數字化校園服務器 虛擬化技術整合
1 引言
上海公安高等?？茖W校在成功申辦國家示范高職院校后，各方面的工作已全面展開，數字化、信息化建設更是成為學校進一步發展的動力，是學校發展的當務之急。隨著應用軟件新平臺的不斷推出，而作為硬件平臺的基礎服務器等需求量、維護量迅速增加，原來管理模式已跟不上要求，服務器的整合迫在眉睫。
2 當前服務器硬件平臺現狀和面臨的問題
隨著業務的發展，上海公安高等專科學校應用軟件的開發迅速發展。在短短幾年中，應用于教學和管理的系統就超過30個，服務器數量超過39臺，磁盤陣列5臺，總臺數達44臺?？偞鎯θ萘考s15T。由于受操作系統版本不同、軟件開發平臺不同、應用不同、不同公司開發、相互之間協調、兼容等因素制約，新增加的應用系統都需要單獨配置服務器，使得服務器數量直線增加。
(1) 網絡學院服務器共6臺。其中Web服務器3臺，數據庫服務器2臺，視頻服務器1 臺，磁盤陣列1臺。
(2) 遠程教育服務器 5臺。其中視頻服務器1臺，Web服務器2臺，數據庫服務器2臺，磁盤陣列1臺。
(3) 學校數字圖書館8臺。其中視頻服務器2臺，圖書借閱系統1臺，Web服務器1臺，期刊索引1臺，電子圖書1臺，知網數據庫1臺，軟件下載1臺，磁盤陣列2臺。
(4) OA系統 3臺。其中舊版和新版OA各一臺，數據庫服務器1臺。
(5) 瑞星網絡版殺毒中心2臺。
(6) 開發中的OA系統3臺。其中域服務器2臺、DNS服務器 1臺。
(7) 學校網站、郵件服務器(含FTP)各1臺。
(8) 心理驛站、團委網站、辦公室檔案管理系統、學員問卷調查系統各1臺。
(9) 學校各部門網頁2臺。
(10) 學校門禁前置2臺、水控前置2臺、一卡通2臺、消費前置1臺，磁盤陣列1臺。
(11) 網管系統2臺。其中Opmanager和Netwin2000各1臺。
(12) 其他自行開發的各種應用系統，如排課系統、培訓一部學員管理系統、車輛管理系統、設備借用管理系統、網上報修系統、學員直通車、問卷調查系統、多媒體查詢系統、答疑熱線、教研園地、網上工作日志、值班工作日志等軟件開發平臺不同，分別安裝在其他不同的服務器中。
可見39臺服務器的應用分布和存儲相當分散。
面臨的問題：
1.服務器的利用率低。現在機房內運行的大部分機器的利用率都非常低，由于一臺服務器只能有一個操作系統，受系統和軟件開發平臺的限制，CPU、內存、硬盤空間的資源利用率不超過15%，大量的系統資源被閑置。
2.可管理性差。首先是可用性低， 除個別系統做了服務器集群外，幾乎每個應用服務器都是單機，如果哪臺服務器出現故障，相對應的業務也將中斷。其次是系統維護、升級和擴容時需要停機進行，也將造成應用中斷，其中包括學校的一些重要業務系統，一旦中斷服務影響很大。
3.兼容性差。系統和應用遷移到其他服務器，需要和舊系統兼容的系統。新的軟件包括操作系統和應用軟件無法運行在老的硬件平臺，而老的代碼有時候也很難移植到新的硬件平臺上。例如：學校門戶網站，以ASP為開發平臺，安裝在Windows 2000 Server操作系統上，幾年下來，開發了許多應用，最新的一些應用又以ASP高版本、JSP、JAVA等為開發平臺，安裝在Windows 2003 Server操作系統上，不僅互不兼容，而且還由幾家公司分別開發。為節省時間、物力和保持網站持續的服務，只能用增加服務器方法來解決。
4.服務器和存儲購置成本高，維護成本遞增，也不得不考慮。隨著服務器數量增加，每年要支出高額購置費用不說，還有一半服務器已經過三年保修期，部件逐漸進入老化期，維護、維修預算費用也逐年增加。
3 虛擬化技術引入
針對上面我們碰到的各種問題，經過分析和調研，我們認為目前學校的服務器平臺前期建設已經投入了大量的人力、財力，既要充分利用現有的服務器等資源，又要考慮到系統整合后的可擴展性，適合未來技術發展的趨勢，以此來實現對服務器的(包括應用程序平臺)整合。要解決好以上四個方面面臨的問題，采用虛擬化技術整合是一條捷徑。
