基于桌面虛擬化的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用和管理研究

陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 陶筱嬌

基于桌面虛擬化的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用和管理研究

陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 陶筱嬌

本文基于桌面云的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，針對(duì)高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的管理實(shí)際，探討運(yùn)用桌面虛擬化技術(shù)提升計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理工作效率，并簡(jiǎn)述了校園網(wǎng)桌面虛擬化系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)Citrix虛擬化平臺(tái)的構(gòu)建桌面云環(huán)境，可降低計(jì)算機(jī)設(shè)備的投入成本，緩解計(jì)算機(jī)硬件維護(hù)壓力，提高計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的使用效率。

桌面云；計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室；實(shí)驗(yàn)室管理；資源優(yōu)化

1 引言

隨著IT和信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)已然成為各行業(yè)各領(lǐng)域重要工具。高校作為人才培養(yǎng)的基地，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)融入大學(xué)專業(yè)課及其他學(xué)科的教學(xué)中，已然成為現(xiàn)代化教學(xué)不可缺少的重要部分[1]。國(guó)內(nèi)各高校都非常重視計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)，投注了大量的人力物力來(lái)建設(shè)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室。計(jì)算機(jī)的大量投入使用，維護(hù)和管理的問(wèn)題日益凸顯出來(lái)。由于計(jì)算機(jī)硬件性能參差不齊，管理工作比較復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)室管理人員每天的管理維護(hù)工作包括數(shù)量眾多的PC故障、系統(tǒng)恢復(fù)、軟件安裝、補(bǔ)丁更新等。另外，從管理、規(guī)劃的角度來(lái)看，大力度的投入建設(shè)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，不可避免的會(huì)造成實(shí)驗(yàn)室重復(fù)建設(shè)，制約了各學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研發(fā)展。除此之外，龐大的計(jì)算機(jī)數(shù)量造成的能源消耗，暴露出來(lái)相關(guān)的能耗問(wèn)題不容小窺。所以，高校在建設(shè)實(shí)驗(yàn)室的過(guò)程中還要考慮實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)營(yíng)成本。近年來(lái)，云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展迅猛，云計(jì)算背景下應(yīng)運(yùn)而生的桌面云為高校信息化建設(shè)帶來(lái)了重大變革。本文針對(duì)陜西科技大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，探討桌面虛擬化技術(shù)應(yīng)用于算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理的優(yōu)勢(shì)和可行性，提出利用Citrix公司產(chǎn)品桌面云平臺(tái)搭建實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的技術(shù)方案。

2 桌面云技術(shù)

云計(jì)算（Cloud Computing）技術(shù)是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)服務(wù)模式，超大規(guī)模、虛擬化、通用性、按需服務(wù)、高可擴(kuò)展是它的典型特點(diǎn)[2]。通過(guò)云計(jì)算，用戶能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)按需的獲得個(gè)性化的計(jì)算資源[3]。相比一般的計(jì)算機(jī)桌面，云桌面比較方便快捷、可以隨時(shí)隨地啟用，只要有Receiver程序，就可以運(yùn)行在任何構(gòu)架的操作系統(tǒng)上。根據(jù)客戶的需求，讓用戶能夠靈活、快捷、高效的使用個(gè)性化定制的計(jì)算資源。

2.1 虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)是云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)之一，是一種資源優(yōu)化、簡(jiǎn)化管理的解決方案[4]。通過(guò)虛擬化技術(shù)可以將各種硬件、軟件、操作系統(tǒng)、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)以及其他IT資源都進(jìn)行虛擬化，并納入云計(jì)算管理平臺(tái)的管理。這樣，IT能力都可以轉(zhuǎn)變成可管理的邏輯資源，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)提供給最終用戶，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的最終目標(biāo)。虛擬化術(shù)通過(guò)在系統(tǒng)中引入一個(gè)虛擬化層，一方面向下管理真實(shí)的物理資源另一方面向上提供虛擬出來(lái)的系統(tǒng)資源，能夠起到擴(kuò)大硬件的容量，簡(jiǎn)化軟件的重新配置過(guò)程的作用。一般的虛擬化示意圖如圖 1 所示。虛擬化技術(shù)包括服務(wù)器虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化、應(yīng)用程序虛擬化、桌面虛擬化等。本文主要討論桌面虛擬化。

