校園網絡技術應用

利用虛擬化技術降低機房建設和運行成本的研究

北京市密云社區教育中心 李毅

一、校園機房建設運行成本不斷增長的原因

自“第三代校園網”的概念提出以來，為滿足校園網絡業務需要，大量的應用系統陸續上線。規模龐大的學校信息化建設，在確保教育現代化、提高辦學水平的同時，也使機房建設及運行成本逐年上升。通過對具體情況的分析，機房建設難度和運行成本增長的主要原因是各校園網機房規模逐漸擴大，機房的可靠性、可用性、經濟性卻在不斷下降，導致機房建設及運行時投入更多的設備，消耗更多電能和人力資源。

1.服務器平均負載率低

出于故障隔離等安全性的考慮，機房中部署的服務器往往只承載一項關鍵服務。X86架構服務器性能的不斷提高，對于大多數業務其處理能力已綽綽有余。根據IDG（國際數據集團）的調查數據顯示，服務器平均負載率很少有超過40%的，大多數在10%～25%之間。有些新近購買的服務器，其平均負載率更在10%以下。機房內大量低負載率的服務器，不僅使電力、制冷、場地及附屬網絡設備處于高耗低效的運行狀態，同時也造成維護成本的加大。

2.電費支出

機房是信息化條件下校園數字業務處理的中心，也是電能消耗的主要原因。根據IDG提供的數據，計算機設備占機房電能總能耗的44%，制冷系統占機房電能總能耗的38%。制冷系統消耗的電能與計算機設備消耗能源存在很強相關性，因此計算機設備的電能消耗是機房電能消耗的絕對主力。以一臺功率為650W的服務器為例，運行一年所需支付電費大約5600多元，如果將制冷系統的費用計算在內的話，則要支付電費大約7400元。

3.舊系統維護難度大

由于計算機網絡多年前就已經應用于校園中，機房中存在一些早期數字化校園建設時的舊系統。一方面，舊系統經過多年的運轉，原有的硬件設備很多已不堪重負，亟待更換，但苦于市場不能提供相同的備件而難以更換。另一方面，由于缺少驅動程序，舊系統無法在新的硬件平臺上運行。鑒于以上情況，機房管理人員只能想盡各種辦法勉強支撐其正常工作。

4.備份效率低，故障恢復時間長

出于數據安全的考慮，我們經常會對服務器的數據進行備份，但是現有的備份方法效率比較低、備份用時長。對于操作系統和軟件配置信息的備份，惟一的方法是通過使用Ghost軟件制作磁盤鏡像方式備份。但是這種鏡像的備份方式有很多缺點，比如備份時間長、不能熱備份、必須重新啟動操作系統等。正是存在這些缺點使得服務器操作系統和軟件配置備份很難在實際機房環境中使用。由于缺少可靠、高效的系統備份方案，服務器在遇到病毒、突然斷電、硬件癱瘓時，就只能按部就班地重裝操作系統并部署應用環境。這種低效的備份和故障恢復方式，不僅浪費機房管理人員寶貴的時間，同時也影響網絡業務的持續開展，并加重學生和教師對校園網絡服務方面的負面評價。

二、虛擬機技術發展史及其作用

隨著微電子技術和制作工藝的快速發展，計算機CPU性能和內存容量也依據摩爾定律不斷地成倍提升。雖然軟件的復雜度也在不斷的發展，但遠遠不能與硬件發展速度媲美。為了能夠復用過剩的處理能力，計算機科學家提出了虛擬化技術，就是使用單一硬件平臺虛擬出多個虛擬硬件平臺并獨立運行多個操作系統的概念。

到了21世紀初，由于X86架構處理器的處理能力快速提高，在部分應用領域已能夠廉價的替代小型機，大多數使用者已不再懷疑其處理能力和可靠性，而開始研究如何更好提高其負載率，并有針對性地開發出了X86平臺虛擬化技術。虛擬化技術得到快速的發展，主要原因是這項技術能給服務器的使用者和擁有者帶來多方面的好處：

（1）整合服務器，減少服務器數量，降低機房建設成本。

（2）服務器資源復用，提高機房的空間利用率，減少電力消耗。

（3）簡化備份和故障恢復工作，降低機房管理人員工作強度，降低管理費用。

（4）為舊系統提供運行平臺，提高舊系統的可靠性。

（5）降低空調等機房設備電能消耗。

總之，虛擬化技術代表了一種新的理念：最大化的利用資源、提高效率并降低總成本。

三、部署VMware ESXi Server虛擬化軟件

目前，眾多IT廠商都提出了各自的虛擬化技術方案，如Sun公司的VirtualBox、微軟Windows Server 2008中的集成Hyper-V技術等。我們綜合市場占有率、易用性、穩定性、兼容性等各方面因素，對這些產品進行了對比，最后決定嘗試使用VMware Server，其市場占有率超過70%，文檔資源豐富，工具齊全，性能穩定，兼容性好，便于使用。

