基于云桌面技術(shù)的實驗室資源共享平臺建設(shè)

毋 妙 麗

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通教育部重點實驗室，上海 201804)

0 引 言

隨著信息技術(shù)在發(fā)展，高校資源信息化管理也成為信息化建設(shè)的重要組成部分，是實驗室建設(shè)必須重視的工作內(nèi)容，也是國家長期關(guān)注的一個重點[1]。目前大部分高校在信息化建設(shè)方面已經(jīng)完成了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，可借助高校信息化及先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)資源共享[2-3]。道路與交通工程教育部重點實驗室經(jīng)過多年對共享平臺建設(shè)的試探，在資源共享方面主要遵從兩個出發(fā)點：一方面考慮共享資源的管理，另一方面重點放在共享資源平臺建設(shè)上，本文重點介紹共享平臺建設(shè)以給同行提供可借鑒價值。

實驗室軟硬件資源管理方面所面臨的困惑主要體現(xiàn)在：①多種類型的交通仿真軟件，以由U盤或電子許可控制，出借單機(jī)版軟件許可使使用的生命周期管理出現(xiàn)空白，共享程度低，同時使師生不能及時使用有限資源；②專業(yè)類大型仿真和模擬軟件專業(yè)性強(qiáng)，對硬件的要求很高，客戶端硬件需要不斷進(jìn)行更新，難以實現(xiàn)綠色環(huán)保；③所有軟件需在機(jī)房終端安裝，管理人員工作量大，效率低；④數(shù)據(jù)存儲以外接硬盤完成，不能滿足海量原始數(shù)據(jù)存儲及保障數(shù)據(jù)安全。面對以上問題及后續(xù)發(fā)展，必須優(yōu)化技術(shù)管理理念和手段，建設(shè)以云計算為核心共享平臺是最佳的解決方案，即采用云桌面虛擬化技術(shù)，將各種在傳統(tǒng)計算機(jī)部署方式下需要個人電腦完成的運算及存儲交給性能強(qiáng)大的服務(wù)器集群處理[4]。

1 基于云桌面的共享平臺

1.1 云技術(shù)及方案

云技術(shù)作為一種新興技術(shù)被認(rèn)為是繼個人電腦、互聯(lián)網(wǎng)之后電子信息領(lǐng)域的又一重大變革，也正改變著IT業(yè)的結(jié)構(gòu)模式。它是基于互聯(lián)網(wǎng)的計算方式，共享軟硬件資源和信息，并通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需服務(wù)[5]。它的核心思想是將大流量用網(wǎng)絡(luò)連接的計算機(jī)資源統(tǒng)一管理和調(diào)度，構(gòu)成一個計算資源池向用戶按需服務(wù)。利用有效的云技術(shù)手段和組合，最大限度提高基礎(chǔ)設(shè)施、平臺和軟件的使用效率，徹底降低信息化云計算的程序和數(shù)據(jù)不再運行和存放在個人電腦上。云技術(shù)的平臺即服務(wù)(PaaS)的本質(zhì)使用戶無需關(guān)心計算平臺的操作系統(tǒng)及軟件環(huán)境配置與管理，方便地通過云桌面發(fā)布方式或應(yīng)用程序發(fā)布方式來實現(xiàn)服務(wù)訪問。將系統(tǒng)的硬件、軟件、數(shù)據(jù)、存儲等資源組成統(tǒng)一的資源池，實現(xiàn)架構(gòu)動態(tài)化。用戶只需關(guān)心如何使用而無需知道哪個服務(wù)器提供服務(wù)，大大降低管理成本。用戶使用精簡的瘦客戶機(jī)端通過網(wǎng)絡(luò)訪問桌面環(huán)境，進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入，將各種在傳統(tǒng)計算機(jī)部署方式下需要個人電腦完成的運算及存儲交給性能強(qiáng)大的服務(wù)器集群處理[6-8]。云平臺主要采用虛擬桌面系統(tǒng)(VDI)解決方案，通過服務(wù)器端為每個連接到虛擬桌面主機(jī)的用戶進(jìn)行專用虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)客戶端提供應(yīng)用, 并對用戶所需操作系統(tǒng)以及各種應(yīng)用軟件進(jìn)行合理的部署，借助于遠(yuǎn)程桌面協(xié)議將整個虛擬機(jī)桌面向遠(yuǎn)程瘦客戶端進(jìn)行傳遞[9-10]。

1.2 平臺設(shè)計功能

面對實驗室軟件的多樣性、復(fù)雜化、硬件高端化、數(shù)據(jù)存儲和共享管理難度加大等問題，原有的資源在管理人員和技術(shù)上已經(jīng)不能夠滿足整體部署需求?；谠谱烂婕夹g(shù)的共享平臺將實現(xiàn)以下功能：

(1) 實現(xiàn)軟件資源的共享。實驗室在發(fā)展過程中購置了多種開發(fā)、仿真、計算等專業(yè)性強(qiáng)、價格昂貴的軟件共享將告別人工登記方式，大大提高資源利用率和軟件透明，避免軟件重復(fù)購置。平臺將對軟件進(jìn)行集中管理，以服務(wù)方式交付軟件，動態(tài)使用有限資源。

