基于xen的開放式半虛擬化集群linux實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境建設(shè)探索

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1、基于Xen的開放式半虛擬化集群Linux實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境建設(shè)探索  摘要:針對傳統(tǒng)Linux實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境存在的系統(tǒng)難以維護(hù)、無法為學(xué)生提供ROOT權(quán)限等問題,通過使用基于Xen的半虛擬化技術(shù),構(gòu)建了開放式的集群Linux實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境中,教師可通過基于Web的操作界面進(jìn)行管理,學(xué)生可通過基于VNC的圖形界面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及與教師進(jìn)行實(shí)時(shí)交互,管理員還可通過Xen的虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移功能實(shí)現(xiàn)集群系統(tǒng)的負(fù)載均衡。大大降低了學(xué)生操作的難度,增進(jìn)了實(shí)驗(yàn)效率,提高了硬件設(shè)備的利用率?! £P(guān)鍵詞:Linux虛擬化

2、技術(shù)Xen集群系統(tǒng)  1Linux實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及所存在的問題  為適應(yīng)Linux快速發(fā)展對于技術(shù)人才的迫切需求,各高校紛紛開設(shè)了與Linux相關(guān)的技術(shù)課程[1]。但各高?,F(xiàn)有與之配套的Linux實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境,由于教學(xué)經(jīng)費(fèi)投入的限制和實(shí)驗(yàn)室條件的制約,大部分存在一些問題[2]。目前與Linux相關(guān)的課程,如操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理與工具、Linux內(nèi)核分析與開發(fā)等,很多配套實(shí)驗(yàn)涉及以ROOT權(quán)限修改操作系統(tǒng)核心模塊及配置文檔難以恢復(fù)的問題。大部分高校的實(shí)驗(yàn)室為了管理方便,使用保護(hù)卡保護(hù)機(jī)器中的操作系統(tǒng),并禁止學(xué)生

3、獲得系統(tǒng)的ROOT權(quán)限,極大地制約了Linux實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展。作為一種折中解決方法,有些高校鼓勵(lì)學(xué)生在自己的桌面機(jī)上安裝Linux系統(tǒng)以完成實(shí)驗(yàn)。但Linux的安裝和配置對于不熟悉Linux的學(xué)生來說是很大的挑戰(zhàn)。安裝和配置中的挫折會(huì)極大地打擊學(xué)生學(xué)習(xí)Linux的積極性。為解決當(dāng)前Linux實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題,筆者探索建設(shè)一種基于Xen的開放式半虛擬化集群Linux實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境?! ?Linux平臺(tái)虛擬化技術(shù)及Xen簡介  虛擬化技術(shù)對用戶隱藏了真實(shí)的計(jì)算機(jī)硬件,表現(xiàn)出另一個(gè)抽象計(jì)算平臺(tái)。通過虛擬化技術(shù),

4、在單個(gè)真實(shí)服務(wù)器上可以運(yùn)行多個(gè)虛擬操作系統(tǒng),從而更加有效地利用底層的硬件資源。Linux平臺(tái)上的虛擬化技術(shù)可分為以下四大類: ?。?)完全虛擬化技術(shù)。虛擬機(jī)模擬出一個(gè)能讓客戶操作系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的虛擬硬件平臺(tái),完全虛擬化技術(shù)不需要修改客戶操作系統(tǒng),但客戶操作系統(tǒng)的運(yùn)行效率較差,不適于大規(guī)模高強(qiáng)度的應(yīng)用?! 。?)硬件輔助虛擬化技術(shù)。這是一種利用硬件支持實(shí)現(xiàn)的能讓客戶操作系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的虛擬化技術(shù),與完全虛擬化技術(shù)相比,它能提高客戶操作系統(tǒng)的運(yùn)行效率。 ?。?)半虛擬化技術(shù)。虛擬機(jī)提供了一個(gè)類似于底層硬件平臺(tái)的軟

5、件接口供客戶操作系統(tǒng)使用,只有針對這個(gè)軟件接口定制的客戶操作系統(tǒng)才能在虛擬機(jī)上運(yùn)行?;诎胩摂M化技術(shù)的客戶操作系統(tǒng)運(yùn)行效率相當(dāng)高,適用于大規(guī)模高強(qiáng)度的應(yīng)用?! 。?)操作系統(tǒng)層虛擬化技術(shù)。客戶操作系統(tǒng)和承載虛擬機(jī)的真實(shí)服務(wù)器共享同一個(gè)操作系統(tǒng)核心,能獲得接近于在真實(shí)硬件環(huán)境下的運(yùn)行效率。但這種技術(shù)對于客戶操作系統(tǒng)和真實(shí)服務(wù)器都有嚴(yán)苛的要求,局限性較大。  Linux平臺(tái)上的完全虛擬化軟件包括VMWareWorkstation和免費(fèi)開源的Virtualbox;Linux內(nèi)核支持的Kvm實(shí)現(xiàn)了硬件輔助虛擬化;

6、Xen同時(shí)支持硬件輔助虛擬化和半虛擬化技術(shù);Linux平臺(tái)上的操作系統(tǒng)層虛擬化軟件有OpenVZ。  我們采用基于Xen的半虛擬化技術(shù)構(gòu)建開放式集群Linux實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。Xen是由劍橋大學(xué)開發(fā)的開放源代碼的虛擬軟件,通過修改Linux內(nèi)核,在真實(shí)硬件設(shè)備之上加入了一個(gè)Hypervisor層。真實(shí)服務(wù)器上的操作系統(tǒng)(稱為dom0)以及所有虛擬機(jī)上的操作系統(tǒng)(稱為domU)都運(yùn)行在Hypervisor層之上,如圖1所示。Xen從2003年發(fā)布至今,經(jīng)歷了多個(gè)版本的演化,已經(jīng)非常成熟穩(wěn)定,得到了IBM,HP,

7、Intel,RedHat,Oracle等大公司的支持?;赬en的半虛擬化技術(shù),無需特殊硬件支持,就能實(shí)現(xiàn)高性能的虛擬化。Xen虛擬機(jī)還可以在不停止工作的情況下,在多個(gè)物理主機(jī)之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)遷移,這對于實(shí)現(xiàn)集群系統(tǒng)的負(fù)載均衡,至關(guān)重要?! D1Xen架構(gòu)體系圖  3構(gòu)建基于Xen的集群實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境  圖2系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖  計(jì)算機(jī)集群通過一組松散組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接起來緊密協(xié)作完成計(jì)算工作。它對外表現(xiàn)為一個(gè)單獨(dú)的高性能服務(wù)器,集群系統(tǒng)內(nèi)部的單個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)稱之為節(jié)點(diǎn),通常通過局域網(wǎng)連接。筆者通過把基于Xen的半

8、虛擬化系統(tǒng)組成集群,為學(xué)生提供了一個(gè)具有高可用性和負(fù)載均衡能力的Linux實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。  3.1Xen半虛擬化環(huán)境的軟硬件支持  Xen半虛擬化環(huán)境并不要求CPU支持硬件虛擬化技術(shù),能運(yùn)行于64位CPU及支持物理地址擴(kuò)展(PAE)的32位CPU上。為保證Xen虛擬機(jī)能應(yīng)用于多門計(jì)算機(jī)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué),承載Xen虛擬機(jī)的真實(shí)服務(wù)器至少應(yīng)配置2G以上的內(nèi)存和6G以上的磁盤空間。主流的Linux企業(yè)版本,如Re

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