3.1虛擬化發展史
虛擬化的概念在20 世紀 60 年代首次出現，利用它可以對屬于稀有而昂貴資源的大型機硬件進行分區。隨著時間的推移，微型計算機和 PC 可提供更有效、更經濟的方法來分配處理能力。因此到 20 世紀 80 年代，虛擬技術已廣泛使用。到了 20 世紀 90 年代，研究人員開始探索如何利用虛擬化技術解決與廉價硬件激增相關的一些問題，例如，利用率不足、管理成本不斷攀升和服務器易受攻擊等。現在，虛擬化技術處于時代前沿，可以幫助企業升級和管理他們在世界各地的 IT 基礎架構并確保其安全性。
3.2服務器虛擬化概念
虛擬化是指計算元件在虛擬的基礎上而不是真實的基礎上運行。虛擬化技術可以擴大硬件的容量，簡化軟件的重新配置過程。CPU的虛擬化技術可以單CPU模擬多CPU并行，允許一個平臺同時運行多個操作系統，并且應用程序都可以在相互獨立的空間內運行而互不影響，從而顯著提高計算機的工作效率。
簡單的說，服務器的虛擬化是指把服務器的硬件資源虛擬化成資源池(如CPU、內存等)，以虛擬機的形式對外提供應用的運行平臺。
進一步說，虛擬化對傳統的實體機而言，有三個方面突破了傳統的模式：
第一，它是一個抽象層，它將物理硬件與操作系統分開，從而提供更高的 IT 資源利用率和靈活性。
第二，虛擬化允許具有不同操作系統的多個虛擬機在同一實體機上獨立并行運行。每個虛擬機都有自己的一套虛擬硬件(例如 RAM、CPU、網卡等)，可以在這些硬件中加載操作系統和應用程序。無論實際采用了什么物理硬件組件，操作系統都將它們視為一組一致標準化的硬件。
第三，虛擬機封裝在文件中，因此可以快速對其進行保存、復制和部署。可在幾秒鐘內將整個系統(完全配置的應用程序、操作系統、BIOS 和虛擬硬件)從一臺物理服務器移至另一臺物理服務器，以實現零停機維護和連續的工作負載整合。
3.3虛擬化的好處
從分區意義來看：在一個物理系統中可以支持多個應用程序和操作系統，可在擴展或擴張體系結構中將服務器整合到虛擬機中， 計算資源被視為以可控方式分配給虛擬機的統一池。
從隔離性來看：虛擬機與主機和其他虛擬機完全隔離。如果一個虛擬機崩潰，所有其他虛擬機不會受到影響，虛擬機之間不會泄露數據，而且應用程序只能通過配置的網絡連接進行通信。
從封裝意義來看：完整的虛擬機環境保存為單個文件；便于進行備份、移動和復制，為應用程序提供標準化的虛擬硬件，可保證其兼容性。
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3.4虛擬化的價值
虛擬化技術正在轉變 IT 行業的狀況，它使各個組織能夠動態地改善 IT 基礎架構的性能和效率。讓虛擬機在組織中發揮重大作用，每個虛擬機作為一小組文件存在，這些文件模擬整個硬件平臺，包括 CPU、RAM 和網絡端口。這種強有力的技術打破了“一臺服務器一個應用程序”的傳統體制，概括起來其優勢表現為：提高服務器的利用率，實現服務器的高可用性，便于管理、易于維護。
3.5虛擬化的實現技術
目前市場上大都是以主流的VMware虛擬化軟件來實現服務器的虛擬化的，VMware虛擬化軟件中，有我們最熟悉的免費試用的VMware Server。如果對我校的服務器進行虛擬化整合，可采用VMware基礎架構虛擬化套件VI (指VMware Infrastructure 產品套件)，提供構建虛擬基礎結構所需的服務器虛擬化和管理軟件，包括了：VMware Distributed Resource Scheduler (簡稱DRS) VMware DRS, VMotion VMware High Applicability (簡稱HA)等。
