虚拟化架构系统论文

虚拟化架构系统论文（共7篇）

虚拟化架构系统论文 篇1

0前言

云计算能够将计算任务分布在大量的资源池上,使各种应用系统能够通过网络根据需要获取计算力、存储空间和各种软件服务,已成为IT业的一个新的发展趋势[1]。虚拟化技术是云计算在基础设施服务层次上的核心技术,快速部署和资源调度都是建立在虚拟化技术之上的[2]。医疗云是在医疗护理领域采用现代计算技术,使用“云计算”的理念来构建医疗保健服务系统。这种医疗保健服务系统能有效地提高医疗保健的质量、控制成本、便捷访问医疗保健服务。本文通过查阅相关资料对临床信息系统架构的核心技术,即虚拟化技术进行了介绍,以期为医疗云的实现提供相关信息。

1 临床信息系统架构

广义上的临床信息系统包括医生工作站系统、护理信息系统、检验信息系统(LIS)、放射信息系统(RIS)、医学影像存储与传输系统(PACS)、临床路径(CP)管理系统[3]、办公自动化(OA)系统[4]、手术麻醉[4]、远程监护[4]以及电子病历(EMR)系统等。随着医院新应用系统地不断上线,医疗信息数据呈级数增长,原有的系统迫切需要扩容升级。但医院内在不同时期分批建成的HIS、PACS和EMR等系统使得这些数据处于分散存储状态,每个系统所采取的存储方式与存储介质也各不相同,且有些存储系统已经无法满足业务不断发展的需要。

上述系统应用规模的不断扩大,其在数据管理方面的问题日益凸显出来,主要表现为:容量不足,数据调用不便;系统结构相对落后,系统稳定性有待提高;分散存储的模式,严重影响数据资产的管理效率。

虚拟化技术的出现使得数据间的交换、传递等功能安全可靠地通过网络进行,为临床信息系统的不断完善提供了明确的方向。

2 虚拟化技术

2.1 服务器虚拟化[5]

服务器虚拟化就是将服务器物理资源抽象成逻辑资源,让一台服务器变成几台甚至上百台相互隔离的虚拟服务器,让CPU、内存、磁盘、I/O等硬件变成可以动态管理的“资源池”,不再受限于物理上的界限,从而提高资源的利用率、降低能耗[6]、简化系统管理、实现服务器整合,让IT对业务的变化更具适应力。

虚拟服务器的虚拟机文件保存在系统文件中,通过快速转移和复制可快速的完成灾难恢复[7]。因此,在容灾中心建立虚拟化服务器系统,有助于快速恢复业务系统、降减少系统恢复时间、降低容灾中心建设成本。

虚拟技术的VMotion (虚拟机动态迁移)[8]和高可用性集群系统(HA)[9]能够提供业务系统的安全运行级别和资源利用率。VMotion功能不仅大大减低了计划内及计划外的宕机时间,而且减少了系统恢复的时间;HA功能确保各节点合理有效地利用资源,提高应用程序的可用性和系统的整体性能。

虚拟化能极大降低医院信息中心服务器系统的结构复杂度,降低管理难度和运营成本,简化了管理并确保了业务的连续性。

2.2 存储虚拟化

存储虚拟化就是对存储硬件资源进行抽象化表现,其核心是虚拟存储结构[10],可将不同的物理存储设备(如RAID、JBOD、磁带库等)通过不同的接口协议(如SCSI、ISCSI、IFCP等)[11]整合成一个虚拟的存储池。存储虚拟化通过将一个(或多个)目标(Target)的服务或功能与其他附加的功能进行集成来提供全面的功能服务。虚拟化作用在一个或者多个实体上,而这些实体则是用来提供存储资源及服务的。

存储虚拟化的思想是将许多零散的存储资源(各种品牌的存储子系统)整合起来,将资源的逻辑映像与物理存储分开,在单一的控制界面动态地管理和分配存储资源。对于用户来说,虚拟化的存储资源就像是一个巨大的“存储池”(存储池可跨多个存储系统)[12],不必关心自己的数据经过哪一条路径,通往哪一个具体的存储设备。虚拟化技术能够帮助医院建立双活数据中心,确保医院业务系统实现真正的无中断业务系统连续性。双活存储虚拟化结构图,见图1。

2.3 网络虚拟化

最早的网络多虚一技术代表是交换机集群(Cluster)技术,多以盒式小交换机为主,将多台设备连接整合起来组成一个“联合设备”,虚拟整合成一个逻辑设备[13],该模式较为古老,当前数据中心里面已经很少见了。而新的技术则主要分为两个方向:控制平面虚拟化与数据平面虚拟化。

控制平面虚拟化带来的规模限制问题短时间内没有办法解决,那么能不能只做数据平面的虚拟化呢?于是出现了TRILL (TRansparent Interconnect of Lots of Links)和SPB(Shortest Path Bridging)技术。他们都是用L2 ISIS作为控制协议在所有设备上进行拓扑路径计算,转发的时候会对原始报文进行外层封装,以不同的目的Tag在TRILL/SPB区域内部进行转发。对外界来说,可以认为TRILL/SPB区域网络就是一个大的虚拟交换机,Ethernet报文从入口进去后,完整地从出口吐出来,内部转发过程对外是不可见且无意义的。

从数据中心当前发展来看,规模扩充是首位的,带宽增长也是不可动摇的,因此在网络多虚一方面,控制平面多虚一的各种技术除非能够突破控制层多机协调工作的技术枷锁,否则只能够在中小型数据中心里面使用,后期真正的大型云计算数据中心势必是属于TRILL/SPB等平面多虚一技术的天地。

2.4 桌面虚拟化

桌面虚拟化(又称桌面云化或云桌面)是指将计算机的桌面进行虚拟化,既保持了桌面使用的灵活性,也提高了业务灵敏性、安全性(所有数据存放于服务器端,防止敏感数据的泄露)[14];还运用系统镜像、模板、链接克隆等功能使桌面与应用的部署更灵活、快速、有弹性,桌面部署时间从天、小时级缩短到分钟级,实现了集中管理和维护,大大减轻了IT部门部署应用程序的负担和维护终端的压力。

很多桌面虚拟化均是一种基于云计算的模型,并且与服务器虚拟化结合,借用了各类终端接入云端,在提高自身管理能力的同时还提供类似非虚拟化环境下的用户体验[15]。客户端可以通过任何设备,在任何地点、任何时间访问在网络上的属于我们个人的桌面系统。桌面虚拟化结构图,见图2。

2.5 应用虚拟化

应用虚拟化可在数据中心对任何应用进行虚拟化、集中保存和管理,然后随时随地通过任何设备按需交付给用户;可将各种应用作为集中服务按需交付,实现了应用部署方式的革命性转变。应用虚拟化通过集中化应用和管理来降低应用管理成本,可将应用及时交付给任何地点的用户,并且能够帮助IT人员更加快速和准确地解决问题,利用集中化控制和安全访问增强安全性。移动医护工作站可以在移动终端上通过虚拟桌面实现所有医嘱及病历等医疗数据的提取,而不需要引进任何移动推车及移动查房等软件。

