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校园实验室中小企业云计算架构方案多主机虚拟化

zhezhongyun 2025-02-03 16:04 16 浏览


多主机虚拟化

虚拟化需求

某校园大数据实验室有少量几台高性能服务器，供20多名学生使用，每个学生占用机器的时间不同，需要安装的环境不同，经常发生环境冲突及无机器可用的情况。实验室导师迫切需要将几台服务器统筹管理，从中划分出部分资源供学生独立使用互不干扰，使用完之后及时释放。

根据以上描述，需要使用到多主机虚拟化技术，得出以下虚拟化需求：

  • 有若干台物理宿主机，在宿主机上创建客户机（虚拟机）；
  • 统一入口管理客户机；
  • 客户机相互独立互不干扰，可动态的创建与销毁；
  • 客户机操作系统为常见linux或windows，方便学生上手及安装应用程序。

常见的虚拟化架构

由于我们个人一般使用windows操作系统，但很多系统运行时需要部署到linux，因此大多数人在windows上使用过VMware workstation、VirtualBox虚拟机。按实现结构分类目前流行的虚拟化架构包括

寄居虚拟化

寄居虚拟化如图所示，最底层是物理硬件，物理硬件之上是主机的操作系统，操作系统之上是VMM(virtual machine monitor,虚拟机管理器)，再往上就是虚拟机了。

在这种技术里面，虚拟机对各种物理设备（cpu、内存、硬盘等）的调用，都是通过VMM层和宿主机的操作系统一起协调才完成的。VMvare workstation和Oracle VirtualBox都是基于这种方式实现的。

优点：简单容易实现。可以充分利用现有操作系统的设备驱动程序，VMM无须为各类I/O设备重新实现驱动程序，可以专注于物理资源的虚拟化

缺点：系统损耗大，效率比较低。由于物理资源由宿主机操作系统控制，VMM得要调用宿主机操作系统的服务来获取资源进行虚拟化，而那些系统服务在设计开发之初并没有考虑虚拟化的支持，因此，VMM虚拟化的效率和功能会受到一定影响

裸机虚拟化

裸机虚拟化指的是，直接将VMM安装在硬件设备与物理硬件之间，如图所示。VMM在这种模式下又叫做Hypervisor,虚拟机有指令要执行时,Hypervisor会接管该指令，模拟相应的操作。

其虚拟机管理器即可作为一个“操作系统”，同为虚拟机管理器。实现这类虚拟化的厂商国外比较出名的有VMware Vsphere，国产自主化的有云宏CNware等。

优点：效率高。由于VMM同时具备物理资源的管理功能和虚拟化功能，因此，物理资源虚拟化的效率会更高一些

缺点：实现复杂。设备驱动开发的工作量是很大的。因此，对于Hypervisor模型来说这是个很大的挑战

混合虚拟化

混合模型是上述两种模式的汇合体。VMM依然位于最低层，拥有所有的物理资源。与Hypervisor模式不同的是，VMM 会主动让出大部分I/O设备的控制权，将它们交由一个运行在特权虚拟机中的特权操作系统控制。相应地，VMM 虚拟化的职责也被分担．处理器和内存的虚拟化依然由VMM来完成，而I/O的虚拟化则由VMM和特权操作系统共同合作来完成。

采用这种模型的典型是Xen。与Xen经常被同时提起的还有一种技术KVM（Kernel-based Virtual Machine 基于内核的虚拟机），其已经被写入Linux内核。这两种都是开源的虚拟化解决方案，而KVM社区活跃度更强。

KVM在“形式”上，属于寄居虚拟化，KVM是一种虚拟机监控器，又为“虚拟机管理器”（VMM），负责管理虚拟机（又称客户机）的创建、启动、关闭和销毁（即管理生命周期），安装在主机（即物理机）上，通过主机操作系统访问物理机的资源。

寄居虚拟化是将VMM安装在已有的主机操作系统上，而另一种虚拟化结构——裸机虚拟化，是直接把VMM安装在服务器 的硬件设备中，相当于一个操作系统。KVM是安装在Linux（操作系统）的内核中，无法绝对划归于哪一类。

