基于虛擬桌面架構(gòu)的實驗機房環(huán)境構(gòu)建

張 慶，戴 娟，周莉萍

（1.安徽建筑大學(xué) 信息網(wǎng)絡(luò)中心，合肥 230601；2.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械系，合肥 230041）

0 引 言

隨著高校辦學(xué)規(guī)模的擴大，中心機房作為承載計算機實驗教學(xué)的主要環(huán)境，其設(shè)備數(shù)量不斷增加。為滿足豐富的專業(yè)課設(shè)置，要求搭建更新、更復(fù)雜的軟件環(huán)境，這對機房計算機的性能要求也越來越高，傳統(tǒng)機房的管理模式越來越不適應(yīng)該趨勢。虛擬桌面架構(gòu)（virtual desktop infrastructure，VDI）是建立在虛擬化技術(shù)基礎(chǔ)上，將用戶的桌面管理和配置工作都遷移至數(shù)據(jù)中心［1］，以“桌面即服務(wù)（DaaS）”的方式為用戶提供計算機教學(xué)實驗環(huán)境，有效彌補傳統(tǒng)機房管理和運維的不足。

1 傳統(tǒng)機房管理問題

高校機房環(huán)境伴隨IT技術(shù)的更新，就一直存在著“用戶使用的個性化”與“機房管理的規(guī)范化”之間的矛盾，主要包括以下幾方面：

1）軟件環(huán)境受到物理設(shè)備性能的約束。機房PC的更新速度很難滿足軟件環(huán)境的需求。例如：科學(xué)計算軟件、仿真平臺軟件、3D和繪圖軟件、開發(fā)工具軟件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等都無法在低性能的PC下很好的使用。升級設(shè)備的方法不僅成本高，而且難以跟上軟件更新的步伐，不能從根本上解決問題。

2）機房中采用“還原卡”的方式控制用戶對軟件環(huán)境的隨意修改，保護管理人員部署的教學(xué)環(huán)境，但也限制了學(xué)生和老師安裝特定的教學(xué)軟件環(huán)境，約束了用戶進行軟件的安裝、選擇OS環(huán)境、管理權(quán)限的使用、桌面布局習(xí)慣的更改等個性化的要求。實驗作業(yè)也無法保留在實驗設(shè)備上，設(shè)備環(huán)境的安全約束和個性定制方面的矛盾越來越突出。

3）實驗環(huán)境的遷移困難。學(xué)生和教師的實驗環(huán)境被固化在機房，學(xué)生必須在指定時間完成任務(wù)。不方便學(xué)生課下實驗的任務(wù)。學(xué)生只能依賴U盤拷貝，回去后重新部署實驗環(huán)境，該模式不僅效率低，而且有時無法實現(xiàn)。

虛擬桌面架構(gòu)分離了物理設(shè)備和操作系統(tǒng)間的緊密耦合，解決機房管理中存在的問題，給出了一種高效地、低成本的解決方案。

2 虛擬桌面架構(gòu)

2.1 虛擬桌面

虛擬化技術(shù)包含了虛擬存儲技術(shù)、虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬服務(wù)器技術(shù)、虛擬桌面技術(shù)和虛擬應(yīng)用技術(shù)等多個方面［2］。其中虛擬桌面技術(shù)在硬件、軟件環(huán)境和用戶間增加了虛擬層，解除了三者之間的耦合關(guān)系。用戶可以通過任何設(shè)備，在任何地點，任何時間訪問數(shù)據(jù)中心的屬于個人的虛擬桌面組件，管理者可以對成百上千的虛擬終端進行統(tǒng)一認(rèn)證、管理、分配和回收資源。

虛擬桌面技術(shù)能快速、批量地部署業(yè)務(wù)環(huán)境，并提供統(tǒng)一管理，眾多虛擬化廠商也推出優(yōu)秀的虛擬桌面產(chǎn)品，例如：VMWare Viewer和Citrix XenDesktop，本文以VMware的虛擬化桌面為討論對象，討論其在機房環(huán)境應(yīng)用下帶來的改進。

2.2 虛擬桌面架構(gòu)

虛擬桌面架構(gòu)的建立于數(shù)據(jù)中心虛擬化服務(wù)的基礎(chǔ)上，其管理以托管服務(wù)形式交付，其架構(gòu)的層次分為支持層、管理層、用戶體驗層［3］，如圖1所示。

