高校信息化建设中的虚拟化技术

时间：2023-11-15 理论教育版权反馈

【摘要】：［1］全校信息化建设得不到统一规划，各院、系各自开发独立的信息系统缺乏共享化、网络化，是导致信息孤岛的根本原因。（二）高校信息化建设中“硬”资源存在的问题所谓信息化建设是以网络和计算机以及其他现代化设施为主要标志的环境建设。［3］针对当前高校信息化存在的问题和提出的要求，本文从存储虚拟化和服务器虚拟化两个方面入手，阐述虚拟化技术在高校信息化建设中发挥的作用。

高校信息化建设中的虚拟化技术

张俊飞

（华南师范大学教育信息技术中心，510631，E-mail：545617812@qq.com）

摘　要：本文从存储虚拟化和服务器虚拟化两个方面出发，结合当前高校信息化建设中存在的一些问题，阐述了虚拟化技术在高校信息化建设中的作用。

关键词：信息化　虚拟化　技术

Virtualization Technology in the Construction of University Informatization

Zhang Junfei

（South China Nomal University，GuangZhou，510631，E-mail：545617812@qq.com）

Abstract：This article which contains the server virtualization and storage virtualization two aspects，combining the current situation existing in the construction of university informatization，explains the function of the virtualization in the construction of university informatization.

Key Words：informatization；virtualization；technology

随着科学技术的发展，信息技术和课程整合的不断加强，作为学习辅导者的教师，作为学习者的学生和作为教学管理的教务人员，越来越离不开网络，离不开Internet。教师利用教学硬件基础平台，校园网，搭建自己的教学环境，建设自己的学习资源，应用于教学；学生通过网络进行数字化学习，与老师在网上交互，提交作业；教学管理者通过网络实现数字化的办公。高校信息化可以说促进了当代中国的教学改革。然而，随着IT技术发展和高校信息化建设的不断深入，教学硬件设备的需求，维护和合理应用问题，教学资源迅速递增所带来的存储问题，逐渐的成为高校信息化建设中不可回避的难题。

一、高校信息化建设中存在的几个问题

（一）高校信息化建设中“软”资源的信息孤岛

高校教育信息孤岛是指在高校建设教育信息化的过程中，没有形成统一的能够相互畅通无阻的交流和沟通，达到资源共享，而形成了各个高校各自为政的现象。^［1］全校信息化建设得不到统一规划，各院、系各自开发独立的信息系统缺乏共享化、网络化，是导致信息孤岛的根本原因。

（二）高校信息化建设中“硬”资源存在的问题

所谓信息化建设是以网络和计算机以及其他现代化设施为主要标志的环境建设。^［2］在信息技术飞速发展的时代里，硬件设备的淘汰周期非常快。高校多次采购的硬件设备之间的兼容性问题逐渐的凸显出来；大量的服务器建设，导致服务器的CPU长期处于百分之十几左右，内存，硬盘也是较低效的利用率；硬件平台的故障，导致应用服务的中止，“硬”资源缺乏高可用性。

与服务器配套的存储设备，在目前高校中绝大多数采用直连式的架构。这就导致了信息化资源存储的分散，利用率低，扩容性难且异构化严重，不利于管理。当然，这种存储方式，也是导致“信息孤岛”的原因。

二、信息化时代，高校信息化建设提出的要求

总结以上提出在高校信息化建设中的问题，我们仍从“软、硬”资源的两方面，提出高校信息化建设的要求。

1.“软”资源建设的共享性。“软”资源的共享，首先是消除资源重建的浪费现象，从而对“硬”资源量的要求方面也相对减少。另外也提高了“软”资源的利用率。使用群体，会比较集中的访问被共享的“软”资源，相对“硬”资源的利用率也会有所提高。

2.共享“软”资源的要求，必然要改变其存储方式；要提出对异构化存储设备，合理管理的方法；“软”资源的快速增加，要求存储设备能够实现动态扩容，而又不影响使用者的使用。

3.大量采购的服务器，我们必须解决其兼容性问题。庞大的服务器群的合理管理，达到利用率为最大。当服务器遇到故障需要宕机维护时，我们要保证服务器上的服务能够正常的运行，提高其高可用性。