我們選用了VMware公司的ESXi Server，主要原因是ESXi Server與ESX Server提供主要功能基本一致，并且ESXi Server是完全免費的，更適合小規模部署或測試使用。

1.對虛擬化服務器進行日志分析，以決定是否適合虛擬化

部署虛擬化技術的主要原因是希望提高服務器的利用率，所以在沒有調查了解服務器的負載率之前就進行虛擬化是非常莽撞和有悖于初衷的。因此需要將服務器的負載進行采集并量化得出評估結果，最后決定對哪些服務器進行虛擬化。

首先在有虛擬化考慮的服務器操作系統中開啟性能監測日志功能，主要采集CPU和內存的占用情況，對于監測數據的采集時間最好要覆蓋業務的高峰時期和低谷時期，這樣可以得到更加全面的監測數據。通過對服務器進行48小時的監測并進行量化，取得了4臺服務器的CPU和內存的占用情況數據，如表1所示。

根據日志采集量化評估，決定對機房內的4臺物理服務器進行虛擬化遷移。其中一臺為Novel GroupWise服務器，已嚴重超期運行，性能和可靠性都不能得到滿足，經常宕機，所以決定對其進行虛擬化；另外3臺分別為內網服務器、測試用服務器、文件服務器，對其虛擬化的主要原因是服務器負載率太低。

2.在實體機上安裝VMware ESXi Server虛擬化軟件，構建虛擬平臺

首先選用一臺Lenovo R520雙路四核服務器作為實體機。然后在安裝之前需確認服務器硬件平臺與VMware ESXi Server是否兼容，否則是不能正常安裝和運行的。其中VMware ESXi Server的安裝與Linux系統類似。在VMware ESXi安裝完成后，需要配置用戶名、密碼及IP地址等，另外還要在另外一臺工作站上面安裝VCentre Client軟件，用來管理實體服務器上的虛擬機。當這些工作都做好后，VMware ESXi Server虛擬機環境便可以投入使用。

3.虛擬機的資源分配和虛擬化遷移

虛擬平臺上虛擬機的創建和資源分配是很方便的。無論是虛擬機的創建階段還是虛擬機部署以后，都可以對資源進行分配。根據以往經驗，對于那些配置簡單，但是數據量比較大的服務器，適合使用先在虛擬機上重新安裝操作系統，然后進行簡單配置，最后遷移數據的方法，比如文件服務器；而對于那些配置相對復雜的服務器，就可以使用VMware提供的P2V工具進行虛擬化遷移，通過運行VMware P2V可以有選擇的將應用軟件、數據和操作系統打包生成虛擬機文件，遷移到虛擬平臺運行。對于特殊的平臺如Novell, VMware P2V工具不能支持，為此還可以采用Ghost等軟件制作磁盤鏡像，然后在虛擬機中釋放。

四、部署VMware ESXi Server后機房建設及運行成本對比

將4臺服務器遷移到一個虛擬平臺中后，在實際環境中進行了測試。測試結果顯示，4臺服務器在遷移到虛擬化平臺后，系統運行平穩，其中NOVEL GroupWise服務器在虛擬機環境中支持百人同時在線訪問，未因硬件平臺性能不彰而導致停機，解決了舊系統運行穩定性問題。對比虛擬化技術實施后，機房設備的投入和運行維護費用有明顯的減少，其統計結果見表2所示。

根據虛擬化實施前后的數據進行對比，我們可以知道5年可以節省設備投入和運行維護費用約20萬元。虛擬化技術不僅為我們節省了機房建設及運行成本，還減少占用機柜的空間，降低了UPS負載，延長了電池斷電后備時間，而且提高了服務器可管理性，減輕維護負擔，減少了系統備份和故障恢復時間。

五、總結和思考

VMware虛擬化軟件雖然在提高效率、降低運行成本和減少維護工作方面表現優異，但其也不是萬能的。由于技術本身的限制，VMware虛擬化軟件并不能適用于所有場合，比如高負載的數據庫服務器、需要硬件輔助計算的視頻編碼服務器以及一些需要與網絡硬件交換信息的網絡監控服務器等。同時，VMware虛擬化軟件作為底層系統軟件，安全問題也受人關注，VMware的多個產品就曾出現過軟件漏洞，雖然補救及時沒有造成大的安全事故，但是仍然警示了人們在部署虛擬化軟件的同時，也應考慮其信息安全隱患。總而言之，技術不能解決所有問題，我們必須在業務需要和機房實際情況之間權衡利弊、揚長避短、合理部署，根據實際需求發揮虛擬化軟件的效用。

數字化校園未來建設的目標正逐步向整合資源、提高系統利用率的方向轉化。作為一種技術手段，VMware虛擬化技術是響應這種需求而產生的具有戰略意義的新技術，其在機房建設運行中顯現出的高效和節能環保的特點，將使其在未來機房建設及運營中扮演重要的角色。

參考文獻

[1] 魯松.計算機虛擬化技術及應用.北京：機械工業出版社，2008.

[2] 張巍.企業虛擬化實戰——VMware篇.北京：機械工業出版社，2009.