數(shù)字化校園服務(wù)器 虛擬化技術(shù)整合
1 引言
上海公安高等?？茖W(xué)校在成功申辦國家示范高職院校后，各方面的工作已全面展開，數(shù)字化、信息化建設(shè)更是成為學(xué)校進一步發(fā)展的動力，是學(xué)校發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。隨著應(yīng)用軟件新平臺的不斷推出，而作為硬件平臺的基礎(chǔ)服務(wù)器等需求量、維護量迅速增加，原來管理模式已跟不上要求，服務(wù)器的整合迫在眉睫。
2 當(dāng)前服務(wù)器硬件平臺現(xiàn)狀和面臨的問題
隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展，上海公安高等?？茖W(xué)校應(yīng)用軟件的開發(fā)迅速發(fā)展。在短短幾年中，應(yīng)用于教學(xué)和管理的系統(tǒng)就超過30個，服務(wù)器數(shù)量超過39臺，磁盤陣列5臺，總臺數(shù)達44臺?？偞鎯θ萘考s15T。由于受操作系統(tǒng)版本不同、軟件開發(fā)平臺不同、應(yīng)用不同、不同公司開發(fā)、相互之間協(xié)調(diào)、兼容等因素制約，新增加的應(yīng)用系統(tǒng)都需要單獨配置服務(wù)器，使得服務(wù)器數(shù)量直線增加。
(1) 網(wǎng)絡(luò)學(xué)院服務(wù)器共6臺。其中Web服務(wù)器3臺，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器2臺，視頻服務(wù)器1 臺，磁盤陣列1臺。
(2) 遠程教育服務(wù)器 5臺。其中視頻服務(wù)器1臺，Web服務(wù)器2臺，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器2臺，磁盤陣列1臺。
(3) 學(xué)校數(shù)字圖書館8臺。其中視頻服務(wù)器2臺，圖書借閱系統(tǒng)1臺，Web服務(wù)器1臺，期刊索引1臺，電子圖書1臺，知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫1臺，軟件下載1臺，磁盤陣列2臺。
(4) OA系統(tǒng) 3臺。其中舊版和新版OA各一臺，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器1臺。
(5) 瑞星網(wǎng)絡(luò)版殺毒中心2臺。
(6) 開發(fā)中的OA系統(tǒng)3臺。其中域服務(wù)器2臺、DNS服務(wù)器 1臺。
(7) 學(xué)校網(wǎng)站、郵件服務(wù)器(含F(xiàn)TP)各1臺。
(8) 心理驛站、團委網(wǎng)站、辦公室檔案管理系統(tǒng)、學(xué)員問卷調(diào)查系統(tǒng)各1臺。
(9) 學(xué)校各部門網(wǎng)頁2臺。
(10) 學(xué)校門禁前置2臺、水控前置2臺、一卡通2臺、消費前置1臺，磁盤陣列1臺。
(11) 網(wǎng)管系統(tǒng)2臺。其中Opmanager和Netwin2000各1臺。
(12) 其他自行開發(fā)的各種應(yīng)用系統(tǒng)，如排課系統(tǒng)、培訓(xùn)一部學(xué)員管理系統(tǒng)、車輛管理系統(tǒng)、設(shè)備借用管理系統(tǒng)、網(wǎng)上報修系統(tǒng)、學(xué)員直通車、問卷調(diào)查系統(tǒng)、多媒體查詢系統(tǒng)、答疑熱線、教研園地、網(wǎng)上工作日志、值班工作日志等軟件開發(fā)平臺不同，分別安裝在其他不同的服務(wù)器中。
可見39臺服務(wù)器的應(yīng)用分布和存儲相當(dāng)分散。
面臨的問題：
1.服務(wù)器的利用率低?，F(xiàn)在機房內(nèi)運行的大部分機器的利用率都非常低，由于一臺服務(wù)器只能有一個操作系統(tǒng)，受系統(tǒng)和軟件開發(fā)平臺的限制，CPU、內(nèi)存、硬盤空間的資源利用率不超過15%，大量的系統(tǒng)資源被閑置。