3 虚拟化技术在临床信息系统架构中的运用

通过对服务器虚拟化、网络虚拟化、存储虚拟化、桌面虚拟化的研究我院设计了双活的临床信息系统的系统架构,通过服务器的虚拟化保证两地的服务器异地的负载均衡和高可用性,通过网络的虚拟化使数据链路可以双向达到不同的存储池,通过桌面虚拟化使用户可以使用任何设备,在任何时间、任何地点进行办公,并保证数据的安全,真正达到了高可靠性、高安全性。

4 结束语

虚拟化技术的发展,改变了临床信息系统的整个战略架构,为医疗云的整个架构、医疗数据中心私有云建设、基础架构即服务(IAAS)[16]、软件即服务(SaaS)[16]和平台即服务(PaaS)[16]的实现打下了坚实的基础。未来还有更多的信息虚拟技术需要纳入到医疗云的整个架构建设当中,如云安全、云监控、数据中心联盟等,我们需要整体规划,一步步的去实现医疗云。

虚拟化架构系统论文 篇2

在计算领域，虚拟化是一个广义的术语，通常是指对于计算资源的一种抽象。通过虚拟化，可使计算资源复杂的实际物理特性对于应用程序或终端用户加以隐藏[1]。这种过程既可以让单一的物理资源 (如一台服务器，一个存储设备或一个操作系统) 表现为多个可用的虚拟资源，也可以让多个物理资源 (如多台服务器或多个存储设备) 表现为单一的可用虚拟资源[2]，甚至可以将多个物理资源加以整合并分化出多个可用的虚拟资源。

VMware Workstation[3]是一款传统的基于主机操作系统架构的虚拟机，并将虚拟机管理器运行于高特权级以使用特权级指令。这类虚拟机一般是针对特定的平台架构设计的，可以使同一平台架构下的各种操作系统如同应用程序那样高效地运行在同一主机操作系统之上。但是，这种应用模型也有一个非常严重的缺陷—主机操作系统，作为一切的基础，会占用一定的系统资源并大大增加系统达到可信计算所需要验证的代码量。

由于像英特尔这样的硬件制造商开发出了新一代的硬件虚拟化技术，如今像Xen[4]这样的虚拟机管理层已经可以以极小的虚拟化开销支持未经修改的操作系统的高效运行。基于管理层架构的虚拟机所面临的问题是管理层所提供的抽象往往过于粗粒度以至于很难对细小的软件组件进行有效地描述。而对于运行在特权级的虚拟机管理逻辑部分——超级虚拟机 (Super VM) 也是这样。它往往运行在一个商业操作系统软件之上以提供对各虚拟机的管理服务。而一旦发生错误，则将很有可能因此波及到别的虚拟机[5]。

拥有微内核架构的操作系统被设计用以构成一个可自由裁减的系统并且易于保证其可信计算基础，系统所定义的操作系统和用户态应用程序之间的接口与硬件平台的接口很相近，这样既保证了操作系统的功能性，又避免了操作系统的代码过于冗长，十分适合用以构建一个良好的虚拟机环境。有些人使用像L4Linux[6]这样经过修改的客户操作系统使其运行在高效的微内核之上。但是此类修改很难被应用到所有的商业操作系统上致使其应用范围受到严格的限制。

据此，一种颇为可行的方法是有效地利用微内核操作系统的特点，将基于主机操作系统架构的虚拟化和基于管理层的虚拟化融合到一起，结合特权指令部分和一个用户态虚拟机管理器来克服彼此的缺陷。如此，加之利用像L4这样高性能的微内核操作系统，我们可以最终获得在效率，功能性和安全性三方面取得均衡的虚拟机环境。

基于微内核架构的虚拟化技术

本架构 (图2) 设计中，我们将主要针对特定的平台架构 (即英特尔x86架构) ，以L4微内核系统作为基础，利用硬件虚拟化技术的支持以构建高效、安全的虚拟机。

不同于一般的虚拟机，我们将系统划分为两个部分：一个必要的拥有特权指令权限的内核态虚拟机描述部分以运行指令和请求资源，和一个用户态的虚拟机资源控制单元以处理各类事件并实现管理。

内核态虚拟机的抽象将主要要通过两方面完成：一，以L4任务机制为基础，利用其地址空间的控制功能以提供必要的隔离性;二，对线程机制进行增强，形成特殊的虚拟C P U线程，用以模拟每个处理器。

除此之外，构建虚拟机还需要完善内存页表的访问，中断的处理以及文件系统。这些则需要通过内核态的虚拟机描述部分与用户态的虚拟机管理器协同完成。同时还需要利用用户态虚拟机管理器建立一系列的管理和调试接口。

虚拟化技术在嵌入式系统中的应用

基于微内核的虚拟机环境具有高可靠性，高灵活性以及实时性支持等特点，而随着虚拟化技术的不断发展，以及新体系架构的引入，嵌入式系统虚拟化的性能障碍也正被逐渐克服，使之可以在嵌入式系统中有着以下广泛的应用前景。

随着智能手机，移动互联网终端 (MID) 等一系列概念的推出与发展，嵌入式系统正逐渐超越个人计算机成为主流的个人信息交互终端，随之而来的则是对嵌入式系统的信息安全性能所提出的挑战。通过虚拟化，我们可以支持多个相互隔离的操作系统在嵌入式平台上的同时运行，把如电子商务等安全性要求较高的应用封装在一个高度隔离的客户操作系统当中，并开放另一个操作系统做为普通应用程序的运行环境，实现高度安全可靠的运行模式。

通过使用基于微内核架构的虚拟机，我们可以把嵌入式系统的硬件资源转化为各个不同的实时系统服务向上以虚拟设备的方式提供给虚拟机上运行的客户操作系统。借由这种方式，可以同时支持丰富的非实时和实时应用程序的同时运行并为非实时的应用程序与实时的系统功能之间提供一个良好而透明的交互接口。

通过使用虚拟机, 我们可以在嵌入式平台上得到一个兼容性较高的软件运行环境, 最大程度地使嵌入式系统在硬件上的特异性通过软件虚拟的方式变得透明化, 进一步使不同的嵌入式系统平台之间以及嵌入式平台和个人计算机之间能够实现软件运行的兼容。并且通过虚拟化, 我们还能实现诸如不同平台之间的程序迁移, 分布式运行, 故障恢复等复杂的功能。

通过引入网络互联和远程访问机制, 把各种远程的计算资源和设备资源借助虚拟化、本地化, 实现操作系统对于远程资源的透明访问, 大幅扩展嵌入式系统的系统功能, 使未来的嵌入式系统做为信息终端更加适应云到端—数据中心到信息终端的发展模式。