(2) 資源的集群管理。所有軟件資源安裝在服務(wù)端，用戶只需登錄到虛擬桌面，無需安裝應(yīng)用程序及終端配置。

(3) 實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)端到云的存儲。海量的試驗數(shù)據(jù)和原始記錄和視頻及時進(jìn)行安全存儲，以供科研分析和后續(xù)大學(xué)生實驗教學(xué)使用。云平臺對所有數(shù)據(jù)將具有備份、歸檔和災(zāi)難恢復(fù)等功能。

(4) 滿足資源對軟硬件不斷更新的要求。隨著虛擬現(xiàn)實軟件功能的加強(qiáng)及催生出的外延因素，大量的三維仿真和三維計算對計算機(jī)硬件的需求提出了很高的需求，通過云桌面發(fā)布技術(shù)或應(yīng)用程序發(fā)布技術(shù)將利用原有客戶端資源滿足不斷更新的硬件需求。

(5) 滿足后續(xù)發(fā)展的擴(kuò)充需求。無論是新購軟件對硬件要求如何苛刻，均可以通過云桌面虛擬技術(shù)滿足不斷擴(kuò)充要求，提供一個綠色、環(huán)保的資源環(huán)境。

(6) 方便使用。在云平臺上可方便實現(xiàn)資源的使用統(tǒng)計，形成新的成本核算方式。

1.3 平臺設(shè)計目標(biāo)

根據(jù)云平臺的任務(wù)需求，云平臺將提供安全的應(yīng)用和桌面環(huán)境，同時無需對現(xiàn)有的前后臺應(yīng)用作大規(guī)模的改造。技術(shù)上可選擇采用應(yīng)用發(fā)布或桌面發(fā)布的方式，實現(xiàn)新的集中虛擬應(yīng)用管理構(gòu)架[9]。通過虛擬化的改造，項目可達(dá)到以下目標(biāo):①采用桌面和應(yīng)用發(fā)布方式，應(yīng)用均運行在數(shù)據(jù)中心，保證涉密數(shù)據(jù)的安全性，通過云技術(shù)手段，禁止涉密數(shù)據(jù)下載或保存到本地的客戶端設(shè)備；②桌面集中托管于數(shù)據(jù)中心，在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行集中的部署、維護(hù)和管理；③運行在高性能的服務(wù)器上使桌面虛擬環(huán)境性能得到提升；④可以快速地部署最新的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，降低維護(hù)桌面以及軟件的費用；⑤前端桌面可使用瘦客戶端，減少終端維護(hù)量，增強(qiáng)終端安全性，且最大限度保持原有的用戶使用習(xí)慣；⑥能良好兼容現(xiàn)有應(yīng)用、并且對未來的可能的應(yīng)用及安全構(gòu)架有良好的兼容性，平臺構(gòu)架設(shè)計遵循開放、靈活的原則，以適應(yīng)系統(tǒng)擴(kuò)充以及日后的需求變更；⑦桌面虛擬化方案可以適應(yīng)主流的服務(wù)器、客戶端的硬件配置，對現(xiàn)有的服務(wù)器、PC等設(shè)備，可充分利用，便于日常維護(hù)，方案的可擴(kuò)展性強(qiáng)；⑧未來可以從分支機(jī)構(gòu)或任何節(jié)點遠(yuǎn)程訪問集中托管的桌面。

2 云平臺的實現(xiàn)

2.1 平臺架構(gòu)

云平臺技術(shù)采用虛擬化技術(shù)在物理設(shè)備和具體應(yīng)用之間加入了一層抽象，虛擬技術(shù)根據(jù)不同需求變化彈性調(diào)整系統(tǒng)規(guī)模，使資源得到最佳利用[11]。平臺架構(gòu)采用多服務(wù)器的群組部署方式，可以便捷地實現(xiàn)橫向或縱向的擴(kuò)展，云平臺基本架構(gòu)見圖1。平臺支撐服務(wù)器按功能可分為終端設(shè)備接入服務(wù)器集群、基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)器集群、虛擬應(yīng)用服務(wù)器集群三個集群。架構(gòu)流程為：用戶使用各種終端設(shè)備連接入口服務(wù)器(WI)，通過域控制器(AD)驗證身份，在基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)器集群的調(diào)控下，訪問分配的虛擬桌面和應(yīng)用，透過該桌面訪問后臺系統(tǒng)完成各種資源利用。從服務(wù)器網(wǎng)段到終端網(wǎng)段所有的通訊都被安全接入網(wǎng)關(guān)設(shè)備封裝在加密通道中。這樣的架構(gòu)既保證了網(wǎng)絡(luò)層的傳輸安全，又保護(hù)了實驗室的數(shù)據(jù)安全[12-14]。

圖1 云平臺基礎(chǔ)架構(gòu)

2.2 云平臺實現(xiàn)

