基于xen的开放式半虚拟化集群linux实验教学环境建设探索

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1、基于Xen的开放式半虚拟化集群Linux实验教学环境建设探索　　摘要：针对传统Linux实验教学环境存在的系统难以维护、无法为学生提供ROOT权限等问题，通过使用基于Xen的半虚拟化技术，构建了开放式的集群Linux实验教学环境。在这个实验教学环境中，教师可通过基于Web的操作界面进行管理，学生可通过基于VNC的图形界面进行实验及与教师进行实时交互，管理员还可通过Xen的虚拟机动态迁移功能实现集群系统的负载均衡。大大降低了学生操作的难度，增进了实验效率，提高了硬件设备的利用率。　　关键词：Linux虚拟化

2、技术Xen集群系统　　1Linux实验教学现状及所存在的问题　　为适应Linux快速发展对于技术人才的迫切需求，各高校纷纷开设了与Linux相关的技术课程[1]。但各高校现有与之配套的Linux实验教学环境，由于教学经费投入的限制和实验室条件的制约，大部分存在一些问题[2]。目前与Linux相关的课程，如操作系统、网络管理与工具、Linux内核分析与开发等，很多配套实验涉及以ROOT权限修改操作系统核心模块及配置文档难以恢复的问题。大部分高校的实验室为了管理方便，使用保护卡保护机器中的操作系统，并禁止学生

3、获得系统的ROOT权限，极大地制约了Linux实验教学的开展。作为一种折中解决方法，有些高校鼓励学生在自己的桌面机上安装Linux系统以完成实验。但Linux的安装和配置对于不熟悉Linux的学生来说是很大的挑战。安装和配置中的挫折会极大地打击学生学习Linux的积极性。为解决当前Linux实验教学存在的问题，笔者探索建设一种基于Xen的开放式半虚拟化集群Linux实验教学环境。　　2Linux平台虚拟化技术及Xen简介　　虚拟化技术对用户隐藏了真实的计算机硬件，表现出另一个抽象计算平台。通过虚拟化技术，

4、在单个真实服务器上可以运行多个虚拟操作系统，从而更加有效地利用底层的硬件资源。Linux平台上的虚拟化技术可分为以下四大类：　　（1）完全虚拟化技术。虚拟机模拟出一个能让客户操作系统独立运行的虚拟硬件平台，完全虚拟化技术不需要修改客户操作系统，但客户操作系统的运行效率较差，不适于大规模高强度的应用。　　（2）硬件辅助虚拟化技术。这是一种利用硬件支持实现的能让客户操作系统独立运行的虚拟化技术，与完全虚拟化技术相比，它能提高客户操作系统的运行效率。　　（3）半虚拟化技术。虚拟机提供了一个类似于底层硬件平台的软

5、件接口供客户操作系统使用，只有针对这个软件接口定制的客户操作系统才能在虚拟机上运行。基于半虚拟化技术的客户操作系统运行效率相当高，适用于大规模高强度的应用。　　（4）操作系统层虚拟化技术。客户操作系统和承载虚拟机的真实服务器共享同一个操作系统核心，能获得接近于在真实硬件环境下的运行效率。但这种技术对于客户操作系统和真实服务器都有严苛的要求，局限性较大。　　Linux平台上的完全虚拟化软件包括VMWareWorkstation和免费开源的Virtualbox；Linux内核支持的Kvm实现了硬件辅助虚拟化；

6、Xen同时支持硬件辅助虚拟化和半虚拟化技术；Linux平台上的操作系统层虚拟化软件有OpenVZ。　　我们采用基于Xen的半虚拟化技术构建开放式集群Linux实验教学环境。Xen是由剑桥大学开发的开放源代码的虚拟软件，通过修改Linux内核，在真实硬件设备之上加入了一个Hypervisor层。真实服务器上的操作系统（称为dom0）以及所有虚拟机上的操作系统（称为domU）都运行在Hypervisor层之上，如图1所示。Xen从2003年发布至今，经历了多个版本的演化，已经非常成熟稳定，得到了IBM，HP，

7、Intel，RedHat，Oracle等大公司的支持。基于Xen的半虚拟化技术，无需特殊硬件支持，就能实现高性能的虚拟化。Xen虚拟机还可以在不停止工作的情况下，在多个物理主机之间进行动态迁移，这对于实现集群系统的负载均衡，至关重要。　　图1Xen架构体系图　　3构建基于Xen的集群实验教学环境　　图2系统拓扑结构图　　计算机集群通过一组松散组成的计算机系统连接起来紧密协作完成计算工作。它对外表现为一个单独的高性能服务器，集群系统内部的单个计算机系统称之为节点，通常通过局域网连接。笔者通过把基于Xen的半

8、虚拟化系统组成集群，为学生提供了一个具有高可用性和负载均衡能力的Linux实验教学环境。其拓扑结构如图2所示。　　3.1Xen半虚拟化环境的软硬件支持　　Xen半虚拟化环境并不要求CPU支持硬件虚拟化技术，能运行于64位CPU及支持物理地址扩展（PAE）的32位CPU上。为保证Xen虚拟机能应用于多门计算机课程的实验教学，承载Xen虚拟机的真实服务器至少应配置2G以上的内存和6G以上的磁盘空间。主流的Linux企业版本，如Re