虛擬化技術(shù)的信息系統(tǒng)無單點(diǎn)故障問題，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警和統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，消滅信息數(shù)據(jù)孤島。

（3）解決部分應(yīng)用系統(tǒng)軟硬件資源分配不均問題，讓不同服務(wù)對象、不同應(yīng)用功能、使用頻率大為不同的各業(yè)務(wù)系統(tǒng)在高峰時能滿載利用，低峰時釋放資源支援其他服務(wù)。

（4）緩解機(jī)房建設(shè)及運(yùn)行維護(hù)成本過高的問題，尤其隨著設(shè)備增多，運(yùn)轉(zhuǎn)能耗與空調(diào)能耗比例逐漸呈現(xiàn)1：1的情況、機(jī)房空間捉襟見肘的問題。

（5）解決系統(tǒng)快速備份和有序恢復(fù)的難題，降低管理工作量，減小系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性上的不確定因素。

（6）實(shí)現(xiàn)極端災(zāi)難情況下，重要業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)不丟失、系統(tǒng)能夠短時間內(nèi)遷移重新上線運(yùn)行。

2.資源虛擬化方案設(shè)計(jì)

2.1帶寬線路虛擬化方案

高校一般使用教育科研網(wǎng)絡(luò)對外發(fā)布信息資源提供各類服務(wù)，edu域名解析為教育網(wǎng)公網(wǎng)IP地址。由于外部訪問者用戶一般使用的是電信、聯(lián)通、移動、廣電運(yùn)營商線路，所以訪問時會存在運(yùn)營商之間的互聯(lián)互通瓶頸，訪問響應(yīng)慢、延遲高、高峰期線路滿載、容災(zāi)備份能力不足。一旦教育網(wǎng)線路出現(xiàn)故障，一段時間內(nèi)會造成所有資源無法訪問。

針對帶寬資源的虛擬化方案是將單位所有的不同運(yùn)營商線路進(jìn)行整合，將幾條不同的線路虛擬化為整體資源。尤其考慮到高校應(yīng)用場景流量以下載方向?yàn)橹鳎蟼鞣较蜉^為空閑，可以充分利用其它運(yùn)營商上傳空閑方向帶寬，結(jié)合unix平臺技術(shù)使用源IP地址進(jìn)行智能DNs解析，將用戶按照來源劃分為校內(nèi)用戶、校外四大運(yùn)營商用戶、海外用戶等不同角色，使得用戶就近訪問獲得較好的使用體驗(yàn)，一旦任意一條線路出現(xiàn)故障可以觸發(fā)解析切換，盡量減少中斷時間，如圖1所示。

2.2接入與核心網(wǎng)絡(luò)虛擬化方案

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)部署模式下，見圖2所示，高校網(wǎng)絡(luò)一般分為接入、匯聚、核心三層，接入設(shè)備連接終端用戶與無線AP，匯聚與雙核心之間采用路由模式傳輸數(shù)據(jù)，多個接入設(shè)備互連一般采用級聯(lián)模式，上聯(lián)為單線路至匯聚層設(shè)備。這種方式下單點(diǎn)故障源較多，單上聯(lián)線或者上級接入交換機(jī)一旦出現(xiàn)故障會波及所有或部分下游設(shè)備，造成大面積癱瘓，且內(nèi)部線路帶寬僅為1Gbps。

目前主流設(shè)備廠商如思科、華為、華三、銳捷等都已經(jīng)有自己的網(wǎng)絡(luò)虛擬化解決方案，功能上各有側(cè)重，如思科的VSS虛擬交換機(jī)技術(shù)，華三的IRF彈性智能技術(shù)，銳捷的VSU虛擬交換單元或者簡化版的STACK堆疊技術(shù)。所以改造方案可以采用雙核心采用雙機(jī)虛擬化，同一樓層中所有的接入采用N：I虛擬化。分別在第一臺與最后一臺接入設(shè)備上聯(lián)光口使用雙線路LACP聚合模式，確保任意一臺設(shè)備或線路故障，其余設(shè)備下的用戶不受中斷影響，見圖3所示。以一組四臺為例，正?；ヂ?lián)線路為A-B-C-D，通過虛擬化為單臺設(shè)備的互聯(lián)線路為A-B-C-D-A；正常上聯(lián)光纖線路為A-核心，通過聚合方式設(shè)置為A-核心1、D-核心2的2Gbps上聯(lián)。

接入設(shè)備虛擬化部署后，可以降低分支樓宇網(wǎng)絡(luò)任一互連線路損壞時50%故障概率（以雙上聯(lián)線路為標(biāo)準(zhǔn)），將原先單臺接入設(shè)備出現(xiàn)故障時的影響范圍降低75%（以四臺一組為標(biāo)準(zhǔn)），在雙核心設(shè)備虛擬部署后核心故障概率降低50%，單臺核心宕機(jī)情況下?lián)Q對整網(wǎng)運(yùn)行無影響，見圖4所示。

