基于云计算的虚拟计算平台的研究与构建

摘要：云计算是在网格计算基础上提出的一种新型的计算模式，是下一代网络计算平台的核心技术。该文介绍了云计算的基本概念，借鉴了云计算存储与计算分离的思想，降低了计算机实验室的建设和维护成本，提高了计算机资源的利用率，构建了虚拟计算平台。

关键词：云计算；虚拟；计算平台

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）10-2319-03

1 概述

随着我国高等教育的不断发展，各高校用于计算机教学的实验室引起人们的注意。高校计算机实验室不仅承担着学生的计算机实验课程，也承担着高校的科研任务，因此对于实验室计算机的需求越来越高。为了满足教学、科研需求，各高校每年都会购进一批高性能的计算机，淘汰一些年久老化的计算机，这样往往会造成计算机硬件资源的浪费。另外，高校实验室没有教学、科研任务的时候，往往不对外开放，这样资源的浪费，得不到合理的利用。对于实验室的维护人员来说，检查每台计算机的性能，做好日常的维护工作，安装各种操作系统以及应用软件，以应对各种需求，无异于是越来越重。

针对这种现象，我们提出了在高校计算平台的构建中采用云计算的计算模式。云计算的基本原理是用户所需要的应用程序并不需要运行在用户的个人电脑、手机等终端设备上，而是运行在互联网的大规模服务器集群中。用户所处理的数据也并不存储在本地，而是存储在互联网的数据中心里面[1]。

2 云计算概述

云计算是以虚拟化技术为基础，以网络为载体提供基础架构、平台、软件等服务为形式，整合大规模可扩展的计算、存储、数据、应用等分布式计算资源进行协同工作的超级计算模式[2]。云系统的后台有大量的集群使用虚拟机的方式，通过高速的互联网互连，组成大型的虚拟资源池。这些资源池可自主管理和配置，用数据冗余的方式保证虚拟资源的高可用性。并具有分布式存储和计算、高扩展性、高可用性、用户良好性等特征。[3]

3 虚拟计算平台的总体架构及功能划分

3.1 虚拟计算机平台的体系结构

基于云计算的高校虚拟计算平台体系结构如图1所示。

基于云计算的虚拟计算平台提供了强大的资源整合功能，其技术平台采用了多层的云计算体系结构。

平台物理层主要是底层硬件设备，包括物理计算机，服务器，数据库，交换机等，提供计算，存储，宽带等服务，是所有功能的基础。

平台管理层主要提供了资源管理、安全管理和负载均衡管理的功能。资源管理主要是针对云计算中物理计算机资源的管理，包括资源状态的监控、资源的分配与回收、资源的更新、添加、维护与删除等。安全管理主要包括用户验证、用户权限管理（管理员和用户）、访问安全管理、网络安全管理、数据中心安全管理等。负载均衡管理主要是针对实验平台各个资源节点上的负载均衡管理，主要包括：负载均衡管理、流量管理、用户任务调度管理等。

