基于虛擬桌面計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建與應(yīng)用

曾宇胸

北京師范大學(xué)珠海分校 廣東珠海 519087

實(shí)驗(yàn)室實(shí)訓(xùn)基地及平臺建設(shè)

基于虛擬桌面計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建與應(yīng)用

曾宇胸

北京師范大學(xué)珠海分校 廣東珠海 519087

提出了一個(gè)基于虛擬桌面的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建方案，從服務(wù)器端、桌面端以及管理維護(hù)三方面進(jìn)行了詳細(xì)論述，對系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行了分析說明，同時(shí)還分析了系統(tǒng)存在的不足并提出了升級改造的設(shè)想。

桌面虛擬化；計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

虛擬化技術(shù)作為云計(jì)算時(shí)代的一個(gè)支撐性技術(shù)，近年來得到了快速發(fā)展。由于具有高利用率、高效率、高可用、低成本、低能耗等優(yōu)勢，它也被廣泛地應(yīng)用于教育領(lǐng)域，為教育信息化的發(fā)展注入了極大的活力。

虛擬化技術(shù)在底層分為計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)三方面，在此基礎(chǔ)上，衍生出了一些具體的虛擬化應(yīng)用，常見的有：服務(wù)器虛擬化、應(yīng)用虛擬化、桌面虛擬化等。桌面虛擬化技術(shù)首先在數(shù)據(jù)中心的物理服務(wù)器上進(jìn)行服務(wù)器虛擬化，生成大量的獨(dú)立的桌面操作系統(tǒng)(虛擬機(jī))，然后使用專用的虛擬桌面協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)傳送給終端設(shè)備。在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室(機(jī)房)中使用這種技術(shù)，可以很好地解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室存在的一些弊端。因此桌面虛擬化技術(shù)為高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和管理提供一個(gè)好的思路。

本文介紹了一個(gè)基于虛擬桌面計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案，并對系統(tǒng)的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析。

1 系統(tǒng)基本架構(gòu)

虛擬桌面系統(tǒng)設(shè)計(jì)總?cè)萘繛?70個(gè)信息點(diǎn)，分布在兩間實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，每間實(shí)驗(yàn)室包括84個(gè)學(xué)生機(jī)點(diǎn)和1個(gè)教師機(jī)點(diǎn)。

1.1 服務(wù)器端設(shè)計(jì)

核心設(shè)備由3臺Dell R820服務(wù)器組成，每臺服務(wù)器配置為4個(gè)Intel至強(qiáng)E5-4620 CPU，320 G內(nèi)存，2個(gè)480 G的SSD硬盤，12個(gè)300 G的SAS硬盤，4個(gè)千兆網(wǎng)口。由于1個(gè)至強(qiáng)E5-4620 CPU有8個(gè)內(nèi)核，再加上超線程技術(shù)，每臺服務(wù)器可用的邏輯CPU為64個(gè)。12個(gè)SAS硬盤配置成RAID5，容量為3 T；2個(gè)480 G的SSD硬盤配置成RAID1，容量為480 G；每臺服務(wù)器總存儲容量約3.5TB，系統(tǒng)沒有使用額外的存儲設(shè)備。

虛擬化軟件使用VMware vSphere 6，虛擬桌面系統(tǒng)使用VMware View 6。系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬桌面系統(tǒng)基本架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)為千兆局域網(wǎng)，每臺服務(wù)器都有2個(gè)網(wǎng)卡以組合的方式接入網(wǎng)絡(luò)，這樣為服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通信提供了冗余和負(fù)載均衡的功能。vCenter，vComposer，vConnector等管理組件均以虛擬機(jī)的方式安裝在服務(wù)器1中，學(xué)生、教師虛擬桌面使用的170個(gè)虛擬機(jī)則均衡分布在3臺物理服務(wù)器中，每臺服務(wù)器運(yùn)行大約60個(gè)虛擬機(jī)。

