基于云架構(gòu)的高校桌面虛擬化研究

陳運財

摘要：該文針對信息化與網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，提出了基于云架構(gòu)的虛擬化技術(shù)，并將其引入校園網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。通過介紹云架構(gòu)以及桌面虛擬化的概念，引入基于云架構(gòu)的高校桌面虛擬化技術(shù)方案，主要包括基于云架構(gòu)的虛擬化桌面的理論研究、整體架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等，全面分析了云架構(gòu)的高校桌面虛擬化的應(yīng)用和優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：云架構(gòu)；虛擬化；大數(shù)據(jù)

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）09-0030-02

桌面虛擬化技術(shù)是計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展道路上的一個趨勢和必然現(xiàn)象，它具有便利性、高利用率、低成本等特點，同時桌面虛擬化還是云計算系統(tǒng)的核心組成部分，是虛擬化技術(shù)的重要組成部分。作為虛擬化和云計算的具體實現(xiàn)，當(dāng)海量數(shù)據(jù)的處理都在服務(wù)器上進行的時候，終端設(shè)備的處理能力及配置已經(jīng)不再重要，也不在是用戶體驗的關(guān)鍵。一個簡單的客戶端可以得到各種復(fù)雜應(yīng)用，而且智能手機、Pad，甚至電視等都成為終端設(shè)備。由于大批量數(shù)據(jù)的處理及計算發(fā)生在數(shù)據(jù)計算中心，從而很大程度上減少了客戶端的處理壓力，使得客戶端更佳簡便，種類更佳多樣，但得到的服務(wù)卻更豐富，更安全。因此，在云架構(gòu)下的桌面虛擬化技術(shù)值得去關(guān)注。

高校的信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)信息量巨大、維護成本高，而且有統(tǒng)一的教學(xué)應(yīng)用需求，所以建立一個基于計算的桌面虛擬化平臺來進行信息共享及教學(xué)互動是十分必要的。

1 云計算與虛擬化原理

1.1云計算

云計算是近年來一種新型的計算技術(shù)，其主要以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過動態(tài)的、靈活配置的虛擬化資源來進行大數(shù)據(jù)計算。它是分布式系統(tǒng)、并行計算和網(wǎng)格計算的不斷發(fā)展、不斷結(jié)合的產(chǎn)物。隨著網(wǎng)絡(luò)上需要處理的數(shù)據(jù)量不斷增多，例如科研數(shù)據(jù)分析，海量信息搜索等，云計算通過分布式儲存的手段來近進行數(shù)據(jù)儲存，采用大規(guī)模的分布式系統(tǒng)，利用高速的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，將數(shù)據(jù)的處理集中在能力較強的分布式集群系統(tǒng)。也就是說，在云計算系統(tǒng)里，用戶需要的海量數(shù)據(jù)不會存儲在本地終端里，本地終端設(shè)備不需要運行應(yīng)用程序，這些程序的運行都是在數(shù)據(jù)中心進行。這樣用戶的終端設(shè)備無需很高的配置，通過簡單的終端設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)隨時隨地都能使用各種數(shù)據(jù)應(yīng)用和服務(wù)，獲得同樣的用戶體驗[1]。

從整體上來看，云計算為用戶終端提供統(tǒng)一的、可配置的應(yīng)用和服務(wù)環(huán)境，是一個動態(tài)的計算體系，同時能夠統(tǒng)一監(jiān)控資源的使用情況和用戶行為。云計算的整體架構(gòu)分成三個層，用戶服務(wù)層處在最上層，為用戶提供各種業(yè)務(wù)接口和應(yīng)用服務(wù)，是用戶直接進行交互，并且能夠感知的最外層。中間的一層是云平臺接口層，包括開發(fā)環(huán)境、編程環(huán)境、編程接口和代碼庫，此外還包括通用的企業(yè)中間件。最下面是虛擬化層和物理層，包含數(shù)據(jù)中心設(shè)施、虛擬管理、負載均衡、集群技術(shù)等。根據(jù)用戶需求，虛擬化層、物理層和數(shù)據(jù)中心設(shè)施基礎(chǔ)等實現(xiàn)動態(tài)資源管理與調(diào)配，為上層提供優(yōu)質(zhì)的資源分配[2]。

