基于VMware vSphere的虚拟化资源池应用研究

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　　摘  要：高校信息化建设中，为提高资源利用率、降低建设与运维的成本，基于云计算和虚拟化的理论基础，选择VMware vSphere技术来构建虚拟化资源池。分别在服务器、网络、存储三个层次上实现虚拟化，实现了资源的统一管理和高效使用，并使用冗余存储、在线迁移、实时监测等技术来提高安全性与可靠性。目前虚拟化资源池试运行正常稳定，为师生提供计算、存储等各种资源服务，达到预期目标。
　　关键词：VMware vSphere;虚拟化;资源池
　　中图分类号：TP393     文献标识码：A
　　Abstract：In the IT construction of colleges，VMware vSphere technology is selected to construct a virtual resource pool based on the theoretical basis of cloud computing and virtualization，in order to improve the utilization rate of resources and reduce the cost of construction，operation，and maintenance.Virtualization is realized at the three levels of server，network，and storage to achieve unified management and efficient use of resources.Redundant storage，online migration，real-time monitoring，and other technologies are used to improve security and reliability.At present，the virtual resource pool runs normally and stably providing teachers and students with computing，storage，and other resource services，thus achieves the expected goal.
　　Keywords：VMware vSphere;virtualization;resource pool
　　1   引言（Introduction）
　　近年來随着IT技术日新月异，高校的信息化建设发展迅速，与教学、科研、管理和生活等方面密切相关。用户对信息化的依赖程度越来越高，同时也对信息化服务的可靠性、安全性、便捷性提出了更高的要求。但一方面是投入了大量成本购买硬件设施和运维服务以应对信息化业务大幅扩张的需求，另一方面资源的实际利用效率却比较低，而且还面临安全性、可靠性、可扩展性等诸多问题。因此，选择合适的技术和架构，以降低成本、提高效率，势在必行。
　　2   理论基础（Theoretical basis）
　　云计算的概念最早是在2006年由Google、Amazon等公司提出，是分布式计算、虚拟化、网络存储等多种技术混合演进、发展融合的产物。它作为一种基于因特网的超级计算模式，通过互联网，以服务的方式，按需为用户提供动态伸缩、易扩展、虚拟化的软硬件资源[1]。
　　虚拟化作为实现云计算最重要的核心技术，实现了物理资源的逻辑抽象和统一表示。通过虚拟化技术可以提高资源的利用率，并能够根据用户业务需求的变化，快速、灵活地进行资源部署[2]。
　　目前市场上主流的虚拟化技术有VMware vSphere、KVM、Citrix XenServer、Hyper-V等。VMware vSphere虚拟化技术以其虚拟化程度高、跨平台且兼容性强、存储服务方式灵活等优点而被广泛使用[3]。VMware vSphere提供了一整套用于对服务器资源进行统一配置、集中管理的虚拟化解决方案，其中有两个最重要的基础组件—ESXi和vCenter Server。ESXi是组成vSphere基础架构核心的虚拟化管理器，可直接安装在物理服务器之上，独立于操作系统，是一个用于创建和运行虚拟机的平台。运行于同一个ESXi主机上的多个虚拟机之间各自独立，但共享相同的物理主机资源。vCenter Server是一个强大的宿主机和虚拟机集中管理组件，是整个虚拟化平台的控制管理中心，用于管理多台连接到网络的ESXi服务器，管理物理和虚拟基础架构[4]。
