首師大虛擬化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)解決方案

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強(qiáng)大、靈活、高效

首都師范大學(xué)基于AMD雙核皓龍TM 計(jì)算平臺(tái)搭建新一代實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

為了能夠讓學(xué)生掌握實(shí)用的IT技術(shù)，我校在培養(yǎng)計(jì)算機(jī)人才時(shí)非常注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)。開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)離不開(kāi)由各種硬件設(shè)備構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由于教學(xué)資金有限，我們?cè)诖蛟鞂?shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)時(shí)不僅要考慮先進(jìn)性的問(wèn)題，還要兼顧如何讓有限的資金發(fā)揮出最大的價(jià)值。最近我們基于AMD強(qiáng)大的雙核計(jì)算技術(shù)，僅利用一臺(tái)服務(wù)器和一套虛擬軟件，就以非常經(jīng)濟(jì)的投入搭建出了一個(gè)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)不僅能夠以簡(jiǎn)單的方式模擬出各種IT環(huán)境，高效地支持各學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而且能夠更好地支持我們科研工作的開(kāi)展，該平臺(tái)的建成使得我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在實(shí)踐和理論上都向前邁進(jìn)了一大步。

首都師范大學(xué)信息工程學(xué)院――孫衛(wèi)真副研究員

首都師范大學(xué)：注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)實(shí)用人才、

強(qiáng)化實(shí)用型人才的培養(yǎng)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力、適應(yīng)能力、學(xué)習(xí)能力和自主創(chuàng)新能力，是解決目前我國(guó)大學(xué)生就業(yè)難問(wèn)題的有效途徑。從2005年開(kāi)始，北京市教委按照教育部部署要求，開(kāi)始面向計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息、物理和生物等多個(gè)學(xué)科，推廣實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的建設(shè)。作為北京市屬重點(diǎn)高校，首都師范大學(xué)一直注重對(duì)實(shí)用型人才的培養(yǎng)，在北京市教委的指導(dǎo)下，首都師范大學(xué)近年來(lái)不斷加大對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的投入，建設(shè)了多個(gè)面向教學(xué)實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)室，取得了非常突出的成績(jī)。2006年，首都師范大學(xué)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室因師資雄厚、設(shè)備齊全，以及教學(xué)成效顯著，被北京市教委評(píng)為“北京市計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”。

孫衛(wèi)真副研究員是首都師范大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人之一，他在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)上擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。他說(shuō)：“經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室建設(shè)上主要積累了兩條心得：第一是物盡其用。盡管近年來(lái)學(xué)校和政府對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的投入不斷增加，但相對(duì)于不斷增加的學(xué)生數(shù)量和課程數(shù)量來(lái)說(shuō)，教學(xué)資金還是有限的，在這種情況下就必須要注重合理支配預(yù)算，盡量購(gòu)買那些性價(jià)比高、生命周期長(zhǎng)和易于維護(hù)的設(shè)備，從而讓資金和設(shè)備都能得到充分的利用;二是適度超前。在合理利用資金的前提下，要想讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)取得更好的效果，就要注重適度引入一些先進(jìn)的軟硬件產(chǎn)品，搭建符合IT發(fā)展趨勢(shì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。這種適度超前的平臺(tái)一方面可以給教師的科研工作提供有力的支持，讓教師不斷地更新知識(shí)儲(chǔ)備。另一方面則可讓學(xué)生了解IT技術(shù)發(fā)展的動(dòng)態(tài)，讓他們的學(xué)習(xí)更能夠契合而不是滯后于時(shí)代的發(fā)展。”

面臨挑戰(zhàn)：建設(shè)強(qiáng)大、靈活、高效的新一代實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的探索是沒(méi)有盡頭的，為了能夠讓實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)更好地滿足現(xiàn)代教育和IT技術(shù)發(fā)展的要求，2007年底首都師范大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室在“物盡其用”和“適度超前”兩大原則的指引下，決定引入前沿的虛擬技術(shù)，建設(shè)更為強(qiáng)大、靈活和高效的新一代實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

應(yīng)用虛擬技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵前提是必須擁有性能強(qiáng)大的服務(wù)器，為了確保虛擬的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)能夠順利建成，首都師范大學(xué)對(duì)服務(wù)器的選型明確提出了三點(diǎn)具體要求。