2.可管理性差。首先是可用性低， 除個別系統(tǒng)做了服務(wù)器集群外，幾乎每個應(yīng)用服務(wù)器都是單機，如果哪臺服務(wù)器出現(xiàn)故障，相對應(yīng)的業(yè)務(wù)也將中斷。其次是系統(tǒng)維護、升級和擴容時需要停機進行，也將造成應(yīng)用中斷，其中包括學(xué)校的一些重要業(yè)務(wù)系統(tǒng)，一旦中斷服務(wù)影響很大。
3.兼容性差。系統(tǒng)和應(yīng)用遷移到其他服務(wù)器，需要和舊系統(tǒng)兼容的系統(tǒng)。新的軟件包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件無法運行在老的硬件平臺，而老的代碼有時候也很難移植到新的硬件平臺上。例如：學(xué)校門戶網(wǎng)站，以ASP為開發(fā)平臺，安裝在Windows 2000 Server操作系統(tǒng)上，幾年下來，開發(fā)了許多應(yīng)用，最新的一些應(yīng)用又以ASP高版本、JSP、JAVA等為開發(fā)平臺，安裝在Windows 2003 Server操作系統(tǒng)上，不僅互不兼容，而且還由幾家公司分別開發(fā)。為節(jié)省時間、物力和保持網(wǎng)站持續(xù)的服務(wù)，只能用增加服務(wù)器方法來解決。
4.服務(wù)器和存儲購置成本高，維護成本遞增，也不得不考慮。隨著服務(wù)器數(shù)量增加，每年要支出高額購置費用不說，還有一半服務(wù)器已經(jīng)過三年保修期，部件逐漸進入老化期，維護、維修預(yù)算費用也逐年增加。
3 虛擬化技術(shù)引入
針對上面我們碰到的各種問題，經(jīng)過分析和調(diào)研，我們認為目前學(xué)校的服務(wù)器平臺前期建設(shè)已經(jīng)投入了大量的人力、財力，既要充分利用現(xiàn)有的服務(wù)器等資源，又要考慮到系統(tǒng)整合后的可擴展性，適合未來技術(shù)發(fā)展的趨勢，以此來實現(xiàn)對服務(wù)器的(包括應(yīng)用程序平臺)整合。要解決好以上四個方面面臨的問題，采用虛擬化技術(shù)整合是一條捷徑。
3.1虛擬化發(fā)展史
虛擬化的概念在20 世紀 60 年代首次出現(xiàn)，利用它可以對屬于稀有而昂貴資源的大型機硬件進行分區(qū)。隨著時間的推移，微型計算機和 PC 可提供更有效、更經(jīng)濟的方法來分配處理能力。因此到 20 世紀 80 年代，虛擬技術(shù)已廣泛使用。到了 20 世紀 90 年代，研究人員開始探索如何利用虛擬化技術(shù)解決與廉價硬件激增相關(guān)的一些問題，例如，利用率不足、管理成本不斷攀升和服務(wù)器易受攻擊等?，F(xiàn)在，虛擬化技術(shù)處于時代前沿，可以幫助企業(yè)升級和管理他們在世界各地的 IT 基礎(chǔ)架構(gòu)并確保其安全性。
3.2服務(wù)器虛擬化概念
虛擬化是指計算元件在虛擬的基礎(chǔ)上而不是真實的基礎(chǔ)上運行。虛擬化技術(shù)可以擴大硬件的容量，簡化軟件的重新配置過程。CPU的虛擬化技術(shù)可以單CPU模擬多CPU并行，允許一個平臺同時運行多個操作系統(tǒng)，并且應(yīng)用程序都可以在相互獨立的空間內(nèi)運行而互不影響，從而顯著提高計算機的工作效率。
簡單的說，服務(wù)器的虛擬化是指把服務(wù)器的硬件資源虛擬化成資源池(如CPU、內(nèi)存等)，以虛擬機的形式對外提供應(yīng)用的運行平臺。
進一步說，虛擬化對傳統(tǒng)的實體機而言，有三個方面突破了傳統(tǒng)的模式：
第一，它是一個抽象層，它將物理硬件與操作系統(tǒng)分開，從而提供更高的 IT 資源利用率和靈活性。
第二，虛擬化允許具有不同操作系統(tǒng)的多個虛擬機在同一實體機上獨立并行運行。每個虛擬機都有自己的一套虛擬硬件(例如 RAM、CPU、網(wǎng)卡等)，可以在這些硬件中加載操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。無論實際采用了什么物理硬件組件，操作系統(tǒng)都將它們視為一組一致標準化的硬件。