2.3計(jì)算資源虛擬化方案

目前國內(nèi)外服務(wù)虛擬化技術(shù)發(fā)展已經(jīng)較為成熟，主流的服務(wù)虛擬化如VMware公司的vSphere、微軟公司的Hyper-V R2和Citrix公司的XenServer/XenDesktop。通過上述技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)物理機(jī)應(yīng)用環(huán)境到虛擬機(jī)遷移（P2V模式）、虛擬機(jī)應(yīng)用環(huán)境到虛擬機(jī)遷移（V2V模式），并能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)定義的事件如災(zāi)難、停電、負(fù)載過重的情況下實(shí)現(xiàn)在線動態(tài)遷移功能。

以本單位使用的VMWARE公司vsphere產(chǎn)品為例，首先對應(yīng)用服務(wù)器機(jī)運(yùn)行情況評估如CPU核數(shù)、物理內(nèi)存大小，其次分別在空閑服務(wù)器上部署vsphere虛擬化平臺與底層殺毒軟件。在控制臺中部署虛擬機(jī)同時分配資源限額，劃分的虛擬資源應(yīng)該控制在物理資源的70%左右為佳。逐步將應(yīng)用系統(tǒng)遷移至虛擬機(jī)上線，將應(yīng)用遷移出去后的空余服務(wù)器上繼續(xù)部署底層軟件，見圖5所示。

在服務(wù)器資源虛擬化部署后，可以實(shí)現(xiàn)大部分?jǐn)?shù)字化校園應(yīng)用資源（除oracle數(shù)據(jù)庫）從物理機(jī)無縫遷移至虛擬機(jī)環(huán)境中，在虛擬機(jī)寄存的物理實(shí)體機(jī)宕機(jī)后，10秒內(nèi)能自動遷移至其他實(shí)體機(jī)并恢復(fù)服務(wù)。在物理實(shí)體機(jī)CPU內(nèi)存達(dá)到75%的情況下，觸發(fā)漂移機(jī)制，將負(fù)載過大的虛擬機(jī)器逐臺遷移出去控制資源利用率。通過類似的模式，可以將服務(wù)器與空調(diào)能耗比逐步降低為3：1，將每年采購服務(wù)器的需求逐步降低2/3。在一些特殊應(yīng)用如選課、考試系統(tǒng)訪問量過大異常繁忙時，自動分配額外資源提供支持，滿足至少2000人并發(fā)訪問需求，保證業(yè)務(wù)不癱瘓，同時解決資源閑置無法合理利用的問題。在底層硬件中統(tǒng)一部署反病毒軟件，虛擬機(jī)無需加載安裝其他殺毒軟件或系統(tǒng)管理工具，節(jié)約單臺虛擬機(jī)約1/10的運(yùn)行資源并能實(shí)現(xiàn)所有虛擬機(jī)的克隆備份與還原功能。通過將舊的設(shè)備虛擬化，持續(xù)降低采購、供應(yīng)、維護(hù)方面的成本支出，實(shí)現(xiàn)快速部署應(yīng)用、動態(tài)負(fù)載均衡，并且簡化災(zāi)備流程。在基礎(chǔ)硬件的層面上構(gòu)建操作系統(tǒng)，使得虛擬服務(wù)在不同硬件之間自由遷移，將操作系統(tǒng)和基礎(chǔ)硬件相分離，有效解決兼容性方面的問題。

2.4存儲資源虛擬化方案

通過存儲主備模式的改造，增設(shè)虛擬硬盤管理池，實(shí)現(xiàn)雙活存儲運(yùn)行，提升數(shù)據(jù)讀寫效率和安全性。搭建彼此獨(dú)立且同時活躍運(yùn)行的存儲系統(tǒng)，使得虛擬機(jī)的數(shù)據(jù)能夠在不同平臺的存儲系統(tǒng)中進(jìn)行動態(tài)轉(zhuǎn)移，準(zhǔn)確識別熱數(shù)據(jù)及冷數(shù)據(jù)并分類存放在不同響應(yīng)速度的存儲硬盤中，實(shí)現(xiàn)高可用性和分布式資源調(diào)度功能，見圖6所示。

首先對存儲設(shè)備運(yùn)行情況評估（一般至少有兩臺，傳統(tǒng)模式下為活躍一冷備工作狀態(tài)），部署相應(yīng)邏輯資源池管理網(wǎng)關(guān)。對兩臺存儲設(shè)備上的所有硬盤進(jìn)行虛擬化作業(yè)，將兩臺設(shè)備虛擬化為邏輯單臺（兩臺活躍一活躍）。在存儲設(shè)備上補(bǔ)充少量固態(tài)硬盤，針對熱門數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識并將其分配到固態(tài)硬盤，確保用戶感興趣的熱門數(shù)據(jù)讀寫速度快。最后將虛擬機(jī)與存儲資源池關(guān)聯(lián)，使得用戶不必關(guān)心數(shù)據(jù)在哪一臺存儲或哪一塊硬盤中。

