云桌面虛擬化架構的研究與應用

霍旭輪 蔣志松 趙文

（三亞航空旅游職業(yè)學院，海南 三亞 572000）

云桌面虛擬化架構的研究與應用

霍旭輪 蔣志松 趙文

（三亞航空旅游職業(yè)學院，海南 三亞 572000）

云技術已經成為時下流行的一種網絡應用模式，在信息技術、網絡技術不斷發(fā)展的進程中，云桌面虛擬化已經成商業(yè)、家用電子、電器設備應用的主要模式。為此，本文研究桌面虛擬化理論，分別從服務器、Web管理中間件、桌面客戶端三個方面設計基于KVM的云桌面虛擬化架構，并對云桌面進行環(huán)境搭建和系統(tǒng)配置，部署云桌面虛擬化平臺，探討其應用與效益。結果表明，本文構建的云桌面虛擬化平臺具有良好的資源分配均衡性，擁有良好的經濟效益和實用價值。

云桌面；虛擬化；云桌面架構；桌面虛擬化平臺；KVM

1 前言

隨著終端設備輕質化、便攜式設計的流行，其自身存儲能力和計算能力受到了一定的限制，而大型計算服務器具有海量存儲能力和云計算能力，可多線程處理請求，為此利用互聯(lián)網技術構建云服務提高終端設備的應用能力是新一代計算機應用的發(fā)展方向。此外，云計算能夠將數(shù)據集中管理，提高了數(shù)據的安全性。利用云計算技術、虛擬化技術構建的桌面云服務器，其降低了客戶端處理數(shù)據的壓力，提高了客戶端設備的應用效率。在服務器端，桌面云構建多個虛擬系統(tǒng)，靈活按照客戶端需求分配資源，提高了硬件的利用效率，降低了工作時間和成本。在應用管理方面，由服務器端統(tǒng)一進行虛擬操作系統(tǒng)更新，降低了客戶端系統(tǒng)升級的壓力，數(shù)據的安全保護由服務器端進行管理，避免用戶意外造成數(shù)據丟失。

2 桌面虛擬化理論概述

2.1 虛擬化技術

虛擬化技術將計算機底層資源邏輯化抽象成為客戶端遠程應用資源，通過云計算機技術構建服務器端的硬件、軟件以及客戶端系統(tǒng)應用的中間層，靈活動態(tài)地為客戶端提供資源，滿足上層結構的資源調用。由此可見虛擬化技術是作為一個中間層的架構建立在服務器端與客戶端之間。虛擬化體系結構包括寄宿虛擬化和原生虛擬化，寄宿虛擬化是虛擬機運行在已有操作系統(tǒng)之上，通過寄宿的方式獲取宿主機器操作系統(tǒng)各種資源，如：VMware Workstation、Virtual Box、Virtual PC等，此種虛擬化體系結構實現(xiàn)簡單，但是性能較差。原生虛擬化是虛擬機軟件與宿主機器實現(xiàn)虛擬操作系統(tǒng)與物理硬件上的交互，如：Citrix Xen、VMware ESX Server、Hyper-v和KVM，此種虛擬化體系結構實現(xiàn)復雜，但是其性能穩(wěn)定，擴展性強。

虛擬化技術根據其實現(xiàn)的層次不同劃分為程序級、語言級、系統(tǒng)級、硬件級和指令級。程序級虛擬化是采用中間層技術將操作系統(tǒng)與軟件之間搭橋，以應用程序的方式實現(xiàn)在不同操作系統(tǒng)中運行同一軟件的目的，如在windows操作系統(tǒng)下運行Linux軟件或者在Linux操作系統(tǒng)下運行windows軟件。語言級虛擬化是在應用層上創(chuàng)建基于特定語言的虛擬機，該虛擬機能夠通過編譯時應用程序在非物理機上運行，如JVM虛擬機、CLI虛擬機、AVM2虛擬機等。系統(tǒng)級虛擬化以Chroot技術實現(xiàn)Linux/UNIX共享內核，如：Solaris Container、Open VZ等。硬件級虛擬化是在同一臺硬件主機上構建多個虛擬機，如：VMware、Citrix Xen、Hyper-V、KVM等。指令級虛擬化是采用模擬器的方式模擬其他計算機系統(tǒng)完成特性的操作，如：Bochs、QEMU。