圖1 虛擬化示意圖

按照應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)劃分，桌面虛擬化只是虛擬化技術(shù)的一種應(yīng)用[5]。桌面虛擬化技術(shù)一般定義為一種基于服務(wù)器的計(jì)算模型，桌面虛擬機(jī)是由服務(wù)器虛擬化而來(lái)，同時(shí)借用了傳統(tǒng)瘦客戶端的模型，通過(guò)瘦客戶端或者其他終端展示出來(lái)，由于數(shù)據(jù)都是在服務(wù)器處理，所以用戶體驗(yàn)起來(lái)速度較快并且操作與普通PC無(wú)異[6]。桌面虛擬化主要有兩種方式接入：

一是專業(yè)瘦客戶端。提供商已經(jīng)內(nèi)置相應(yīng)的遠(yuǎn)程桌面接入?yún)f(xié)議，配置和操作都相對(duì)便捷，本地不需要額外安裝操作系統(tǒng)，其本地資源開(kāi)銷很低。專業(yè)客戶端也稱為云終端，每臺(tái)單價(jià)比普通pc便宜近一半，運(yùn)行功耗比普通pc低近十倍。

二是普通PC。通過(guò)Web或者安裝與服務(wù)器對(duì)應(yīng)版本的桌面虛擬化客戶端軟件和遠(yuǎn)程桌面協(xié)議，本地需要一定的硬盤空間和計(jì)算資源支持本地操作系統(tǒng)的運(yùn)行，主要計(jì)算仍然集中在服務(wù)器，或?qū)⑵胀≒C結(jié)合無(wú)盤工作站技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬盤上操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的分離，也可以由學(xué)生自帶筆記本電腦訪問(wèn)虛擬化系統(tǒng)。

2.2 桌面虛擬化的基礎(chǔ)構(gòu)架

基于有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接，桌面云的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，從云到端由5個(gè)部分組成：

（1）硬件資源層：主要包括存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備、安全設(shè)備以及計(jì)算設(shè)備。

（2）虛擬資源層：主要為虛擬化提供資源，由服務(wù)器虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化或存儲(chǔ)虛擬化形成的資源池構(gòu)成

（3）虛擬桌面層：通過(guò)使用服務(wù)器虛擬化軟件，將服務(wù)器分成多個(gè)共享資源，向外部提供虛擬桌面服務(wù)。資源分配可根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)度，并部署后臺(tái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)集中管理。

（4）桌面管理層。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)?？梢钥旖莸剡M(jìn)行用戶添加、刪除、配置密碼、修改用戶權(quán)限等操作，簡(jiǎn)化了不同分組用戶的系統(tǒng)鏡像管理、補(bǔ)丁更新等工作。

（5）終端接入層。即指接入云終端的設(shè)備，一般采用價(jià)格更為便宜，管理成本更低，更新周期更長(zhǎng)的瘦客戶端，也可以是是傳統(tǒng)PC，智能手機(jī)、PAD等移動(dòng)設(shè)備。

圖2 桌面云的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

3 桌面云實(shí)驗(yàn)室的總體技術(shù)方案

目前，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室有計(jì)算機(jī)200余臺(tái)，設(shè)備完好率在90%左右，但是隨著使用年限的增加，計(jì)算機(jī)性能難以適應(yīng)當(dāng)前軟件的更新。特別是在承接計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室，計(jì)算機(jī)使用頻率高，硬盤平均壽命縮短，為了滿足現(xiàn)有的教學(xué)需求，頻繁更換硬盤也是需要不少投入。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文提出將現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)改造成桌面云客戶端。將傳統(tǒng)的物理終端桌面環(huán)境改造成為由后臺(tái)服務(wù)器統(tǒng)一分發(fā)和集中管理的VDI模式，減少終端維護(hù)成本和管理復(fù)雜度。另外，根據(jù)不同的終端應(yīng)用需求部署不同模式的虛擬桌面。對(duì)圖形處理需求比較高的應(yīng)用桌面采用GPU透?jìng)鞯奶摂M桌面，針對(duì)編程、文檔處理等圖形處理要求不高的傳統(tǒng)應(yīng)用桌面采用普通的池化桌面虛擬化部署方式。二者結(jié)合使用將最大限度利用圖形工作站的性能，使資源分配更加合理有效。實(shí)驗(yàn)室管理人員只需對(duì)虛擬桌面進(jìn)行安裝發(fā)布，教師、學(xué)生通過(guò)遠(yuǎn)程訪問(wèn)虛擬桌面，客戶端提供操作系統(tǒng)引導(dǎo)和簡(jiǎn)單處理、顯示的功能，計(jì)算集中在服務(wù)端。因此，利用一臺(tái)物理服務(wù)器運(yùn)行多臺(tái)虛擬機(jī)，且各虛擬機(jī)之間的操作相互獨(dú)立，在管理上主要側(cè)重服務(wù)器的軟硬件資源，提高了管理效率。

