利用虚拟化技术搭建绿色机房计算机毕业设计 论文

毕 业 论 文（设计）课题名称：利用虚拟化技术搭建绿色机房学生姓名： 学 号： 系：信息学院专 业：计算机教育年 级：2009级班：2指导教师： 2012 年 6 月摘要21世纪以来，随着计算机技术和网络技术的不断深入的应用与发展，尤其是在基于网络的动态服务的广泛应用后，所提出的新的需求进一步暴露出当前机房存在的问题，如资源利用率低、使用功耗大、维护不便、安全性不高等。本论文是对学校现有教学机房进行考察，并结合近几年热门的虚拟化技术，提出利用虚拟化技术搭建绿色机房的建议，以提高资源利用率并降低成本，使用虚拟化技术对机房的服务器与应用系统进行整合，充分利用服务器的有效资源，改善现有计算机系统构成，提高各应用系统的运行速度和系统的运行可靠性，同时降低能耗，提高对机房资源的集中管理能力。本论文使用虚拟机VMware Workstation 部署虚拟化环境，整合多种服务器（Web服务器、邮件服务器、视频服务器等），并完成测试，测试结果达到预期效果。关键词：虚拟化技术，绿色机房，服务器整合目录1绪论11.1 研究背景11.2 研究意义11.3本论文所做的主要工作12虚拟化技术综述22.1什么是虚拟化技术22.2虚拟化技术概述22.3虚拟机概述32.4虚拟化技术的优势53物理机房存在的问题74. 利用虚拟化技术搭建“绿色机房”94.1利用虚拟化技术解决所存在的问题94.2绿色机房的体现94.3虚拟化与“绿色机房”95部署虚拟化环境115.1使用VMware Workstation 部署虚拟化环境115.2整合服务器126总结与展望17参考文献18致谢19181绪论1.1 研究背景学校计算机机房是学校开展教育教学工作中不可或缺的一个重要手段，担负着教学的重要责任，维持着教学的正常进行，为学生提供了学习的平台。从以往的计算机机房使用情况来看，存在资源利用率低（包括软硬件资源）、使用功耗大、维护成本高、安全性不高等问题。1.2 研究意义基于以上问题，本论文是对学校现有教学机房进行考察，并结合近几年热门的虚拟化技术，提出利用虚拟化技术搭建绿色机房的建议，以提高资源利用率并降低成本，使用虚拟化技术对机房的服务器与应用系统进行整合，充分利用服务器的有效资源，改善现有计算机体系，提高各应用系统的运行速度和系统的运行可靠性，同时降低能耗，提高对机房资源的集中管理能力。1.3本论文所做的主要工作首先，对本学校现有机房进行考察，找出其存在的问题；其次，进行相关资料的阅读与查询；最后，利用虚拟机部署虚拟化环境，整合服务器，并完成测试。2虚拟化技术综述2.1什么是虚拟化技术虚拟化是一个广义的术语，在计算机方面通常是指计算任务在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行。虚拟化技术可以扩大硬件的容量，简化软件的重新配置过程。CPU的虚拟化技术可以单CPU模拟多CPU并行，允许一个平台同时运行多个操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。虚拟化技术与多任务以及超线程技术是完全不同的。多任务是指在一个操作系统中多个程序同时并行运行，而在虚拟化技术中，则可以同时运行多个操作系统，而且每一个操作系统中都有多个程序运行，每一个操作系统都运行在一个虚拟主机上；而超线程技术只是单CPU模拟双CPU来使程序并行，这两个模拟出来的CPU是不能分离的，只能协同工作。 计算机领域的“虚拟化”就是企图实现计算机资源的优化、应用的个性化和普适化、体系结构的透明化、人机关系的协同化等等。“虚拟化”的目的就是要力图改变目前计算机系统中所存在的不合理之处。虚拟化是一种方法，本质上讲是指从逻辑角度而不是物理角度来对资源进行配置，是从单一的逻辑角度来看待不同的物理资源的方法。