所有的高級功能都可以通過VMware的一個統一控制臺來進行管理，這個控制臺我們稱為Virtual Center服務器為 IT 環境提供了集中化管理、操作自動化、資源優化和高可用性。另外，為了實現高級功能還必須配置一個統一的存儲系統，該存儲系統可以基于IP SAN或 FC SAN，目的是基于虛擬化的分布式服務為數據中心提供集中管理。
4 虛擬化部署
下面看看我們如何用該套虛擬化軟件來初步實現服務器的整合，具體方法步驟如下：
第一步：虛擬化架構設計，如圖1所示。
圖1 虛擬化架構
第二步：部分服務器虛擬化部署，參見表。
第三步：虛擬化軟件選擇和安裝。
1.安裝ESX server 3.5(包括VMware HA, VMware DRS，Vmotion等)服務器虛擬集群基礎構架系統軟件。
2. 安裝Virtual Center2.5虛擬集群管理應用軟件，通過它來實現高級功能如VMware HA、VMware DRS、Vmotion 等。
3. 使用VMware Converter Enterprise 4將實體服務器遷移至虛擬集群的應用軟件。
4.使用VMware HA技術，確?；A架構不受多個故障源影響，起到的作用是:
(1) 保護不帶其他故障切換選項的應用程序，并使原本可能不被置于保護下的軟件應用程序也具有高可用性。
(2) 當檢測到操作系統故障時，通過自動重啟虛擬機來保護虛擬機免受故障的影響。
(3) 為整個 IT 基礎架構建立第一道堅固屏障。
5.通過使用 VMware Distributed Resource Scheduler (DRS) 動態分配和平衡計算資源，使IT 基礎架構與業務目標一致。VMware DRS 跨資源池不間斷地監控利用率，并根據反映業務需要和不斷變化的優先級的預定義規則，在多臺虛擬機之間智能地分配可用資源，VMware 分布式電源管理 (DPM)可不間斷地監控 DRS 群集中的資源需求和電力消耗。當群集所需的資源減少時，它會整合工作負載并將主機置于待機模式，從而減少電力消耗。當工作負載的資源需求增加時，DPM 會讓關閉的主機恢復為在線狀態，以確保符合服務級別，起到的作用是：
(1)提高所有應用程序的服務級別。VMware DRS 不間斷地平衡容量，這將確保每個虛擬機能在任何時間點訪問到相應資源。
(2)輕松部署新容量。通過在不中斷系統的情況下重新分發虛擬機，VMware DRS 將無縫利用添加到資源池的新服務器中的附加容量。
(3)自動執行計劃內的服務器維護。VMware DRS 可自動將所有虛擬機遷出物理服務器，以在零停機情況下啟用安排的服務器維護。
(4)大大提高了系統管理員的工作效率。允許系統管理員監控和有效管理更多的 IT 基礎架構。
(5)自動管理數據中心的能效。
6.通過使用 VMware VMotion實現虛擬機的靈活可靠的實時移動。
第四步：具體實施及注意問題：
1. 硬件準備
(1)三臺I/O性能方面強大，內存容量大的PC服務器，我們采用的型號為IBM_X3850，支持4路CPU高端服務器，配置2個4核英特爾至強處理器，32G內存，5塊 173G SAS 15K硬盤，RAID 5，用于安裝ESX Server3.5 虛擬機的操作系統，每臺實體機上可根據應用的大小，根據服務器配置，可重新安裝配置或從實體機中遷移8～13個客戶操作系統帶應用的平臺。
(2)一套DELL NX1950 IP SAN/NAS 存儲系統，容量6T，用于虛擬機的共享存儲。
(3)一臺普通的商用PC 機，用作客戶管理機。安裝Virtual Center2.5和ESX server 3.5的License，可在MS Windows界面下，管理虛擬機和客戶操作系統。
2. 將實體服務器遷移到虛擬機
(1)使用VMware Converter Enterprise 4軟件，可將實體機遷移到虛擬機，遷移成功后，在正式投入使用之前，讓它在虛擬機試運行一段時間，要對CPU、內存等負載情況進行嚴格的測試，必要時可調整CPU、內存和硬盤存儲空間，確保系統的可靠性與可用性。