這種方案的主要目的就是將主用、冷備存儲均劃分到虛擬化資源池，預(yù)留高速硬盤用于熱數(shù)據(jù)讀寫操作，后期劃分硬盤空間時候，直接以虛擬資源池為目標(biāo)分配資源代替原有的主用存儲，將冷備存儲的功能及利用率進(jìn)一步提升，徹底形成雙活運(yùn)行的存儲環(huán)境。

在存儲資源虛擬化部署后，減少存儲資源碎片空間，提升20%磁盤利用率；實(shí)現(xiàn)冷、熱數(shù)據(jù)分盤存放，熱數(shù)據(jù)存儲固態(tài)硬盤，每秒讀寫次數(shù)IOPS不低于3500次，冷數(shù)據(jù)存儲低速硬盤，每秒讀寫次數(shù)IOPS不低于180次；增強(qiáng)備份存儲設(shè)備利用率，將原先設(shè)計(jì)的一主一備存儲在部署虛擬化后實(shí)現(xiàn)雙活存儲模式，提升閑置設(shè)備利用率，降低重復(fù)投資。

2.5整體測試

整體虛擬化部署完成后，需要進(jìn)行虛擬化的策略優(yōu)化與測試工作，如接入網(wǎng)絡(luò)的邏輯線路聚合、防分裂檢測功能、核心網(wǎng)絡(luò)的單向追蹤定期監(jiān)控、線路冗余及利用率情況、虛擬化設(shè)備在極端情況下的單機(jī)運(yùn)行測試、制定閥值觸發(fā)虛擬機(jī)在線遷移、災(zāi)難情況下的遷移功能、服務(wù)數(shù)據(jù)還原功能、雙活存儲中的數(shù)據(jù)備份情況確認(rèn)。

3.結(jié)論

在整體虛擬化方案應(yīng)用后，對園區(qū)型高校具有減小硬件投資、提高利用IT軟硬件資源率、節(jié)省機(jī)房空間、降低能源消耗、容災(zāi)備份能力高、管理流程簡化等顯著作用。

以本單位2014-2015年信息系統(tǒng)平均維護(hù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例，通過部署網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)虛擬化，四大校區(qū)47座樓宇（校園網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)）中70個機(jī)房每年發(fā)生整體樓宇網(wǎng)絡(luò)故障中斷時間（停電情況除外）由6小時降低為3小時，服務(wù)人員出勤處理辦公室網(wǎng)絡(luò)故障由260次降低40%z～150余次，按照每個故障0.5小時處理時間計(jì)算可節(jié)約人力資源52小時每人次；核心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)年度故障中斷時間（計(jì)劃的網(wǎng)絡(luò)割接與升級情況除外）由20分鐘降低為0。

通過部署物理服務(wù)器整體虛擬化，年度需要投入的服務(wù)器硬件資金由40萬元采購4-6臺機(jī)架式服務(wù)器降低為12萬元，轉(zhuǎn)為主要采購服務(wù)器內(nèi)存和相關(guān)配件用于已有服務(wù)器硬件性能擴(kuò)容。傳統(tǒng)安裝部署正版服務(wù)器操作系統(tǒng)、軟件驅(qū)動、插件、反病毒軟件需要1小時左右，通過虛擬化克隆技術(shù)，單臺服務(wù)器安裝只需5分鐘時間，按照年度部署40臺新服務(wù)器情況下，可以節(jié)約管理人員37小時時間；在服務(wù)器硬盤損壞、系統(tǒng)崩潰、應(yīng)用系統(tǒng)故障情況下，重新部署業(yè)務(wù)系統(tǒng)、安裝數(shù)據(jù)庫時間約為3小時，通過虛擬化備份還原技術(shù)，只需15分鐘左右時間即可恢復(fù)運(yùn)行。所有的虛擬化平臺的業(yè)務(wù)系統(tǒng)一般能支持至少2000人并發(fā)，選課等高峰時段服務(wù)仍能夠堅(jiān)持使用，原有的服務(wù)器利用率提升至于70%。

目前核心機(jī)房UPS最大支持40KVA，主要供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲、照明、新風(fēng)及精密空調(diào)系統(tǒng)電力，按照0.9的功率因子換算最大功率為36千瓦，目前已經(jīng)接近滿載。2014年度機(jī)房電費(fèi)支出60萬元，按照民用電0.5元每千瓦時來計(jì)算，耗電120萬度電。預(yù)計(jì)在部署虛擬化后，核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由目前的6臺減少至2臺、低端PC服務(wù)器硬件停機(jī)冷備、減少一套低性能存儲設(shè)備運(yùn)行等操作未來5年內(nèi)不需要購買大功率UPS進(jìn)行電力擴(kuò)容，節(jié)約15萬UPS設(shè)備費(fèi)用；由于新增設(shè)備減少，機(jī)房能耗降低1/8；目前機(jī)房面積約150平方米，當(dāng)前占用率75%，在部署虛擬化后預(yù)計(jì)的5年內(nèi)不需要增加網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器機(jī)柜，所以可以節(jié)約部分機(jī)房改造擴(kuò)容及相應(yīng)空調(diào)、風(fēng)力系統(tǒng)升級使用經(jīng)費(fèi)。