高校信息资源虚拟化技术的应用与实践

王琪　史先娟　秦国刚

摘要：本文通过高校中各类软硬件系统利用率低、负载不均、容灾备份低、能耗高、投入高产出低等问题进行了研究，详细分析了高校网络线路资源、计算资源、硬件设备、大数据量存储资源的使用现状，并提出了解决当前高校信息系统发展问题中整体方案。将资源整体融合成应用虚拟池，充分挖掘计算资源。在本文中对各类虚拟化技术应用方法与应用效果进行了详细阐述，证明了本方案的优点与可行性。

关键词：虚拟化；信息系统；利用率；计算资源

中图分类号：TP393 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003 6970.2016.05.016

本文著录格式：王

琪，史先娟，秦国刚.高校信息资源虚拟化技术的应用与实践.软件，2016，37（5）：63-67

0.引言

虚拟化技术现今发展迅猛，各类厂商不断研究针对计算、存储、网络级别的应用技术并迅速推陈出新，虚拟化技术的本质其实就是不断发掘IT软硬件资源的可充分利用之处，带给各行业用户更大的利益与价值。作者在集成商与高校单位中工作多年，见证了虚拟化应用从无到有、逐步起步强大的发展历程。

如今高校信息应用需求不断增加，绝大部分教学资源已经网络平台化，师生的日常教学、科研、生活越来越依赖手机、网络与软件系统。同时用户体验越来越重要，要求资源平台响应及时、界面简洁、使用方便、内容丰富、所见所得，但高校的应用规模普遍在万人以上，并发访问时形成海量数据请求，如此大规模的访问压力下给网络、应用、计算与存储资源带来了相当大的挑战。尤其在迎新、选课、报名、离校、上课等使用高峰期，在传统运行模式下谷时利用率低、峰时资源穷尽等情况层出不穷，给运维人员带来了很大的挑战，所以利用虚拟化技术对数据中心及校园网进行全面虚拟化改造，不但可以提高物理资源的利用率，实现系统资源的快速部署灵活调度，还可以进一步降低管理成本。

通过长期使用、研究逐步发现原有IT运行模式存在如下缺点：单体物理设备硬件资源利用率低，设备功耗大，系统部署效率偏低，冗余性低，资源调度不灵活。所以通过对校园各类网络、计算、存储虚拟化的研究，分析传统模式的问题与发展瓶颈，必须要能找到符合当前高校信息系统特殊需求的应用方案，最终期望的结果是信息资源的使用类似现在的水、电、气一样就可以快速获取直接使用，用户使用体验良好，不必关心计算设备、存储或数据等相关资源位置和具体部署方式。

1.建设目标

当前信息系统一直朝着资源整合、精细化管理的趋势发展，利用虚拟化整体解决方案的目标就是解决物理设备利用率低下、维护困难等问题，降低运行维护和建设成本，帮助管理人员更高效利用资源充分发掘投资价值。

具体而言，通过信息资源虚拟化能够达到如下目标：

（1）在用户无需知情或感觉中断的情况下进行虚拟化部署及改造，无缝融入现有信息系统中。

（2）降低信息系统管理复杂度、解决服务器及网络扩展性差的问题。确保部署虚拟化技术的信息系统无单点故障问题，实现故障预警和统一协调管理，消灭信息数据孤岛。

（3）解决部分应用系统软硬件资源分配不均问题，让不同服务对象、不同应用功能、使用频率大为不同的各业务系统在高峰时能满载利用，低峰时释放资源支援其他服务。

（4）缓解机房建设及运行维护成本过高的问题，尤其随着设备增多，运转能耗与空调能耗比例逐渐呈现1：1的情况、机房空间捉襟见肘的问题。

（5）解决系统快速备份和有序恢复的难题，降低管理工作量，减小系统安全性和稳定性上的不确定因素。

（6）实现极端灾难情况下，重要业务系统数据不丢失、系统能够短时间内迁移重新上线运行。

2.资源虚拟化方案设计

2.1带宽线路虚拟化方案

高校一般使用教育科研网络对外发布信息资源提供各类服务，edu域名解析为教育网公网IP地址。由于外部访问者用户一般使用的是电信、联通、移动、广电运营商线路，所以访问时会存在运营商之间的互联互通瓶颈，访问响应慢、延迟高、高峰期线路满载、容灾备份能力不足。一旦教育网线路出现故障，一段时间内会造成所有资源无法访问。