一、擁有先進(jìn)的計(jì)算機(jī)架構(gòu)，具備強(qiáng)大的處理能力

首都師范大學(xué)要求即將引入的服務(wù)器，無(wú)論是在主板設(shè)計(jì)上，還是在處理器、內(nèi)存、硬盤和網(wǎng)卡等主要部件上，都必須采用先進(jìn)的技術(shù)。尤其是在關(guān)鍵部件處理器上，首都師范大學(xué)要求即將引入的服務(wù)器必須支持多路多核處理器，并且所采用的處理器必須在硬件層面上高度支持虛擬技術(shù)，從而確?？梢蕴峁?qiáng)大的并行數(shù)據(jù)處理能力，能夠在根本上支撐虛擬系統(tǒng)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

二、支持64位計(jì)算，易于升級(jí)

內(nèi)存不足將嚴(yán)重影響虛擬系統(tǒng)的性能，并會(huì)直接限制虛擬機(jī)的數(shù)量，為了能夠盡可能地?cái)U(kuò)展內(nèi)存的空間，首都師范大學(xué)要求即將引入服務(wù)器的處理器必須支持64位帶寬的計(jì)算，能夠突破傳統(tǒng)的4GB內(nèi)存限制，可以做到輕松升級(jí)，可以讓服務(wù)器部署更多的虛擬機(jī)，讓每臺(tái)虛擬機(jī)可以處理更多的事務(wù)。

三、價(jià)格經(jīng)濟(jì)，長(zhǎng)期擁有成本低

為了充分利用教學(xué)資金，首都師范大學(xué)要求必須選用性價(jià)比高的服務(wù)器。由于多路服務(wù)器的整體價(jià)格在很大程度上是由處理器的價(jià)格決定的，因此首都師范大學(xué)要求盡可能選用那些性能強(qiáng)大、價(jià)格經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行穩(wěn)定、能耗低的處理器，這樣不僅可以降低初始的購(gòu)買成本，而且能夠控制長(zhǎng)期的擁有的成本。

解決方案：引入AMD多核計(jì)算技術(shù)，搭建高性能的虛擬化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

經(jīng)過(guò)廣泛考察與審慎篩選，首都師范大學(xué)最終決定引入基于AMD雙核皓龍TM 處理器的戴爾PE6950服務(wù)器，以及VMware公司的虛擬化軟件，打造新一代的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

● 軟硬件配置

在服務(wù)器的硬件配置上，首都師范大學(xué)為戴爾PE6950服務(wù)器配備了4顆AMD雙核皓龍TM 處理器2218、32GB內(nèi)存和5塊300GB的SAS硬盤。

在軟件方面，首都師范大學(xué)采用了VMware公司的Infrastructure 3.0套件。具體包括Virtual Center 3管理工具、ESX Server 3、Distributed Resource Scheduler、High AvailaBIlity和Consolidated Backup等軟件產(chǎn)品。

● 應(yīng)用與部署情況

利用AMD雙核皓龍TM 處理器的強(qiáng)大計(jì)算能力，首都師范大學(xué)運(yùn)用VMware ESX虛擬化軟件將PE6950服務(wù)器虛擬成多個(gè)基礎(chǔ)應(yīng)用平臺(tái)，這些基礎(chǔ)應(yīng)用平臺(tái)的數(shù)量和性能可以根據(jù)教學(xué)需要隨時(shí)變化。結(jié)合實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的具體內(nèi)容，虛擬的應(yīng)用平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要可發(fā)揮以下三方面作用。

第一，基礎(chǔ)練習(xí)。利用戴爾PE6950服務(wù)器的強(qiáng)大性能，教師在實(shí)驗(yàn)課中可根據(jù)學(xué)生的數(shù)量多少劃分出相應(yīng)的虛擬機(jī)，并給每個(gè)學(xué)生都分配一臺(tái)虛擬化的服務(wù)器，讓學(xué)生在其上實(shí)踐所學(xué)的各種計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)，比如安裝Unix、Linux、Solaris和windows等不同的操作系統(tǒng)，進(jìn)行應(yīng)用軟件的配置和優(yōu)化等等;第二，應(yīng)用提升。利用虛擬系統(tǒng)可以自由分割、隨意組合的特點(diǎn)，教師在實(shí)驗(yàn)課中可將不同的系統(tǒng)，包括DNS系統(tǒng)、網(wǎng)站系統(tǒng)、防火墻系統(tǒng)和安全證書等安裝在相互獨(dú)立的虛擬機(jī)中，再組合成一個(gè)功能齊全的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境，讓學(xué)生以身臨其境的方式，深入探尋IT網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作規(guī)律;第三，開(kāi)拓視野。教師可以因材施教，給學(xué)習(xí)得比較深入的學(xué)生分配多個(gè)虛擬機(jī)，讓其將自己編寫的各種程序放在不同的操作系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行調(diào)試，或讓其在虛擬的異構(gòu)平臺(tái)上模擬各種應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，使其實(shí)踐能力和視野得到進(jìn)一步的提高。