结语

本文总结了虚拟化技术近期的发展和所取得的成果, 分析了当前主流的虚拟机架构。笔者认为基于主机系统和虚拟机监视器的全虚拟化架构过于依赖宿主系统的系统服务, 导致基础代码的大量增加, 大大降低了系统的可靠性, 并且很大程度上受限于主机系统的系统架构。另一方面, 基于虚拟管理层的半虚拟化架构则缺乏稳健的系统构成, 仅对虚拟机提供了大粒度的抽象, 无法构建短小而精悍的系统。在此基础上, 我们提出一种新的虚拟机环境, 将两者的优点有机的结合起来, 整个虚拟机环境将被分成两部分:为环境提供可靠性, 安全性以及隔离度的虚拟机抽象;和提供资源管理和功能实现的用户态虚拟机管理程序。而这样的架构不仅具有高可靠性和灵活性, 而且由于其占用资源少并能提供实时性支持等特点在嵌入式系统领域拥有广泛的应用前景。

摘要：本文通过引入基于微内核架构的虚拟化技术, 提出一种新的虚拟机结构, 实现微内核虚拟机抽象和用户态虚拟机管理服务的有机结合。架构不仅具有高度的可靠性和灵活性并且能为虚拟机运行环境提供实时性支持, 使其在系统资源受限, 对实时性要求较高的嵌入式系统领域有着广泛的应用前景。

关键词：虚拟化,微内核,操作系统,L4,可靠性

参考文献

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[2] MANN, ANDI, The Pros and Cons of Virtualization, Business Trends Quarterly, Retrieved on 21 April 2008; Mann, Andi, Virtualization 101, Enterprise Management Associates (EMA) , Retrieved on 29 October 2007

[3] J.SUGERMAN, G.VENKITACHALAM, B.H.LIM.Virtualizing I/O devices on VMware workstat’ison hosted virtual machine monitor. In Proceedings of the General Track: 2002 USENIX Annual Technical Conference, pages 1～14, Berkeley, CA, USA, 2001.USENIX Association

[4] P. BARHAM, B. DRAGOVIC, K. Fraser, et al.Xen and the art of virtualization. In S’O0S3P: Proceedings of the nineteenth ACM symposium on Operating systems principles, pages 164～177, New York, NY, USA, 2003. ACM Press

[5] SEBASTIAN BIEMULLER: Hardware-Supported Virtualization for the L4 Microkernel, University at Karlsruhe, 29. September 2006

虚拟化架构系统论文 篇3

关键词：云资源,熵值法,时间序列,系统架构,容量评估

1 引言

云计算架构分为Iaa S、Paas、Saa S三个层次, 其中基础设施即服务 (Iaa S) 作为云计算架构的基础, 在云计算架构中发挥着至关重要的作用, 而虚拟化技术则是对Iaa S的最好支撑。近年来国内越来越多的大型企业都在进行本企业的云计算构建, 其中私有云是这些企业的首选。目前私有云的建设主要还是集中在资源虚拟化建设使用阶段, 由于私有云为企业或组织自建平台, 用于支持本企业或组织的运营和发展需求, 对于云平台资源的使用和业务特点各有不同。

在企业私有云的构建过程中, 对云资源的管理成为了企业首要解决的问题, 目前业界已有一系列的相关产品和应用, 如:VMWare v Sphere、微软的Hyper-V、Amazon EC2 等, 这些产品都不同程度的实现了对云资源的管理, 包括物理资源和虚拟资源。在云资源中, 虚拟资源将占很大的比例, 随着云计算的不断推广, 可能比例还会呈上升趋势。通过对这些虚拟化产品的研究, 其管理对象主要还是以虚拟机为主, 包括虚拟机的创建、收回, 虚拟机迁移、调度等功能, 实现资源的动态平衡, 提高资源利用率。

这些主流的虚拟化产品虽然已经实现了资源的调度和动态调配, 但是, 一方面这种调整是基于虚拟机迁移技术, 在不改变虚拟机配置的基础上实现;另一方面基于这种动态资源调整可能会对系统安全、稳定等方面产生影响。因此, 本文将提出一种结合业务系统架构, 建立一套基于主流虚拟机迁移技术的云资源容量评估模型, 对云资源容量进行动态评估, 基于评估结果来制定资源调整策略是一种比较安全的方案。

2 相关工作

目前, 还没有一种基于系统架构的合理、安全的资源动态调配评估方案, 相关研究有:VMWare v Sphere, 通过DRS+DPM技术, DRS用于动态调整主机负载, 自动将负载较重的的虚拟机通过VMotion迁移到负载较轻的主机上, 达到集群中主机资源的负载均衡。DPM会将群集层以及主机层容量和运行在群集中的虚拟机所需要的容量做比较。然后, DPM会根据比较的结果, 将负载较轻的虚拟机进行集中化, 释放闲置资源, 达到资源的有效利用。此方法是一种简单、高效的解决方案, 虽然解决了资源的动态调配, 但虚拟机的资源配置并未发生变化, 当业务系统的资源需求超过承载该系统的虚拟机资源时, 这种方式是无法满足的;同时没有结合业务系统特点, 对于资源的分配仍有很大的调整空间。

文献提出在整体资源受限条件下的多任务多资源同时调配的全局优化调配模式;文献采用远程缓存和虚拟机迁移两种技术进行虚拟资源动态调配;文献提出了一种基于熵优化和动态加权负载评估的多目标优化评估机制;文献提出了负载均衡模型框架, 对虚拟机负载情况和虚拟机集群负载情况进行量化评估, 实现了虚拟机集群负载的均衡和弹性的伸缩。

既有的文献多侧重于对虚拟机的静态或动态虚拟化资源调整, 来满足资源弹性伸缩的目的, 这种方式虽然实现了资源的动态调配, 但是太过于注重资源本身, 而忽略了每个应用系统之间的差异。对于应用系统而言, 其架构就决定了系统是否具备可扩展性的特征, 传统的紧耦合型系统架构大多只能支持系统的纵向扩展, 即通过调整资源配置来实现扩展;而目前流行的SOA松耦合型系统架构, 这种架构的特点是能够支持业务变化的灵活性, 在能够支持纵向扩展的基础上, 也能够支持系统的横向扩展, 即通过调整资源数量来满足系统对资源的需求。

因此, 本文对云资源调配策略的研究, 借鉴文献中对虚拟机集群的负载情况的量化评估方法, 对系统负载进行评估;通过时间序列方法, 预测下一个业务周期的变化情况, 结合SOA松耦合型系统架构, 针对应用系统特点制定安全、有效的资源调整策略。既实现了资源的有效利用、减少能源消耗, 也提高了资源调整的安全性、保障了用户服务质量 (Qo S) 。

3 基于系统架构的虚拟资源动态调配

本文研究的云资源动态调配是基于松耦合的SOA系统架构, 假设云资源池中的物理资源无限大。一方面, 随着业务系统的运行, 数据量的增加和业务的扩展, 原来申请的系统资源将逐渐不能满足系统的需求, 这种情况向系统并入新的资源来满足系统日益增长的需求;另一方面, 每个业务系统运行过程中都有其业务运行周期, 如:业务周期分为高、中、低。不同的业务周期对资源消耗也不尽相同, 这就需要根据业务周期的变化来判断需要增加资源还是释放资源。