第三，虛擬機封裝在文件中，因此可以快速對其進行保存、復(fù)制和部署?？稍趲酌腌妰?nèi)將整個系統(tǒng)(完全配置的應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)、BIOS 和虛擬硬件)從一臺物理服務(wù)器移至另一臺物理服務(wù)器，以實現(xiàn)零停機維護和連續(xù)的工作負載整合。
3.3虛擬化的好處
從分區(qū)意義來看：在一個物理系統(tǒng)中可以支持多個應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)，可在擴展或擴張體系結(jié)構(gòu)中將服務(wù)器整合到虛擬機中， 計算資源被視為以可控方式分配給虛擬機的統(tǒng)一池。
從隔離性來看：虛擬機與主機和其他虛擬機完全隔離。如果一個虛擬機崩潰，所有其他虛擬機不會受到影響，虛擬機之間不會泄露數(shù)據(jù)，而且應(yīng)用程序只能通過配置的網(wǎng)絡(luò)連接進行通信。
從封裝意義來看：完整的虛擬機環(huán)境保存為單個文件；便于進行備份、移動和復(fù)制，為應(yīng)用程序提供標準化的虛擬硬件，可保證其兼容性。
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3.4虛擬化的價值
虛擬化技術(shù)正在轉(zhuǎn)變 IT 行業(yè)的狀況，它使各個組織能夠動態(tài)地改善 IT 基礎(chǔ)架構(gòu)的性能和效率。讓虛擬機在組織中發(fā)揮重大作用，每個虛擬機作為一小組文件存在，這些文件模擬整個硬件平臺，包括 CPU、RAM 和網(wǎng)絡(luò)端口。這種強有力的技術(shù)打破了“一臺服務(wù)器一個應(yīng)用程序”的傳統(tǒng)體制，概括起來其優(yōu)勢表現(xiàn)為：提高服務(wù)器的利用率，實現(xiàn)服務(wù)器的高可用性，便于管理、易于維護。
3.5虛擬化的實現(xiàn)技術(shù)
目前市場上大都是以主流的VMware虛擬化軟件來實現(xiàn)服務(wù)器的虛擬化的，VMware虛擬化軟件中，有我們最熟悉的免費試用的VMware Server。如果對我校的服務(wù)器進行虛擬化整合，可采用VMware基礎(chǔ)架構(gòu)虛擬化套件VI (指VMware Infrastructure 產(chǎn)品套件)，提供構(gòu)建虛擬基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所需的服務(wù)器虛擬化和管理軟件，包括了：VMware Distributed Resource Scheduler (簡稱DRS) VMware DRS, VMotion VMware High Applicability (簡稱HA)等。
所有的高級功能都可以通過VMware的一個統(tǒng)一控制臺來進行管理，這個控制臺我們稱為Virtual Center服務(wù)器為 IT 環(huán)境提供了集中化管理、操作自動化、資源優(yōu)化和高可用性。另外，為了實現(xiàn)高級功能還必須配置一個統(tǒng)一的存儲系統(tǒng)，該存儲系統(tǒng)可以基于IP SAN或 FC SAN，目的是基于虛擬化的分布式服務(wù)為數(shù)據(jù)中心提供集中管理。
4 虛擬化部署
下面看看我們?nèi)绾斡迷撎滋摂M化軟件來初步實現(xiàn)服務(wù)器的整合，具體方法步驟如下：
第一步：虛擬化架構(gòu)設(shè)計，如圖1所示。
圖1 虛擬化架構(gòu)
第二步：部分服務(wù)器虛擬化部署，參見表。
第三步：虛擬化軟件選擇和安裝。
1.安裝ESX server 3.5(包括VMware HA, VMware DRS，Vmotion等)服務(wù)器虛擬集群基礎(chǔ)構(gòu)架系統(tǒng)軟件。
2. 安裝Virtual Center2.5虛擬集群管理應(yīng)用軟件，通過它來實現(xiàn)高級功能如VMware HA、VMware DRS、Vmotion 等。
3. 使用VMware Converter Enterprise 4將實體服務(wù)器遷移至虛擬集群的應(yīng)用軟件。
4.使用VMware HA技術(shù)，確?；A(chǔ)架構(gòu)不受多個故障源影響，起到的作用是:
(1) 保護不帶其他故障切換選項的應(yīng)用程序，并使原本可能不被置于保護下的軟件應(yīng)用程序也具有高可用性。
