基于虚拟化技术的高职院校云计算数据中心建设方案研究

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【摘要】 重点分析了虚拟化技术在云计算数据中心建设中的作用，系统阐述了基于虚拟化技术的高职院校云计算数据中心整体建设思路和功能定位，设计了数据中心网络融合拓扑结构图，并提出了各子平台建设的原则和要点，为计划建设虚拟化云计算数据中心的高职院校提供了一套实用、可行的参考方案。

【关键词】 虚拟化 云计算 数据中心 资源池

一、高职院校云计算数据中心建设需求分析

高职院校近几年来得到了迅猛发展，特别是自2006年国家支持建设100所示范高职院校以来，高职院校在校园信息化建设、IT实训基地建设等方面投入了大量资金，大大改善了IT相关专业和课程教学校内实训条件，符合高职教育对应用型、技能型人才培养所需实训条件建设的要求，为“工学结合”、“做教学”等教学组织与实施创造了良好的实训环境，也提高了校园网络服务教学管理的效益，但在传统的信息中心建设与管理、IT实训室建设与维护过程中大都遇到以下问题：

（1）几乎每年都要进行硬件采购、软件升级，做计划、招投标和建设周期较长，而且不断扩容的软硬件设施给学校增加了投资成本，并给网管人员带来越来越大的管理困难。

（2）服务器利用率低、运维成本高，多数服务器业务单一，系统维护、升级和扩容等都会带来业务暂停等问题。

（3）服务器间的兼容性差，原有系统迁移到新平台上，就会带来新老系统兼容等问题。

（4）存储设备数量多、架构不统一。学校大量各类资源分布存储在不同的存储网络上，既不利于业务管理、又存在信息共享困难等问题。

（5）信息中心大量IT资源对各二级部门的贡献不够，不能够发挥资源效益，以减少二级学院IT投资特别是计算机类机房的重复投资问题。

能否设计一种新的技术架构和运行管理平台来克服以上问题？

有，那就是构建基于虚拟化技术的云计算平台，建设一个集成统一的信息化服务数据中心[1]，将学校有限的IT软硬件资源，通过虚拟化技术，构建成“无限”应用的各种资源池，利用云计算提供的SaaS（Software as a Service，软件即服务）、PaaS（Platform as a Service，平台即服务） 和IaaS（Infrastructure as a Service，架构即服务）三种服务模式，实现对客户“按需分配”，满足对学校IT资源的各种应用。

但由于云计算平台建设投入较大，技术与管理复杂，是目前制约高职院校云计算数据中心建设的一个主要原因。根据高职院校的办学特点，云计算数据中心建设可以按照私有云和共有云相结合的设计方案，采用SaaS 和PaaS服务模式为校内师生云客户端提供上课和实训所需的软件与工具在线服务，各二级学院或部门不再需要单独采购大量本地存储磁盘和预装教学需要的种类繁多的平台系统软件和开发工具，更不用担心服务器硬件扩展、软件升级等维护问题，计算机机房中上课所需要的课程资源、软件工具等均可存储在云计算数据中心，机房中的电脑和师生的移动设备如云终端设备、笔记本电脑等不再需要单独安装大量的软件资源，数据中心统一配备云服务专业技术团队负责维护和管理系统运行，这无疑会大大节省的学校在信息化机房建设的资金和时间投入，也大大提高了学校IT资源的整体效益。

二、云计算三种服务模式在数据中心建设中应用分析

目前，云计算服务模式由如下三种架构，用户可以根据自己的业务特点选择一种或多种服务模式，这里根据高职院校数据中心建设与师生需求特点简要分析这三种云计算服务模式的应用区别。

2.1 SaaS模式

SaaS的技术特点是：云数据中心根据云客户端的软件应用申请下发相应的软件系统和软件工具，对使用者来说，节省了在本地网络购置服务器硬件和软件以及应用授权上的开支，也无需单独安装工具和软件；而对云数据中心来说，只不过是一个客户应用请求而已，无需额外增加投资，只需下发一个服务即可。

譬如，学校计算机实训机房，可以根据课程所需要的软件环境，随时向云数据中心在线动态申请相应的软件，数据中心通过虚拟化桌面，给师生终端批量下发上课需要的教学与实训软件即可，完成教学和实训任务后可以随时释放这些应用，这无疑会大大减少二级部门在实训机房上的投资，也减轻了机房管理团队的工作压力。

2.2 PaaS模式

PaaS模式依赖于在云数据中心构建的一套完整的虚拟化平台为客户提供所需要的开发工具如Apache、MySQL、JBoss Application Server以及应用程序开发库和接口等资源，云客户端可以在线设计、创建、开发、部署以及管理自己的应用，但无需要管理这些平台运行环境。譬如，学校师生可以充分利用PaaS服务模式，无需搭建和管理自己的软件开发环境，只需在线申请使用云数据中心提供的多样性开发平台即可，这为师生从事软件开发以及项目研究提供了灵活丰富的资源平台。