(2)我們從負載最小的應用平臺做起，順序是：殺毒服務器、Web服務器、文件和郵件服務器、SQL Server服務器。例如：從實體機瑞星殺毒服務器開始，然后再遷移第二臺服務器，學校Web服務器，依次類推，直至全部遷移。在遷移過程中我們可以及時掌握虛擬機的壓力。同時在試運行階段我們暫時保留被遷移的實體機，一旦發生問題無法逆轉，可以再切換回去。
(3)實體機整體遷移時，在百兆網絡環境遷移時，每小時約傳輸10G數據 ，在千兆網絡遷移時每小時約傳輸40G數據。如果虛擬機和實體機之間直連用雙絞線連接遷移，每小時約傳輸80G數據，可以實現高速遷移。
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3.在實現ESX 的HA注意的問題
(1)只針對ESX服務器，而不能針對VM(虛擬機)，不能一個VM(虛擬機)出問題了，再換到另外ESX服務器上。
(2)所有VM(虛擬機)必須放到共享儲存上，以保證使用包括動態遷移等高級特性。
(3)假如有多臺ESX服務器，如果一臺ESX服務器出問題了，上面的VM (虛擬機)根據資源的使用情況，調整到另外幾臺ESX上的話，那么就要用到DRS功能。
4.避免誤區
不要為了虛擬化而進行虛擬化，要循序漸進，利用好原有的資源，要嚴格按照實體機的方式進行管理，不能讓虛擬機蔓延。
我們僅僅對學校應用壓力比較小的部分服務器應用系統平臺進行了虛擬化，為我們能遷移應用壓力較大的服務器提供了經驗。對一些應用系統壓力相對較大的應用平臺，例如：網絡學院(5臺服務器，1臺存儲，2T數據)和數字圖書館平臺(8臺服務器，2臺存儲 7T數據)，校遠程教育網站(4臺服務器，0.8T數據)因遷移工作量大、自動備份和容災要求高，應循序漸進，暫時利用好原有的資源來衡量，暫緩虛擬化。
5 應用效果
5.1大大降低硬件成本
通過服務器初步整合，我們將17臺服務器成功整合到4臺服務器、1臺PC機和1套IP SAN設備里，以期明顯地提高每個物理服務器及其CPU的資源利用率。對騰出的服務器可用作補充后期應用開發和服務器虛擬化，從而減少了物理服務器的擴充數量，大大地降低硬件成本。
5.2提高運維效率和服務水平
(1)由于虛擬構架可使虛擬機具有動態可遷移性，不需要像以前那樣，一遇到硬件故障或維護需要數天/周的變更管理準備和1 ～3小時維護時間，現在可以進行快速的維護和升級，不用擔心某臺服務器出現問題，會影響到整個應用平臺。
(2)現在學校應用開發速度加快，除了規劃應用平臺開發外，實際工作中，一遇到新的需求，開發小組馬上需要去開發應用，這時對新服務器應用進行部署和測試，可在虛擬機里進行，大大降低了服務器重建和應用加載時間，提高了管理和工作效率。
(3)由于將所有服務器作為大的資源統一進行管理，并按需進行資源調配，舊硬件和操作系統的投資得到了保護，也不再擔心舊系統的兼容性，維護和升級等一系列問題。
(4)為將來的集中網絡存儲提供可能
由于整合后物理服務器數量減少，對由于成本或者其他原因未整合的服務器群(公安在線學習平臺、遠程教育網站、數字圖書館)暫時沒有接入到存儲網絡( iSCSi和NAS)的服務器，以后可以考慮接入到存儲網絡, 這樣可以充分利用網絡存儲的優勢，將這些分散的數據集中管理備份，為這些服務器和應用，以及今后的容災奠定基礎。同時，通過虛擬機的特有功能和網絡存儲的有效結合， 提高了這些應用的可用性、移動性和靈活性。
6 結語
由于虛擬化技術已經成熟，隨著中文版VMware基礎架構虛擬化套件的出現，使用虛擬化技術已經不再神秘。近年來高校信息化建設再次投入時，也開始注意到虛擬化技術的使用價值，用來幫助升級和管理他們的 IT 基礎架構并提升其安全性。
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