基于此架构, 我们定义‘服务单元’的概念, 一个服务单元由一台或多台虚拟机构成, 并具备独立的服务能力。假设每台虚拟机的配置都相同。

3.1 基于熵值法的资源评估模型

3.1.1 资源评估指标

一般我们将CPU使用率、内存利用率、磁盘使用率、网络使用率作为负载数据指标, 这些指标都会对虚拟机的性能产生至关重要的影响。我们在此提出综合指标‘资源利用率’, 来代表某个虚拟机或服务单元以及应用系统的整体资源负载情况。

3.1.2 资源负载评估模型

根据业务系统逻辑构成层次, 将系统架构分为服务器层、服务单元层、系统层。系统资源负载评价采用自下而上的评价思路, 上层资源负载可通过判断下层负载获得;下层的变化最终影响和决定上层状态。系统资源负载评价过程如图1 所示。

(1) 服务单元资源负载评估。记衡量资源使用情况的指标有p项, 服务单元内有m个虚拟机, 系统虚拟机总数为n, 共采集了t个时刻的指标数据。

(1) 熵权法计算指标权重。

样本数据为当前时刻全部虚拟机的采集指标, 样本容量为n, 即样本包含n个虚拟机的指标数据, 指标数量为p。模型最终输入如下:

其中Xi为指标i的样本值, xij为第i个虚拟机第j个指标的取值。

不同指标的数量级和量纲可能有所不同, 需要进行标准化处理以消除数量级和量纲的影响。

对于越大越好的指标, 作如下转换:

对于越小越好的指标, 作如下转换:

为了便于理解, 记处理后的数据仍为xij。

计算第j项指标下第i个虚拟机占该指标的比重:

计算第j项指标的熵值:

其中k>0, ln为自然对数, ej>0, 式中常数k与样本容量n有关:

计算第j项指标的差异系数, 对于第j项指标, 指标值xij的差异越大, 对方案评价的作用越大, 熵值就越小, 则:gj越大指标越重要。

求各个指标的权数:

得到的指标权重向量记为W:

(2) 资源利用率评估。

记为第k个虚拟机第i个指标在时间点j的取值, 则虚拟机指标数据集合为:

Lk表示虚拟机k上指标的采集数据集合。

服务单元的数据集合为单元内所有虚拟机的数据集合, 记为:

不同的任务对资源的要求不同, 同时虚拟机的配置性能也可能不同, 因此引入权重因子, 记为虚拟机k的权重, 则虚拟机权重的集合可以表示为:

经过第一个步骤的计算, 得到指标权重向量如下:

定义虚拟机k在j时刻的负载, 并描述虚拟机实时的负载状态:

定义虚拟机k在指标i上的负载能力为表示虚拟机k在指标i的取值上限 (如:CPU使用率小于75% 正常, 则该值为75%) , 则指标i负载能力Ri为:

单元在时间点j时指标i的负载率为实际负载对负载能力的占比, 计算公式为:

其中

表示虚拟机在时刻j对资源i的实际使用率, 即实际负载。

最终可以得到服务单元在时刻j对资源的使用率为:

实际应用中, 资源使用情况是在一定区间内波动, 不可能总是达到资源100% 利用, 因此可以根据业务情况划定区间进行分级, 定义业务系统资源正常使用区间为[a, b], 其中b为上限, a为下限:S>b:过载;S ∈ [a, b]:正常;S<a:空闲。

(2) 业务系统资源负载评估。在该业务分析中, 各个单元中的服务器配置相同, 因此系统级资源利用率的整体情况用单元的平均使用率表示。

记单元数量为N, 单元h的使用率为Sh, 系统资源利用率记为Rate, 则:

Rate按区间分级:过载、正常、空闲。

[ 说明]:对于系统资源利用率Rate的分级, 可以根据用户实际需要定义一个范围值, 认为系统资源利用率在这个范围时, 系统资源使用最优。

3.2 基于时间序列的资源预测模型

要实现云资源的动态调整, 我们就必须了解什么时候调整。每个线上业务系统都有其业务运行周期, 有日频度、月频度, 也可能还有年频度, 系统业务平稳时, 不会出现大的波动, 只有当业务发生变化的时候, 才会出现大的波动, 因此, 调整的时间选择应该在上一个业务周期结束下一个业务周期到来之前进行调整, 这样才具有预先调整的意义, 否则事后调整可能可能已经对系统运行造成了严重影响。

根据大量历史数据, 应用差分自回归滑动平均预测模型 (时间序列) , 结合业务时间窗口, 预测下一个业务周期的数据, 掌握下一个业务周期数据的变化情况。

3.3 基于系统架构的容量评估模型

一个业务系统在运行过程中, 如果用户量超过系统的最大承载量时, 系统对资源的需求会增大, 系统的性能会降低, 甚至出现宕机的风险;同时系统的硬件资源负载超过一定范围后, 也会影响系统性能, 导致系统变慢或宕机。在此, 我们排除应用本身的性能、应用软件的性能以及系统接口相关性能等因素, 通过系统应用性能和系统资源性能两个方面来判定是否要进行资源调整。

首先, 建立系统应用性能基线和系统资源性能基线;其次, 通过预测模型预测系统应用性能指标和系统资源性能指标, 通过预测数据与基线数据的对比, 来确定是否需要进行资源调整;最后, 结合业务系统架构, 找到服务单元与系统应用性能指标和资源性能指标之间的关系, 结合业务周期预测结果, 得出具体的调整量。

3.3.1 建立性能性能基线

根据3.2 章节的时间序列模型构建系统应用性能基线和系统资源性能基线, 其中系统资源性能基线中的资源利用率指标由3.1 章节的基于熵值法的资源评估模型进行评估。

3.3.2 资源调整评估

判断一个系统是否资源过盛或闲置的判断依据如下: (1) 当预测的在线用户数或资源利用率有任何一个超过限制 (最大支持在线用户数或资源使用率) , 则都需要调整 (增加资源) 。 (2) 当预测的资源利用率低于标准资源利用率最小值时, 则需要进行调整 (资源释放) 。

将系统平均响应时间和系统资源利用率分别使用S和R表示, 将资源利用率的标准范围用[a, b] 表示。预测的下一个业务周期的在线用户数为U’, 预测的系统资源利用率为R’。

业务系统对资源的使用情况存在以下几种情况:

(1) 资源不足:使用性能测试方法中的负载测试和压力测试方法, 在系统平均响应时间和系统资源利用率在运行性能参数的范围内, 测试出系统支持的最大用户数, 我们用U表示。

根据判断依据, 当R’>R (b) 或U’>U时, 需要进行资源调整, 调整策略为:增加资源。

(2) 资源过盛:在系统平均响应时间在指定的范围内, 只要资源利用率小于标准最小值, 那么就需要考虑释放资源, 这时与在线用户数的多少无关。

根据判断依据, 当R’<R (a) 时, 需要进行资源调整, 调整策略为:释放资源。

(3) 资源满足:在线用户数和资源利用率都在标准值范围时, 则不进行调整。

根据判断依据, 当S<5 并且R’∈ [a, b] 时, 则不需要进行资源调整。

3.3.3 资源调整策略

N0:表示当前服务单元数量

Nt:表示未来t时刻服务单元数量

M:表示调整的服务单元数量

(1) 增加资源情况分析。

Umax:表示系统最大支持在线用户数或最大并发量

那么, 每个单元的服务能力我们用P表示:P=U/N

Ut:表示下一个业务周期在线用户数预测值或系统并发量预测值。

那么, 需要至少增加的单元数量为:

