摘 要： 使用Eucalyptus作為私有云的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，并利用KVM制作VM鏡像實(shí)例，搭建了一個(gè)適合實(shí)驗(yàn)室資源管理控制的實(shí)驗(yàn)云計(jì)算平臺(tái)。

　　關(guān)鍵詞： 實(shí)驗(yàn)云；虛擬化；鏡像實(shí)例

　　目前實(shí)驗(yàn)室管理中面臨著大量的用戶系統(tǒng)需求和設(shè)備需求。這些需求包括：日常的教學(xué)工作需求、學(xué)生實(shí)訓(xùn)的需求，老師對(duì)科研和實(shí)驗(yàn)的需求，實(shí)驗(yàn)室部署各種管理系統(tǒng)（如設(shè)備資產(chǎn)管理系統(tǒng)、排課系統(tǒng)、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)等）的需求等。如何將有限的實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源進(jìn)行最大化的、科學(xué)合理的分配利用是當(dāng)前急需解決的一項(xiàng)重要課題。

　　隨著云計(jì)算的快速發(fā)展，相關(guān)云技術(shù)及產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，可以借助云計(jì)算的開(kāi)源產(chǎn)品搭建實(shí)驗(yàn)室（實(shí)訓(xùn)中心）的私有云平臺(tái)，幫助解決實(shí)驗(yàn)資源日益增長(zhǎng)的需求問(wèn)題。利用云計(jì)算的虛擬化技術(shù)可以構(gòu)建多樣化的虛擬資源，將個(gè)人桌面系統(tǒng)、服務(wù)器系統(tǒng)等操作系統(tǒng)及設(shè)備進(jìn)行虛擬化和實(shí)例化，為不同的用戶提供彈性計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)備，滿足用戶的需求。

　　當(dāng)前利用開(kāi)源云計(jì)算產(chǎn)品搭建專用的私有云計(jì)算平臺(tái)是一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前已有的開(kāi)源云計(jì)算產(chǎn)品有 Eucalyptus、OpenNebula、Nimbus、ECP和OpenStack 。參考文獻(xiàn)[1-2]對(duì)這些產(chǎn)品的VM管理、集群管理、狀態(tài)監(jiān)控、資源調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)管理等方面的進(jìn)行比較分析[1-2]，從技術(shù)和應(yīng)用范圍來(lái)看Eucalyptus開(kāi)源產(chǎn)品比較適合用于構(gòu)建所需的實(shí)驗(yàn)云計(jì)算平臺(tái)。本文采用Eucalyptus作為實(shí)驗(yàn)云的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，并利用KVM技術(shù)進(jìn)行VM管理，搭建了一個(gè)適合實(shí)驗(yàn)室(實(shí)訓(xùn)中心)資源管理控制的私有云計(jì)算平臺(tái)。

1 相關(guān)技術(shù)

　　1.1 Eucalyptus

　　Eucalyptus是由Nurmi D 等人開(kāi)發(fā)的一個(gè)開(kāi)源的云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)(IaaS),與Amazon EC2的服務(wù)接口兼容[3]。Eucalyptus采用模塊化的設(shè)計(jì)，由節(jié)點(diǎn)控制器(Node Controller)、集群控制器(Cluster Controller)、云控制器(Cloud Controller)、存儲(chǔ)控制器(Storage Controller)和Walrus組成。這些組件可以進(jìn)行替換和升級(jí)，具有容易擴(kuò)展、安裝和維護(hù) 的特點(diǎn)。Eucalyptus能夠工作在Linux/Ubuntu,Red Hat Enterprise Linux,CentOS等多種操作系統(tǒng)上，并且支持VMware, Xen和KVM hypervisors等虛擬化技術(shù),幫助用戶搭建所需的云基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)[4-5]。

　　1.2 KVM虛擬化

　　KVM(Kernel-based Virtual Machine)是由以色列的一個(gè)開(kāi)源組織Qumranet所開(kāi)發(fā)，是一種開(kāi)源的系統(tǒng)虛擬化模塊[6]。從LinuxV2.6.20版起KVM內(nèi)嵌在Linux內(nèi)核中，將 Linux 主機(jī)變成一個(gè)虛擬機(jī)監(jiān)視器，使它擁有本地虛擬化能力，能夠方便地使用Linux內(nèi)核提供的內(nèi)存管理、多處理器支持等功能，易于實(shí)現(xiàn)。KVM是采用基于x86硬件虛擬化技術(shù)，可以運(yùn)行在Intel VT-x和AMD SVM所支持的設(shè)備上[7]。KVM的虛擬化實(shí)現(xiàn)是采用宿主機(jī)(Host based)模型,并提供了一個(gè)虛擬化框架，需要QEMU作為平臺(tái)虛擬化的協(xié)助工具，能夠?qū)μ幚砥鳌@卡、磁盤(pán)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等外設(shè)虛擬成完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。另外，KVM還需使用Libvirt管理虛擬機(jī)、API庫(kù)、deamon和virsh命令行工具協(xié)同工作，才能完全實(shí)現(xiàn)云計(jì)算平臺(tái)的虛擬化工作[8-9]。