思考：

工业上常用的docker容器属性哪一种虚拟化架构？

由于docker需要安装在操作系统中，然后再运行各个docker容器（小型linux操作系统），笔者认为其属于寄居虚拟化。

虚拟技术选型

  1. 根据前述虚拟化架构优缺点，结合实验室的多主机虚拟化需求。先排除寄居虚拟化（VirtualBox、VMware workstation），其无法实现多宿主机上的客户机管理。
  2. 优先考虑VMware Vsphere方案，但该方案需要高价付费授权（免费试用期60天）且安装部署复杂。
  3. 其次考虑开源的混合模型，因Xen部署更复杂（如果你需要更新Xen的版本，你需要重新编译整个内核）且Xen活跃度在下降，最终选择了写入了Linux内核、更轻量的KVM。

为什么不考虑Kubernetes (k8s)？

K8s可很方便的进行多主机集群，客户机（容器）管理，看起来很适合。

  • 用户使用虚拟机时，会安装各种各样的应用程序、上传数据，以致于虚拟机的状态不断更新。k8s的docker容器更适合无状态的虚拟机。
  • 容器不便操作，常规的容器命令行操作要通过宿主机命令行，不符合当前的使用需求。

集群管理

要实现一个可运行、可运维的KVM虚拟化解决方案，需要解决两个问题，

第一个是虚拟化技术实现问题，

第二个是集群虚拟机管理问题。

前面所介绍的内容只是解决了虚拟化技术问题，还有集群虚拟机管理问题没有解决，因此我们需要有一套KVM管理工具实现对KVM虚拟化的管理和运维。到目前为止，KVM拥有从virsh命令行工具到OpenStack云管理平台工具等一整套的开源KVM管理工具，这些工具的能力层次各有不同。

  1. 初级，“KVM+virsh”虚拟化解决方案主要是通过在/etc/libvirtd/qemu里面的“.xml”配置文件去描述每一台虚拟机的配置，然后用virsh命令行管理虚拟机，最后用VNC/SPICE按照配置好的端口链接过去，模拟终端操作。基于单机管理模式。
  2. 中级，“KVM+virt-manager”虚拟化解决方案主要是通过桌面图形化工具virt-manager直接创建、编译和管理虚拟机。使用桌面版本的 VNC/SPICE连接到KVM主机，输入“virt-manager”命令之后，自动弹出虚拟系统管理器窗口来进行创建、编译和管理虚拟机工作。这种方式仍然属于基于单机管理模式。
  3. 高级，“KVM+Web管理工具”虚拟化解决方案主要是通过Proxmox VE、WebVirtMgr、Kimchi以及oVirt等各种轻量级的Web GUI工具进行中小规模级别的虚拟机集群管理。Web GUI工具简单易用易理解，尤其是傻瓜化的Proxmox VE，更是受小白们欢迎。“KVM+Web管理工具”这种方式可以实现中小规模化的虚拟机集群管理。
  4. 超级段位，“KVM+云管理平台工具”虚拟化解决方案主要通过OpenStack、ZStack等云管理平台来管理一个或多个数据中心的所有计算资源池、存储资源池、网络资源池等硬件资源，可以实现大规模/超大规模的KVM主机管理。

第1、2套无法管理集群，第4套OpenStack 又基本需要一个 DevOps 团队才玩得转。所以作为个人或者中小团队，买了几台硬件过来，想把它变成一套小型的阿里云，腾讯云的系统，可以在 web 上创建/配置虚拟机，装系统，管理硬件资源，进行迁移备份等，基本就是第3套解决方案。

Proxmox VE

Proxmox VE（Virtual Environment）的使用很简单，很傻瓜化，深受小白们的欢迎。管理操作可以通过内嵌的Web GUI完成，不需要专门安装管理工具或基于大型数据库的管理服务器节点。多主集群架构能够让你通过任意节点管理整个集群。基于JavaScript框架（ExtJS）开发的集中Web管理界面不仅能够让你通过GUI 界面控制一切功能，而且可以浏览每个节点的历史活动和syslog日志，例如虚拟机备份恢复日志、虚拟机在线迁移日志、HA活动日志等。

