贺建伟 樊成立

【摘 要】云计算将改变我们获取计算资源、存储资源、数据资源的方式，基于云计算IaaS构建虚拟化实验室是私有云的应用。文中给出了一个私有云的创建案例。基于云计算IaaS构建虚拟化实验室必须有一个好的管理系统，这个系统功能虚拟机镜像管理、实验方案管理、虚拟机管理、用户管理等。构建虚拟化实验室要考虑资源的调度和分配，与传统机房相比虚拟化实验室具有节省经费、方便管理、利用率高、开放性、方便实践教学等特点，还能做一些在传统机房不能开设实验，有助于提升学生动手实践和创新能力。

【关键词】云计算；虚拟化；管理系统

一、引言

随着信息技术的高速发展，传统的计算机实验教学环境弊端多多，表现为：①实验时间短暂且时间固定、地点固定，致使实验现场操作环境无法保留，长周期、连续性实验无法开展，昂贵服务器等资源经常闲置。而学生大量空余时间又难以利用；②实验室软硬件配置固定，不能满足层次化实验教学模式要求，束缚了学生的创新意识，不利于创新人才培养；③高校办学经费有限，计算机等设备更新相对滞后，部分实验因设备性能不足无法进行等等。为此构建真正能实现全网络开放的校园计算机实验教学环境非常必要。

云计算依照提供方式分为三种：IaaS（提供基础设施作为服务）、PaaS（提供平台作为服务）、SaaS（提供软件作为服务）。IaaS主要通过虚拟化技术，向用户提供虚拟机。用户可以在虚拟机中安装软件、进行各种操作，当然用户也可以安装自己希望的操作系统。云计算是计算与存储技术的发展方向，它将改变我们使用计算机的方式。PaaS和SaaS将成为人们接受计算服务的主要方式，构建基于云计算IaaS虚拟化实验室（以下简称虚拟化实验室）真正能够解决全网络开放的校园计算机实验教学。

二、虚拟化实验室优势

（1）节省经费：虚拟机的硬件是从云端的资源池中获取的，而云中的资源池通常被认为是“无限的”。当然，作为云基础的硬件，也需要更新换代，但是云的硬件通常是服务器级别的计算机，容易通过扩展提高性能，比普通PC淘汰的速度慢。

（2）管理更加方便：虚拟化实验室的所有虛拟机都在云端，一般都有配套的管理软件，在操作系统安装、软件部署、安全防范等方面都比传统实验室更加方便快捷有效，节省人力物力。

（3）开放性：传统实验室出于安全和工作安排，只在工作时间开放，虚拟化实验室可以一年365天一天24小时开放。

（4）资源利用率更高：云中的资源是动态分配的。可以把全校的资源都集中一起管理，动态分配，按需分配，使资源分配合理，利用率提高。

（5）具有不可替代性：从长远来看，PaaS和SaaS是云计算两种主要方式，但在PaaS和SaaS没有普及以前，IaaS将会优先普及。而且，依赖于操作系统本身的课程学习，必须使用云计算IaaS方式构建虚拟化实验室。因此虚拟化实验室具有不可替代性。

（6）高可靠性：“虚拟化”使用了数据多副本容错、计算节点同构可互换等措施来保障服务的高可靠性，使用虚拟化计算比使用本地计算机可靠。

三、虚拟化实验室设计与实现

（一）虚拟化实验室的基本架构

建设虚拟化实验室的主要思路是：建立私有云或者由服务商提供云，用户通过云终端获取云中的计算资源、存储资源、数据资源等。云使用高性能硬件提供资源池，包括计算池、存储池、网络池、数据池等。使用虚拟化技术创建所需虚拟机，用户通过云终端（通常是浏览器）远程访问虚拟机。虚拟机中能够进行的操作和操作方式，与在真实计算机中进行操作是一样的。虚拟化实验室总体架构图如图1所示。

图1 虚拟化实验室总体架构图

其中虚拟化资源中心逻辑图如图2所示，最底层为硬件资源池，提供计算、存储等资源。资源池上面是计算机群集和虚拟化工具，作用是调用资源池中的资源，创建虚拟机。常用服务器虚拟化软件品牌有 VMWare、思杰、KVM、微软（Hyper-V）等，VMWare 的 vSphere 相对比较成熟，可以安装大多数操作系统。虚拟化软件不同，调用硬件资源的方式也不同，有的直接调用硬件资源，有的要通过操作系统或虚拟软件调用。因此这两层的关系因为使用的虚拟化软件不同而不同，我校使用的是免费的XenServer。虚拟化实验室管理系统通过虚拟化工具实现对虚拟机的管理。另外虚拟化实验室管理系统还要实现用户管理、实验方案管理、计费管理等，用户最终通过局域网或Internet访问云计算中心虚拟化实验室管理系统，经过认证后即可获得IaaS服务。