2 實(shí)驗(yàn)云拓?fù)湓O(shè)計(jì)

　　在Eucalyptus的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，云控制器是整個(gè)Eucalyptus系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)高層次的資源調(diào)度。Walrus是一個(gè)類似于Amazon S3的存儲(chǔ)服務(wù)，用于存儲(chǔ)虛擬機(jī)映像和用戶數(shù)據(jù)。集群控制器是一個(gè)集群的前端，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)一個(gè)集群內(nèi)的計(jì)算資源，并且管理集群內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)流量。存儲(chǔ)控制器是一個(gè)與Amazon EBS類似的存儲(chǔ)塊設(shè)備，可以用來(lái)存儲(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)控制器是最終的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，通過(guò)調(diào)用操作系統(tǒng)層的虛擬化技術(shù)來(lái)啟動(dòng)和關(guān)閉虛擬機(jī)[10]。在同一個(gè)集群內(nèi)的所有計(jì)算節(jié)點(diǎn)必須在同一個(gè)子網(wǎng)內(nèi)。在一個(gè)集群內(nèi)通常需要部署一臺(tái)存儲(chǔ)服務(wù)器，為該集群內(nèi)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)。

　　根據(jù)Eucalyptus的體系設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)(實(shí)訓(xùn))中心現(xiàn)有的設(shè)備資源，將云控制器和Walrus部署到一臺(tái)服務(wù)器上作為實(shí)驗(yàn)云的控制中心；集群控制器和存儲(chǔ)器安裝到一臺(tái)服務(wù)器上作為實(shí)驗(yàn)云的集群管理中心；每個(gè)接入節(jié)點(diǎn)由4臺(tái)高性能工作站組成，并在每臺(tái)工作站上實(shí)施KVM虛擬化，安裝需要的多個(gè)VM(Virtual Machines)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)(實(shí)訓(xùn))中心的任何一臺(tái)PC都可以作為客戶端訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)云上的虛擬實(shí)例，進(jìn)行相關(guān)的業(yè)務(wù)操作。實(shí)驗(yàn)云的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，云的所有組成部分均部署在同一個(gè)局域網(wǎng)中，便于實(shí)驗(yàn)員對(duì)云平臺(tái)的管理維護(hù)和安全控制。

3 實(shí)驗(yàn)云實(shí)現(xiàn)

　　3.1 Eucalyptus平臺(tái)搭建

　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)云網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)IP地址規(guī)劃，合理分配設(shè)備需要的IP地址，具體的分配如表1所示。

　?。?）系統(tǒng)安裝

　　為控制中心、集群管理和接入節(jié)點(diǎn)的服務(wù)器安裝Ubunutu Server系統(tǒng)。在控制中心的服務(wù)器上安裝云控制器和Walrus模塊，集群管理的服務(wù)器上安裝cluster controller和strorage controller模塊。每臺(tái)接入節(jié)點(diǎn)的工作站除了安裝Node節(jié)點(diǎn)模塊外，還需安裝bridge-util、kvm和openssh-server3個(gè)額外的軟件包。bridge-util用于建立網(wǎng)橋，kvm用于VM管理，openssh-server為Node提供ssh服務(wù)。

　　在安裝的過(guò)程中需要設(shè)置好云控制器的主機(jī)名稱、虛擬機(jī)內(nèi)網(wǎng)模式、網(wǎng)段、子網(wǎng)掩碼和DNS以及集群管理的cluster name等參數(shù)內(nèi)容。在Node系統(tǒng)中需要配置以太網(wǎng)接口為橋接模式，所有的VM系統(tǒng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)接口將接入到這個(gè)橋上，使用“sudo passwd <password>”命令設(shè)置臨時(shí)的Eucalyptus用戶密碼方便接入節(jié)點(diǎn)與控制中心建立連接。

　　（2）系統(tǒng)模塊注冊(cè)