在校園網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在局域網(wǎng)上增加一組服務(wù)器和共享存儲(chǔ)，并在服務(wù)器上部署虛擬化軟件，利用服務(wù)器虛擬化軟件在服務(wù)器組上進(jìn)行部署，形成云計(jì)算資源池，為桌面云提供資源。整個(gè)桌面云系統(tǒng)采用Citrix Xendesktop套件，用戶桌面共享CPU、內(nèi)存和存儲(chǔ)器等底層物理硬件資源，以虛擬機(jī)的形式運(yùn)行，這些虛擬機(jī)共享同一個(gè)物理資源的同時(shí)，能夠做到相互之間數(shù)據(jù)和資源的隔離。管理員通過(guò)Xencenter訪問(wèn)虛擬桌面，在單個(gè)控制臺(tái)就可以對(duì)桌面進(jìn)行更新，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。具體實(shí)現(xiàn)功能包括：

3.1 集中部署客戶端

管理人員登錄交付服務(wù)器，使用vCenter自帶的控制臺(tái)和遠(yuǎn)程桌面，就可以對(duì)PC進(jìn)行批量或單獨(dú)地進(jìn)行各種控制和管理。當(dāng)大而積系統(tǒng)軟件安裝或升級(jí)的時(shí),只需要在一臺(tái)虛擬機(jī)進(jìn)行軟件安裝或升級(jí),再與服務(wù)器進(jìn)行一次同步更新,完成后重啟其余虛擬機(jī)即可,無(wú)需再逐臺(tái)安裝操作,也無(wú)須用還原卡再次同傳操作系統(tǒng)。釆用的大面積批量部署方式提供了一系列遠(yuǎn)程集中維護(hù)管理功能，不僅比還原卡的方式節(jié)省60%以上的時(shí)間，并且比還原卡更穩(wěn)定、更可靠。

3.2 按需交付

桌面云系統(tǒng)應(yīng)該為最終用廣按需配置和交付不同的使用環(huán)境和操作系統(tǒng)。所有的桌面環(huán)境虛擬化后實(shí)現(xiàn)各行業(yè)各部門的按需交付,每行業(yè)可以分部門定制單純桌面環(huán)境,充分滿足其個(gè)性化需求,又能夠集中管理。有了按需交付多操作系統(tǒng),就可以靈活應(yīng)對(duì)政府、企業(yè)、教育等多個(gè)行業(yè)的應(yīng)用環(huán)境。按需交付的過(guò)程實(shí)際上是管理員通過(guò)操作對(duì)邏輯鏡像進(jìn)行合并、增量增加鏡像等操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。微觀的來(lái)說(shuō)就是對(duì)虛擬電子磁盤的扇區(qū)組合表訪問(wèn),把操作系統(tǒng)文件、應(yīng)用軟件文件和用戶差異文件這種樹(shù)狀的鏡像結(jié)構(gòu)的訪問(wèn),根據(jù)用戶的策略來(lái)按需調(diào)用和部署鏡像文件,從而實(shí)現(xiàn)這種用戶On-Demand的過(guò)程。按需交付概念如圖3所示。

