通過桌面云提升高校IT應(yīng)用和管理水平

張 楠

（南開大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，天津 300071）

南開大學(xué)醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心有機(jī)房、教研室、實(shí)驗(yàn)室、多媒體教室29間，分布在3個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)樓，共有近500臺(tái)計(jì)算機(jī)，承擔(dān)著22門公共基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)和專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，并向碩士和博士研究生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程、學(xué)生開放課題研究、各類競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)、考試、培訓(xùn)等提供服務(wù)。中心本科生年均實(shí)驗(yàn)人數(shù)約450人，每年承擔(dān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)達(dá)13萬人時(shí)。公共基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室在課余時(shí)間面向?qū)W生開放，對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)備的數(shù)量和性能要求不斷提高。

1 高校IT應(yīng)用和管理中存在的問題

高?；静捎脗鹘y(tǒng)的計(jì)算機(jī)部署模式，即為每個(gè)需求點(diǎn)配置一臺(tái)計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。因此，各類機(jī)房、實(shí)驗(yàn)室、教室的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)很難趕上日益增長的應(yīng)用需求，建設(shè)成本不斷增加。目前主要存在的問題有：

（1）設(shè)備分布散，缺乏集中管理。面對(duì)分布在不同校區(qū)、不同樓層、不同機(jī)房的計(jì)算機(jī)設(shè)備，跨校區(qū)、跨機(jī)房的系統(tǒng)部署和管理維護(hù)的難度大、效率低，無法及時(shí)滿足教學(xué)需求，迫切需要有一套完整、有效的集中化系統(tǒng)管理的解決方案［1］。

（2）教學(xué)課件和應(yīng)用調(diào)整不靈活。多媒體教室的教學(xué)課件和應(yīng)用軟件是固化的，一經(jīng)安裝在某臺(tái)PC機(jī)上，就只能在這臺(tái)PC機(jī)上使用，如果要換個(gè)教室上課，或者在這個(gè)教室新增一門課程，就必須重新安裝教學(xué)課件和應(yīng)用軟件，課程的調(diào)整嚴(yán)重受限［2］。

（3）操作系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換困難。對(duì)于配置幾十、上百臺(tái)PC機(jī)的機(jī)房和實(shí)驗(yàn)室，需要多變的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，頻繁更換操作系統(tǒng)。在傳統(tǒng)以PC機(jī)為中心的桌面環(huán)境下，不同課程或各類培訓(xùn)前，管理員需要將所有PC機(jī)進(jìn)行重新安裝和部署，工作量很大，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下。

（4）多人共用一臺(tái)計(jì)算機(jī)，缺乏個(gè)性化實(shí)驗(yàn)環(huán)境。由于資源有限，不可能給所有學(xué)生分配一臺(tái)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，一臺(tái)計(jì)算機(jī)在不同時(shí)段供不同學(xué)生使用，因此學(xué)生無法配置個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，也不能保存自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（5）計(jì)算機(jī)更新頻繁，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)快速發(fā)展，軟件的更新周期也在不斷縮短，其運(yùn)行需要更高配置的硬件支持，因此計(jì)算機(jī)要不斷更新才能滿足需要，并且舊PC機(jī)并沒有得到充分利用，造成了硬件資源浪費(fèi)。

2 云計(jì)算及桌面云技術(shù)

2.1 云計(jì)算

云計(jì)算是并行計(jì)算（parallel computing）、分布式計(jì)算（distributed computing）、網(wǎng)格計(jì)算（grid computing）、虛擬化（virtualization）和效用計(jì)算（utility computing）等多種傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合發(fā)展的產(chǎn)物［3］。云計(jì)算的服務(wù)模式有3種：（1）SaaS（software－as－a－service）為客戶提供各種應(yīng)用軟件服務(wù)；（2）PaaS（platform－as－a－service）通過平臺(tái)為客戶提供一站式服務(wù)；（3）IaaS （infrastructure－as－a－service）為客戶提供網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算和存儲(chǔ)一體化的基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)。

桌面云是通過桌面的終端設(shè)備來訪問云端的應(yīng)用程序或者訪問云端整個(gè)虛擬桌面的形式，在典型的桌面云環(huán)境中，用戶體驗(yàn)需要和不連接上云端保持一致［4－5］。

2.2 桌面云的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

桌面云技術(shù)的應(yīng)用可以改變傳統(tǒng)的為每個(gè)需求點(diǎn)配置一臺(tái)計(jì)算機(jī)的部署模式，同時(shí)在應(yīng)用環(huán)境配置、桌面管理和桌面訪問方面具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）集中管理、統(tǒng)一配置、使用安全。由于計(jì)算發(fā)生在數(shù)據(jù)中心，所有桌面的配置和管理都在云數(shù)據(jù)中心進(jìn)行，管理員可以在數(shù)據(jù)中心對(duì)所有桌面和應(yīng)用進(jìn)行統(tǒng)一配置和管理，例如系統(tǒng)升級(jí)、應(yīng)用安裝等［6］。用戶的所有數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)中心，客戶端本地?zé)o數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的安全［7］。這樣減輕了管理實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜度，降低機(jī)房管理人員的工作量，提高了管理效率。