三、高校信息化建设中的虚拟化技术

虚拟化技术可以看作所有将不同的资源和逻辑单元剥离，形成松耦合关系的技术集合。^［3］针对当前高校信息化存在的问题和提出的要求，本文从存储虚拟化和服务器虚拟化两个方面入手，阐述虚拟化技术在高校信息化建设中发挥的作用。

（一）虚拟化技术在高校资源存储中的应用

使用存储虚拟化技术，将高校信息化基础设施中的所有存储资源整合为一个大的存储系统，通过统一存取数据和管理存储空间对外以透明的方式提供存储服务，应用系统不必关心数据存储的位置，而仅仅关心存储空间的分配。^［4］虚拟存储技术把存储资源放到了可被最可靠地访问，并被有效管理的网络中，使得信息化资源共享。本文主要从两种主要的技术阐述资源的网络化共享：NAS和SAN。

1.NAS存储系统，网络附加存储设备（Network Attached Storage，NAS），通常被理解为具有自己的文件系统的专用文件服务器。NAS支持多种协议（如NFS、CIFS、FTP、HTTP等），而且能够支持各种操作系统，连接到诸如以太网这样的现有网络上，提供基于文件的存储服务。客户端可以通过目录连接或驱动器映射与NAS服务器上的存储资源建立虚拟连接，通过NAS系统和存储设备交互数据。

NAS最明显的特点是分离网络设备中的应用服务器功能和存储功能。这种分离的显著效果是降低了对应用服务器的性能要求。另外NAS还具有如下功能：

·即插即用

NAS设备支持多计算机平台，通过网络支持协议可以进入相同的文档，因而NAS设备无需改造，只需安装其他网络文件系统后，可以支持其他操作系统中程序的文件请求。

·放置灵活

放在网络上任何地方，通过物理连接与网络连接。NAS设备允许在网络上存取数据，这样既可以减少服务器的负荷，也能显著改善网络的性能。

·相对独立

独立与服务器，即使服务器不再正常工作，仍然可以从NAS中读取数据，减少了服务器CPU的开销，也能显著改善网络的性能。

可扩充性

NAS在应用服务器在应用服务器需要增加存储空间时，可以很容易的在线增加设备，不停止应用服务器的运行。

在高校信息化建设中，就可以根据需要采用这种NAS架构存储。FTP、VOD等业务系统可以采用NAS架构存储，采用NFS、HTTP、CIFS等文件共享协议，简单易用，共享方便，也适合于多个业务系统访问共享资源的情况。

2.存储区域网络（SAN）是一种专用网络，可以把一个或多个系统连接到存储设备和子系统，SAN可以被看作是负责存储传输的“后端”网络，而“前端”网络（或称数据网络）负责正常的TCP/IP传输。^［5］在SAN中，文件系统位于应用服务器上。应用程序可以对文件进行操作，也可以直接操作存储块。对文件进行操作时，应用服务器把对文件的操作映射成对磁盘块的操作，再把对磁盘块的操作通过SAN执行，最终是附接到SAN的存储设备完成对存储块的操作。

图1　NAS架构

图2　SAN架构

SAN作为以网络为中心的存储架构，凭借自己拥有的功能，可以解决目前信息化资源存储面临的难题。其功能如下：

·设备整合

多台服务器可以通过存储网络同时访问后端存储系统，不必为每台服务器单独购买存储设备，降低存储设备异构化程度，减轻维护工作量，降低维护费用。

·数据集中

不同应用和服务器上的数据实现了物理上的集中，空间调整和数据复制等工作可以在一台设备上完成，大大提高了存储资源利用率。

·高扩展性

存储网络架构使服务器可以方便地接入现有SAN环境，较好地适应应用变化的需求。用户可以自由增加磁盘阵列、磁带库和服务器等设备，使整个系统的存储空间和处理能力可以按客户需求不断扩大。

·总体拥有成本（TCO）低

存储设备的整合和数据集中管理，大大降低了重复投资率和长期管理维护成本。

更高的链接速度和处理能力。

在NAS系统中，通过传统网络访问NAS，而SAN采用了专门的网络。连接网络的传输介质有：光线和双绞线。需要较高传输速率的存储系统，可以采用FC SAN架构来存储。对于一般的业务系统，可以采用IP SAN架构访问统一整合之后的存储环境。

（二）虚拟化技术在高校教学硬件基础平台上的应用

服务器虚拟化（Server Virtualization）是指多个操作系统在同一时间运行在同一台主机上。通过这种技术，在一台机器上可以支持Linux、Windows、UNIX等操作系统同时运行，而不需要重启机器以切换操作系统。^［6］