平台服务层主要是在物理计算机上安装虚拟机以及虚拟机上的操作系统和实验或可研有关的各种应用软件。

客户端主要应用在个人计算机或者实验室计算机上，实现形式为硬件专用机终端或者登录终端系统软件等。

3.2 虚拟计算平台的功能模块划分

整个虚拟计算平台可以划分为三个功能模块：

1）用户管理模块：主要包括用户注册、身份认证、用户信息管理、用户权限管理；

2）任务管理模块：包括用户任务申请、资源申请、任务信息、任务反馈、虚拟计算机的添加、删除、更新等操作；

3）集群监测模块：主要包括动态的显示集群工作状态、任务进度、物理计算机的负载情况。

4 虚拟计算平台的具体实现

4.1 虚拟计算平台的拓扑结构

如图2所示为高校虚拟计算机实验平台的拓扑结构。主要分为两部分：节点和用户操作。节点有分为物理存储节点，物理计算节点和管理机。

其中，物理存储节点用于存储用VMware WorkStation制作的虚拟机镜像文件模板、用户的FTP数据。

物理计算节点安装了VMware WorkStation虚拟机，用来运行运行用户申请的虚拟机系统，完成用户的各项任务。

管理机则是作为网络后台、监控计算节点的运行状态、存储数据库而存在的。

4.2 虚拟计算机平台的具体实现

在高校计虚拟计算平台中，物理存储节点上存储不同的虚拟计算机镜像文件，这些镜像文件包括不同的操作系统以及在不同操作系统上安装的不能软件。当用户提出申请虚拟机时，系统则根据物理计算机的负载情况进行分析，找到一个性能最优的物理计算机，在它上面创建一台新的虚拟计算机，以便于用户的使用，如图3所示。图（a）中物理计算节点1创建了三台虚拟计算机，虚拟计算机A（Linux/Redhat）、虚拟计算机B（Windows 2003）、虚拟计算机C（Windows XP）；物理计算节点2上创建了两台虚拟计算机，虚拟计算机D（Linux/Redhat）、虚拟计算机E（Windows 2003）。如果用户再创建一台新的虚拟计算机，则该系统会分析物理计算机1、2的负载情况，其中包括物理计算机的CPU利用率、内存使用情况、硬盘使用情况、物理计算机上创建的虚拟计算机的个数等，选择系统性能最优的物理计算节点2，，在物理计算节点2上创建虚拟计算机F，如图（b）所示。当物理计算机的各项资源得到充分利用的时候，如果用户再申请虚拟机的创建，则会进行等待，直到另一个用户完成任务操作，释放虚拟计算机资源，才会分配给该用户，完成虚拟计算机的创建。

虚拟计算平台实现的对高校计算机实验室资源的合理分配和管理，可以充分提高计算机硬件和软件资源使用效率以及充分发挥计算机系统的性能。用户使用实验室资源的时候，是通过终端系统（硬件或软件）登陆到虚拟计算机上，而用户具体登陆到哪台物理计算机上，对用户来说是透明的，即用户是不知道的，如图4所示。在某一时刻T，用户A申请了两台虚拟计算机，分别是虚拟计算机A（Linux/Redhat）、虚拟计算机D（Linux/Redhat）。用户B申请了三台虚拟计算机虚拟计算机，虚拟计算机B（Windows 2003）、虚拟计算机C（Windows XP）、虚拟计算机F（Windows XP）。用户C申请了一台虚拟计算机E（Windows 2003）。虚拟计算机A、B、C创建在物理计算节点1上，虚拟计算机D、E、F创建在物理计算节点2上，而这些信息对于用户来说是透明的。系统平台根据用户的需求和每台物理计算机的负载情况以及资源的性能特点，为用户进行资源的合理分配，以达到资源的利用最大化。

5 结束语

在高校虚拟计算平台的构建中，借鉴云计算的存储和计算相分离的思想，用户数据存储在存储节点，计算则是在虚拟计算机上，能够有效地解决高校实验室物理计算机频繁更新的问题。此外在学生申请虚拟计算机的时候，能够能够根据各自需求，在物理计算机上创建不同的虚拟计算机，不仅能够满足实验和科研要求，同时也解决物理计算机维护工作量大的问题，方便了物理计算机的维护工作，减少资源的浪费，提高了物理计算机的硬件资源和软件资源的使用率，充分发挥了物理计算机的性能，为高校实验室计算机资源的合理分配、提高实验室计算机资源的利用率提供了一个良好的解决方案。

参考文献：

[1] 王萍，张际平.云计算与网络学习[J].现代教育技术，2008（11）.

[2] 吴吉义，平玲娣，潘学增，等.云计算：从概念到平台[J].计算机研究与发展，2009（11）.

[3] 陈全，邓倩妮.云计算及关键技术[J].计算机应用，2009（11）.