　　在高校信息化建设中，我们基于云计算和虚拟化技术的理论基础，采用VMware vSphere来构建虚拟化资源池，提供计算资源、存储资源、网络资源，以改善成本、效率、安全性、可靠性等方面的问题，为师生提供更好的信息化服务。
　　3   构建方案（Construction scheme）
　　信息化建设不是将原来的各个系统推倒重建，而是要使IT基础设施变为可以弹性、灵活扩展的资源，提高资源利用率。而使用虚拟化技术，可以实现底层物理设备与逻辑资源的去耦合，以屏蔽各类资源的异构性，构建用户视角中统一的资源池[5]。具体可分为主机层、网络层、存储层三个基本层次的虚拟化，如图1所示。
　　（1）主机层—服务器虚拟化
　　服务器虚拟化对各种物理服务器的硬件差异进行了屏蔽，为用户提供了统一逻辑形式的计算资源，为计算资源的标准化提供了基础[5]。传统方式中，一般是一个应用系统对应一台服务器。采用虚拟化技术后，一台服务器上可以创建多个虚拟机，运行多个应用;一个应用也可能运行在一台或多台虚拟机、一台或多台服务器上。服务器虚拟化打破了应用系统和物理服务器的一一对应关系，整合了服务器上各种硬件资源，提高了资源使用的效率和灵活性。 　　在项目初期的小范围测试中，先在两台X86服务器上直接安装ESXi，分别为ESXi1和ESXi2，创建了虚拟化资源池的基础平台。在平台上安装各种操作系统的虚拟机，主要为Windows Server 2012和CentOS7，再在虚拟机上安装配置WWW、数据库、DHCP等相关服务。每个虚拟机都有独立的CPU、内存、硬盘、网络、I/O等设备，互相隔离。使用vSphere Client登录ESXi主机进行虚拟机的创建、管理工作。vCenter Server作为整个虚拟化平台的控制管理中心，可管理多台ESXi服务器，实现资源的统一规划。
　　（2）网络层—网络虚拟化
　　通过网络虚拟化可以把网络设备以一种与物理位置、物理状态无关的方式进行调用。网络虚拟化降低了管理维护的复杂度、提高了网络设备利用率，也进一步提升了数据的安全性[6]。在基于VMware vSphere的虚拟化环境中，使用vSphere交换机来实现ESXi主机、虚拟机和外部网络的通信。vSphere虚拟交换机类似于传统的二层交换机，工作在数据链路层，支持VLAN的配置。其基本组成如图2所示。虚拟机端口组用于连接虚拟机，使这些虚拟机之间可以互相访问，也可以访问外部网络;上行链路端口通过绑定ESXi主机的物理网卡，提供了虚拟机和外部物理网络的通信;VMkernel又称核心端口，用于为ESXi主机提供通信服务，实现对ESXi主机的管理配置。
　　在虚拟化资源池构建中，为每台ESXi物理主机配置两块网络接口卡vmnic0、vmnic1，并分别连接两台虚拟的标准交换机vSwitch0、vSwitch1，如图3所示。这样可以分离管理网络和虚拟机网络的流量，提高安全性，也避免流量过载。以后扩容需要的话，可再增加物理网卡，并根据不同应用或不同的组织架构设置VLAN。
　　（3）存储层—存储虚拟化
　　存储虚拟化是在实际的物理存储系统之上构建虚拟层，建立起物理存储和逻辑存储之间的映射关系。把各种类型的存储产品统一映射到逻辑存储池中，再从存储池里按需为用户提供存储空间和服务。
　　在整个存储方案设计中，采用DAS（直连式存储）、NAS（网络附属存储）、SAN（存储区域网络）等技术，构建了物理存储设备—数据存储—虚拟机存储的三层架构[7]。如图4所示，首先把物理存储资源如ESXi主机上的本地磁盘、专用的NAS设备等表示为逻辑上的设备、LUN、网络文件系统等形式;其次让ESXi主机通过存储适配器与这些物理存储资源建立连接，并基于这些存储设备创建数据存储;最后基于数据存储建立虚拟磁盘作为虚拟机存储。
　　ESXi主机有一个默认的本地存储datastore1，这个存储使用的介质是本地磁盘，属于DAS，其他ESXi主机无法使用。因此，通过ESXi内置的NFS客户端挂载NAS文件服务器上的NFS卷，创建数据存储，实现文件级的共享访问。SAN则选择基于TCP/IP的iSCSI，成本较低，可实现块级访问。