（2）更簡(jiǎn)化的終端設(shè)備，更靈活的訪問。這些應(yīng)用與桌面都是在云數(shù)據(jù)中心運(yùn)行和管理的，就是說用戶對(duì)桌面的訪問不受具體設(shè)備、具體地點(diǎn)和具體時(shí)間的限制。通過任何一種滿足接入要求的設(shè)備，就可以訪問我們的桌面。終端設(shè)備不需要很高的硬件配置，瘦客戶端、智能手機(jī)、上網(wǎng)本、甚至接近報(bào)廢的舊PC機(jī)等都成為可用設(shè)備，這樣提高了硬件設(shè)備的使用效率，降低了成本。

（3）降低耗電、節(jié)能減排。每臺(tái)傳統(tǒng)個(gè)人計(jì)算機(jī)的功耗在200W左右，采用桌面云以后，每個(gè)瘦客戶端的電量消耗在16W 左右，只有原來傳統(tǒng)個(gè)人桌面的8%，所產(chǎn)生的熱量也大大減少了。

3 桌面云在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

桌面云技術(shù)的出現(xiàn)為高校計(jì)算機(jī)部署和管理提供了全新的解決思路，實(shí)現(xiàn)了將個(gè)人電腦的處理能力（包括CPU和硬盤）集中到數(shù)據(jù)中心。后臺(tái)云數(shù)據(jù)中心給每個(gè)教學(xué)、辦公和實(shí)驗(yàn)室終端提供虛擬化的“計(jì)算機(jī)”。通過云數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一調(diào)度和管理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)桌面資源的“按需分配”的管理，這樣也提升了IT資源的應(yīng)用和管理水平。

（1）為師生定制個(gè)性化的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境。為每個(gè)教師分配一個(gè)永久的虛擬教學(xué)桌面，使得教師可以將重要課件和資料集中存儲(chǔ)，在任何位置都可以通過任意設(shè)備接入教學(xué)桌面，進(jìn)而滿足隨時(shí)隨地的教學(xué)及備課的需求。

對(duì)于需要進(jìn)行課題研究、畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)生，授權(quán)學(xué)生可利用虛擬系統(tǒng)自由創(chuàng)建個(gè)性化的系統(tǒng)和軟件環(huán)境，桌面的訪問無需在固定的實(shí)驗(yàn)室或機(jī)房使用固定的機(jī)位；各種應(yīng)用軟件運(yùn)行在云計(jì)算中心、桌面系統(tǒng)的性能可以動(dòng)態(tài)調(diào)整，不用擔(dān)心設(shè)備的性能不能滿足軟件的要求；所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在云計(jì)算中心，既可以保證實(shí)驗(yàn)的連續(xù)性，又增加了數(shù)據(jù)的安全性。

（2）機(jī)房和實(shí)驗(yàn)室的使用更加靈活。根據(jù)不同專業(yè)、不同課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)要求，配置了多種實(shí)驗(yàn)環(huán)境，包括絕大部分的主流操作系統(tǒng)如Windows XP、Windows 7、Windows 2003server、Vista、Linux等，配合各種應(yīng)用軟件如 Microsoft Office、Adobe、Visual Studio、SQL Server等，可以隨著需要組合、調(diào)用不同的桌面系統(tǒng)，這樣意味著可以使用機(jī)房或?qū)嶒?yàn)室的同一套終端設(shè)備得到不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，達(dá)到桌面環(huán)境的集中、快速切換和更新，單個(gè)機(jī)房的用途更加多樣化。

（3）促進(jìn)虛擬化實(shí)驗(yàn)資源的共享。由于在虛擬化環(huán)境下，計(jì)算機(jī)硬件資源（包括：計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、存儲(chǔ)介質(zhì)、服務(wù)器等）和軟件資源（包括：操作系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件、以及各類專業(yè)應(yīng)用程序等）是在完全隔離、完全獨(dú)立的環(huán)境下運(yùn)行的，所以這些資源和應(yīng)用可以以模塊化的方式靈活組合，各種實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)環(huán)境能方便地實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ)、資源共享，實(shí)現(xiàn)各類實(shí)驗(yàn)環(huán)境的融合。

4 基于校園網(wǎng)的桌面云系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

4.1 桌面云的基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于校園有線和無線網(wǎng)絡(luò)連接，桌面云的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，從云到端由5個(gè)部分組成：

（1）硬件資源層。即指云基礎(chǔ)設(shè)施硬件，主要包括計(jì)算設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、內(nèi)部互連以及和外部客戶端的網(wǎng)絡(luò)互連的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

（2）虛擬資源層。通過對(duì)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)資源的虛擬化，形成資源池，提供云服務(wù)所需的虛擬化資源。