图2 虚拟化资源中心逻辑图

（二）虚拟化实验室云端硬件

虚拟化实验室云端硬件主要由计算模块、管理模块、交换模块和客户端硬件等组成。

（1）计算模块16套，标配（1×XEON 5560，4*4G， 2×1TSATA），最大可扩展到32G内存，最大支持6块硬盘。标配500W高效电源模块，最大能支持150台虚拟机环境。

（2）管理模块1套，标配一个，可选另一个模块，实现冗余，可实现共享KVM切换、开关机等全方位管理控制监视功能；可选KVM Over IP功能模块；

（3）交换模块2套16口千兆交换机，可实现计算模块的内部高速互联以及外部高速扩展

（4）客户端硬件：不需要另外添置，使用淘汰的PC机即可。也可以使用瘦客户机。

（三）虚拟化实验室管理系统

虚拟化实验室管理系统由以下模块组成：群集管理模块、虚拟机镜像管理模块、实验方案管理模块、虚拟机管理模块、用户管理模块、虚拟网络管理模块、计费管理模块、作业模块、监控模块。

群集管理模块的功能包括机柜的添加、删除和查询，物理机的添加删除和查询，虚拟机的迁移等。

虚拟机镜像是创建虚拟机的模板，新建一个虚拟机就是从相应的虚拟机镜像复制出一个新的虚拟机文件。虚拟机镜像管理模块的功能包括：创建、修改、删除和编辑虚拟机镜像，设置虚拟机磁盘个数、大小，设置虚拟机使用的CPU个数（或核数）。

在诸如网络服务一类课程的实验中，每一个学生需要几台虚拟机才能完成实验，其中的虚拟机操作系统、网络连接、磁盘数量等配置都可能不同。在一个实验中所需求的所有虚拟机、网络架构等，我们称之为一个实验方案。实验方案管理模块的功能包括：创建、编辑、删除实验方案，在创建实验方案时要选择虚拟机镜像和数量、设置虚拟机的网络连接、设置虚拟机的内存大小。

根据一个实验方案生成的一套虚拟机称为一个实例。虚拟机管理模块的功能包括：创建、编辑、删除虚拟机实例等。创建虚拟机时要选择实验方案，根据实验方案创建虚拟机，确定实例数量，选择虚拟机的部署方式。虛拟机的部署方式有横向和纵向两种。横向部署时虚拟机被平均部署在所有不同的物理机上，各个物理机负载比较均衡；纵向部署虚拟机时优先部署在前面的物理机上，前面的物理机满载后再部署在后面的物理机上。

用户管理模块：用户分为4级用户。1级用户可以添加、删除机柜、物理机；2级用户可以添加、删除虚拟机镜像；3级用户可以添加、删除实验方案，添加删除4级用户或批量导入4级用户，创建虚拟机实例，为4级用户分配虚拟机实例；4级用户可以登录分配给自己的各个虚拟机进行实验操作。

虚拟机管理模块可以添加、删除虚拟网络，计费管理模块可以对用户计时收费、强制关机等，作业模块可以分发和提交作业，监控模块可以监控学生进行的操作。

（四）云中资源的分配

一般认为，云中的资源是无限的。但作为私有云，硬件资源总是有限的，那么虚拟机的数量也是有限的。一般来说，要估算一台虚拟机对资源的需求，必须结合虚拟机中运行的程序对资源的需求来考虑。虚拟机的用途不同，需要运行的程序也不同，对资源的需求也不同。但虚拟机中操作系统对资源的需求还是容易估算的，参考操作系统的硬件配置需求即可。需要注意的是，不同于PC机，云中的资源是动态分配的，所以要考虑整体资源的分配。创建虚拟机必须占用磁盘空间，开启虚拟机必须要占用内存，所以云中磁盘总量决定了可以创建的虚拟机的数量，云中的内存总量决定了可以同时开启的虚拟机数量。虚拟软件Hyper-V具有差异磁盘功能，VMware具有连接克隆功能，这些功能可以节省很多磁盘空间。设置虚拟机有较大的内存，虚拟机运行更加流畅，但同时能开启的虚拟机数量会减少；相反，设置虚拟机较小的内存，虚拟机运行流畅性变差，但能同时开启更多的虚拟机。

四、总结

云计算将改变我们获取计算资源、存储资源、数据资源的方式。我校在构建私有云方面做了有益的尝试，基于云计算IaaS构建的虚拟化实验室经过2年的运行，取得了一些经验和可喜的成效，节省了经费，方便了管理，提高了实验室的利用率，还为教师和学生科研等提供了更好的实验环境，达到了预期的目的。

【参考文献】

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