校园网络技术应用
利用虚拟化技术降低机房建设和运行成本的研究
一、校园机房建设运行成本不断增长的原因
自“第三代校园网”的概念提出以来，为满足校园网络业务需要，大量的应用系统陆续上线。规模庞大的学校信息化建设，在确保教育现代化、提高办学水平的同时，也使机房建设及运行成本逐年上升。通过对具体情况的分析，机房建设难度和运行成本增长的主要原因是各校园网机房规模逐渐扩大，机房的可靠性、可用性、经济性却在不断下降，导致机房建设及运行时投入更多的设备，消耗更多电能和人力资源。
1.服务器平均负载率低
出于故障隔离等安全性的考虑，机房中部署的服务器往往只承载一项关键服务。X86架构服务器性能的不断提高，对于大多数业务其处理能力已绰绰有余。根据IDG（国际数据集团）的调查数据显示，服务器平均负载率很少有超过40%的，大多数在10%～25%之间。有些新近购买的服务器，其平均负载率更在10%以下。机房内大量低负载率的服务器，不仅使电力、制冷、场地及附属网络设备处于高耗低效的运行状态，同时也造成维护成本的加大。
2.电费支出
机房是信息化条件下校园数字业务处理的中心，也是电能消耗的主要原因。根据IDG提供的数据，计算机设备占机房电能总能耗的44%，制冷系统占机房电能总能耗的38%。制冷系统消耗的电能与计算机设备消耗能源存在很强相关性，因此计算机设备的电能消耗是机房电能消耗的绝对主力。以一台功率为650W的服务器为例，运行一年所需支付电费大约5600多元，如果将制冷系统的费用计算在内的话，则要支付电费大约7400元。
3.旧系统维护难度大
由于计算机网络多年前就已经应用于校园中，机房中存在一些早期数字化校园建设时的旧系统。一方面，旧系统经过多年的运转，原有的硬件设备很多已不堪重负，亟待更换，但苦于市场不能提供相同的备件而难以更换。另一方面，由于缺少驱动程序，旧系统无法在新的硬件平台上运行。鉴于以上情况，机房管理人员只能想尽各种办法勉强支撑其正常工作。
4.备份效率低，故障恢复时间长
出于数据安全的考虑，我们经常会对服务器的数据进行备份，但是现有的备份方法效率比较低、备份用时长。对于操作系统和软件配置信息的备份，惟一的方法是通过使用Ghost软件制作磁盘镜像方式备份。但是这种镜像的备份方式有很多缺点，比如备份时间长、不能热备份、必须重新启动操作系统等。正是存在这些缺点使得服务器操作系统和软件配置备份很难在实际机房环境中使用。由于缺少可靠、高效的系统备份方案，服务器在遇到病毒、突然断电、硬件瘫痪时，就只能按部就班地重装操作系统并部署应用环境。这种低效的备份和故障恢复方式，不仅浪费机房管理人员宝贵的时间，同时也影响网络业务的持续开展，并加重学生和教师对校园网络服务方面的负面评价。
二、虚拟机技术发展史及其作用
随着微电子技术和制作工艺的快速发展，计算机CPU性能和内存容量也依据摩尔定律不断地成倍提升。虽然软件的复杂度也在不断的发展，但远远不能与硬件发展速度媲美。为了能够复用过剩的处理能力，计算机科学家提出了虚拟化技术，就是使用单一硬件平台虚拟出多个虚拟硬件平台并独立运行多个操作系统的概念。
到了21世纪初，由于X86架构处理器的处理能力快速提高，在部分应用领域已能够廉价的替代小型机，大多数使用者已不再怀疑其处理能力和可靠性，而开始研究如何更好提高其负载率，并有针对性地开发出了X86平台虚拟化技术。虚拟化技术得到快速的发展，主要原因是这项技术能给服务器的使用者和拥有者带来多方面的好处：
（1）整合服务器，减少服务器数量，降低机房建设成本。
（2）服务器资源复用，提高机房的空间利用率，减少电力消耗。
（3）简化备份和故障恢复工作，降低机房管理人员工作强度，降低管理费用。
（4）为旧系统提供运行平台，提高旧系统的可靠性。
（5）降低空调等机房设备电能消耗。
总之，虚拟化技术代表了一种新的理念：最大化的利用资源、提高效率并降低总成本。
三、部署VMware ESXi Server虚拟化软件
目前，众多IT厂商都提出了各自的虚拟化技术方案，如Sun公司的VirtualBox、微软Windows Server 2008中的集成Hyper-V技术等。我们综合市场占有率、易用性、稳定性、兼容性等各方面因素，对这些产品进行了对比，最后决定尝试使用VMware Server，其市场占有率超过70%，文档资源丰富，工具齐全，性能稳定，兼容性好，便于使用。
我们选用了VMware公司的ESXi Server，主要原因是ESXi Server与ESX Server提供主要功能基本一致，并且ESXi Server是完全免费的，更适合小规模部署或测试使用。