虚拟化是一种逻辑角度出发的资源配置技术，是物理实际的逻辑抽象。2.2虚拟化技术概述虚拟化技术是一个巨大的技术进步，具体表现在减少软件虚拟机相关开销和支持更广泛的操作系统方面。 现有的较成熟的各类虚拟化技术：（1）服务器虚拟化：服务器虚拟化能够通过区分资源的优先次序，并随时随地能将服务器资源分配给最需要它们的工作负载来简化管理和提高效率，从而减少为单个工作负载峰值而储备的资源。服务器虚拟化可分为：完全虚拟化、半虚拟化、操作系统层虚拟化。（2）存储虚拟化：所谓虚拟存储，就是把多个存储介质模块（如硬盘）通过一定的手段集中管理，所有的存储模块在一个存储池中得到统一管理，从主机和工作站的角度，看到的不是多个硬盘，而是一个分区或者卷，就好象是一个超大容量的硬盘。这种可以将多种、多个存储设备统一管理起来，为使用者提供大容量、高数据传输性能的存储系统，就称之为虚拟存储。从虚拟化存储的拓扑结构来讲主要有两种方式：即对称式(带内管理)与非对称式(带外管理)。（3）网络虚拟化：网络虚拟化并不是什么新概念，因为多年来，虚拟局域网（VLAN）技术作为基本隔离技术已经广泛应用。当前在交换网络上通过VLAN来区分不同业务网段、配合防火墙等安全产品划分安全区域，是数据中心基本设计内容之一。网络虚拟化从总体来说，分为纵向分割和横向整合两大类概念。4）应用虚拟化：应用虚拟化通常包括两层含义，一是应用软件的虚拟化，一是桌面的虚拟化。所谓的应用软件虚拟化，就是将应用软件从操作系统中分离出来，通过自己压缩后的可执行文件夹来运行，而不必需要任何设备驱动程序或者与用户的文件系统相连，借助于这种技术，用户可以减小应用软件的安全隐患和维护成本，以及进行合理的数据备份与恢复。桌面虚拟化就是专注于桌面应用及其运行环境的模拟与分发，是对现有桌面管理自动化体系的完善和补充。桌面虚拟化带来的成本效益也是相当诱人的。通过将IT系统的管理集中起来，企业能够同时实现各种不同的效益，从带宽成本节约到提高IT效率和员工生产力，以及延长当前系统的使用寿命等。在以上的虚拟化技术中，服务器虚拟化技术、应用虚拟化中的桌面虚拟化技术相对成熟，也是使用得较多的技术，而其他虚拟化技术，则还需要在实践中进一步检验和完善。2.3虚拟机概述1、虚拟机（virtual machine）的定义 虚拟机（VM）是支持多操作系统并行运行在单个物理服务器上的一种系统，能够支持更加有效的底层硬件使用。在虚拟机中，中央处理器芯片从系统其它部分划分出一段存储区域，操作系统和应用程序运行在“保护模式”环境下。如果在某虚拟机中出现程序冻结现象，这并不会影响运行在虚拟机外的程序操作和操作系统的正常工作。在真实计算机系统中，操作系统组成中的设备驱动控制硬件资源，负责将系统指令转化成特定设备控制语言。在假设设备所有权独立的情况下形成驱动，这就使得单个计算机上不能并发运行多个操作系统。虚拟机则包含了克服该局限性的技术。虚拟化过程引入了低层设备资源重定向，而不会影响应用层。通过虚拟机，客户可以在单个计算机上并发运行多个操作系统。2、虚拟机介绍目前流行的虚拟机软件有VMware公司的系列产品、Xen、KVM、VirtualBox、VirtualPC等，它们都能虚拟出多个计算机。3、VMware的产品VMware是全球桌面到数据中心虚拟化解决方案的领导厂商。全球不同规模的客户依靠VMware来降低成本和运营费用、确保业务持续性、加强安全性并走向绿色。它的产品可以使一台机器上同时运行二个或更多Windows、DOS、Linux系统。与“多启动”系统相比，VMware采用了完全不同的概念。多启动系统在一个时刻只能运行一个系统，在系统切换时需要重新启动机器。VMware是真正“同时”运行多个操作系统在主系统的平台上，就象标准Windows应用程序那样切换。