（3）虛擬桌面層。將單個(gè)物理服務(wù)器分成多個(gè)共享資源的虛擬操作系統(tǒng)，創(chuàng)建虛擬機(jī)資源池并對(duì)外提供桌面的服務(wù)，同時(shí)還可對(duì)桌面云資源的分配進(jìn)行調(diào)度，自動(dòng)部署后臺(tái)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)集中管理、監(jiān)控桌面云所有物理資源和虛擬資源。

（4）桌面管理層。包括身份認(rèn)證服務(wù)器和管理控制臺(tái)，身份認(rèn)證服務(wù)器負(fù)責(zé)對(duì)用戶的統(tǒng)一認(rèn)證和授權(quán)，可以很方便地對(duì)用戶進(jìn)行添加、刪除、配置密碼、修改用戶權(quán)限等操作；管理控制臺(tái)負(fù)責(zé)整個(gè)虛擬桌面系統(tǒng)的調(diào)度、新虛擬桌面的注冊(cè)以及將虛擬桌面的請(qǐng)求指向可用的系統(tǒng)。

（5）終端接入層。即指云終端設(shè)備，可使用傳統(tǒng)的PC軟終端（使用Linux或 Windows操作系統(tǒng)，安裝有桌面虛擬化客戶端軟件以連接到虛擬桌面）、智能手機(jī)、PAD等移動(dòng)設(shè)備及瘦客戶機(jī)（使用專業(yè)嵌入式處理器、小型本地閃存、精簡(jiǎn)版操作系統(tǒng)等）。

圖1 桌面云的基礎(chǔ)架構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

4.2 桌面云的具體實(shí)現(xiàn)方案

目前市場(chǎng)上有桌面云解決方案的廠商主要包括VMware、Citrix、IBM、Microsoft、華為等，其中 VM－ware是 x86服務(wù)器虛擬化領(lǐng)域的龍頭［8－9］，Citrix 是應(yīng)用虛擬化領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者［10－11］。本文在深入研究這兩家公司的產(chǎn)品及解決方案的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)應(yīng)用VM－ware的vSphere、View Manager、View Composer及ThinApp構(gòu)建醫(yī)學(xué)院桌面云環(huán)境［12］。

在目前南開大學(xué)校園信息化系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，在局域網(wǎng)內(nèi)新增了一組服務(wù)器集群及共享存儲(chǔ)，并在這組服務(wù)器上部署了服務(wù)器虛擬化軟件，形成了共享計(jì)算資源池和存儲(chǔ)池，提供了桌面云所需的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)資源。

整個(gè)桌面云系統(tǒng)采用VMware View套件，如圖2所示，VMware View基于 VMware vSphere平臺(tái)構(gòu)建。通過vSphere（包括ESXi和vCenter Server）實(shí)現(xiàn)服務(wù)器虛擬化，將服務(wù)器虛擬為若干虛擬桌面。ESXi允許多個(gè)用戶桌面以虛擬機(jī)的形式獨(dú)立運(yùn)行，同時(shí)共享CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)連接和存儲(chǔ)器等底層物理硬件資源。vCenter服務(wù)器是一個(gè)虛擬機(jī)集中管理組件。

圖2 VMware View桌面云平臺(tái)部署示意圖

View Manager是用來自動(dòng)調(diào)配新桌面或桌面組的高級(jí)管理軟件，管理員通過View Manager安全而方便地訪問虛擬桌面，升級(jí)和修補(bǔ)工作都在單個(gè)控制臺(tái)集中進(jìn)行，因此可有效地管理數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)桌面；可以對(duì)虛擬桌面池進(jìn)行自定義，并方便地設(shè)置桌面策略，如池中可包含的虛擬機(jī)數(shù)量；還包括驗(yàn)證用戶身份、授予桌面權(quán)利、管理虛擬桌面會(huì)話等功能。

ThinApp應(yīng)用虛擬化技術(shù)將應(yīng)用與底層操作系統(tǒng)分離，減少了操作系統(tǒng)與其他應(yīng)用之間的沖突，從而提高了兼容性并簡(jiǎn)化了管理。通過ThinApp打包的應(yīng)用可以在數(shù)據(jù)中心集中運(yùn)行、本地部署到物理或虛擬桌面，從而實(shí)現(xiàn)部署靈活性。

View Composer使用鏈接克隆技術(shù)，支持從一個(gè)黃金級(jí)映像快速創(chuàng)建多個(gè)桌面映像，可以跨任意數(shù)量的虛擬桌面有保證地即時(shí)完成更新，從而節(jié)省磁盤空間和簡(jiǎn)化管理。

5 結(jié)束語

云計(jì)算在高校信息化建設(shè)中的應(yīng)用是大勢(shì)所趨。隨著技術(shù)的不斷成熟，有線／無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬和覆蓋不斷擴(kuò)展，桌面云技術(shù)將大規(guī)模地部署和應(yīng)用在各類高等院校，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單點(diǎn)式計(jì)算機(jī)部署模式，有效地提升計(jì)算機(jī)的管理水平，更好地為廣大師生服務(wù)。

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