(2) 當(dāng)檢測到操作系統(tǒng)故障時，通過自動重啟虛擬機來保護虛擬機免受故障的影響。
(3) 為整個 IT 基礎(chǔ)架構(gòu)建立第一道堅固屏障。
5.通過使用 VMware Distributed Resource Scheduler (DRS) 動態(tài)分配和平衡計算資源，使IT 基礎(chǔ)架構(gòu)與業(yè)務(wù)目標一致。VMware DRS 跨資源池不間斷地監(jiān)控利用率，并根據(jù)反映業(yè)務(wù)需要和不斷變化的優(yōu)先級的預(yù)定義規(guī)則，在多臺虛擬機之間智能地分配可用資源，VMware 分布式電源管理 (DPM)可不間斷地監(jiān)控 DRS 群集中的資源需求和電力消耗。當(dāng)群集所需的資源減少時，它會整合工作負載并將主機置于待機模式，從而減少電力消耗。當(dāng)工作負載的資源需求增加時，DPM 會讓關(guān)閉的主機恢復(fù)為在線狀態(tài)，以確保符合服務(wù)級別，起到的作用是：
(1)提高所有應(yīng)用程序的服務(wù)級別。VMware DRS 不間斷地平衡容量，這將確保每個虛擬機能在任何時間點訪問到相應(yīng)資源。
(2)輕松部署新容量。通過在不中斷系統(tǒng)的情況下重新分發(fā)虛擬機，VMware DRS 將無縫利用添加到資源池的新服務(wù)器中的附加容量。
(3)自動執(zhí)行計劃內(nèi)的服務(wù)器維護。VMware DRS 可自動將所有虛擬機遷出物理服務(wù)器，以在零停機情況下啟用安排的服務(wù)器維護。
(4)大大提高了系統(tǒng)管理員的工作效率。允許系統(tǒng)管理員監(jiān)控和有效管理更多的 IT 基礎(chǔ)架構(gòu)。
(5)自動管理數(shù)據(jù)中心的能效。
6.通過使用 VMware VMotion實現(xiàn)虛擬機的靈活可靠的實時移動。
第四步：具體實施及注意問題：
1. 硬件準備
(1)三臺I/O性能方面強大，內(nèi)存容量大的PC服務(wù)器，我們采用的型號為IBM_X3850，支持4路CPU高端服務(wù)器，配置2個4核英特爾至強處理器，32G內(nèi)存，5塊 173G SAS 15K硬盤，RAID 5，用于安裝ESX Server3.5 虛擬機的操作系統(tǒng)，每臺實體機上可根據(jù)應(yīng)用的大小，根據(jù)服務(wù)器配置，可重新安裝配置或從實體機中遷移8～13個客戶操作系統(tǒng)帶應(yīng)用的平臺。
(2)一套DELL NX1950 IP SAN/NAS 存儲系統(tǒng)，容量6T，用于虛擬機的共享存儲。
(3)一臺普通的商用PC 機，用作客戶管理機。安裝Virtual Center2.5和ESX server 3.5的License，可在MS Windows界面下，管理虛擬機和客戶操作系統(tǒng)。
2. 將實體服務(wù)器遷移到虛擬機
(1)使用VMware Converter Enterprise 4軟件，可將實體機遷移到虛擬機，遷移成功后，在正式投入使用之前，讓它在虛擬機試運行一段時間，要對CPU、內(nèi)存等負載情況進行嚴格的測試，必要時可調(diào)整CPU、內(nèi)存和硬盤存儲空間，確保系統(tǒng)的可靠性與可用性。
(2)我們從負載最小的應(yīng)用平臺做起，順序是：殺毒服務(wù)器、Web服務(wù)器、文件和郵件服務(wù)器、SQL Server服務(wù)器。例如：從實體機瑞星殺毒服務(wù)器開始，然后再遷移第二臺服務(wù)器，學(xué)校Web服務(wù)器，依次類推，直至全部遷移。在遷移過程中我們可以及時掌握虛擬機的壓力。同時在試運行階段我們暫時保留被遷移的實體機，一旦發(fā)生問題無法逆轉(zhuǎn)，可以再切換回去。
(3)實體機整體遷移時，在百兆網(wǎng)絡(luò)環(huán)境遷移時，每小時約傳輸10G數(shù)據(jù) ，在千兆網(wǎng)絡(luò)遷移時每小時約傳輸40G數(shù)據(jù)。如果虛擬機和實體機之間直連用雙絞線連接遷移，每小時約傳輸80G數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)高速遷移。