1.2桌面虛擬化

在云計算的發(fā)展體系中虛擬化是主要支撐技術(shù)，桌面虛擬化技術(shù)又是虛擬化技術(shù)中發(fā)展最快的，最具應(yīng)用前景的虛擬化技術(shù)。當(dāng)前總共有兩種基于云計算架構(gòu)的桌面虛擬化解決方案：Virtual Desktop Infrastructure，簡稱VDI與Virtual OS Infrastructure，簡稱VOI[3]。

VDI桌面虛擬化將運算集中在服務(wù)器端，通過基于服務(wù)器的模式提供管理和安全，能夠為整個桌面映像提供集中化的管理。用戶部署VDI桌面虛擬化后，可以使用PC或者手機接入，訪問自己的桌面環(huán)境，實現(xiàn)隨時隨地?zé)o差別的體驗。VDI虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)是由早期的RDP協(xié)議和瘦客戶機概念逐步演變而來的，是目前市場上比較流行的一種桌面虛擬化模式。很多大的廠商都推出了自己相應(yīng)的VDI產(chǎn)品[4]。

VOI的設(shè)計直接在輸入輸出層實現(xiàn)對磁盤存儲空間的數(shù)據(jù)重定向，從而使虛擬化的操作系統(tǒng)工作于本機物理設(shè)備之上，讓虛擬系統(tǒng)從分發(fā)就開始接管計算機硬件平臺，所有硬件的驅(qū)動程序、應(yīng)用程序以及各種資源設(shè)備均是直接可以訪問的，不再需要下層系統(tǒng)的支撐。為了實現(xiàn)這一點，VOI的客戶端管理系統(tǒng)為用戶終端提供一個虛擬的磁盤存儲空間，把用戶終端的物理存儲介質(zhì)虛擬化，形成一個虛擬容器。由虛擬容器來運行操作系統(tǒng)，進一步實現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用的虛擬化[5]。

下面我們詳細闡述在實現(xiàn)桌面虛擬化時遇到的問題及需要注意的地方。這也是云計算架構(gòu)中的一些關(guān)鍵技術(shù)，涉及內(nèi)存、處理器、存儲和傳輸。

當(dāng)搭建桌面虛擬化過程中，由于服務(wù)器承載了大量的數(shù)據(jù)處理，內(nèi)存的部署就變的至關(guān)重要。桌面虛擬化需要很多的內(nèi)存，盡量選擇運行較快的內(nèi)存，如果后臺需要運行多個虛擬機管理后臺，而這些系統(tǒng)又無法共享內(nèi)存，這就需要部署一定數(shù)量的內(nèi)存；除了內(nèi)存，處理器在桌面虛擬化平臺的作用我們也不能忽視，處理器的能力直接影響著服務(wù)器的運算處理能力，物理服務(wù)器的CPU需要支持非常多的桌面系統(tǒng)。選擇多核心CPU，在部署桌面虛擬化時，對存儲的性能有很高的要求，桌面虛擬化和其他的服務(wù)器虛擬化不同，因為桌面虛擬化的數(shù)量更大，所以也導(dǎo)致了對存儲的要求更高。成百上千的桌面，集中部署在數(shù)據(jù)中心，對存儲的性能要求就自然不言而喻了。存儲設(shè)備的讀寫速度影響著整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度，因此需要一個非常強大且靈活的存儲介質(zhì)來支持大量的數(shù)據(jù)請求與操作。此外，為了更好的處理隨機讀寫操作，可以采用緩存技術(shù)，讀寫操作時，Cache的效率要比硬盤高效；桌面虛擬化的另一個重要的部分是網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力，這直接跟用戶的體驗相關(guān)，因此有必要將存儲網(wǎng)絡(luò)鏈路升級為多條更快的鏈路。

2 校園云架構(gòu)桌面虛擬化方案

2.1 VDI架構(gòu)設(shè)計方案

校園虛擬化桌面的目的是能夠快速靈活的滿足各種教學(xué)上的需求，包括實驗、視頻教學(xué)、閱讀等。我們所采用的是一套典型的CitrixVDI桌面虛擬化解決方案，它主要是由CitrixDesktop、CitrixPVS和CitrixApp三大虛擬化應(yīng)用服務(wù)集成實現(xiàn)，它將操作系統(tǒng)、用戶配置文件和應(yīng)用程序完全分離。其網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如下：