而且在每个操作系统中都可以进行分区、配置而不影响真实硬盘的数据，甚至可以将几台虚拟机用网卡连接为一个局域网。以下是VMware的两个主要产品：（1）VMware vSphere VMware vSphere是较为成熟的虚拟化平台，部署在服务器上，用于企业级应用。vSphere将应用程序和操作系统从底层硬件分离出来，从而简化了IT操作。现有的应用程序可以看到专有资源，而服务器则可以作为资源池进行管理。因此，业务将在简化但恢复能力极强的IT环境中运行。（2）VMware Workstation VMware Workstation 是一款功能强大的桌面虚拟计算机软件，支持用户在单一的桌面上同时运行不同的操作系统，并进行开发、测试、部署新的应用程序。VMware Workstation可在一部物理机器上模拟完整的网络环境，以及可便于携带的虚拟机器。对于企业的IT开发人员和系统管理员而言， VMware在虚拟网络，实时快照，拖曳共享文件夹，支持 PXE 等方面的特点使它成为必不可少的工具。2.4虚拟化技术的优势虚拟化技术近来一直备受关注，特别是在当下经济疲软、数据中心整合复杂、IT平台异构混乱、管理成本大幅增长的情况下，虚拟化技术的优势便更为突出：节省成本、节能降耗、便于管理、便于部署、便于标准化、易于实现服务器整合及利用率最大化。今天的虚拟化可以用来进行服务器、存储、网络、桌面应用程序的整合，提高系统资源利用率，提高管理灵活性，节省服务器空间和能耗成本。虚拟化是云计算的基础，没有虚拟化就没有云计算。虽然x86芯片的性能已经非常强大了，但每台x86服务器的利用率还非常低，可以说，在能源和购置成本等方面的浪费极大。但随着VMware vSphere和开源的Xen等给予x86架构的系统虚拟化技术的发展，一台服务器能整合过去多台服务器的负载，从而有效地提升了硬件的利用率，并降低能源的浪费和硬件的购置成本。更重要的是，这些技术有效地提升了数据中心自动化管理的程度，从而极大地减少了在管理方面的投入，使云计算中心的管理更智能。基于x86架构的系统虚拟化技术是整个云计算发展的基石之一，同时也是云计算的几个重要核心技术之一。对许多企业而言，桌面系统的安装、配置和维护都是其IT运营非常重要的一个方面，桌面系统的分散管理将给整个IT部门带来沉重的压力，而且相关的数据和信息安全不能被有效地监控，同时企业更希望能降低终端桌面系统的整体成本，并且使其使用起来更稳定、灵活。虚拟桌面云是这方面一个非常不错的解决方案，它利用了成熟的桌面虚拟化技术。桌面虚拟化技术是将用户的桌面环境与其使用的终端解耦，在服务器端以虚拟镜像的形式统一存放和运行每个用户的桌面环境，而用户则可通过小型的终端设备来访问其桌面环境，系统管理员可以统一管理用户在服务器端的桌面环境，比如安装、升级和配置相应软件等。这个解决方案比较适合那些需要使用大量桌面系统的企业。相关的产品有Citrix的Xen Desktop和VMware的VMware View。对于用户，虚拟化技术实现了软件跟硬件分离，用户不需要考虑后台的具体硬件实现，而只需在虚拟层环境上运行自己的系统和软件。而这些系统和软件在运行时，在终端用户看来，似乎跟后台的物理平台无关。和传统IT资源分配的应用方式相比，虚拟化有以下优势：提高现有资源的利用程度：通过服务器整合将共用的基础架构资源聚合在池中，打破原有的“一台服务器一个应用程序”模式。通过缩减物理基础架构和提高服务器/管理员比率，降低数据中心成本。提高硬件和应用程序的可用性：可安全地备份和迁移整个虚拟环境而不会出现服务器中断。提高桌面的可管理性和安全性：提供相互隔离、安全、高效的应用执行环境。3物理机房存在的问题从目前的机房建设、管理和使用上看，计算机物理机房普遍存在以下问题：（1）资源利用率低计算机资源包括硬件资源和软件资源，计算机利用率指计算机在正常运行中所需求的硬件和软件资源使用率，如CPU、内存、显卡、硬盘、系统软件及应用软件等的使用率。