WebVirtMgr

WebVirtMgr是一个基于libvirt开发的KVM管理平台，提供对宿主机和虚机的统一管理，它有别于KVM自带的图形管理工具（virtual machine manager），让KVM的管理变得更为可视化，比较合适用于小型的KVM应用场景，比如对于虚拟机在10-200之间的集群来说，采用WebvirtMgr是一种不错的选择。

Kimchi

Kimchi是一款基于HTML5的KVM管理工具，它被设计成尽可能容易使用KVM并创建虚拟机的Web工具，它通过libvirt管理KVM虚拟机。

oVirt

oVirt是Red Hat虚拟化管理平台RHEV的开源版本，利用oVirt管理KVM虚拟机和网络，企业可以快速地搭建一个私有云环境，oVirt基于Web方式进行管理，管理界面非常友好，oVirt比较适合较中小集群规模，比如虚拟机上千的集群，使用oVirt是一种不错的选择。

为快速上线，笔者选择了Proxmox VE方案。

Proxmox VE 虚拟机集群管理

为验证方案可行性，现在一台服务器上用几台VMware虚拟服务器进行测试。

proxmox服务器安装

下载

下载proxmox 最新的ISO镜像文件，

下载地址
https://www.proxmox.com/en/downloads/category/iso-images-pve选择bt种子下载Proxmox VE 7.3 ISO Installer (BitTorrent)，点击download按钮，种子下载后使用迅雷创建任务，添加BT任务

安装系统

  1. 创建VMware虚拟机
  • 创建其他 Linux 5.x 内核 64 位空白虚拟机
  • 编辑虚拟机设置，内存4g；处理器2核心
  • 勾选虚拟化引擎（虚拟化Intel VT-x或AMD-V，重要，否则Proxmox无法创建虚拟机）；
  • CD/DVD使用ISO镜像文件（选择下载的Proxmox VE镜像）；
  • 网络适配器选择自定义 特定虚拟网络 VMnet1 (仅主机模式)，该模式方便ip专用，避免ip冲突；
  1. 安装Proxmox VE系统
  • 前面步骤较为简单，选择install proxmoxve、点击下一步、设置密码邮箱等。
  • 网络设置需要注意，此处只用了一张网卡。三个服务器配置为
主机名：pve1.认证域~pve3.认证域
IP：192.168.29.11~192.168.29.13
网关：192.168.29.1
DNS默认

Hostname设置为pve1.local-pve3.local。网关192.168.29.1 ip为VMnet1虚拟网卡的ip

  • 确认之后点击install， proxmox ve系统开始安装，安装完成后自动重启

集群创建及配置

创建并加入集群

VMware中proxmox ve虚拟机启动后，输入用户名root及安装时设置的密码进入命令行

  1. 不指定网卡
  • 创建集群

在任一proxmox ve服务器（这里以192.168.29.11为例）命令行输入pvecm create clust1即可创建集群clust1

pvecm create clust1

查看集群状态


pvecm status

  • 加入集群

分别登录其他节点，执行命令：pvecm add 192.168.29.11 。如果集群中已有多台服务器，这里ip可以改成集群中任一服务器ip


pvecm add 192.168.29.11

  1. 指定网卡

proxmox ve服务器有多张网卡，可指定网卡对应的ip来创建集群

  • 创建集群

若proxmox ve服务器有两张网卡，网卡1 ip 192.168.29.11、网卡2 ip 172.10.10.11，可指定网卡2创建集群


pvecm create clust1 --link0 172.10.10.11

  • 加入集群

分别登录其他节点，执行命令：pvecm add 172.10.10.11 --link0 172.10.10.12，即加上各个节点网卡2的地址。


pvecm add 172.10.10.11 --link0 172.10.10.12

在浏览器输入
https://192.168.29.11:8006，用户名root，输入安装时设置的密码即可登录集群管理界面。最终效果如下图

退出集群

  1. 在需要退出集群的node例如pve3上停止pve-cluster 服务
systemctl stop pve-cluster.service
systemctl stop corosync.service