1.对虚拟化服务器进行日志分析，以决定是否适合虚拟化
部署虚拟化技术的主要原因是希望提高服务器的利用率，所以在没有调查了解服务器的负载率之前就进行虚拟化是非常莽撞和有悖于初衷的。因此需要将服务器的负载进行采集并量化得出评估结果，最后决定对哪些服务器进行虚拟化。
首先在有虚拟化考虑的服务器操作系统中开启性能监测日志功能，主要采集CPU和内存的占用情况，对于监测数据的采集时间最好要覆盖业务的高峰时期和低谷时期，这样可以得到更加全面的监测数据。通过对服务器进行48小时的监测并进行量化，取得了4台服务器的CPU和内存的占用情况数据，如表1所示。
表1
根据日志采集量化评估，决定对机房内的4台物理服务器进行虚拟化迁移。其中一台为Novel GroupWise服务器，已严重超期运行，性能和可靠性都不能得到满足，经常宕机，所以决定对其进行虚拟化；另外3台分别为内网服务器、测试用服务器、文件服务器，对其虚拟化的主要原因是服务器负载率太低。
2.在实体机上安装VMware ESXi Server虚拟化软件，构建虚拟平台
首先选用一台Lenovo R520双路四核服务器作为实体机。然后在安装之前需确认服务器硬件平台与VMware ESXi Server是否兼容，否则是不能正常安装和运行的。其中VMware ESXi Server的安装与Linux系统类似。在VMware ESXi安装完成后，需要配置用户名、密码及IP地址等，另外还要在另外一台工作站上面安装VCentre Client软件，用来管理实体服务器上的虚拟机。当这些工作都做好后，VMware ESXi Server虚拟机环境便可以投入使用。
3.虚拟机的资源分配和虚拟化迁移
虚拟平台上虚拟机的创建和资源分配是很方便的。无论是虚拟机的创建阶段还是虚拟机部署以后，都可以对资源进行分配。根据以往经验，对于那些配置简单，但是数据量比较大的服务器，适合使用先在虚拟机上重新安装操作系统，然后进行简单配置，最后迁移数据的方法，比如文件服务器；而对于那些配置相对复杂的服务器，就可以使用VMware提供的P2V工具进行虚拟化迁移，通过运行VMware P2V可以有选择的将应用软件、数据和操作系统打包生成虚拟机文件，迁移到虚拟平台运行。对于特殊的平台如Novell, VMware P2V工具不能支持，为此还可以采用Ghost等软件制作磁盘镜像，然后在虚拟机中释放。
四、部署VMware ESXi Server后机房建设及运行成本对比
将4台服务器迁移到一个虚拟平台中后，在实际环境中进行了测试。测试结果显示，4台服务器在迁移到虚拟化平台后，系统运行平稳，其中NOVEL GroupWise服务器在虚拟机环境中支持百人同时在线访问，未因硬件平台性能不彰而导致停机，解决了旧系统运行稳定性问题。对比虚拟化技术实施后，机房设备的投入和运行维护费用有明显的减少，其统计结果见表2所示。
表2
根据虚拟化实施前后的数据进行对比，我们可以知道5年可以节省设备投入和运行维护费用约20万元。虚拟化技术不仅为我们节省了机房建设及运行成本，还减少占用机柜的空间，降低了UPS负载，延长了电池断电后备时间，而且提高了服务器可管理性，减轻维护负担，减少了系统备份和故障恢复时间。
五、总结和思考
VMware虚拟化软件虽然在提高效率、降低运行成本和减少维护工作方面表现优异，但其也不是万能的。由于技术本身的限制，VMware虚拟化软件并不能适用于所有场合，比如高负载的数据库服务器、需要硬件辅助计算的视频编码服务器以及一些需要与网络硬件交换信息的网络监控服务器等。同时，VMware虚拟化软件作为底层系统软件，安全问题也受人关注，VMware的多个产品就曾出现过软件漏洞，虽然补救及时没有造成大的安全事故，但是仍然警示了人们在部署虚拟化软件的同时，也应考虑其信息安全隐患。总而言之，技术不能解决所有问题，我们必须在业务需要和机房实际情况之间权衡利弊、扬长避短、合理部署，根据实际需求发挥虚拟化软件的效用。
数字化校园未来建设的目标正逐步向整合资源、提高系统利用率的方向转化。作为一种技术手段，VMware虚拟化技术是响应这种需求而产生的具有战略意义的新技术，其在机房建设运行中显现出的高效和节能环保的特点，将使其在未来机房建设及运营中扮演重要的角色。
参考文献
[1] 鲁松.计算机虚拟化技术及应用.北京：机械工业出版社，2008.
[2] 张巍.企业虚拟化实战——VMware篇.北京：机械工业出版社，2009.