2.2 桌面虛擬化

桌面虛擬化技術是由服務器端負責數(shù)據存儲、軟件調用和任務計算，客戶端只負責在桌面顯示服務器端提供桌面應用。由此客戶端減小了存儲、備份的壓力，使系統(tǒng)更加流暢，同時數(shù)據的統(tǒng)一升級管理有助于資源的安全性。桌面虛擬化架構包括虛擬化桌面服務器、管理服務器、用戶終端三個部分。虛擬化桌面服務器是將服務器配置成為虛擬化硬件設備，利用虛擬化系統(tǒng)建立多個虛擬機，每個虛擬機都具有獨立的操作系統(tǒng)，虛擬機能夠與客戶終端相對應，服務器根據用戶需求分配硬件資源。管理服務器是對用戶連接服務器和用戶申請?zhí)摂M機所構建的服務器，其作為服務器與客戶端之間的中間件，可以管理多達上千個虛擬機，及眾多的客戶端。管理服務器能夠實時檢測物理主機和虛擬主機，判斷是否出現(xiàn)硬件滿載問題，同時還對接入的用戶進行認證和資源調配。桌面終端是通過網絡連接虛擬主機的用戶終端，每個用戶都使用IP地址連接服務器，客戶通過認證后使用服務器端提供的虛擬桌面調用服務器資源進行應用。

3 云桌面虛擬化架構設計

3.1 總體設計

云桌面虛擬化架構包括虛擬化服務器、管理中間件、WEB管理應用端和用戶桌面終端四個部分，虛擬化服務器包括Libvirt、SPICE服務、QEMU-KVM和虛擬機，管理中間件包括虛擬服務器代理、數(shù)據庫管理、數(shù)據庫接口、用戶管理，WEB管理包括虛擬化平臺監(jiān)控、虛擬機管理、虛擬機申請管理，用戶桌面終端包括終端配置和SPICE客戶端。云桌面虛擬化架構如圖1所示：

圖1 云桌面虛擬化架構

由圖1可見，用戶桌面終端通過SPICE客戶端連接虛擬化服務器的SPICE服務，二者對接后，通過QEMU-KVM進行交互，獲取服務器音視頻信息。SPICE服務連接Libvirt接口與QEMU-KVM進行交互，獲取服務器虛擬機數(shù)據，同時對虛擬化服務器進行配置、管理和資源調用分配。管理中間件存儲用戶信息，WEB管理端通過管理中間件進行虛擬機的應用管理。QEMU-KVM作為云桌面虛擬化服務器的核心，KVM負責物理主機CPU和內存的虛擬化，QEMU負責物理主機I/O的虛擬化。

3.2 服務器設計

云桌面虛擬化服務器采用KVM技術（Keyboard,Video,Mouse）構建虛擬化平臺，它利用網絡恰當?shù)嘏渲煤吞幚礞I盤、鼠標及顯示器的關系，構建不同操作系統(tǒng)下的多臺主機之間切換，實現(xiàn)一臺主機、一套操作系統(tǒng)上訪問和運行其他主機和不同操作系統(tǒng)中的數(shù)據及軟件應用。其組件包括Libvirt虛擬化管理接口、QEMU-KVM虛擬化平臺和SPICE協(xié)議。Libvirt虛擬化管理接口是Libvirt函數(shù)庫提供的編程接口，可進行虛擬機的創(chuàng)建、修改、刪除、控制和監(jiān)視，Libvirt支持Hypervisor實現(xiàn)通用API接口。使用virsh的shell工具配置生成虛擬機，存儲xml格式配置文件，配置虛擬機、網絡存儲卷、存儲池等設備。QEMU-KVM虛擬化平臺中QEMU作為虛擬化模擬器可以模擬多硬件架構的CPU指令，Virtio作為I/O虛擬化策略，KVM為虛擬化環(huán)境。SPICE協(xié)議是遠程計算傳輸協(xié)議，其能夠處理前端和后端的各種交互，協(xié)議包括有SPICE服務端、SPICE協(xié)議、SPICE客戶端，通過各通道進行服務端與客戶端的通信，每種類型的數(shù)據都具有特定的通道，由Main通道和Inputs通道進行控制。