  1. node pve3上集群系统文件设置未本地模式


pmxcfs -l

  1. 删除 pve3 corosync 和节点配置文件
rm /etc/pve/corosync.conf
rm -rf /etc/corosync/*
rm -rf /etc/pve/nodes/*
  1. 重新启动pve3的集群文件系统服务
killall pmxcfs
systemctl start pve-cluster.service


  1. 安全删除节点：
  • 登陆其它正常节点pve1或pve2，查看所有的节点：


pvecm nodes
  • 删除目标节点


pvecm delnode pve3

创建虚拟机

接下来我们将在Proxmox VE服务器上安装虚拟机

虚拟机安装

先实现最简单的虚拟机安装方式，直接通过Proxmox VE服务器的本地存储的ISO镜像安装虚拟机。

  1. 下载Linux的安装镜像文件，此处以Centos7为例，下载地址 清华大学开源软件镜像站 | https://mirrors4.tuna.tsinghua.edu.cn/centos/7.9.2009/isos/x86_64/CentOS-7-x86_64-DVD-2009.iso
  2. 上传iso镜像到proxmox ve某个节点的local存储
  • 浏览器输入https://192.168.29.11:8006 账号root，输入安装时设置的密码登录
  • 选择节点下的local树形节点——点击ISO镜像菜单——点击上传按钮——点击选择文件，选择刚下载好的centos镜像
  1. 上传完iso镜像后点击右上角“创建虚拟机”

常规——输入虚拟机名称，其他保持默认

操作系统——存储默认local、类别Linux、ISO镜像选择刚上传的Centos7 iso镜像、版本选择5.x - 2.6 Kernel

系统——保持默认

磁盘——保持默认

CPU——保持默认

内存——保持默认

网络——保持默认

确认——勾选创建后启动，点击完成按钮

  1. 安装虚拟机操作系统
  • 点击centos7虚拟机——选择控制台——进入控制台后按向上光标选择“Install CentOS 7” 启动安装引导程序
  • 启动安装引导后等待一段时间，选择安装语言中文-简体中文
  • 安装信息摘要设置

必须：选择安装位置

可选：软件选择，此次安装为加快速度采用最小安装

点击安装位置进入安装目标位置选择界面，保持默认直接点击完成即可

回到安装摘要信息，点击开始安装按钮即可开始安装

  • 开始安装后，点击ROOT密码设置，为ROOT用户设置密码

设置密码，点击完成按钮，若密码过于简单则多点击几次完成按钮

  • 等待虚拟机安装完成
  • 重启虚拟机，等待一段时间，虚拟机重启后在控制台输入账号root、密码进入虚拟机命令行即可开始操作虚拟机

虚拟机网络配置

虚拟机自动桥接了proxmox ve服务器的网卡，默认自动获取ip，改成静态ip

  1. 编辑网卡配置，在虚拟命令行输入


vi /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-eth0

修改BOOTPROTO-获取ip方式dhcp改成static，ONBOOT-自启动no改成yes，增加静态ip、网关（同proxmox ve服务器的网关一样——VMnet1的ip）、DNS的配置，最终配置如下

TYPE=Ethernet
PROXY_METHOD=none
BROWSER_ONLY=no
BOOTPROTO=static
DEFROUTE=yes
IPV4_FAILURE_FATAL=no
IPV6INIT=yes
IPV6_AUTOCONF=yes
IPV6_DEFROUTE=yes
IPV6_FAILURE_FATAL=no
IPV6_ADDR_GEN_MODE=stable-privacy
NAME=eth0
UUID=e486fd6c-e8c4-424d-9584-8d8bbec01c2f
DEVICE=eth0
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.29.111
NETMASK=255.255.255.0
GATEWAY=192.168.29.1
DNS1=8.8.8.8


:wq保存

  1. 重启虚拟机网卡


systemctl restart network

集群外机器即可通过虚拟机ip访问虚拟机。也可通过xshell等工具直接ssh连接虚拟机。

扩展安装（可选）

多服务器共享目录NFS（可选）

NFS 网络文件系统，英文Network File System，多个Proxmox VE服务器组建集群后，ISO镜像、备份文件等需在各个服务器间共享，前述虚拟机安装的local iso只能在当前服务器上使用，集群中其他服务器不可使用，因此可以创建NFS服务，NFS可安装到单独的服务器也可安装在集群中的某个节点上，此处以安装到pve3节点举例。