当M出现小数时, 考虑到我们调整的都是服务单元, 因此应该调整为整数, 向上取整。

(2) 释放资源情况分析。

Rmax:表示资源利用率上限

Rmin:表示资源利用率下限

M:表示调整的服务单元数量

Rt:表示下一个业务周期在系统资源利用率预测值

Mmax:最多需要释放的单元数量为:

Mmin:最少需要释放的单元数量为:

如果Mmax, Mmin出现小数, 同样采用取整, 因为此时是释放资源, 因此向下取整。

4 总结

云计算虚拟化技术为资源池中基础设施的管理带来极大的便利, 但与此同时也对资源管理者提出了新的挑战, 如何解决云计算服务的虚拟机动态部署与调度过程中的动态资源管理问题, 实现资源的负载均衡、提高资源利用率成为了需要研究的课题。本文提出了一种基于系统架构的虚拟资源动态评估模型, 通过该模型, 可对负载过高的虚拟资源进行迁移或补充, 对资源负载过低的资源进行释放, 实现负载均衡、提高了资源利用率、有效减少能耗的目的, 基于该模型制定资源调整策略是一种较为安全、可靠的解决方案。

参考文献

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小议桌面虚拟化基础架构 篇4

桌面虚拟化简称VDI (Virtual Desktop Infrastructure) , 是指将计算机的桌面进行虚拟化, 以达到桌面使用的安全性和灵活性。使用虚拟桌面基础架构时需要注意下面四点:1.在虚拟桌面基础架构中, 每个终端用户账户对应于一个属于自己的虚拟桌面。

2.当终端用户在虚拟桌面基础架构下注销时会弹出选择提醒框:是否保留您本次使用时所做出的所有修改 (诸如应用程序安装、设置修改、文件创建或修改等) ;或者下次登录时还原为原桌面状态?

3.在虚拟桌面基础架构下, 每个终端用户都是自己虚拟桌面的“管理员”, 终端用户可以在任何时间重启虚拟桌面, 而不会对其他同事的应用造成任何影响。

4.鉴于虚拟桌面基础架构下的一切操作都是建立在终端机和服务器之间的数据传输基础上, 所以对于在企业局域网外使用虚拟桌面的员工需要性能较为优良的互联网数据传输速度。

VDI可以以两种方式被传输到终端, 一是通过持续的连接, 所有处理过程都在数据中心进行, 只有输入和输出端口是由终端来接收;二是通过本地运行将一个虚拟桌面传输到终端, 与存储在数据中心的一个虚拟硬盘同步, 这通常被称为多级或者断开模式, 因此, 一台PC机拥有一个虚拟处理器是十分必要的。

集中管理桌面系统, 可以简化管理流程和维护系统的安全性, 消除对替换故障电源, 硬盘等组件的基础桌面系统的维护需求, 同时也相应降低了能源消耗。在某些情况下, 由于这些庞大的客户端系统和350瓦电源被去除, 用于给密集的办公空间制冷的费用也随之降低。但虚拟桌面系统基础架构也有一定的不足。在其他以服务器为基础的桌面系统计算解决方案中就发现了这些问题, 而且这些问题也同样波及到了虚拟桌面系统基础架构的部署。

对带宽的关注与服务器端桌面系统计算如影随形, 诸如为广域网连接中的桌面系统服务 (高延迟和低带宽) 。要想使VDI有效工作, 数据中心必须为客户端设备提供昂贵的高带宽和低延迟连接, 并且确保异地用户有类似的高质量宽带或者专用网络连接。

虚拟桌面系统基础架构所特有的最重要的是存储需求。需强调的是, 虚拟桌面系统基础架构在减少桌面系统软件管理需求方面一点不少, 因为每个虚拟机都是一个必须像其他任何桌面系统一样进行管理的资源池。这就意味着使用第三方工具来推进软件的更新和安装需要作出改变。

成本方面, 在开始执行任何虚拟桌面系统基础架构部署之前, 要计算瘦客户端的成本, 实施费用, 许可证授权和现有虚拟基础架构扩展的费用。业务灵活性正在缓慢地取代成本成为推动大多数企业采用桌面虚拟化的推动因素。据调查, 许多企业还不确定推动桌面虚拟化是不是简化流程的一种方法。一半以上的企业认为, 桌面虚拟化出现的管理难题与他们现有的物理PC的管理难题是一样的。随着更多的企业推动桌面虚拟化应用, 人们对于桌面虚拟化的兴趣也会增长。

虚拟桌面系统基础架构和Terminal Services Distinct是虚拟桌面系统基础架构和传统的微软终端服务解决方案之间的两大对决。他们都在单个服务器或者成组服务器上执行许多用户桌面系统任务, 他们都使用同样的协议来将这些服务交付给同样的瘦客户端。两者都会对集中型桌面系统管理工具产生影响, 但是相似之处也仅限于此。

在虚拟桌面系统基础架构配置中, 同样的服务器正在管理程序上运行而不是在整个操作系统上, 可以托管一定数量的桌面系统虚拟机。最终的影响是每种方法在同样的服务器上完成多个桌面系统任务, 但是这些任务的管理却又各不相同。

负载平衡是正确配置虚拟桌面系统基础架构解决方案的内在属性。如果一个或者多个桌面系统虚拟机正在使用某个托管系统上的重要资源, 这个系统上其他的虚拟机可以将闲置职员迁移到其他物理托管服务器上, 以确保所有的桌面系统有足够的资源供用户使用。在传统的Terminal Services境中, 这却是不可能的;一个繁重的用户任务会对同一个服务器上的其他任务产生负面影响而且没有任何自动的补救措施。

虚拟化架构系统论文 篇5

USB外部串行总线标准广泛应用于规范电脑与外部设备的连接和通讯,可以连接打印机、扫描仪、移动硬盘、外置光软驱等设备。在传统的架构中,USB移动存储设备可以通过操作系统内核进行管理。在虚拟化架构下,为了满足不同用户的计算需求,一个虚拟化平台上可能同时运行多个虚拟机,这些虚拟机共享同一个硬件平台,由虚拟机控制器进行统一管理。

虚拟化的本质是对物理设备的共享,平台上的多个虚拟机共享一套物理资源。虚拟化架构下的物理外设接口是属于整个平台的资源,不属于任何一个虚拟机。由于虚拟化平台缺乏相关机制来辨别USB设备所属虚拟机,因此当虚拟机用户将USB存储设备连接到平台时, 设备可能被没有使用权限的用户访问。

当前,还没有针对虚拟化平台下多虚拟机共存的特点而设计的USB存储设备访问控制系统。本文的主要工作是分析USB接口驱动系统和虚拟化平台的工作原理, 研究基于身份认证的虚拟化USB接口访问控制机制, 通过屏蔽非授权用户保护虚拟化平台中USB数据的安全。本文的组织结构如下:第2章对Linux系统下的USB驱动系统和虚拟机架构下的USB驱动系统进行分析;第3章提出了安全访问控制系统的模型和工作原理,介绍了设计思路及各模块的功能;第4章对全文工作进行总结。