1.2 桌面端設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生和教師通過低功耗的瘦終端連接虛擬桌面。每個(gè)桌面虛擬機(jī)分配了4 vCPU，4G RAM，100G vDisk，安裝Windows 7(64位)操作系統(tǒng)。桌面中安裝的應(yīng)用軟件有：Office2013，Android Studio，Visual Studio2012，SQL Server 2012，Vmware Workstation 10等。

為了保證讀取速度，所有桌面虛擬機(jī)的對應(yīng)的原始鏡像文件都保存在SSD硬盤中，而虛擬機(jī)在運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)生成的新數(shù)據(jù)則保存在SAS硬盤中。

1.3 管理設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室最常見的管理工作就是軟件更新。本系統(tǒng)為每一個(gè)用戶分配一個(gè)持久桌面，它保留了會話之間所有文檔、應(yīng)用程序和設(shè)置。虛擬桌面的重新發(fā)布在管理系統(tǒng)中通過桌面池的重構(gòu)實(shí)現(xiàn)。由于使用鏈接克隆技術(shù)，大大加快了桌面鏡像的創(chuàng)建速度，同時(shí)能大量節(jié)省存儲空間。通常兩間實(shí)驗(yàn)室所有桌面更新一次總時(shí)長不超過一個(gè)小時(shí)。

桌面系統(tǒng)每天中午和晚上各進(jìn)行一次還原，還原通過對桌面池的刷新實(shí)現(xiàn)，刷新后桌面就恢復(fù)到了初始狀態(tài)。具體的做法是在Connection服務(wù)器中設(shè)置一個(gè)定時(shí)任務(wù)：每天12:30和23:30對所有虛擬桌面對應(yīng)的桌面池執(zhí)行刷新操作。通常在30分鐘內(nèi)可以對所有桌面還原完畢。

2 系統(tǒng)應(yīng)用情況

這兩間實(shí)驗(yàn)室目前主要用于程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)等信息技術(shù)專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，系統(tǒng)上線運(yùn)行已有一年時(shí)間，使用效果令人滿意，這主要體現(xiàn)在以下幾方面。

2.1 使用情況

學(xué)生、教師使用虛擬桌面的響應(yīng)速度與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室基本沒有差異，并且啟動(dòng)速度快，不會遇到藍(lán)屏、死機(jī)的現(xiàn)象，應(yīng)用體驗(yàn)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室。

2.2 管理維護(hù)工作

升級部署一間教室大約30分鐘就可以一次性完成，中間不會出現(xiàn)個(gè)別機(jī)器斷網(wǎng)、死機(jī)的現(xiàn)象。管理員平時(shí)的維護(hù)工作大都在辦公室內(nèi)通過遠(yuǎn)程操作完成，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的硬件基本上不需要進(jìn)行日常維護(hù)；在一年中僅有6臺終端出現(xiàn)故障。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表1和表2是本系統(tǒng)中2臺物理服務(wù)器一年內(nèi)的性能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以看出，在系統(tǒng)主要資源中，內(nèi)存平均使用率較高，已接近80%，而計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等資源仍有較大富余。

表1 服務(wù)器1資源使用情況

表2 服務(wù)器3資源使用情況

表3是其中一臺學(xué)生桌面虛擬機(jī)一年內(nèi)的性能統(tǒng)計(jì)，可以看出，分配給虛擬桌面的資源充足，預(yù)計(jì)在未來的2～3年都足夠使用。

表3 一臺學(xué)生虛擬機(jī)資源使用情況

綜上所述，本設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)合理，能夠完全滿足預(yù)先提出的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，同時(shí)也為未來系統(tǒng)的升級改造預(yù)留了較大的空間。

3 問題與改進(jìn)

3.1 系統(tǒng)可靠性

由于校園網(wǎng)設(shè)計(jì)問題，致使匯聚層交換機(jī)、網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)中心物理位置相隔較遠(yuǎn)，而虛擬桌面應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)的依賴程度非常高，一旦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題，整個(gè)虛擬桌面系統(tǒng)將完全無法使用。我們在使用過程中，就曾經(jīng)出現(xiàn)過幾次因校園網(wǎng)光纖被施工破壞而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無法工作的情況。建議將匯聚層交換機(jī)、網(wǎng)關(guān)盡量安裝在數(shù)據(jù)中心內(nèi)，并增加冗余網(wǎng)絡(luò)鏈路，確保網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