圖3 按需交付示意圖

3.3 多種桌面和應(yīng)用交付模式

報(bào)據(jù)各種用戶使用的不同需求,制作多種應(yīng)用環(huán)境,當(dāng)用戶打開(kāi)電腦后,系統(tǒng)為用戶提供選擇菜單,由使用者自行選擇所需要使用的應(yīng)用壞境,系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)交付響應(yīng)的虛擬桌面。由于高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室面對(duì)的是不同專業(yè)的學(xué)生和教師，對(duì)軟件和操作系統(tǒng)的需求不一樣，針對(duì)這種情況，將桌面交付分為win7學(xué)生桌面、win7教師桌面、win8學(xué)生桌面、win8教師桌面及利用GPU透?jìng)鞯?D、4D桌面,學(xué)生交付組示意圖如圖4所示。除此之外,桌面也需要靈活的應(yīng)用方式,可以選擇多種啟動(dòng)和保存數(shù)據(jù)的方式。比如說(shuō)客戶的數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)在本地還是遠(yuǎn)程;使用結(jié)束后系統(tǒng)是否需要還原;系統(tǒng)還原方式可以選擇每次啟動(dòng)還原、一次性還原和客戶機(jī)主動(dòng)還原。對(duì)于教師桌面，用戶可以直接在本地進(jìn)行程序安裝和系統(tǒng)修改操作，本地不保存數(shù)據(jù)的學(xué)生桌面需要通過(guò)修改模板的方式進(jìn)行更新。

圖4 學(xué)生桌面軟件示意圖

3.4 監(jiān)控管理

監(jiān)控功能主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器負(fù)載等信息的收集,這些信息包括∶CPU使用率、內(nèi)存使用率、用戶在線人數(shù)等,這樣便于用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。當(dāng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量比較大,所以消耗CPU比較多,導(dǎo)致啟動(dòng)速度下降時(shí)管理員能及時(shí)的調(diào)整策略;用戶在線人數(shù)則可以可視化的查看現(xiàn)有的活動(dòng)用戶數(shù)量,監(jiān)控整個(gè)桌而云系統(tǒng)的狀態(tài)。

監(jiān)控端的管理界面可以直接監(jiān)控各終端機(jī)的屬性,并可以修改。終端機(jī)的信息主要有：

（1）虛擬機(jī)名∶該虛擬機(jī)的電腦名。

（2）物理地址∶顯示該客戶機(jī)網(wǎng)卡的MAC地址。

（3）IP∶顯示該客戶機(jī)由桌面云系統(tǒng)的DHCP服務(wù)器分配的IP地址。

（4）交付組∶顯示該客戶機(jī)屬于哪個(gè)交付組,在登陸時(shí)使用何種模式。

（5）會(huì)話狀態(tài)∶顯示客戶機(jī)的客戶端名稱及聯(lián)機(jī)狀態(tài)。

（6）詳細(xì)描述∶顯示對(duì)該客戶機(jī)的具體描述內(nèi)容。

3.5 移動(dòng)終端

今天的數(shù)字化辦公隊(duì)伍需要極大的靈活性，來(lái)通過(guò)他們選擇的任何設(shè)備隨時(shí)隨地開(kāi)展工作。利用Citrix Receiver，XenDesktop用戶可以通過(guò)任何PC機(jī)、蘋果機(jī)、瘦客戶端或智能電話訪問(wèn)他們的桌面和應(yīng)用。這樣就可以實(shí)現(xiàn)全面的工作空間靈活性、業(yè)務(wù)連續(xù)性和用戶移動(dòng)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于桌面虛擬化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)室管理的一種創(chuàng)新模式，將桌面云應(yīng)用到傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理中。學(xué)校的機(jī)房設(shè)備只需要能夠上網(wǎng)，任何一種教學(xué)軟件的使用和信息的存儲(chǔ)包括像超級(jí)計(jì)算這樣的問(wèn)題都可以輕松解決，由于軟件的安裝、維護(hù)都集中到了服務(wù)器上，而且可以根據(jù)不同專業(yè)課程對(duì)機(jī)房的硬件和軟件需求提供定制化的軟硬件服務(wù)，充分利用了機(jī)房的軟硬件資源，同時(shí)極大地減少了運(yùn)行維護(hù)成本，節(jié)約了人力、物力和財(cái)力。

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