在共享平臺中，各服務(wù)器集群按照統(tǒng)一的部署完成資源均衡、用戶認(rèn)證、虛擬桌面和應(yīng)用發(fā)布、數(shù)據(jù)存儲等功能。實驗室的所有可共享軟件在XenApp虛擬應(yīng)用服務(wù)器上作集中部署，形成專有的資源池。根據(jù)不同軟件的運行環(huán)境和用戶使用的需求及權(quán)限，可實現(xiàn)兩種形式的發(fā)布：桌面發(fā)布和應(yīng)用程序發(fā)布。部署方式分為兩種：服務(wù)器模式和應(yīng)用流模式。服務(wù)器安裝模式類似于該軟件在客戶端的安裝過程，將用戶軟件安裝在XenApp服務(wù)器上執(zhí)行；應(yīng)用流模式可以實現(xiàn)應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)之間沒有安裝關(guān)系，但同樣可以運行該軟件。管理員只需要通過Citrix提供的流打包工具(Profiler)，將該軟件打成應(yīng)用流包，然后放置在文件服務(wù)器。本實驗室的交通應(yīng)用的各種軟件，采用服務(wù)器安裝模式。針對不同的應(yīng)用場景和不同應(yīng)用需求，使用不同的部署方式，通過軟硬件構(gòu)架和組件，構(gòu)成了一個靈活的統(tǒng)一終端虛擬化云平臺。

2.3 用戶安全接入和訪問

實驗室對資源共享的桌面虛擬化的設(shè)計方案中，將網(wǎng)絡(luò)環(huán)境劃分成三個部分：終端層、虛擬桌面層和后臺應(yīng)用層。保證各部分之間使用防火墻嚴(yán)格隔離，只開放訪問必須的端口。將用戶終端隔離后可以對后臺應(yīng)用服務(wù)器起到很好的保護(hù)作用，用戶所有的個人桌面、應(yīng)用和文檔被集中控制在虛擬桌面層。

訪問流程簡單地描述為：用戶使用各種終端設(shè)備連接入口服務(wù)器(WI)，通過域控制器(AD)驗證身份，在基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)器集群的調(diào)控下，訪問分配給他的虛擬桌面和應(yīng)用，通過該桌面訪問后臺系統(tǒng)。從服務(wù)器網(wǎng)段到終端網(wǎng)段所有的通訊都被安全接入網(wǎng)關(guān)設(shè)備封裝在加密通道中。這樣的架構(gòu)既保證了網(wǎng)絡(luò)層的傳輸安全，保護(hù)了實驗室的數(shù)據(jù)安全。

虛擬應(yīng)用平臺通過活動目錄來統(tǒng)一定義用戶訪問服務(wù)器的權(quán)限?；顒幽夸浿锌梢远x用戶組，并基于用戶組定義權(quán)限，因此在應(yīng)用過程中如果增加用戶，只需在活動目錄中增加用戶并指定用戶組即可，無需單獨定義其權(quán)限。用戶從公網(wǎng)訪問內(nèi)部的虛擬應(yīng)用或者虛擬桌面時，在保證高效訪問的同時我們還得面對外部網(wǎng)絡(luò)帶來的各種挑戰(zhàn)，另外還需兼顧Web Interface的單點故障問題和提高平臺可擴(kuò)展性。平臺實現(xiàn)的示意圖見圖3。

圖3 平臺安全接入示意圖

3 平臺建設(shè)優(yōu)勢分析

用信息技術(shù)推動虛擬實驗室以實現(xiàn)有限資源的最大利用，是教育信息化的重要組成部分。云技術(shù)思想的本質(zhì)就是要實現(xiàn)資源的全面共享[15-16]，我們建成的平臺其核心思想是將資源用云技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度，構(gòu)成一個資源池并向用戶提供按需服務(wù)，其與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)相比優(yōu)勢非常明顯，見表1。

表1 云平臺建成前后對比

4 結(jié) 語

基于新興技術(shù)的云平臺信息化管理技術(shù)，為實現(xiàn)資源虛擬化共享提供了實際可行的手段。 云技術(shù)作為第三次的IT浪潮，對高校資源管理和利用將帶來根本性的變化。云技術(shù)的彈性服務(wù)實現(xiàn)了基礎(chǔ)設(shè)施的效率最大化[16-17]，使院內(nèi)所有師生可以共享云平臺享受優(yōu)質(zhì)的信息化服務(wù)，避免重復(fù)購置，也可以減輕軟硬件維護(hù)人員壓力。從資源共享出發(fā)，促進(jìn)高校間優(yōu)質(zhì)教育資源共享，也可通過收取一定的費用，對社會同行開放資源池，提高高校信息化的建設(shè)水平。云技術(shù)為虛擬實驗室建設(shè)提供了方便的通道，在今后的使用中也將逐步開發(fā)該平臺在大規(guī)模數(shù)據(jù)處理及計算方面的應(yīng)用，將大型數(shù)據(jù)計算和圖像處理的虛擬實驗室作為該平臺的重點研究方向，以更好發(fā)揮其在科研和教學(xué)中的作用。

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