3.2 無法滿足所有應(yīng)用

一些對顯卡要求較高的應(yīng)用，如CAD、3D設(shè)計(jì)、視頻編輯等本系統(tǒng)無法完全滿足，這種情況在設(shè)計(jì)方案時(shí)已經(jīng)考慮到。如果未來確需在本系統(tǒng)中上這類應(yīng)用，則需要在物理服務(wù)器中增加一定數(shù)量的高性能顯卡，利用vGPU的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。

3.3 添加桌面

目前每個(gè)終端僅使用一個(gè)桌面鏡像，也就是所有教學(xué)軟件都安裝在一個(gè)操作系統(tǒng)中，這樣經(jīng)過一兩年后，隨著所安裝的應(yīng)用程序的添加，桌面系統(tǒng)會比較雜亂。建議未來將終端連接的桌面數(shù)量增加到2～3個(gè)，分成如程序設(shè)計(jì)類、數(shù)媒設(shè)計(jì)類等，為教學(xué)的使用提供方便。

3.4 系統(tǒng)升級

目前系統(tǒng)主要資源的使用情況是：內(nèi)存資源已經(jīng)達(dá)到飽和，但CPU、存儲資源還有較大剩余。由于目前每臺服務(wù)器所配置內(nèi)存為320 G(20×16 G)，而該型號服務(wù)器最大內(nèi)存容量可達(dá)1.5 T(48×32 G)，所以升級可考慮先從增加服務(wù)器內(nèi)存入手，這樣才能將其他剩余的資源充分利用。具體可以采取兩種方式，方式一：將剩余的資源以虛擬服務(wù)器的方式提供給學(xué)院教師，用于教學(xué)、科研；方式二：將剩余的資源用于擴(kuò)建新的虛擬桌面實(shí)驗(yàn)室，但這種方式還需額外增加相關(guān)軟件授權(quán)的費(fèi)用。

4 結(jié)束語

無論是從建設(shè)和維護(hù)成本，或是管理效率，或是節(jié)能減排的角度而言，基于虛擬桌面的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室相比，都具有明顯的優(yōu)勢，可以完全替代由PC機(jī)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室(機(jī)房)。不過這種優(yōu)勢只有在機(jī)位(信息點(diǎn))數(shù)量具備一定規(guī)模的情況下才能體現(xiàn)出來，并且規(guī)模越大，優(yōu)勢越明顯，這是在方案設(shè)計(jì)之初必需要考慮的重要因素。另外設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)注意要確保網(wǎng)絡(luò)的高可用性，必要時(shí)可考慮增加備份網(wǎng)絡(luò)鏈路和設(shè)備。

[1]Scott Lowe.精通VMware vSpherer 5[M].曾少寧,譯.北京:人民郵電出版社,2014.

[2]Forbes Guthrie.VMware vSpherer Design :Second Edition[M].John Wiley & Sons, Inc,2013.

[3]Matt Liebowitz. VMware vSpherer性能設(shè)計(jì)[M].姚海鵬,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2015.

[4]Ryan Cartwright.VMware Horizon 6 DesktopVirtualization Solutions [M].Packt Publishing Ltd,2014.

[5]華為公司.虛擬化技術(shù)白皮書.[DB/OL].http://e.huawei.com/cn/marketing-material/cn/products/cloud_computing/cloud_computing/fusionsphere/r5c00/hw_401039.

Construction and Application of Computer Laboratory Based on Virtual Desktop

Zeng Yuxiong
Beijing Normal University, Zhuhai Campus, Zhuhai, 519085, China

Proposed the construction program of computer laboratory based on virtual desktop, from server-side, desktop-side and management and maintenance of three aspects were discussed in detail, analyzed the system operation status and shortcomings, proposed the suppose of system upgrade.

desktop virtualization; computer laboratory; design; application

曾宇胸，碩士，實(shí)驗(yàn)師。

北京師范大學(xué)珠海分校質(zhì)量工程項(xiàng)目“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”精品資源共享課(編號：201426)。