2.2 VDI網(wǎng)絡(luò)部署實現(xiàn)

CitrixVDI通過以下幾個部分實現(xiàn)完整的虛擬化桌面：

服務(wù)器集群：將服務(wù)器物理資源虛擬化，在虛擬服務(wù)器上安裝CitrixDesktop、CitrixApp服務(wù)、文件服務(wù)和AD域架構(gòu)整合支撐虛擬桌面的發(fā)布和運行。具體的部署：6臺內(nèi)存64GB的服務(wù)器，用來運行虛擬化應(yīng)用服務(wù)器、AD域控制器和文件服務(wù)器；18臺內(nèi)存96GB服務(wù)器，用來給1500個虛擬桌面提供計算資源[8]。

存儲系統(tǒng)：用于保存配置文件和相關(guān)信息。用戶的配置文件被保存到文件服務(wù)器上，與操作系統(tǒng)分離。這樣操作系統(tǒng)不再保留響應(yīng)的客戶信息，用戶需要在登錄時根據(jù)策略才能獲取到文件存儲系統(tǒng)上的配置文件。具體部署：6臺P4500經(jīng)過群集配置后的總?cè)萘繛?6.5TB。

鏡像管理：一個運行CitrixPVS管理控制系統(tǒng)的服務(wù)器，提供用戶虛擬桌面，保證用戶每次獲得的是一個全新的操作系統(tǒng)，并確保虛擬機鏡像的配置和安全。具體部署：2臺內(nèi)存16GB的物理服務(wù)器。

XenCenter管理控制臺：管理服務(wù)器集群中的所有虛擬機，保證XenServer的安全設(shè)備和補丁管理。

2.3工作機制與處理流程

本節(jié)我們描述一下CitrixVDI桌面虛擬化流程，在使用過程中通過桌面設(shè)備連接虛擬桌面時，用戶啟動設(shè)備，打開登錄頁面登錄，輸入相關(guān)信息后將請求轉(zhuǎn)發(fā)到中心服務(wù)器，這是中心服務(wù)器對用戶的信息進行認證。當(dāng)用戶通過認證后，中心服務(wù)器根據(jù)用戶的配置部署應(yīng)用程序的運行環(huán)境，在所有部署完成后，中心服務(wù)器通知用戶客戶端連接應(yīng)用傳輸后臺，并將應(yīng)用程序的控制權(quán)交給客戶端。這時用戶能隨時訪問虛擬桌面。工作流程如下圖所示：

3 總結(jié)分析

通過在學(xué)校部署VDI結(jié)構(gòu)的虛擬化桌面，也發(fā)現(xiàn)了此結(jié)構(gòu)的一些問題和需要注意的地方。首先，采用VDI架構(gòu)每個虛擬機都需要有獨享的一部分內(nèi)存、存儲和處理功能來運行用戶的桌面環(huán)境；其次，VDI還意味著每個用戶要有獨立的認證許可證；另外，VDI會加大網(wǎng)絡(luò)流量。

針對這些問題，需要在部署服務(wù)器的時候特別注意服務(wù)器的功能和性能，盡量部署功能強大的服務(wù)器。同時需要提高網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。這樣一來，整套部署成本會相對較高。

當(dāng)然較高成本帶來的好處是更高的可管理性和可用性，還提供了更好的用戶體驗。從管理員的角度，通過統(tǒng)一對數(shù)據(jù)中心進行管理，大大提高了管理的可控性，只需要對桌面和應(yīng)用進行統(tǒng)一配置和管理。同時增強了安全管理的便利性。從用戶的角度，因為所需的數(shù)據(jù)和應(yīng)用處理都發(fā)生在數(shù)據(jù)中心，終端的復(fù)雜度大大降低，減少了不少終端的性能要求和成本。但得到的用戶體驗是一致的?？傮w來說，桌面虛擬化對于學(xué)校機房、圖書館管理、教學(xué)實驗等應(yīng)用場景非常適合。

參考文獻：

[1] 祁偉，劉冰，路士華，馮德林.云計算：從基礎(chǔ)架構(gòu)到最佳實踐[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[2] 卓蘇拉，歐爾，佩吉.云計算與數(shù)據(jù)中心自動化[M].人民郵電出版社，2012.

[3] 王宇寧.虛擬技術(shù)在桌面管理中的應(yīng)用與實現(xiàn)[J].計算機與網(wǎng)絡(luò)，2009（14）.

[4] 盛冬冬.虛擬化技術(shù)與云計算服務(wù)[J].軟件世界，2009（12）.

[5]王曉慶.校園云架構(gòu)下的虛擬化桌面應(yīng)用[J].中國教育網(wǎng)絡(luò)，2011（8）.