1）支持層提供基本的硬件基礎(chǔ)架構(gòu)和集中化的虛擬桌面資源池，主要功能包括：提供硬件資源的在線配置；實現(xiàn)物理資源的動態(tài)調(diào)整；確保零停機和零數(shù)據(jù)丟失；確保虛擬桌面具有高可用性（high availability，HA）等核心功能。

2）管理層強調(diào)桌面維護的高效性和安全性，提高管理工作的自動化程度，實現(xiàn)功能包括：虛擬桌面環(huán)境的批量部署；統(tǒng)一的監(jiān)控；自動化更新管理；集中的應(yīng)用安全策略；集中的防病毒管理；優(yōu)化的操作系統(tǒng)管理；快速備份和恢復(fù)（Data Recovery）。

3）用戶體驗層強調(diào)對虛擬桌面安全的、靈活的使用，為用戶訪問桌面環(huán)境提供豐富的、友好的體驗支持，客戶無需對前端設(shè)備進行大規(guī)模的升級，確保較低的實施成本。用戶體驗層的功能包括：支持豐富的端點設(shè)備類型，包括PC、平板和智能移動設(shè)備等；支持網(wǎng)絡(luò)低帶寬下的高效數(shù)據(jù)傳輸；可離線的本地化操作模式。

圖1 虛擬桌面架構(gòu)的層次

3 虛擬化桌面在機房應(yīng)用的優(yōu)勢

桌面虛擬化與傳統(tǒng)PC的機房運作方式的根本不同在于虛擬桌面不再將系統(tǒng)固化在物理PC設(shè)備中，而將系統(tǒng)以文件形式保存于數(shù)據(jù)中心，通過網(wǎng)絡(luò)將系統(tǒng)環(huán)境發(fā)布到客戶端。虛擬桌面在機房應(yīng)用上的優(yōu)勢體現(xiàn)在“用戶使用”“機房管理”“運行成本”3個方面。

3.1 用戶使用的優(yōu)勢

從教師角度看，教師無需要求機房管理人員打開“還原卡”為自己部署實驗環(huán)境。教師可自主在虛擬桌面環(huán)境下配置實驗環(huán)境，并可將配置后的虛擬桌面文件生成映像文件，用于克隆學(xué)生實驗的虛擬桌面。

從學(xué)生角度看，傳統(tǒng)機房的桌面環(huán)境是多人分批次共用一個桌面環(huán)境，桌面環(huán)境必須統(tǒng)一規(guī)范。學(xué)生必須在實驗課堂上完成所有實驗，并提交實驗結(jié)果，實驗環(huán)境和結(jié)果無法保留在機房設(shè)備上。在虛擬桌面條件下，每個學(xué)生可分配一個或多個虛擬桌面文件。學(xué)生既可在實驗課堂上使用，也可在課下通過網(wǎng)絡(luò)連接到自己的虛擬桌面。

3.2 機房管理方面的優(yōu)勢

機房管理人員的主要工作量將不再面向前端的PC環(huán)境，而是統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)中心的虛擬桌面資源，確保后臺物理資源能夠滿足虛擬桌面資源池的需要。虛擬化技術(shù)可以輕松實現(xiàn)在同一臺PC上不同操作系統(tǒng)間的切換，不再需要反復(fù)的安裝系統(tǒng)。管理人員主要的工作不是對系統(tǒng)的維護，而是針對資源的分配、部署和收回，極大提高了工作效率。

3.3 運行成本方面的優(yōu)勢

減少維護成本，虛擬桌面系統(tǒng)提供便捷的分配、部署和回收管理平臺，虛擬桌面的生成采用克隆技術(shù)，具有較高的自動化程度。

壓縮PC端成本，虛擬桌面技術(shù)將計算都集中于數(shù)據(jù)中心，極大的降低了對機房設(shè)備硬件性能的要求。

降低能耗成本，PC性能越高能耗越高，以瘦客戶端模式運行則能耗會大大降低，耗電量不到PC的六分之一，其終端數(shù)量越多，則能耗上優(yōu)勢越突出。

4 基于虛擬桌面架構(gòu)的機房環(huán)境建設(shè)

4.1 基于虛擬桌面架構(gòu)的機房系統(tǒng)