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3.在實現(xiàn)ESX 的HA注意的問題
(1)只針對ESX服務(wù)器，而不能針對VM(虛擬機)，不能一個VM(虛擬機)出問題了，再換到另外ESX服務(wù)器上。
(2)所有VM(虛擬機)必須放到共享儲存上，以保證使用包括動態(tài)遷移等高級特性。
(3)假如有多臺ESX服務(wù)器，如果一臺ESX服務(wù)器出問題了，上面的VM (虛擬機)根據(jù)資源的使用情況，調(diào)整到另外幾臺ESX上的話，那么就要用到DRS功能。
4.避免誤區(qū)
不要為了虛擬化而進行虛擬化，要循序漸進，利用好原有的資源，要嚴格按照實體機的方式進行管理，不能讓虛擬機蔓延。
我們僅僅對學(xué)校應(yīng)用壓力比較小的部分服務(wù)器應(yīng)用系統(tǒng)平臺進行了虛擬化，為我們能遷移應(yīng)用壓力較大的服務(wù)器提供了經(jīng)驗。對一些應(yīng)用系統(tǒng)壓力相對較大的應(yīng)用平臺，例如：網(wǎng)絡(luò)學(xué)院(5臺服務(wù)器，1臺存儲，2T數(shù)據(jù))和數(shù)字圖書館平臺(8臺服務(wù)器，2臺存儲 7T數(shù)據(jù))，校遠程教育網(wǎng)站(4臺服務(wù)器，0.8T數(shù)據(jù))因遷移工作量大、自動備份和容災(zāi)要求高，應(yīng)循序漸進，暫時利用好原有的資源來衡量，暫緩虛擬化。
5 應(yīng)用效果
5.1大大降低硬件成本
通過服務(wù)器初步整合，我們將17臺服務(wù)器成功整合到4臺服務(wù)器、1臺PC機和1套IP SAN設(shè)備里，以期明顯地提高每個物理服務(wù)器及其CPU的資源利用率。對騰出的服務(wù)器可用作補充后期應(yīng)用開發(fā)和服務(wù)器虛擬化，從而減少了物理服務(wù)器的擴充數(shù)量，大大地降低硬件成本。
5.2提高運維效率和服務(wù)水平
(1)由于虛擬構(gòu)架可使虛擬機具有動態(tài)可遷移性，不需要像以前那樣，一遇到硬件故障或維護需要數(shù)天/周的變更管理準備和1 ～3小時維護時間，現(xiàn)在可以進行快速的維護和升級，不用擔(dān)心某臺服務(wù)器出現(xiàn)問題，會影響到整個應(yīng)用平臺。
(2)現(xiàn)在學(xué)校應(yīng)用開發(fā)速度加快，除了規(guī)劃應(yīng)用平臺開發(fā)外，實際工作中，一遇到新的需求，開發(fā)小組馬上需要去開發(fā)應(yīng)用，這時對新服務(wù)器應(yīng)用進行部署和測試，可在虛擬機里進行，大大降低了服務(wù)器重建和應(yīng)用加載時間，提高了管理和工作效率。
(3)由于將所有服務(wù)器作為大的資源統(tǒng)一進行管理，并按需進行資源調(diào)配，舊硬件和操作系統(tǒng)的投資得到了保護，也不再擔(dān)心舊系統(tǒng)的兼容性，維護和升級等一系列問題。
(4)為將來的集中網(wǎng)絡(luò)存儲提供可能
由于整合后物理服務(wù)器數(shù)量減少，對由于成本或者其他原因未整合的服務(wù)器群(公安在線學(xué)習(xí)平臺、遠程教育網(wǎng)站、數(shù)字圖書館)暫時沒有接入到存儲網(wǎng)絡(luò)( iSCSi和NAS)的服務(wù)器，以后可以考慮接入到存儲網(wǎng)絡(luò), 這樣可以充分利用網(wǎng)絡(luò)存儲的優(yōu)勢，將這些分散的數(shù)據(jù)集中管理備份，為這些服務(wù)器和應(yīng)用，以及今后的容災(zāi)奠定基礎(chǔ)。同時，通過虛擬機的特有功能和網(wǎng)絡(luò)存儲的有效結(jié)合， 提高了這些應(yīng)用的可用性、移動性和靈活性。
6 結(jié)語
由于虛擬化技術(shù)已經(jīng)成熟，隨著中文版VMware基礎(chǔ)架構(gòu)虛擬化套件的出現(xiàn)，使用虛擬化技術(shù)已經(jīng)不再神秘。近年來高校信息化建設(shè)再次投入時，也開始注意到虛擬化技術(shù)的使用價值，用來幫助升級和管理他們的 IT 基礎(chǔ)架構(gòu)并提升其安全性。
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