计算机机房是高校计算机及若干科目教学质量的保证。随着信息时代的飞速发展，计算机已经渗透到各个领域，高校为了满足教学需要都在不断地扩建计算机机房，随着计算机机房数量的增加，规模不断地扩大。与此同时，计算机硬件性能的提升发展更是迅猛，从而导致现在的电脑CPU资源严重浪费，利用率不到15%。（2）使用功耗大今天，节能环保已经成为社会发展的趋势。对各类机房的管理者来说，一方面要通过优化运行管理，挖掘企业节能降耗的潜力；另一方面需要采用新的设备和节能技术，实现节能降耗的目标。根据StorageIO Group的统计，首先服务器的耗电量占整体资料中心硬设备耗电量的48，其次是存储设备，占37至40，第三耗电的是网络设备，占12至15。由此可以看出，如果能减少服务器的用电量，就可解决资料中心近5成硬设备的用电量。而另外一项针对全球数据中心能源模式转变的调查报告指出，亚太地区(不含日本在内)的服务器耗电量每年成长23%，是增长率唯一大幅高于全球平均值（16%）的区域。（3）管理维护不便首先，机房管理维护的内容比较多，同时也比较复杂，不具有系统性，从广义上说，硬件设备的购置或添置、各类软件的选用、软硬件故障检修、用电的安全保障、机房网络联接及其技术、机房内外部卫生环境等等都属于机房管理内容。其次，由于机房面向的对象是年轻好动的学生，有些学生具备较强动手能力和破坏能力，这些学生在上机过程中，往往喜欢随意更改计算机的桌面配置，增删系统文件，修改注册表，或者浏览恶意网站、造成机器感染病毒等等，往往给学校机房的正常运转带来不少的麻烦。（4）安全性不高机房安全性问题主要包括物理安全和网络安全。一旦物理机遭到严重的破坏，将会带来无法弥补的后果。由于学生较多，计算机安全意识不高，隔离和屏蔽不稳定或具有安全隐患的应用程序相对困难；问题出现后也难以恢复。4. 利用虚拟化技术搭建“绿色机房”4.1利用虚拟化技术解决所存在的问题针对物理机房存在的问题，我们不得不着手解决，如何解决呢？我们可以利用当前较为热门的虚拟化技术，利用虚拟化技术及虚拟机搭建绿色机房，使用虚拟化技术对机房的服务器与应用系统进行整合，提高资源利用率和降低成本，充分利用服务器的有效资源，改善现有计算机体系，提高各应用系统的运行速度和系统的运行可靠性和安全性，同时降低能耗，提高对机房资源的集中管理能力。4.2绿色机房的体现什么是绿色数据中心？绿色数据中心应该参照什么样的标准来设计？目前，这些问题都还没有一个标准的答案。行业内对此的认识也不够深入。以前的相关国家标准主要针对计算机信息中心，而机房的标准只是针对基础设备层面的技术需求提出的。现在的数据中心不但涉及计算机设备，还要应对存储管理和应用软件等方面的挑战。绿色数据中心是IT技术发展的产物，也是IT应用发展的必然。根据全球数据中心资料显示，如果不提高数据中心的效率，以现有的数据中心的发展趋势发展下去，那么数据中心的电费和用电需求将在未来10年时间内翻倍。降低能耗是各企业所必须关注的，并成为提高企业成本竞争力的一个保障。对于绿色数据中心，业界的标准并不统一，没有形成可以参考的规范。绿色标准主要体现在两个方面。第一，数据中心整体设计的科学合理和设备的节能环保。绿色应该体现在通过科学的机房设计和建设，形成最优化的动力环境配置，实现初始投入的最小化，在保障机房设备稳定运行的同时，达到节能降耗的效果。此外，服务器和网络存储等设备也要实现效能比的最大化。第二，满足系统运营的基本要求，同时确保可扩展性。4.3虚拟化与“绿色机房”虚拟化是提高数据中心效率的一个重要手段。采用虚拟化技术不但可以降低硬件购置成本，还能减少硬件的供电容量和制冷容量。