1.X86平台的服务器3种虚拟化技术

·全硬件仿真虚拟化技术

最本质的特点是：虚拟化管理器将所有的真实硬件设备以软件形式仿真出来，在客户操作系统看来，仿真出来的硬件无异于真实硬件，即虚拟化管理器采用仿真的手段，骗过了作为客户操作系统的标准操作系统，使其认为安装在真实的硬件设备之上。^［7］VMM需要采用“动态指令重写”技术捕获这些来自虚拟机中客户操作系统的专有指令，并作相应的处理。

·半虚拟化技术

也是基于硬件仿真的，但不同的是半虚拟化技术不是采用“动态指令重写”技术捕获这些来自虚拟机中客户操作系统的专有指令来避免“虚拟漏洞”，而是通过写该客户操作系统（guest OS）与体系相关的那部分内核模式，将虚拟机上的客户操作系统发出的专有指令重定向到虚拟化管理器（VMM）上。目的是让客户操作系统知道它不是安装在硬件上，而是安装在虚拟管理器上。这样，可以避免“动态指令重写”带来的性能损耗，得到一个更高效的虚拟化平台。

X86CPU厂商，分别针对这一技术在各自的CPU芯片内添加一层虚拟管理层，如Intel VT和AMD V等技术来支持虚拟化，专门用于处理虚拟操作系统发出的专有指令。因此如果安装在内嵌Intel VT和AMD V的CPU机器上，客户操作系统则无需修改内核。

·操作系统级虚拟化技术

又称为内核级虚拟化技术（kernal-level virtualization），是一种有别于硬件仿真的虚拟化技术。“操作系统级”采用的不是虚拟化硬件的技术思路，而是利用宿主操作系统的内核，通过开辟独享文件系统（proprietary file system）和内核服务抽象层（kernel service abstraction layer）创建多个虚拟环境（virtual environment，ve），每个虚拟环境对用户来讲就相当于一个虚拟的客户操作系统。

因为不能“全硬件仿真”虚拟化技术和“半虚拟化”技术那样仿真出虚拟硬件，所以没有讲“操作系统级”虚拟化系统成为虚拟机，而是称为虚拟环境。每个虚拟环境上运行的系统被称为“虚拟专有服务器”（virtual private servers，vps）。

“操作系统级”虚拟化技术在设计方面省去了最复杂的硬件仿真和资源管理调度，并将这些工作统统交给了宿主操作系统，直接利用其内核，创建了一个安全、隔离的容器（container）来虚拟出一个客户操作系统环境。

由于省去的开销恰恰是产生开销最大的部分，所以，这种虚拟化技术性能损耗极小，甚至超过了“半虚拟化”技术。但是，该虚拟化技术也存在以下缺点：受内核限制，虚拟环境所用操作系统必须与宿主操作系统的内核保持一致；同样受内核的限制，宿主系统升级时，必须采用该产品配套开发的升级包；由于是基于统一内核，各虚拟环境（VE）间的隔离强度弱于全硬件仿真和半虚拟化。隔离强度弱，在一个虚拟专用的服务器上就可以看到其他虚拟专用服务器上运行的进程，虚拟专用服务器运行进程的保密性就得不到保障。

2.服务器虚拟化的价值分析

分析服务器虚拟化的价值，本文从TCO和QOS两方面来分析。

·总体拥有成本（TCO）

服务器虚拟化，提高了每台服务器的利用率，减少了物理服务器数量，服务器群的能耗、散热用电均大幅度减少。虚拟化技术通过服务器整合，对不同品牌，新旧不一的服务器采取统一管理，提高了服务器群管理效率。

·服务质量（QOS）

服务器虚拟化由于虚拟系统的硬件平台无关性，将大大提高了业务系统的服务可用性；实现了虚拟机的动态可迁移性，脱离了底层的硬件平台限制。实现了负载均衡，达到服务器的高效率工作效果。

四、华南师范大学信息化多应用虚拟支撑平台案例

（一）存储虚拟化的解决方案

一套信核存储虚拟管理控制平台和两台HP IPSAN存储系统；通过一台千兆交换机连接，构成存储IP-SAN结构，结合信核存储管理软件OSNSolution来实现存储虚拟化统一管理。