张媛媛 李 洋 李淑娣 保定职业技术学院

侯建涛 河北保百集团

王 妍 河北软件职业技术学院

应用虚拟化技术重构计算机和网络信息中心

张媛媛 李 洋 李淑娣 保定职业技术学院

侯建涛 河北保百集团

王 妍 河北软件职业技术学院

在我国经济发展持续下行之后，很多企事业单位了解到节流的重要性已经超过开源时，计算机和网络信息中心的第一个想到的就是少买一些计算机。而少买计算机的同时，却必须维持现有的服务质量，整个单位的IT环境都必须重新设计，这个时候已经不是某一个特殊的产品或是整体解决方案能做到的了。虚拟机出现的正是时候。在一台计算机上运行多个操作系统一直是一般人对虚拟机技术的概念。大家也从VMware Workstation/Virtual PC上看到了完整的实现。然而当硬件技术不断发展的今日，更快速的CPU，更多的内存如果没有整体的信息中心架构配合，只不过是让更多的CPU耗电，整体的成本不降反升。企业级虚拟机的市场就是在这样的情况下应运而生的。然而除了省下了大量的电费和充分利用资源之外，在配合了独立的存储设备之后，整个虚拟机技术竟然呈现几何级成长，不但可以用最低的成本实现原来所有IT架构的所有服务，更能维持原来的服务质量，而实现了整个企业运行逻辑的永不死机环境，让操作系统在运转着的硬件环境中拥有生命，不但永远不会随着硬件的故障而宕机，而且还会自己找出最适合的"活法"。

虚拟机；节省；成本；重新设计

1.虚拟化技术的应用背景

计算机信息中心和网络中心由于教学的需要，必须采购大量个人计算机、企业级服务器、路由器、交换机、防火墙、 IPS/IDS等硬件设备。而且主流厂商众多，不同厂商的产品还存在巨大差异，为了满足市场对人才的技术能力水平日益提高的要求，不得已，同类计算机和网络设备必须同时采购。而且，随着硬件和软件的周期性升级换代，同时还伴随着周期越来越短（1—2年），新采购设备在使用2—3年就面临淘汰更新，大量设备只是软硬件技术指标无法满足教学需求而大量升级甚至淘汰。实际上旧设备基本上还是可以继续提供服务的，教学业务的特点决定了我们的设备更新的速度远远超过企业设备的应用。

我们教学所采购的设备的数量为了满足学生每人都有机会在实验（训）课上触摸到真机获得真实体验，也不得不每次加倍重复采购。实际上，考虑到只有计算机和网络专业的学生才会经常应用实验（训）室设备，而他们的课程应用到设备的时间和次数占总课时并不高，造成实验（训）室设备应用效率不高。

采用虚拟化设备和技术并不是完全替代现有硬件设备，而是通过软件的虚拟化模拟配合灵活的软件硬件和网络设备。在不降低设备功能，获得和真实设备相同体验的情况下，大大降低我们的采购成本，节省实验（训）室物理空间，降低繁复的管理成本和维护成本，实现一站式、一体化、低成本的轻量级管理和维护。

渐进式部署虚拟化实验（训）室，完全迎合时下热门的云技术（含私有云）发展趋势，使得计算机和网络信息中心的教学内容、实验（训）课程与市场需求保持同步。

2.虚拟化技术在国内外现状和发展趋势

虚拟化正在IT界掀起一场巨大的风暴。这个IT新宠给大家带来了太多的惊喜：承诺减少宕机时间、降低功耗、降低冷却成本、提高硬件使用率，而且，还使管理的难度大大降低……所有这些，使得IT企业像发现了新大陆，比赛一样地冲向虚拟化的实施之路。

对于国内相当多的科研行业来说，他们不可能有充足的IT资源为每个科研项目和学生毕设项目提供独立的服务器资源，这就导致大部分项目要么采用PC机手工搭建项目环境，要么和其他人分享紧张的服务器资源。如果采用PC机搭建项目环境虽然可以保障项目进度，但是由于很多项目真实的应用环境是高性能的服务器环境，很可能造成有些项目提交后无法正常运行。如果和别人分享紧张的服务器资源，则可能需要经常重建项目环境或等待上机时间，很难避免对项目进度造成严重影响。