2.3 IaaS模式

IaaS是以提供网络基础设施如CPU、内存、网络以及存储等IT资源作为服务形式，云用户可以向云数据中心申请这些软硬件资源，构建属于自己的虚拟运行平台，用户可以在该平台上部署运行自己的应用软件，并能够控制属于自己租约的IT资源。譬如，学校可以针对某些课程构建专门的实训室，通过申请IaaS，二级学院可以拥有自助式服务模式，在该平台上通过云计算中心提供的基础设施，构建一套适合上课和实训的虚拟实训室，既能够满足正常上课和实训需要，又能提供师生软件项目研发等需要。

三、虚拟化技术在数据中心建设中的应用分析

虚拟化，就是通过虚拟化软件在一台计算机或服务器物理主机上虚拟出多台可以同时运行多种操作系统的逻辑主机，如图1所示，每台虚拟的逻辑主机上的应用系统可以相互独立地运行。虚拟化技术实现了对IT软硬件资源的动态按需分配、灵活规划调度、虚拟机间资源共享等功能，大大提高了对IT资源利用效率[2]。

在学校云计算数据中心部署虚拟化，可实现对学校信息化基础设施等资源的利用、减少软硬件采购资金的重复投入、节省机房空间、提高设备集成性、减少能耗、降低管理成本、缩短建设周期等。利用虚拟化技术，将一组物理硬件资源组织成为逻辑上的资源池（Resurce Pool），并通过管理平台，实现动态、均衡分配资源池中资源，也可根据业务需求和业务重要程度预设服务策略，通过监控资源池的使用情况，智能地为虚拟机调配资源，从而实现对IT资源的有效、高效利用和管理。

四、基于虚拟化技术的云计算数据中心建设方案

学校在进行云计算数据中心设计时，应抛弃传统的计算、存储和网络架构模式，将计算与交换集成在一个统一的网络平台上，实现网络融合、减少网络汇聚与接入层的分段，在统一的管理域内，利用数据交换核心，减少I/O适配器、布线及设备，实现交换、存储与高性能数据计算，并实现对云数据中心软硬件资源的集中管理。主要建设模块包括：

4.1云计算基础架构

云计算基础架构是利用虚拟化技术，对服务器资源、存储与灾备系统、网络设施等进行有机整合，形成虚拟化计算资源池、存储资源池、网络资源池等共享资源平台，对云客户端实现需支付服务、自动分发部署，并具备容灾热备、异构迁移等功能。

4.2云计算运营行管理平台

云计算数据中心由大量的物理与虚拟化IT资源，为了保障整体系统的正常运行，必须构建一套对这些IT资源进行统一运行监控、资源调度、服务支付、故障处理、计费记账、性能优化、配置修改、安全策略等管理平台，使日常运维、管理、控制等更加科学、有效和及时。

图2是学校云计算数据中心网络架构拓扑[2]图。

1、虚拟化基础架构设计

（1）虚拟化计算资源池设计

计算虚拟化即服务器虚拟化，是通过虚拟化操作系统来实现的。在服务器节点或服务器资源池上，安装虚拟软件系统如vSphere，对宿主服务器的CPU、内存、网卡以及I/O等进行虚拟化处理，安装多个可运行不同操作系统的逻辑服务器（如图3所示），并根据业务划分安装相应的应用软件和工具，如此，一台物理服务器就似乎变成了多台服务器在运行，从而大大提高了计算资源的利用率，降低了采购和建设成本，增强了系统的配置灵活性和可用性。

设计要点：

1）企业级刀片服务器控制箱，配备冗余电源、风扇和机箱管理模块，内置FCoE交换机，配置足够的内部10Gb服务器端口和万兆SFP+模块。

2）物理服务器配置足够的CPU和内存，支持虚拟化集群，以保障虚拟化平台的构建。

3）多路虚拟CPU（vSMP），以快速部署批量并发云端用户的服务请求。

4）在线添加虚拟CPU（vCPU）， 虚拟内存（vMemory）和虚拟磁盘（vDisk），保证系统无间断运行。

5）支持在线虚拟机间、虚拟机与物理机间业务迁移，实现对业务动态调控、负载均衡处理。

6）支持Windows、Linux等主流操作系统，并兼容VMWare、Hyper-V、RHEL-KVM以及华为等业界主流虚拟化运行管理平台

（2）存储资源池设计

存储资源池是云计算数据中心建设的重要内容，是提供云端信息服务、数据存储与管理、数据共享与检索以及数据灾备的重要平台。采用光纤存储系统SAN架构，配置冗余高速背板带宽的光纤交换机，满足不同云计算用户的访问。设计要点：