除了支持實(shí)驗(yàn)教學(xué)外，新一代的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)在支持科研上也發(fā)揮了重要的作用。由于AMD雙核皓龍TM 處理器性能強(qiáng)大，多顆處理器協(xié)同工作更是計(jì)算能力驚人，因此首都師范大學(xué)的很多科研項(xiàng)目在遷移到AMD雙核皓龍TM 計(jì)算平臺(tái)上后，項(xiàng)目的進(jìn)程都得以大大加快。

首都師范大學(xué)IT教學(xué)實(shí)驗(yàn)課虛擬化平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖如下：

總體效果：成本節(jié)省一半，效率提高一倍

2007年12月，首都師范大學(xué)順利地完成了新一代實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的部署。截至目前，由AMD雙核皓龍TM 2218處理器所支撐的新一代實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)了3個(gè)多月。在過(guò)去的3個(gè)月中，AMD雙核皓龍TM 處理器與虛擬軟件密切配合，展示出了強(qiáng)大的性能，靈活高效地支持了實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的順利開(kāi)展，得到了首都師范大學(xué)教師和學(xué)生的高度認(rèn)可。

首都師范大學(xué)孫衛(wèi)真副研究員介紹說(shuō)：“選用AMD雙核皓龍TM 處理器和虛擬化解決方案讓我們極大地降低了建設(shè)成本，我們估算了一下，與傳統(tǒng)的基于多臺(tái)服務(wù)器的建設(shè)方案比，在提供同樣性能的前提下，我們所采用的這種基于AMD雙核皓龍TM 處理器的虛擬化解決方案最少能夠節(jié)省50%-60%的建設(shè)成本;除了節(jié)省成本外，基于AMD雙核皓龍TM 處理器的虛擬化解決方案的更大價(jià)值在于其提供了更為強(qiáng)大、靈活和高效的教學(xué)支撐能力。由于設(shè)備利用率和系統(tǒng)資源調(diào)配能力都得到了極大的改善，我們發(fā)現(xiàn)利用該解決方案開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率至少比以前提高一倍以上?！?/P>

談及最初之所以選擇AMD雙核皓龍TM 處理器的原因，孫衛(wèi)真副研究員介紹說(shuō)：“多核計(jì)算是未來(lái)計(jì)算技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)，在多核計(jì)算技術(shù)上，我們發(fā)現(xiàn)AMD走得更為靠前。AMD雙核皓龍TM 處理器采用的是直連架構(gòu)，每個(gè)計(jì)算核心都擁有獨(dú)立的高速緩存，處理器內(nèi)部集成了內(nèi)存控制器，這些創(chuàng)新的設(shè)計(jì)能夠有效地緩解前端總線架構(gòu)的系統(tǒng)瓶頸問(wèn)題，可以支持更快的I/O傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)更好地系統(tǒng)資源共享?？偟目磥?lái)，AMD雙核皓龍TM 處理器能夠提供更為強(qiáng)大的性能，尤其是在浮點(diǎn)運(yùn)算上，AMD雙核皓龍TM 處理器的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)得更為明顯，這一點(diǎn)我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中已經(jīng)有了非常深刻的體會(huì)?！?/P>

“除了技術(shù)更為先進(jìn)外，我們選擇AMD雙核皓龍TM 處理器的另一個(gè)重要原因是它對(duì)虛擬技術(shù)提供了很好的支持。比如它的AMD-V(AMD Virtualization)技術(shù)與直連架構(gòu)相結(jié)合，能夠提供增強(qiáng)的虛擬化性能。又如它所集成的內(nèi)存控制器提高了虛擬化性能，可以有效地隔離虛擬機(jī)內(nèi)存。我們相信，這些底層的硬件技術(shù)能夠確保我們虛擬系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，能夠讓我們充分體驗(yàn)到虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的強(qiáng)大、靈活和高效?！?/P>