2.1 虚拟化技术的现状

目前有4种类型的虚拟化技术：

2.1.1 完全虚拟化

目前最主要的虚拟化方法，使用名为hypervisor的一种软件，在虚拟服务器和底层硬件之间建立一个抽象层。 hypervisor可以捕获CPU指令，为指令访问硬件控制器和外设充当中介。在完全虚拟化的环境下，hypervisor运行在裸硬件上，充当主机操作系统，而由hypervisor管理的虚拟服务器运行客户端操作系统（guesters）。完全虚拟化技术的优点是操作系统不用改动就能安装到虚拟服务器上；主要缺点是， hypervisor给处理器带来开销。VMware的VSphere和微软的Hyper-v是该方法的两个代表性商用产品，而基于核心的虚拟机（KVM）是面向Linux系统的开源产品。

2.1.2 准虚拟化

准虚拟化（Para-Virtualizion）减轻了处理器的负担，客户操作系统需要在核心层面进行改动，能够与hypervisor协同工作。准虚拟化技术的优点是性能高，经过准虚拟化处理的服务器可与hypervisor协同工作，其响应能力几乎不亚于未经过虚拟化处理的服务器：缺点是只适用于BSD、 Linux、 Solaris等某些开源操作系统，不适用于Windows等专有操作系统。 Xen是开源准虚拟化技术的一个例子。

2.1.3 操作系统层虚拟化

操作系统层虚拟化没有独立的hypervisor层，主机操作系统本身负责在多个虚拟服务器之间分配硬件资源，并且让这些服务器彼此独立。操作系统层虚拟化的缺点是所有虚拟服务器必须运行同一操作系统（不过每个实例有各自的应用程序和用户账户），灵活性比较差；优点是本机速度性能比较高，由于架构在所有虚拟服务器上使用单一、标准的操作系统，管理起来比异构环境要容易。 SolarisContainer就是这方面的一个例子， Virtuozzo/OpenVZ是面向Linux的软件方案。

2.1.4 硬件虚拟化

除了软件外，虚拟化也从纯软件逐渐深入到处理器级虚拟化和输入，输出级虚拟化，A MD和英特尔提供的最新一代芯片在设计时都考虑到了硬件虚拟化功能。英特尔的虚拟化技术（VT）和AMD的虚拟化技术（AMD-V）把虚拟硬件仿真方面的部分繁重任务从软件转移到了硬件，并且把某些内存管理功能转移到了用软件处理的CPU微代码里面。这些努力使得x86平台的CPU更适合处理虚拟服务器带来的特有工作负载。

2.2 在过去的几年，虚拟化渐呈四种趋势

2.2.1 管理程序的成长

管理程序如今可谓屡见不鲜。无论是英特尔虚拟化技术vPro和AMD公司的AMD-V在最新处理器中的应用，还是作为Linux操作系统的标准化套装对外发售，管理程序都随处可见。三大一线厂商（微软，思杰和VMware）的管理程序或虚拟机控制程序目前都支持嵌入式系统，这种方式能简化虚拟机的安装流程，几乎可以实现一键式导入。

2.2.2 相互协作，实现互通

相互协作已经是业界的共识，在过去的几年中各大虚拟化厂商纷纷采取主动来分享虚拟化的盛宴。

2.2.3 价格下调，功能改进

虚拟化产品的售价逐步走低，但功能性（甚至是免费版本）却不断提升。很多企业在熟悉虚拟化技术的过程中，都会在部署虚拟化之前做必要的评估，像微软公司的全线虚拟机产品线这样的免费产品就是不错的选择。