2 USB 驱动系统

2.1 Linux 系统 USB 驱动

USB通用串行总线是最复杂的外部设备接口标准之一,提供了串行I/O,动态设备配置和通用设备连接, USB具有传输速度快 (USB1.1是12Mbps, USB2.0是480Mbps)、使用方便、支持热插拔、连接灵活、独立供电等特点,可以连接鼠标、打印机、扫描仪、移动硬盘、数码相机等几乎所有的外部设备。

Linux系统下的USB驱动系统由三个层次的驱动模块构成,如图1所示。

(1)USB功能驱动是针对具体设备的驱动, 根据不同USB设备的特点编写的,如USB存储介质驱动、USB人机交互设备驱动以及USB扫描驱动。当应用程序或者其他设备驱动向USB设备发出I/O请求时,USB功能驱动将这些I/O请求转换成一系列的USB命令,然后将它们以USB请求块URB(USB Request Block)的形式提交给USB核心驱动。

(2)USB核心驱动程序同时为上层的USB功能驱动和下层的USB主机控制器驱动提供了通用的接口, 其主要功能是动态地配置和管理USB设备, 当一个新的USB设备连接到系统总线时, 首先由核心驱动程序开始对设备进行枚举, 从而获取特定设备信息, 加载该设备相应的功能驱动。

(3)USB主机控制器驱动是用于控制USB主机控制器的驱动, 当USB主机控制器驱动从USB核心驱动接收到URB后 ,会将它们分割成更小的请求片,连接到不同的帧列表中, 然后交给主机控制器芯片完成具体的I/O事务。

2.2 虚拟化架构 USB 驱动

虚拟化架构下的USB驱动系统采用的是前后端分离的设备驱动模型。设备驱动分为前端和后端两部分,前端驱动位于用户虚拟机中,相当于虚拟的驱动程序,作为后端驱动的代理其主要功能是负责和后端驱动通信,不需要接触具体硬件细节。后端位于特权管理域中,是某种类型的USB设备驱动,如USB存储介质驱动、USB人机交互设备驱动以及USB扫描驱动等,主要负责操作物理主机控制器和设备。前后端驱动通过共享内存的方式进行通信。 系统的工作模式如图2所示。

前端驱动负责监听用户的USB请求, 并在虚拟机操作系统中建立一个虚拟的USB设备树。当收到用户的USB请求后, 前端驱动通过内存映射的方式将用户的USB请求发送到后端驱动, 后端驱动在接收到前端驱动的USB请求后, 创建URB并将URB传输给物理设备。后端驱动完成物理主机控制器和设备操作,并将物理设备分配到客户虚拟机的虚拟USB设备树中。USB请求执行完成之后, 后端驱动会将USB的执行的状态通过共享内存返回给前端驱动。客户虚拟机透明地操纵虚拟控制器,与操纵实际的主机控制器一样。

3 USB 访问控制系统

基于虚拟化平台USB驱动系统的特点, 本文设计了一种适应于虚拟化架构的USB设备访问控制系统, 用以解决虚拟化平台上USB存储设备的数据安全问题,保障USB存储设备在虚拟化平台上安全使用。

3.1 系统组成

访问控制系统的设计以虚拟化架构的USB驱动系统为基础, 以模块的形式集成在虚拟化架构的USB驱动系统中,系统组成如图3所示。

访问控制系统由访问接口模块、用户及设备信息管理模块、加密模块和USB接口管理模块四部分组成。

(1)访问接口模块是系统中其他模块的数据输入输出的接口,负责接收客户虚拟机设备连接程序发送的消息。

(2)用户及设备信息管理模块负责管理用户与设备之间的映射关系,其记录格式是:(虚拟机ID,设备ID, 密钥),虚拟机ID用于区分同一硬件平台上运行的多个虚拟机, 设备ID表示接入硬件平台的USB外部设备, 密钥与设备ID绑定, 作为虚拟机有权使用设备的唯一凭证。

(3)加密模块中含有一个随机密钥生成器 ,对有新的设备加入时,加密模块会设备生成一个随机密钥并与 设备ID绑定,作为设备信息的唯一标识。该密钥会返回给用户及设备信息管理模块存储,由用户及设备信息管理模块分配给授权使用的客户虚拟机,作为客户虚拟机中使用USB设备的凭证。

(4)USB接口管理模块的功能主要是 控制各个 虚拟机的 虚拟USB接口,它提供了一组虚拟USB主机控制器和接口操作函数,包括查询空闲接口,设备接入,设备断开,接口遍历,检查USB主机控制器状态等。

3.2 工作模式

访问控制系统位于虚拟机管理域中,具有最高特权级,负责对各虚拟机的设备访问权限进行管理。当有新的USB设备接入虚拟机平台时,虚拟机控制器用随机生成的密钥,对设备进行加密,密钥与设备ID绑定, 作为客户虚拟机有权使用设备的唯一凭证。被授权使用USB设备的客户虚拟机,被管理域分配与该设备绑定的密钥。图4演示了访问控制系统的工作模式,设备1接入虚拟机平台,管理域用随机生成的密钥6对设备进行加密,然后将密钥分配给授权使用该设备的客户虚拟机1,客户虚拟机1获得了解密密钥因此能够正常使用设备。

4 结束语

虚拟化架构系统论文 篇6

目前虚拟化技术在高校中的应用不断深入, 给高校的信息化建设带来深远的影响。作为虚拟化核心技术之一, 桌面虚拟化技术在高校中的应用也越来越广泛。

1 什么是桌面虚拟化

桌面虚拟化就是客户端只有一些硬件资源, 而软件系统由后台统一集中管理。简单点说, 用户通过终端的硬件, 可以通过网络随意调用后台的操作系统和应用软件, 使用起来和正常的PC电脑感受差不多, 但却更灵活、方便、便于维护。桌面虚拟化的核心思想就是集中管理。

2 为什么需要桌面虚拟化

2.1 高校信息化存在的一些问题

(1) 维护管理工作量大

一般规模的高校都会有数千台计算机客户端:教师工作用的计算机、学生网络机房、电子阅览室、多媒体教室的计算机等等, 这些计算机的维护工作量非常的大。比如学生网络机房的计算机经常会受到病毒、木马程序的侵害, 导致瘫痪。虽然多数网络机房的计算机都配有还原卡等设施, 但是这种防护很脆弱, 导致杀毒软件不能更新, 又经常因为攻击、破解而失效。学生经常因为好奇, 尝试使用一些黑客软件, 而破坏了电脑的软件系统。教师的个人电脑也很难维护, 很多老师的计算机知识很少, 使用已经颇为吃力, 一旦出现故障, 只能到处求人帮忙。

(2) 软件环境需求差异大

学生在网络机房上课, 因为课程的不同, 需要的环境也经常变化。比如有的课程需要Windows平台, 有的课程需要Linux平台, 应用软件更是要求的五花八门。在同一个机房想满足所有老师的课程要求几乎是不可能的。而因软件环境不同而建设很多的机房, 又会造成极大的浪费。