　　在控制中心的云控制器中需要對(duì)Walrus、Cluster Controller和Strorage Controller進(jìn)行注冊(cè)，實(shí)現(xiàn)云控制器與各個(gè)模塊的連接。具體實(shí)現(xiàn)命令如下。

　　euca_conf --register-walrus 10.34.35.10

　　euca_conf --register-cluster ClusterAIBLab 10.34.35.11

　　euca_conf --register-sccluster 10.34.35.11

　　注冊(cè)成功后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)這3個(gè)模塊的服務(wù)。然后需要注冊(cè)Node節(jié)點(diǎn)，Node用于運(yùn)行VM實(shí)例。先配置云控制器與Node的時(shí)間同步，利用“sudo -u eucalyptus ssh-copy-id -i，eucalyptus/.ssh/id_rsa.pub，eucalyptus@10.34.35.12”命令將ssh公鑰傳輸?shù)礁鱾€(gè)Node中。在Node中啟動(dòng)Eucalyptus-nc服務(wù)后，控制中心的云控制器執(zhí)行“euca_conf --register-nodes 10.34.35.12”命令，依次找到云拓?fù)渲?個(gè)Node節(jié)點(diǎn)的計(jì)算機(jī)并進(jìn)行注冊(cè)。

　　（3）系統(tǒng)配置

　　在控制中心的服務(wù)器瀏覽器中輸入“https://10.34.35.10:8443”地址，進(jìn)入云控制器平臺(tái)下載(x509)安全證書(shū)，運(yùn)行Eucalyptus系統(tǒng)。第一次登錄時(shí)利用系統(tǒng)提供的默認(rèn)用戶名和密碼(均為admin)進(jìn)入系統(tǒng)，更改管理員密碼、設(shè)置管理員的電子郵件地址、確認(rèn)云控制器主機(jī)的IP和查看各個(gè)注冊(cè)模塊。為了便于用戶管理云平臺(tái)的虛擬機(jī)映像文件(EMI)資源，需要在服務(wù)器上安裝EC2 API and AMI管理工具。利用AMI管理工具上載Eucalyptus系統(tǒng)默認(rèn)的Linux系統(tǒng)鏡像系統(tǒng)實(shí)例和綁定AMI-ID等，借助EC2工具進(jìn)行虛擬機(jī)映像實(shí)例管理。所有連接到控制中心的客戶端必須下載安裝（x509）安全證書(shū)才能使用實(shí)驗(yàn)云的各種資源。

　　3.2 VM鏡像制作

　　完成Eucalyptus實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)的搭建工作后需要向云平臺(tái)添加鏡像系統(tǒng)，通過(guò)鏡像的實(shí)例化(系統(tǒng)虛擬化)為用戶提供科研服務(wù)和實(shí)驗(yàn)服務(wù)。利用Win2008R2的ISO安裝文件在KVM中創(chuàng)建接入節(jié)點(diǎn)需要的VM，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

　　（1）創(chuàng)建虛擬系統(tǒng)

　　在接入節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)下創(chuàng)建存放鏡像文件需要的目錄，命名為virtualsys。使用“$dd if=/dev/zero of=~/virtualsys/ windows.win2008.img bs=1M count=20000”命令創(chuàng)建一個(gè)文件大小為20 GB的Windows Server 2008虛擬機(jī)磁盤(pán)文件。執(zhí)行“qemu-kvm -drive file= ~/virtualsys//windows.win2008.img，If=scsi,boot=on -cdrom Win2008R2.iso -m 1024 -boot d”命令進(jìn)行系統(tǒng)安裝，Win2008在qume的環(huán)境下完成安裝后進(jìn)行遠(yuǎn)程桌面配置和建立遠(yuǎn)程桌面用戶。

　　（2）創(chuàng)建ramdisk文件

　　安裝syslinux并在/usr/lib/syslinux目錄下找到memdisk文件，將其復(fù)制到~/virtualsys目錄下。利用“$dd if=/dev/zero of=~/virtualsys/win28-boot.img bs=512 count=2880”命令創(chuàng)建floppy鏡像文件win28-boot.img。重啟Win2008虛擬機(jī)，將floppy加載到虛擬機(jī)中。進(jìn)入Windows Server 2008系統(tǒng)，為C盤(pán)下的boot.ini文件添加Windows系統(tǒng)啟動(dòng)信息，然后將ntldr、ntdetect.com、sym_hi.sys和boot.ini文件復(fù)制到已經(jīng)格式化的floppy中。復(fù)制后將floppy中的sym_hi.sys改名為Ntbootdd.sys，完成Win2008虛擬機(jī)啟動(dòng)引導(dǎo)盤(pán)制作。