面对众多服务器每天消耗的巨大的电力资源，使得企业为此需要负担高昂的电费支出，如果能让一台服务器完成以前需要数台服务器才能完成的工作，那为机房节省的能源将大为可观。对此，虚拟化是此方面的最佳解决之道，其能大大提高服务器的利用率，提升服务器的效能，能够有效的减少机房物理服务器的数量，从而为企业减少大量的采购成本、能源成本和管理成本，能够减少大量的硬件、供电、制冷和管理成本。这也就不难理解为何目前主流的厂商都将虚拟化技术看成近两年来服务器技术革新的重点了。而综合来看，硬件辅助虚拟化的扩大化、普及化正成为虚拟化发展的主要方向，且虚拟化早已成为云计算得以发展的基础。而效能、效率、绿色、节能不仅是服务器发展的主旋律，亦是虚拟化追求的目标，更是绿色机房的体现。5部署虚拟化环境5.1使用VMware Workstation 部署虚拟化环境目前常用的虚拟机主要有VMware和Virtual PC。Virtual PC操作简便，容易上手，适合初学者，但其功能没有VMware强大。VMware采用固定内存分配，占用资源大，但进入虚拟系统后，操作时的速度却明显比Virtual PC快的多，这是由于VMware调用了更多的真实的系统配置！而且它完美支持Linux，其独有的“快照”功能，提供了便捷的软硬件测试环境切换，其“捕捉屏幕”和“捕捉视频”功能，是交流学习的有用工具，这些都是Virtual PC所没有的。VMware更像一台真实的机器，本论文介绍的虚拟机是VMware Workstation 8，下面就简单介绍该版本的使用和配置方法。1、下载安装：可以通过官网下载，注意选择适合的系统平台进行下载。下载完成后进行安装：双击运行VMware安装程序。在安装向导中，询问用户，选择“typical”(典型)或者“Custom” (定制)的安装方式，我们选择“typical”(典型)安装方式出现“Software Updates”(软件升级)页面。安装向导询问用户，是否“Check for product updates on startup”(检查产品更新，用以安装)。这里，去掉默认的，即不检查产品更新。然后，单击Next(下一步)。出现“Ready to Perform the Requested Operations”(准备执行请求的操作)页面。这里，单击Continue(继续)。等待一段时间后，出现了“Enter License Key”(输入许可密钥)页面。输入产品密钥，一段时间后即可完成安装。也可以点击“skip”跳过输入密钥，进行免费试用。2、使用配置：安装完成后，运行VMware Workstation，将会弹出“License Agreement”(许可协议)窗口。选择“Yes, I accept the terms in the license agreement”(我接受许可协议中的条款)，再单击“OK”，即可使用VMware Workstation。3.创建虚拟机先在Home界面单击“Create a New Virtual Machine”。点击后会进入向导界面，这里选择Custom（自定义），然后Next，（Typical(典型)这个选项当然也可以用，选择Custom能看到到所有的配置，并且设置项更加自由）。再选择Next（不用更改默认虚拟机硬件设置）。接下来到了选择安装源这一步，选择第三项“I will install the operating system later”（我以后再安装操作系统），选择Next。如果用前面两项，并且你使用的是原版镜像，VMware会自动检测出来并且启用EasyInstall。下面就需要手动选择操作系统了，这里你要装什么就选什么，在此要注意位数的区分（安装64位系统需要选后面带X64的那一项）。设置虚拟机名称、路径、CPU、及内存，可以根据自己的需要修改。