针对带宽资源的虚拟化方案是将单位所有的不同运营商线路进行整合，将几条不同的线路虚拟化为整体资源。尤其考虑到高校应用场景流量以下载方向为主，上传方向较为空闲，可以充分利用其它运营商上传空闲方向带宽，结合unix平台技术使用源IP地址进行智能DNs解析，将用户按照来源划分为校内用户、校外四大运营商用户、海外用户等不同角色，使得用户就近访问获得较好的使用体验，一旦任意一条线路出现故障可以触发解析切换，尽量减少中断时间，如图1所示。

2.2接入与核心网络虚拟化方案

传统网络部署模式下，见图2所示，高校网络一般分为接入、汇聚、核心三层，接入设备连接终端用户与无线AP，汇聚与双核心之间采用路由模式传输数据，多个接入设备互连一般采用级联模式，上联为单线路至汇聚层设备。这种方式下单点故障源较多，单上联线或者上级接入交换机一旦出现故障会波及所有或部分下游设备，造成大面积瘫痪，且内部线路带宽仅为1Gbps。

目前主流设备厂商如思科、华为、华三、锐捷等都已经有自己的网络虚拟化解决方案，功能上各有侧重，如思科的VSS虚拟交换机技术，华三的IRF弹性智能技术，锐捷的VSU虚拟交换单元或者简化版的STACK堆叠技术。所以改造方案可以采用双核心采用双机虚拟化，同一楼层中所有的接入采用N：I虚拟化。分别在第一台与最后一台接入设备上联光口使用双线路LACP聚合模式，确保任意一台设备或线路故障，其余设备下的用户不受中断影响，见图3所示。以一组四台为例，正常互联线路为A-B-C-D，通过虚拟化为单台设备的互联线路为A-B-C-D-A；正常上联光纤线路为A-核心，通过聚合方式设置为A-核心1、D-核心2的2Gbps上联。

接入设备虚拟化部署后，可以降低分支楼宇网络任一互连线路损坏时50%故障概率（以双上联线路为标准），将原先单台接入设备出现故障时的影响范围降低75%（以四台一组为标准），在双核心设备虚拟部署后核心故障概率降低50%，单台核心宕机情况下换对整网运行无影响，见图4所示。

2.3计算资源虚拟化方案

目前国内外服务虚拟化技术发展已经较为成熟，主流的服务虚拟化如VMware公司的vSphere、微软公司的Hyper-V R2和Citrix公司的XenServer/XenDesktop。通过上述技术可以实现物理机应用环境到虚拟机迁移（P2V模式）、虚拟机应用环境到虚拟机迁移（V2V模式），并能够实现根据定义的事件如灾难、停电、负载过重的情况下实现在线动态迁移功能。

以本单位使用的VMWARE公司vsphere产品为例，首先对应用服务器机运行情况评估如CPU核数、物理内存大小，其次分别在空闲服务器上部署vsphere虚拟化平台与底层杀毒软件。在控制台中部署虚拟机同时分配资源限额，划分的虚拟资源应该控制在物理资源的70%左右为佳。逐步将应用系统迁移至虚拟机上线，将应用迁移出去后的空余服务器上继续部署底层软件，见图5所示。

在服务器资源虚拟化部署后，可以实现大部分数字化校园应用资源（除oracle数据库）从物理机无缝迁移至虚拟机环境中，在虚拟机寄存的物理实体机宕机后，10秒内能自动迁移至其他实体机并恢复服务。在物理实体机CPU内存达到75%的情况下，触发漂移机制，将负载过大的虚拟机器逐台迁移出去控制资源利用率。通过类似的模式，可以将服务器与空调能耗比逐步降低为3：1，将每年采购服务器的需求逐步降低2/3。在一些特殊应用如选课、考试系统访问量过大异常繁忙时，自动分配额外资源提供支持，满足至少2000人并发访问需求，保证业务不瘫痪，同时解决资源闲置无法合理利用的问题。在底层硬件中统一部署反病毒软件，虚拟机无需加载安装其他杀毒软件或系统管理工具，节约单台虚拟机约1/10的运行资源并能实现所有虚拟机的克隆备份与还原功能。通过将旧的设备虚拟化，持续降低采购、供应、维护方面的成本支出，实现快速部署应用、动态负载均衡，并且简化灾备流程。在基础硬件的层面上构建操作系统，使得虚拟服务在不同硬件之间自由迁移，将操作系统和基础硬件相分离，有效解决兼容性方面的问题。