　?。?）上傳虛擬鏡像

　　memdisk對(duì)應(yīng)kernel，win28-boot.img對(duì)應(yīng)ramdisk，windows.win2008.img對(duì)應(yīng)rootfs，分別將這3個(gè)文件進(jìn)行上傳，并同時(shí)利用“euca-bundle-image -i”命令將rootfs與kernel和ramdisk綁定，完成接入節(jié)點(diǎn)的VM創(chuàng)建。

　　3.3 啟動(dòng)VM實(shí)例

　　鏡像上傳后，在云控制中使用“euca-describe-images”命令查看虛擬機(jī)是否已經(jīng)成功。上傳后進(jìn)行鏡像實(shí)例注冊(cè)，開(kāi)放22端口并以規(guī)劃好的VM地址段分配IP，系統(tǒng)會(huì)為每個(gè)鏡像實(shí)例分配一個(gè)“emi-ID”編號(hào)，通過(guò)執(zhí)行“euca-run-instances -t c1.large emi-ID”命令，依次啟動(dòng)Eucalyptus中的鏡像實(shí)例。

　　在云控制器中執(zhí)行“watch -n5 euca-describe-instances”命令查看虛擬機(jī)實(shí)例的運(yùn)行情況，如圖2所示。為了便于對(duì)VM的管理，在接入節(jié)點(diǎn)上安裝了KVM的圖形管理工具軟件，如圖3所示。根據(jù)虛擬系統(tǒng)管理軟件可以幫助實(shí)驗(yàn)員查看虛擬實(shí)例的運(yùn)行情況，掌握實(shí)例對(duì)資源的占用情況，便于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)實(shí)例。

　　實(shí)驗(yàn)（實(shí)訓(xùn)）中心的客戶端可以使用“$ rdesktop -u username -p passwd 172.16.1.3 -f”命令遠(yuǎn)程登錄IP地址為172.16.1.3的接入節(jié)點(diǎn)上的一臺(tái)運(yùn)行中的VM系統(tǒng)。

　　3.4 防火墻配置

　　為保證實(shí)驗(yàn)(實(shí)訓(xùn))中心的客戶端與實(shí)驗(yàn)云上的VM能夠互相訪問(wèn)，需要對(duì)Eucalyptus的包過(guò)濾系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。

　　在iptables包過(guò)濾防火墻中先清除原則的規(guī)劃，然后添加允許INPUT和FORWARD鏈規(guī)則，用于向內(nèi)和向外轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，并設(shè)置172.16.1.3~254的網(wǎng)段都能通過(guò)控制中心的eth0（連接外網(wǎng)）接口向外發(fā)送數(shù)據(jù)包。另外，還需要設(shè)置校園網(wǎng)用戶對(duì)實(shí)驗(yàn)云上的VM服務(wù)器的訪問(wèn)，以訪問(wèn)IP為172.16.1.3的網(wǎng)站服務(wù)器為例，在iptables中添加如下命令：

　　iptables -t nat -a PREROUTING -i eth0 -p tcp -m tcp -dport 22 -j DNAT -to-destination 172.16.1.3:22

　　iptables -t nat -a PREROUTING -i eth0 -p tcp -m tcp -dport 8089 -j DNAT -to-destination 172.16.1.3:8089

　　執(zhí)行以上兩條命令后，校園網(wǎng)的客戶端用戶可以訪問(wèn)到實(shí)驗(yàn)（實(shí)訓(xùn)）中心的網(wǎng)站服務(wù)器實(shí)例。

　　本文通過(guò)對(duì)開(kāi)源云計(jì)算產(chǎn)品的研究，選擇Eucalyptus作為實(shí)驗(yàn)云計(jì)算的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。利用Eucalyptus的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)云的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在各個(gè)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)上安裝所需的操作系統(tǒng)，注冊(cè)各個(gè)組成模塊和配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；然后利用KVM虛擬化技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)云的鏡像系統(tǒng)制作、上傳、綁定和啟動(dòng)實(shí)例；最后配置云平臺(tái)的iptables包過(guò)濾防火墻，實(shí)現(xiàn)校園網(wǎng)用戶對(duì)實(shí)驗(yàn)云上運(yùn)行實(shí)例的訪問(wèn)，完成實(shí)驗(yàn)云計(jì)算平臺(tái)的搭建。未來(lái)的研究重點(diǎn)是利用已搭建好的實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室虛擬桌面系統(tǒng)和建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，拓展實(shí)驗(yàn)云的服務(wù)提供能力，更好地解決校園用戶與實(shí)驗(yàn)室資源的供需問(wèn)題。

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