　　在实现以上三个层次虚拟化的基础上，还使用了以下技术来加强虚拟化资源池中系统和数据的安全性与可靠性。
　　（1）冗余存储
　　虚拟化资源池配备了多个存储节点，对虚拟磁盘使用RAID1和RAID0技术，既提高了数据存储速率，又实现了分布式冗余存储。结合磁盘快照及定时备份，能够实现本地和异地的数据同步与备份。
　　（2）在线迁移
　　采用VMware的vMotion技术可实现虚拟机的热迁移。如果一台ESXi物理主机出现故障，可以将该主机上正在运行的虚拟机迁移到其他ESXi主机上，然后对有故障的主机进行修复;或者当一台物理主机负载过高时，可以将其中的部分虚拟机实时迁移到另一台ESXi主机，平衡ESXi主机之间的资源占用;或者是资源池扩容升级，增加了新的物理主机后，在线迁移调配现有的虚拟机。在这些场景中，使用vMotion可以确保虚拟机的不间断运行，提高系统的可靠性。
　　（3）实时性能监测
　　VMware vSphere自身集成了性能图表、事件、警示工具等多种监控工具，能对包括CPU、内存、磁盘、网络、I/O等重要资源在内的关键元件进行全面的性能监测，为配合系统和业务管理员实施合理的资源规划提供详尽的数据资料[8]。
　　4   实施效果（Implementation effect）
　　本文提出的虚拟化资源池设计方案，作为某高职院校数字化校园建设中的一个子项目，目前在小范围内对部分师生开放试运行，提供计算、网络、存储等资源服务。试运行期间物理服务器运行正常，在虚拟机上部署的各应用系统均运行稳定，达到了预期的目标。
　　（1）整合资源，提高利用率
　　使用VMware vSphere的虛拟化技术，将计算、网络、存储等各种资源整合到一起，合理按需分配，既减少了资源的闲置，也避免了对资源突发请求产生的瓶颈，使资源利用率得到较大提高。
　　（2）降低管理成本，提高运维效率
　　通过vCenter Server管理整个虚拟化平台，实现资源的统一规划。减少了管理和维护的工作量，提高了运维效率，同时对运维人员的知识能力水平也提出了更高的要求。
　　（3）提供高效、弹性、可靠的资源服务
　　通过vMotion技术，组建服务器集群，可以对虚拟服务器实现在线实时迁移;使用虚拟机模板功能，可以快速构建虚拟机，部署新的应用系统，满足日益新增的信息化需求;使用快照功能，可以方便地进行系统还原;新增硬件设备也能很方便地虚拟化并添加到原有虚拟资源池中。
　　5   结论（Conclusion）
　　在高校信息化建设中构建基于VMware vSphere的虚拟化资源池，改善了信息系统基础设施运行和管理的现状，在成本、效率、安全性、可靠性、可扩展性等方面达到了较好的平衡。正式运行之后将为更多师生提供资源服务，并将在桌面虚拟化、HA高可用性、虚拟机安全、DRS分布式资源调度、SDN软件定义网络等方向展开进一步的研究。
　　参考文献（References）
　　[1] 苏命峰.云计算环境下高校数据中心的虚拟化研究与实现[D].长沙：湖南大学，2014：2-3.
　　[2] 郭欣.基于云计算的Moodle虚拟化集群研究[J].控制工程，2015（6）：1175-1180.
　　[3] 李勇，杨华芬.基于vSphere的高校数据中心虚拟化构建[J].实验技术与管理，2018（1）：133-135.
　　[4] 苟洁.基于VMwarevSphere技术的虚拟云平台的研究与设计[D].成都：成都理工大学，2016：11.
　　[5] 吴志强，刘云朋，沈记全.基于云计算的企业级网络数据中心的研究与设计[J].实验室研究与探索，2015（6）：142-145.
　　[6] 朱桂明，谢向辉，郭得科，等.一种高吞吐量、高可扩展数据中心网络结构[J].软件学报，2014（6）：1339-1351.
　　[7] 王中刚，薛志红，项帅求.服务器虚拟化技术与应用[M].北京：人民邮电出版社，2018.
　　[8] 李艳，吕鹏，李珑.高等院校高性能数据中心虚拟化系统的建设与研究——以中南民族大学及其图书馆为例[J].图书馆理论与实践，2016（2）：074-079.
　　作者简介：
　　江  璜（1979-），女，硕士，讲师.研究领域：计算机网络应用.
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