2.4存储资源虚拟化方案

通过存储主备模式的改造，增设虚拟硬盘管理池，实现双活存储运行，提升数据读写效率和安全性。搭建彼此独立且同时活跃运行的存储系统，使得虚拟机的数据能够在不同平台的存储系统中进行动态转移，准确识别热数据及冷数据并分类存放在不同响应速度的存储硬盘中，实现高可用性和分布式资源调度功能，见图6所示。

首先对存储设备运行情况评估（一般至少有两台，传统模式下为活跃一冷备工作状态），部署相应逻辑资源池管理网关。对两台存储设备上的所有硬盘进行虚拟化作业，将两台设备虚拟化为逻辑单台（两台活跃一活跃）。在存储设备上补充少量固态硬盘，针对热门数据进行标识并将其分配到固态硬盘，确保用户感兴趣的热门数据读写速度快。最后将虚拟机与存储资源池关联，使得用户不必关心数据在哪一台存储或哪一块硬盘中。

这种方案的主要目的就是将主用、冷备存储均划分到虚拟化资源池，预留高速硬盘用于热数据读写操作，后期划分硬盘空间时候，直接以虚拟资源池为目标分配资源代替原有的主用存储，将冷备存储的功能及利用率进一步提升，彻底形成双活运行的存储环境。

在存储资源虚拟化部署后，减少存储资源碎片空间，提升20%磁盘利用率；实现冷、热数据分盘存放，热数据存储固态硬盘，每秒读写次数IOPS不低于3500次，冷数据存储低速硬盘，每秒读写次数IOPS不低于180次；增强备份存储设备利用率，将原先设计的一主一备存储在部署虚拟化后实现双活存储模式，提升闲置设备利用率，降低重复投资。

2.5整体测试

整体虚拟化部署完成后，需要进行虚拟化的策略优化与测试工作，如接入网络的逻辑线路聚合、防分裂检测功能、核心网络的单向追踪定期监控、线路冗余及利用率情况、虚拟化设备在极端情况下的单机运行测试、制定阀值触发虚拟机在线迁移、灾难情况下的迁移功能、服务数据还原功能、双活存储中的数据备份情况确认。

3.结论

在整体虚拟化方案应用后，对园区型高校具有减小硬件投资、提高利用IT软硬件资源率、节省机房空间、降低能源消耗、容灾备份能力高、管理流程简化等显著作用。

以本单位2014-2015年信息系统平均维护统计数据为例，通过部署网络系统虚拟化，四大校区47座楼宇（校园网覆盖范围内）中70个机房每年发生整体楼宇网络故障中断时间（停电情况除外）由6小时降低为3小时，服务人员出勤处理办公室网络故障由260次降低40%z～150余次，按照每个故障0.5小时处理时间计算可节约人力资源52小时每人次；核心机房网络年度故障中断时间（计划的网络割接与升级情况除外）由20分钟降低为0。

通过部署物理服务器整体虚拟化，年度需要投入的服务器硬件资金由40万元采购4-6台机架式服务器降低为12万元，转为主要采购服务器内存和相关配件用于已有服务器硬件性能扩容。传统安装部署正版服务器操作系统、软件驱动、插件、反病毒软件需要1小时左右，通过虚拟化克隆技术，单台服务器安装只需5分钟时间，按照年度部署40台新服务器情况下，可以节约管理人员37小时时间；在服务器硬盘损坏、系统崩溃、应用系统故障情况下，重新部署业务系统、安装数据库时间约为3小时，通过虚拟化备份还原技术，只需15分钟左右时间即可恢复运行。所有的虚拟化平台的业务系统一般能支持至少2000人并发，选课等高峰时段服务仍能够坚持使用，原有的服务器利用率提升至于70%。

目前核心机房UPS最大支持40KVA，主要供应网络、服务器、存储、照明、新风及精密空调系统电力，按照0.9的功率因子换算最大功率为36千瓦，目前已经接近满载。2014年度机房电费支出60万元，按照民用电0.5元每千瓦时来计算，耗电120万度电。预计在部署虚拟化后，核心网络设备由目前的6台减少至2台、低端PC服务器硬件停机冷备、减少一套低性能存储设备运行等操作未来5年内不需要购买大功率UPS进行电力扩容，节约15万UPS设备费用；由于新增设备减少，机房能耗降低1/8；目前机房面积约150平方米，当前占用率75%，在部署虚拟化后预计的5年内不需要增加网络与服务器机柜，所以可以节约部分机房改造扩容及相应空调、风力系统升级使用经费。