(3) 电脑稳定性要求高

因为在多媒体教室、网络机房的计算机都承担了大量的课程, 一旦计算机出现故障不能及时修复, 势必影响正常教学的进行, 浪费老师和学生的时间。所以很多上课的网络机房, 在课余因担心导致机器故障, 影响下次上课, 而不敢对学生开放自由上机, 造成很大的资源浪费。

2.2 虚拟化桌面主要功能

针对以上问题, 选择建设虚拟化桌面系统是一个很好的解决方案。

2.2.1 计算机故障解决容易、维护工作量减少

“借助于虚拟桌面, IT部门将所有的桌面管理收到了后端的数据中心, 足不出户即可对桌面镜像和相关的应用进行管理和维护, 而这种管理与维护对于前端用户来讲是透明的”。其实计算机常见的故障, 大部分是软件原因引起的。如果建设好虚拟化桌面平台, 可以重启电脑就能恢复各种操作系统, 教师的数据都放在后台存储, 有良好的存储机制和安全保障, 不用担心数据的安全。教师的工作电脑维护简便, 工作量大幅度降低。甚至教师可以在办公室维护自己的个性化桌面, 安装软件, 到任何一个多媒体教室上课时, 再启用自己的个性化桌面, 不用担心软件兼容、升级的问题。所以这套系统可以把教师从日益繁杂的计算机维护中解脱出来, 使他们把精力投入教学、备课当中去。

2.2.2 软件环境配置灵活

网络机房为满足不同课程、考试和培训的需求, 经常需要不同的软件环境, 如不同的操作系统, 不同的应用软件, 不同的语言环境。应用虚拟化桌面后, 我们可以做到不同的用户根据自己的需求获得不同的桌面环境或者个性化需求。而且使用后也不会影响下面用户接下来使用。用户也可以使用自己的账号, 调出自己的个性化界面和数据。这样极大提高了机房的利用率。

2.2.3 云计算功能

有的用户对需要高性能计算, 可以调用、整合所有的客户端资源完成该项任务。如果一所高校有几千台客户端电脑, 就可以完成较大型的科研计算。计算完成后, 可以释放占用的资源。

3 桌面虚拟化两种架构的比较

3.1 瘦客户端方式

“瘦客户端 (Thin-client) 是从提高系统资源利用率、降低信息系统总体成本、增强系统安全性等目的出发而提出的一种计算技术”。瘦客户端方式使用一些简单的输入、输出设备如键盘、鼠标、控制器、显示器一些设备取代原有的PC机, 计算和存储的任务主要在后台完成。这样做的好处是客户端价格便宜, 维护简便。可以随时分配硬件资源, 也可以及时回收。硬件发生故障, 只要用其他硬件做替换就可以。这种架构符合云计算未来的发展方向, 相信未来的客户端会越来越小巧、简捷, 只需要在客户端设备集成一个浏览器, 其余资源都可以通过网络来调取。

3.2 PC机方式客户端方式

原有的PC机可以保留使用, 不会造成浪费, 桌面运行速度较快, 目前更适合支持各类外界设备如投影仪等。后台服务器投入成本较低。遇到高性能计算之类的任务, 可以在同一时间启动多台电脑进行计算, 完成工作后又可以转回后面的工作, 教学环境中去。缺点是, 如果客户端品牌过于繁杂, 虚拟桌面需要装不同的驱动程序等。

4 虚拟化桌面存在的主要问题

4.1 对网络依赖性较高

高校一般都建成了运行速度很快德内网平台, 运行虚拟化桌面没有问题。但如果网络发生中断, 客户端无法访问后台, 将无法独立工作。而很多高校的校园网络因为设备、线路等原因都很难保证网络不中断。

4.2 前期投入费用较大

不同架构的虚拟桌面系统价格也不相同, 特别是瘦客户端方式前期需要投入较高的费用来建设后台的服务器、存储以及相关软件。总体来说, 会节省很多的购买客户端PC机的费用。

4.3 个人信息保护难度高

因为老师的数据也存储到后台, 虽然数据肯定会建设一套功能较强的安全保障系统, 但有些老师会担心数据是否会遭到人为泄密或黑客攻击。例如, 笔者所在的高校, 很多老师做实验得出数据都保存在从不连接网络的电脑里。在目前云计算大环境尚未成熟, 各种安全保障机制和管理制度尚有欠缺的情况下, 也难怪用户对后台存储不放心。

5 总结

笔者认为构建一套虚拟桌面系统, 可以减少电脑故障排查时间, 降低维护时间和人力成本, 灵活配置、安装各类桌面环境和应用软件, 提高老师工作效率和学生学习兴趣, 对于高校信息化建设和教学改革来说, 是很多积极的意义, 是未来发展的必然趋势。

摘要：在云计算时代, 虚拟化桌面是必然趋势。本文介绍了虚拟化桌面的相关技术。分析了虚拟化桌面应用于高校的益处并比较两种虚拟化方案的利弊。

关键词：桌面虚拟化,瘦客户端,云计算

参考文献

[1]张跃冬, 朱定局, 宋振华, 孙毓忠.高校行业网络安全及上网行为管理需求分析[J].计算机工程.2007.

虚拟化架构系统论文 篇7

慕课,英文名为MOOCs,是大规模开放在线课程[1]。与早期的在线教学不同,MOOCs完全模拟真实教学环境,包含了学习、交流、测试、反馈等全部环节。MOOCs为缺乏学习资源的学习者(如已工作学生,受地理位置限制无法接触优质教学资源的学生)提供了学习途径。

EdX[2]是麻省理工大学和哈佛大学在2012年联手创建的大规模开放在线慕课平台,它能免费给大众提供大学教育水平的在线课程,实现了大部分在线教学网站功能,包括用户管理、组织、课程设计、测试管理、评价管理、互动交流等。2013年7月,EdX公开了平台代码,项目名为OpenedX,现在已有63个来自全球各地的开发者参与这个项目,为其不断添加新的功能。OpenedX因其开源性和免费性得到了国内高校的青睐,OpenedX平台成为国内高校搭建慕课平台的首选。

1 OpenedX慕课平台面临的问题

OpenedX慕课平台是一种在线视频教学及互动平台,这类平台不可避免会遇到以下问题[3]:1并发性问题:大量用户的涌入造成平台服务器瞬时负载过大引起平台瘫痪问题;2投资成本过大:用户的增加需要更大的服务器和网络设备等硬件投入;3能耗过大:服务器硬件投资越来越大,造成功耗、能耗越来越大;4服务器资源分配不均:慕课平台由众多服务器集群组成,有的服务器负责慕课用户注册,有的负责慕课用户视频浏览和学习,有的负责在线讨论和评价,有的负责大数据的分析评价。众多服务器中有的只是在一天中的某个时段会出现使用高峰,其它时间不过10%的使用率,出现分配不均现象;5服务器容灾问题:由于建设时间和周期的原因,有些服务器服役期限超过了3年,逐渐进入老化淘汰更新期,设备故障频发容易造成慕课业务中断。如何避免感染病毒、操作系统崩溃等灾难故障,快速恢复慕课业务也是一个难题;6服务器虚拟化平台选择:当前主流服务器器虚拟化技术[4]有半虚拟化和全虚拟化两种架构,不同架构又有多种虚拟化平台。如何选择虚拟化架构及其对应的虚拟化平台成为服务器虚拟化关键。