2.2.4 拓宽的渠道

虚拟机渠道还在继续延伸，合作伙伴的数量和技术的进步都得到了前所未有的发展。随着规模更小的专业公司进入虚拟化市场，他们都希望能找到合适的合作伙伴来加强自己的实力，使数据中心的每一项组件都进行虚拟化。

3. 应用虚拟技术重构计算机和网络信息中心过程

3.1 设计多功能、模块化、冗余性强、易管理、易复原和灵活性强的计算机和网络实验室架构，并提交可行性研究报告后由主管领导评估审批。

3.2 对实验（训）室的虚拟化升级所需的设备、耗材、物料、人员和工期进行分析和研究。

3.3 采购设备、耗材和物料。

3.4 分配人员进行综合布线和装修等基础建设，并如期完成。

3.5 按照设计要求，安装部署虚拟化服务器、网络设备、个人计算机和终端机。

虚拟化服务器的安装调试和部署：

3.5.1 虚拟化OS的安装和联调。

3.5.2 创建教学应用的虚拟化主机的模板：可针对各门计算机和网络专业课分别设计模板。

3.5.3 针对计算机和网络的各门课程分别创建虚拟化服务器网络、开发平台网络和网路设备虚拟化系统等子系统。

3.5.4 模拟教学完成各个子系统的应用测试，并记录性能、可靠性、易用性和操作管理上的问题，而后研究改进。

3.5.5 虚拟化服务器系统试运行。首先和真实服务器、网络设备等并行应用，渐次转移到虚拟化应用，平滑完全过度后，原真实物理设备除保留别要应用外，其他设备可逐步淘汰。

3.5.6 虚拟化实验（训）室正式运行。积累日常运维管理经验，部署周期性的升级管理。

4.应用虚拟技术重构计算机信息中心的技术关键与创新、技术路线图

4.1 技术关键与创新

4.1.1 一站式管理的创立。所有的系统和子系统统一到同一平台统一管理，同一个界面，同一个接口，提升管理的效率。

4.1.2 系统和数据备份与灾难恢复。当出现硬件故障、电力故障或病毒木马破坏等不可抗因素是，系统能够迅速恢复到故障原点，减少数据损失。

4.1.3 虚拟化系统模板的创建和管理。要求管理人员必须深入并灵活掌握虚拟化服务器平台的核心功能。

4.1.4 子系统间灵活应用和无障碍通信。依赖于网络拓扑的设计的合理性和网络设备的高可靠性。

4.1.5 和真实设备的无差别体验。我们需要尽最大努力减少对真实物理设备的依赖，除非设备不具备虚拟化的条件。

4.2 技术路线图

技术路线图如图1所示。

5.小结

通过对学校计算机和网络信息中心实验（训）室的改造，大大降低了长期以来连年不断采购网络设备的成本和维护管理的成本，提升设备和实验（训）室的利用率和应用效率；同时，部署虚拟化服务器技术，创立私有“云”存储平台，一方面能够满足低成本的实验室建设，一方面能够和当前最新的技术发展潮流保持同步。

虚拟化服务器平台大大提高了实验（训）室的技术含金量，完全能够进一步大大提高广大同学们的学习兴趣和热情，他们掌握最新的技术，最高超的技能，才能在有限的学习周期内，无限放大并提高他们的技术能力，才能在他们离开学校后前途无忧。

图1

[1] 胡嘉玺. 企业级虚拟机应用实战：玩转Vmware VI、Hyper-V R2、Xen Server [M].北京市∶电子工业出版社.2009.

[2] [美]赫斯(Hess，K.)，[美]纽曼(Newman，A.). 虚拟化技术实战[M].北京市∶人民邮电出版社.2012.

[3] 英特尔开源软件技术中心. 系统虚拟化——原理与实现[M].北京市∶清华大学出版社.2014.

本文系2016年保定市科学技术研究与发展指导计划项目“应用虚拟化技术重构计算机和网络信息中心”的研究成果。项目编号： 16ZG021。

张媛媛（1983- ），女，河北保定人，保定职业技术学院 讲师，研究方向：计算机及应用。