  1. 配置安装源
  • 修改/etc/apt/sources.list.d/pve-enterprise.list文件，注释其中的配置


#deb https://enterprise.proxmox.com/debian/pve bullseye pve-enterprise
  • 修改/etc/apt/sources.list文件，注释原来的配置，增加中科大的安装源
# 中科大源
deb http://mirrors.ustc.edu.cn/debian bullseye main contrib non-free
deb http://mirrors.ustc.edu.cn/debian bullseye-updates main contrib non-free
#deb http://ftp.debian.org/debian bullseye main contrib
#deb http://ftp.debian.org/debian bullseye-updates main contrib
# security updates
#deb http://security.debian.org bullseye-security main contrib


  • 应用源的更新


apt-get update

  1. 安装nfs服务


apt-get install nfs-common nfs-kernel-server -y
  1. 创建共享目录
mkdir -p /data/share/pve
chmod 777 /data/share
chmod 777 /data/share/pve


  1. 修改/etc/exports文件，增加共享的目录内容


/data/share *(rw,sync,insecure,no_root_squash)

  1. 启动nfs服务


systemctl restart nfs-server.service
  1. 检查nfs是否成功


showmount -e

输出以下结果

Export list for pve3:
/data/share *


  1. 集群中添加NFS
  • 选中数据中心——存储——添加按钮——NFS
  • 添加NFS，输入ID、服务器192.168.29.13、选择Export，点击添加按钮完成NFS创建
  • 创建后效果如下
  • 可在NFS中上传ISO镜像，创建虚拟机时除了从local选择ISO镜像，也可从NFS选择镜像

选中share——ISO镜像——上传按钮——选择文件——点击上传

上传完ISO到NFS后，创建虚拟机时可以从NFS选择ISO镜像

Ceph分布式文件系统安装（可选）

Ceph以其先进的去中心化设计，成为了分布式块存储领域的佼佼者，它可以将多台服务器中的硬盘聚合成一个集群，对外可提供文件存储、块存储、对象存储等多种形式，Ceph的另一个特点是数据采用多副本方式存储，避免由于单点故障造成的业务中断和数据丢失。

一个 ceph 集群的组成部分：若干的 Ceph OSD（对象存储守护程序） 至少需要一个 Ceph Monitors 监视器（1,3,5,7…） 两个或以上的 Ceph 管理器 managers，运行 Ceph 文件系统客户端是 还需要高可用的 Ceph Metadata Server(文件系统元数据服务器)。

  • RADOS cluster:由多台 host 存储服务器组成的 ceph 集群
  • OSD(Object Storage Daemon)：每台存储服务器的磁盘组成的存储空间
  • Mon(Monitor)：ceph 的监视器,维护 OSD 和 PG 的集群状态，一个 ceph 集群至少要有一个 mon，可以是一三五七等等这样的奇数个。
  • Mgr(Manager)：负责跟踪运行时指标和 Ceph 集群的当前状态，包括存储利用率，当前性 能指标和系统负载等。

这里我们通过Proxmox VE的管理WEB界面集群管理进行Ceph创建，要在每个节点上安装ceph。

  1. 增加Ceph源

修改所有proxmox VE服务器 /etc/apt/sources.list，增加ceph源

#ceph更新源
deb https://mirrors.ustc.edu.cn/proxmox/debian/pve buster pve-no-subscription
deb https://mirrors.ustc.edu.cn/proxmox/debian/ceph-quincy bullseye main


注意：ceph-quincy为ceph的版本，由proxmox ve中ceph安装的版本确定，proxmox ve 7.3 版本对应的是ceph-quincy

最终，所有proxmox ve服务器的源配置如下：

/etc/apt/sources.list

# 中科大源
deb http://mirrors.ustc.edu.cn/debian bullseye main contrib non-free
# deb-src http://mirrors.ustc.edu.cn/debian bullseye main contrib non-free
deb http://mirrors.ustc.edu.cn/debian bullseye-updates main contrib non-free
# deb-src http://mirrors.ustc.edu.cn/debian bullseye-updates main contrib non-free
#ceph更新源
deb https://mirrors.ustc.edu.cn/proxmox/debian/pve buster pve-no-subscription
deb https://mirrors.ustc.edu.cn/proxmox/debian/ceph-quincy bullseye main
#deb http://ftp.debian.org/debian bullseye main contrib
#deb http://ftp.debian.org/debian bullseye-updates main contrib
# security updates
#deb http://security.debian.org bullseye-security main contrib