1）具有高速缓存的SAS磁盘阵列控制器，支持多种RAID方式，具有在线动态调整LUN的容量、在线修改RAID级别等功能。

2）支持FC、NAS、iSCSI应用以及配置10Gb/s FCoE、8Gb/s FC光纤通道等端口。

3）支持固态硬盘（SSD）、高速硬盘（比如15000转）、高容量SATA硬盘

4）实现数据在不同LUN之间的动态、在线无中断数据迁移

5）具备定期增量备份（Incremental Backup）、全量备份（Full Backup）和差异备份（Differential Backup）等备份方式。

6）基本的硬件冗余，如缓存、处理器、适配器卡、电源及风扇等。

（3）桌面虚拟化设计

桌面虚拟化[4]是云客户端共享云数据中心资源的重要应用平台，是云数据中心根据用户业务需要，对大批量并发用户动态、统一或个性化下发桌面应用的手段，包括桌面操作系统、应用程序等应用，减少客户端预装系统，使用户云端设备成为瘦客户端（Thin Client），网管人员可以通过专业化管理工具如VMware vCenter实现对云平台上的客户端集中管理。设计要点包括：

1）可按用户不同业务，将一朵“大云”切分成多个逻辑“子云”，各“子云”在资源申请与分配、生成与交付等管理流程，可独立于上层“大云”系统门户，以增强服务支付的灵活性。

2）虚拟桌面系统能够支持多种前端协议，如HP RGS、PCOIP、RDP等。

3）支持内置企业级数据库功能，虚拟桌面无需再购买第三方的数据库管理系统

4）能够快速分发应用程序，并可以运行在PC、移动终端、云终端等不同操作系统平台上，能够转换成EXE或MSI格式，方便用户个性化应用和分发（如计算机机房内部）。

2、 统一交换网络设计

随着10GB以太网应用的普及，基于FCoE和无损10GB以太网技术已经在云计算数据中心建设中被采用，为实现将SAN存储数据流、计算数据流和普通交换数据流整合到一个统一网络交换平台提供了较充裕的带宽，既降低了网络建设的复杂度与投资，又能满足大量云客户端对高带宽、低延迟、安全性和可靠性的需求。核心交换机和存储交换机SAN应配置足够的10GB网络端口，用于与计算资源池中的服务器、存储资源池中控制器、连接，并具备跨机箱10GB智能堆叠、支持FCoE协议等。

3、统一管理系统设计

虚拟化数据中心IT资源庞大，为了便于资源管理、动态调配，需要一套功能强大的云管理工具平台，实现对数据中心的计算资源池、网络资源池、存储资源池的统一管理、优化和协调，并具备虚拟桌面分发、资源运行监控、安全策略配置及资源优化等功能，从而提高对云计算数据中心运行管理的自动化和智能化。

4、 安全策略

传统安全措施仍需要在云计算中心进行强化，包括防火墙安全策略、入侵防御系统IPS、VPN隧道技术、防病毒软件、数据灾备、接入认证等措施，保障前端网络的接入安全。但在虚拟化运行平台上，由于大量虚拟化系统的应用以及大量云端用户开放性地接入数据中心，这就对网络安全提出了更高的要求，因此，数据中心安全方案可以选择基于虚拟化技术平台的深度安全管理软件，如趋势科技的Deep Security、VMware的VMware vShield等，保障后端虚拟化系统和各种资源池的运行安全。

五、结语

以往校园数据中心建设、业务扩展等都需要重新进行大量软硬件的采购预算，即使是一个业务量也要走一遍从申报计划、制定标书、招投标、采购等一系列建设流程，大量这类“单个业务”占据了不少软硬件资源，利用率低下，运行成本和管理成本高。

因此，采用虚拟化和云计算技术，只需在原有系统上添加一套虚拟计算和服务即可。譬如，过去每年都要投入大量人力、物力、时间等规划建设计算机实训室或升级原有计算机实训室的运行平台，如今，利用云计算数据中心，采用SaaS或PaaS模式，二级学院随时可以构建教学实训环境，并且随时得到最新应用系统，让各二级学院计算机相关实训室由“有型”变得“无型”、由固定变成可移动。

参 考 文 献

[1]孟凡立 徐明 张慰.基于云计算的高校数据中心设计与实现[J].现代教育技术.2012（3）99-103

[2]李丹 陈贵海 任丰原 蒋长林 徐明伟.数据中心网络的研究进展与趋势[J].计算机学报.2014（2） 259-274

[3]郭广军 贺江涛 黎梅 谢东.面向云计算的虚拟化应用集群部署研究[J].湖南人文科技学院学报.2014（2）123-128

[4]柏忠贤 崔纯 张建.高校云计算实验室虚拟化解决方案探究[J].软件导刊.2014（6）5-8