基于虛擬化技術(shù)架構(gòu)下的中心機房管理平臺，建立在已有的企業(yè)級虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)平臺上，虛擬化服務(wù)是虛擬桌面的支持層，通過統(tǒng)一調(diào)配多臺物理服務(wù)器的資源，為虛擬桌面的運行劃分必要的計算資源、存儲資源和通信資源等。管理層包括了克隆模塊、訪問控制、補丁升級等，使得整套系統(tǒng)的維護更加高效。用戶體驗層是訪問接口，確保虛擬桌面的用戶體驗達(dá)到本地桌面的效果。

VMware可部署基于虛擬桌面架構(gòu)的機房環(huán)境［4］（見圖2）。整個架構(gòu)以VMware Infrastructure組件為核心管理著硬件資源，構(gòu)成集中化的虛擬桌面資源池（Centralized Virtual Desktops）。平臺中提供多種工具，如桌面管理器（View Manager）、虛擬機映像快速部署器（View Composer）、統(tǒng)一訪問控制器（Unified Access）、活動目錄（Active Directory）等。在前端的VMware View Client可接入后臺虛擬桌面，離線桌面（Offline Desktop）是網(wǎng)絡(luò)故障時的應(yīng)急處理模塊。

圖2 基于虛擬桌面架構(gòu)的機房系統(tǒng)

圍繞虛擬桌面架構(gòu)介紹相關(guān)重要組件：

1）虛擬化基礎(chǔ)構(gòu)件（VMware Infrastructure）為整個虛擬桌面資源池提供可靠性和安全性保障，通過HA和DRS保障虛擬桌面環(huán)境的穩(wěn)定運行，具有自動化的負(fù)載均衡功能，提供簡單的容災(zāi)和備份功能，具有很強的擴展性。

2）集中管理工具（VCenter、View Manager、Unified Access），VCenter可輔助機房管理員能夠集中管理數(shù)千個虛擬桌面，監(jiān)控整個虛擬機的運行，簡化虛擬桌面的管理、調(diào)配和部署。通過 View Manager可以為前端用戶提供賬戶管理、安全防護等功能。

3）快速部署工具（View Composer）可讓用戶快速創(chuàng)建與基于父映像的虛擬桌面文件，同時對用戶數(shù)據(jù)和設(shè)置進行分段以便能夠獨立管理，因此修補和更新父映像鏈接的桌面時不會影響用戶數(shù)據(jù)和設(shè)置，是實現(xiàn)機房前段個性化定制的必要支撐。

4）前臺連接程序（View Client），該軟件部署于機房PC、移動設(shè)備或瘦客戶端，為用戶連接和使用后臺虛擬桌面資源池中的虛擬桌面服務(wù)提供接口。

4.2 基于虛擬桌面的機房管理模式

傳統(tǒng)機房管理模式是針對大量PC設(shè)備的維護，確保每臺PC的穩(wěn)定運行。然而隨著PC上各種實驗軟件的安裝，必然導(dǎo)致軟件環(huán)境的復(fù)雜化，軟件之間的沖突，補丁升級和卸載困難等問題也越來越突出。大量軟件也導(dǎo)致PC性能的下降，導(dǎo)致實驗運行環(huán)境的惡化。因此機房管理人員強調(diào)對機器部署的規(guī)范化。

基于虛擬桌面的機房管理模式的重點是對數(shù)據(jù)中心資源的管理，確保虛擬桌面數(shù)量的增加不會耗盡服務(wù)端的資源。維護人員的主要職責(zé)是管理資源，具體任務(wù)主要包括：映像文件管理、虛擬桌面的部署和回收、系統(tǒng)運行監(jiān)控和告警、日常維護和安全控制。

5 結(jié) 語

與傳統(tǒng)分布式PC桌面系統(tǒng)的部署相比，采用桌面虛擬化架構(gòu)不僅提升了管理人員的效率，也使得大量機房成本更加精簡，整體運維成本更加低廉。虛擬化桌面架構(gòu)為現(xiàn)代機房帶來了移動計算、方便管理和低成本3大改進［5］。因此，隨著虛擬化技術(shù)的完善和發(fā)展，虛擬桌面技術(shù)在輔助教學(xué)的應(yīng)用中會更加廣泛。

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