下面分别是网络设置、I/O控制器设置、虚拟磁盘设置、虚拟磁盘的类型，一般全部默认即可。虚拟机创建完成，单击Finish退出向导。创建之后虚拟机还是个“裸机”，系统都没有安装，所以下面就是要设置安装镜像了。在左侧列表点开这个虚拟机，单击“Edit Virtual Machine Settings”。选中CD/DVD（IDE）这一项，在右边设置系统的安装源，可以是实际的物理光驱，也可以是iso镜像文件。这里以iso镜像作为示例。选中Use ISO Image File，单击Browse，选择好镜像文件。设置好之后单击OK确认，单击Power On This Virtual Machine就可以启动虚拟机安装系统了。安装好系统之后，建议安装VMware Tools，以使用虚拟机的其余高级功能。只要保持虚拟机处于开启状态，然后单击菜单栏“VM-Install VMware Tools”。5.2整合服务器在完成了虚拟系统的安装后，就可以对虚拟系统进行服务器的整合配置。在本论文中，进行了常见的FTP服务器、Web服务器的整合配置。1.FTP服务器在虚拟系统中配置FTP服务器。图 1 在虚拟机操作系统中配置FTP服务器在真实机器上进行测试，可以进行文件的上传、下载。图 2 其他计算机通过虚拟机的IP地址可以用FTP上传下载文件图 3 虚拟机中部署FTP，在宿主操作系统中使用该FTP2.Web服务器在虚拟系统中配置Web服务器。图 4 在另一台虚拟机中部署Web服务在真实机器上进行测试，可以进行网站的测试、更新和维护。图 5 从其他机器访问虚拟机上部署的网站图 6 虚拟机中部署网站，在宿主操作系统中访问该网站的后台管理页面Web服务器和FTP服务器分别在不同的虚拟机中运行，但两个虚拟机同时运行在同一台物理计算机上。实验结果表明，两个服务器工作稳定，能满足客户端的请求。这样，本来需要两台物理计算机的工作，整合在一台物理计算机上，节约了一台物理计算机的能耗。6总结与展望随着计算机技术和网络技术的不断深入的应用与发展，当节能降耗成为当今IT领域的一大主题，越来越庞大的数据中心与绿色环保的诉求成为一对矛盾。而虚拟化技术是解决该问题的方法，在未来的技术应用发展中，必将出现各种各样“虚拟化”新方法和新途径。本文查阅了相关资料，针对学校机房存在的问题进行研究和改革，提出解决问题的方法，并使用虚拟机进行测试，虚拟化实施后，虚拟机系统运行正常平稳，宿主机也保持了非常优良的资源利用率和运行效率。（1）提高了软硬件的资源利用率。（2）大量地降低了能用功耗和维护成本（3）实现了旧硬件和操作系统的再利用。（4）提高了应用系统的安全性。参考文献1 汪成为. 我对虚拟化和虚拟现实的浅见 J. 中国计算机学会通讯，2007年，05：18-21.2 吴朱华. 云计算核心技术剖析M. 北京：人民邮电出版社，2011.3 中国虚拟化技术及应用现状调查报告2009 R. 51CTO.com4虚拟化技术优势突出.EB/OL.5 虚拟化优势. EB/OL. 6程应军. 虚拟化技术分类与介绍.EB/OL.7服务器是机房耗电的元凶. EB/OL. 8 从点滴入手 看绿色机房的节能之道. EB/OL. 9 如何利用虚拟化技术对服务器和应用系统进行整合. EB/OL.10 虚拟机概念详解. EB/OL.11 百度百科.VMware. EB/OL. 12 VM虚拟化.EB/OL.13 浅谈绿色机房. EB/OL.14 绿色机房，未来机房的趋势. EB/OL.15 比特网虚拟化技术是绿色IT的希望. EB/OL.16 快速掌握VMware Workstation(虚拟机)的使用方法. EB/OL. 17 VM虚拟机VMware Workstation配置方法. EB/OL. 18 百度百科.VMware Workstation. EB/OL.