/etc/apt/sources.list.d/pve-enterprise.list


#deb https://enterprise.proxmox.com/debian/pve bullseye pve-enterprise
  1. proxmox ve web界面选中节点——ceph——安装ceph

点击开始quincy安装按钮

输入y继续

  1. 等待ceph-quincy安装完成
  1. 点击下一步进入ceph网络配置

一般proxmox ve服务器要求多张网卡，集群内部网络通信量大，公网访问和集群内部互联访问采用不同网卡，此处只有一张网卡，因此设成相同ip。

点击下一步——完成Ceph的创建

  1. Ceph监视器

提示 'OSD count 0 < osd_pool_default_size 3'，接下来创建OSD

  1. 配置Ceph的OSD

在pve1中，选择“Ceph→OSD→创建:OSD”

提示没有未使用的磁盘，因为我们的proxmox ve服务器只有一块盘，需要给proxmox ve所有服务器再加一块磁盘，如果服务器有多块磁盘则可忽略。

停止proxmox ve服务器——编辑设置——在硬件中选择磁盘——点击添加

前面按照默认设置，指定磁盘容量时，设置为合适大小

重启各proxmox ve服务器之后，再回到集群管理界面，再次创建OSD，有可选择磁盘

选择磁盘，点击创建即可完成 OSD创建，结果如下：

创建其他节点的OSD与pve1类似，这里不做详述。最终效果如下：

  1. 配置CephFS（可选）

选择“数据中心-pve1→Ceph→CephFS→元数据服务器→创建，创建元数据服务器

将pve1添加到元数据服务器。

点击创建CephFS

弹框中保持默认，点击创建

等待cephfs创建完成

然后，再用同样的方法将pve2、pve3添加到元数据服务器之中去。

可以在Ceph监控界面看到元数据服务器的监控信息，如图元数据服务器监控界面

  1. 配置Pools资源池
  • 创建ssd_storage存储

选择“数据中心→ pve1→Ceph→Pools→创建”，点击“创建”按钮，创建名称为“ssd_storage”的存储

根据官方的文档，pg_num这个数值比较关键，如果不合适的话，Ceph会告警，官方建议:

若少于5个OSD， 设置pg_num为128。
5~10个OSD，设置pg_num为512。
10~50个OSD，设置pg_num为4096。

我们这里3个OSD，采用默认值128

创建之后如图所示。

pve2、pve3的Pools资源池配置会同步pve1资源池配置所以无需在单独配置（7.0特性）。

之后我们可以在cephfs中上传镜像，一个节点上传，其他节点都可见

cephfs中的镜像可用于虚拟机安装ISO镜像

ceph - pools中的ssd_storage可作为虚拟机安装的目标磁盘

参考文献

  1. 虚拟化技术基础 (http://t.zoukankan.com/VicLiu-p-12111792.html)
  2. 虚拟化的三种类型是什么？每一种类型都用于什么？(https://www.zhihu.com/question/499997261/answer/2639022818)
  3. 案例为王 | 解剖虚拟化技术（KVM&Xen）(https://zhuanlan.zhihu.com/p/371651990)
  4. KVM虚拟化解决方案系列之KVM架构篇（https://blog.csdn.net/aniu411/article/details/123582919）
  5. KVM 虚拟化环境搭建 - ProxmoxVE（https://blog.csdn.net/chuixue24/article/details/109647156）
  6. KVM虚拟化解决方案系列之KVM管理工具-绪论篇（https://www.ngui.cc/51cto/show-723493.html?action=onClick）
  7. 群集加入失败 此主机已包含虚拟客户机（https://blog.csdn.net/tabwo/article/details/122032662）
  8. proxmox退出集群（https://www.cnblogs.com/d9394/p/15949252.html ）

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