针对以上问题,本文提出了基于虚拟化技术的OpenedX慕课平台架构,将其应用于OpenedX慕课平台搭建。

2 服务器虚拟化技术

虚拟化技术是当今热门技术之一,服务器虚拟化后能降低成本、提高资源利用率。目前,服务器虚拟化技术比较多,选择何种虚拟化技术成为OpenedX慕课平台搭建的关键。

服务器虚拟化技术核心为Hypervisor。Hypervisor是一种运行在物理服务器和操作系统之间的中间软件层,可将服务器虚拟化成多个不同的虚拟主机(Vitural Machine,简称为VM),每个VM可自由设定Vitural CPU数量、内存大小、硬盘存储大小,每个VM都是一个独立个体,可以安装不同的操作系统和软件,不会互相干涉,只是共享一套基础物理硬件。它可以协调访问服务器上所有物理设备和VM,也叫作虚拟机监视器(Virtual Machine Monitor)。根据Hypervisor系统所在位置不同,可分为半虚拟化技术[5]和全虚拟化技术[6]两种架构。

2.1 全虚拟化技术

全虚拟化Hypervisor(Virtualization Hypervisor)位于服务器操作系统之上,被服务器操作系统(Server OS)当作一种应用程序安装于操作系统中。Hypervisor由服务器操作系统分配服务器资源,再将分配到服务器资源分配给运行在其上的VM操作系统(VM OS)。全虚拟化平台主要有VMware Workstation、Microsoft Virtual PC、Sun VirtualBOX,见图1。

2.2 半虚拟化技术

半虚拟化Hypervisor(Para-Virtualization Hypervisor)直接位于服务器硬件之上,可直接控制服务器硬件,不需要事先安装服务器操作系统,性能比全虚拟化平台要好。半虚拟化平台主要有VMware vSphere、Citrix XenServer、Microsoft Hyper-V,见图2。

3 OpenedX平台架构

OpenedX平台由课程管理模块(content mangement system,CMS)、学习管理模块(LMS)和公共服务模块(common moudle)组成,含有60多个基本功能模块。OpenedX平台架构见图3。

本文采用Para-Virtualization Hypervisor技术作为OpenedX慕课平台的服务器虚拟化技术方案。为避免发生大量用户涌入造成服务器瘫痪问题,对OpenedX慕课平台架构实行分布式管理,即根据OpenedX平台模块不同,以及模块所需的数据库资源,划分为4大虚拟服务器集群:1课程管理模块虚拟服务器集群(CMS VMs);2学习管理模块虚拟服务器集群(LMS VMs);3通用模块虚拟服务器集群(CM VMs);4数据库虚拟服务器集群(Database VMs)。

基于Para-Virtualization Hypervisor的OpenedX慕课平台架构见图4。

4 平台架构实现

4.1 虚拟化平台选择

基于Para-Virtualization Hypervisor的OpenedX慕课平台架构关键在于半虚拟化平台实现。主流半虚拟化平台有VMware vSphere[7]、Citrix XenServer、Microsoft Hyper-V。根据Wikibon[8]2013年8月的调查,主流半虚拟化平台市场占有率见表1。

因此本文采用市场占有率最高的vSphere平台。vSphere管理核心是VMware vCenter Server,它是整个vSphere架构的核心控制台,实现对VMware VM进行集中式管理和配置,提供访问控制、性能监控和警报管理等数据中心服务。服务器、网络、存储为OpenedX平台虚拟化提供基础硬件架构所需要的数据计算、数据存储和数据网络等硬件条件。通过vCenter Server有效管理和调度VMware VM,集合不同硬件资源,形成统一的逻辑资源池,极大提高了服务器资源利用率。

VMware vCenter Server作为OpenedX平台管理和调度核心,OpenedX平台官方文档采用Ubuntu操作系统作为服务器操作系统用于平台搭建,虚拟主机操作系统(VM OS)也采用Ubuntu操作系统,平台搭建方案为vSphere平台+Ubuntu操作系统。

4.2 平台实现

实验硬件平台为IBM x3850X5,OpenedX慕课平台服务器架构如图5所示。OpenedX慕课虚拟化平台由VMware vCenter管理端、虚拟服务器集群(VMs)、用户端(包括vSphere客户端、Web浏览器、视频终端及其它终端)、FC交换网络(FC光纤交换机)、FC存储阵列(光纤存储阵列)组成。

vSphere客户端、Web浏览器、图形终端作为接入层的用户接入端,通过浏览器界面以及图形化界面连接到vCenter服务器进行管理,完成虚拟服务器的集中式管理和配置。

虚拟服务器群通过FC光纤交换机网络连接到共享存储FC阵列(光纤存储阵列),完成OpenedX慕课平台的私有云搭建。

通过vCenter Server将CPU、内存、网络、存储资源虚拟成一个个VM虚拟机,集合不同的硬件资源形成统一的逻辑资源池,同时运行OpenedX慕课平台注册、视频学习、课堂讨论、数据分析等应用,极大提高了资源利用率。

服务器服役期限超过3年会逐渐进入老化淘汰更新期,设备故障频发容易造成慕课服务中断。备用服务器在灾难恢复和容灾备份方面起着重要作用。为避免感染病毒、操作系统崩溃等灾难故障,快速恢复慕课业务,备用服务器通过VMware vSphere的HA功能(High Availability),将宕机造成影响的虚拟机马上在备用服务器上启动,FT(Fault Tolerance)功能立即激活,副本虚拟机立刻提供服务。

5 结语

慕课作为一种新型在线网络教学模式,受到越来越多的学习者欢迎。慕课平台建设过程中如何有效利用服务器的硬件资源变得越来越重要。在云计算环境下采用vSphere虚拟化平台完成OpenedX平台架构,并利用vSphere管理和调度虚拟服务器,将虚拟化和慕课建设相结合,极大整合了服务器资源,降低了能耗,提高了硬件资源利用率,实现了重要数据容灾备份,极大提高了OpenedX慕课平台运行的有效性、稳定性以及可扩展性。

参考文献

[1]王颖,张金磊,张宝辉.大规模网络开放课程(MOOC)典型项目特征分析及启示[J].远程教育杂志,2013(4):67-75.

[2]EdX简介[EB/OL].https://www.edx.org/.

[3]周铁成.虚拟化技术在数据中心架构中的应用研究[J].实践与经验,2009(4):88-89.

[4]李双权,王燕伟.云计算中服务器虚拟化技术探讨[J].邮电设计技术,2011(10):27-33.

[5]周波.服务器虚拟化的优缺点分析及趋势[J].微型电脑应用,2012(9):56-58.

[6]张耀祥.云计算和虚拟化技术[J].计算机安全,2011(5):80-82.

[7]VMware vSphere简介(for ESX 4.0、ESXi 4.0、vCenter Server 4.0)[EB/OL].http://www.vmware.com/support/pubs.html.