3.3 Web管理中間件

Web管理中間件作為桌面虛擬化平臺的管理工具可進行虛擬化平臺的監(jiān)控、虛擬機管理、用戶管理和數(shù)據庫管理。虛擬化平臺的監(jiān)控在服務器配置Libvirt服務，通過TCP/SSH調用Libvirt接口對虛擬化服務器的CPU性能、網絡配置、內存占用、網絡監(jiān)控、存儲管理等進行監(jiān)控，實現(xiàn)云桌面虛擬化平臺服務器的無縫管理。虛擬機管理是通過Libvirt提供的API接口進行虛擬機的創(chuàng)建、配置更改、訪問控制、性能監(jiān)控、虛擬機啟動、掛起、遷移、保存、關閉等。用戶管理是對云桌面虛擬化平臺的使用用戶進行管理，其用戶主要分為兩類，一是管理員用戶，二是客戶端使用者用戶。管理員用戶通過管理平臺界面接入虛擬機管理，對用戶的虛擬機申請和數(shù)據庫進行管理，客戶端使用者用戶可進行虛擬機的申請和通過虛擬機調用服務器資源。虛擬機的使用需要對用戶賬戶進行認證，并根據用戶對資源的需求進行調度和資源分配，為了保證虛擬化服務器的使用效率，要對虛擬機用戶申請數(shù)量進行控制，防止虛擬化服務器超過負載導致堵塞問題。對于數(shù)據庫的管理是對用戶信息、虛擬機信息、主機信息、虛擬機申請信息、虛擬機模板信息等進行數(shù)據庫管理，使用Python對實體信息抽象模型關系映射框架，對數(shù)據庫操作對象化，實現(xiàn)對實體模型對象的操作和管理。

3.4 桌面客戶端設計

桌面客戶端是通過安裝SPICE協(xié)議客戶端操作系統(tǒng)實現(xiàn)虛擬化桌面的應用，SPICE客戶端軟件通過SPICE協(xié)議和服務器端進行數(shù)據傳輸，SPICE協(xié)議支持Windows、Linux、Android、Web等客戶端，可滿足用戶跨平臺應用云桌面。云桌面客戶端功能模塊包括用戶管理模塊、桌面顯示模塊和桌面管理模塊。用戶管理模塊可進行賬號的注冊和用戶的登錄，桌面顯示模塊是對桌面進行更新，桌面管理模塊可顯示桌面列表?？蛻舳擞脩敉ㄟ^SPICE傳輸顯示協(xié)議連接到云計算管理平臺中心進行身份認證，認證成功者可返回獲取個人虛擬桌面。

4 云桌面虛擬化系統(tǒng)實施與應用

4.1 環(huán)境搭建

云桌面虛擬化系統(tǒng)環(huán)境在服務器端需要較高的硬件配置來支持多用戶的資源應用，因此在具體實施中本文選擇使用聯(lián)想萬全R680 G7服務器，其CPU為Xeon E7-4820，內存為16G、硬盤為300G，千兆網卡，熱插拔冗余高效能電源，RAID卡為LSI 9240-8i w/o R5。將RAID卡配置為RAID5的方式存儲數(shù)據，并將BIOS中的CPU虛擬化支持設置為Enable。采用RHEL64位操作系統(tǒng)，安裝Libvirt接口管理虛擬機。

4.2 應用與效益分析

在云桌面虛擬化應用過程中，所產生的成本主要包括前期的環(huán)境搭建資本投入和后期的運營維護成本投入。假設云桌面虛擬化環(huán)境用戶數(shù)量為500人，虛擬化服務器配置與傳統(tǒng)PC投資維護相同環(huán)境，CPU 2GHz、內存2G。實施成本內容包括：服務器搭建、設備采買，計算得到云桌面的成本為227萬元，傳統(tǒng)PC的成本為150萬元。運維成本內容包括服務器能耗成本、終端能耗成本、軟硬件維護與系統(tǒng)安全維護成本，計算得到云桌面每月成本消耗3.31萬元，傳統(tǒng)PC每月成本8.86萬元，由此可見長期使用過程中，云桌面的成本有很強的經濟優(yōu)勢，并且傳統(tǒng)PC受設備老化、配置升級等方面因素的制約，其經濟效益遠不如云桌面方案。此外在安全方面，傳統(tǒng)PC安全環(huán)境分散，不易于控制和管理，而云桌面則由服務器端集中管理，提高了數(shù)據應用的安全性。

5 結語

通過本文的研究明確了云桌面虛擬化架構的主要組成，包括虛擬化服務器、WEB管理中間件、WEB管理和客戶端用戶桌面?；贙VM技術設計虛擬化服務器、WEB管理中間件和桌面客戶端，闡述其設計過程，并通過環(huán)境搭建和實施應用使其滿足傳統(tǒng)PC環(huán)境的應用效果。通過效益分析得出，雖然云桌面應用前期實施投入成本較高，但是其運營維護成本遠低于傳統(tǒng)PC，具有更加穩(wěn)定和廣闊的發(fā)展空間，同時鑒于其維護的安全性高、成本低，云桌面技術是未來計算機應用的主要發(fā)展趨勢。

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Research andApplication of Cloud Desktop VirtualizationArchitecture

Huo Xulun Jiang Zhisong Zhao Wen
(SanyaAviation and Tourism College,Sanya 572000,Hainan)

Cloud technology has become a popular network application mode.In the continuous development of information technology and network technology,cloud desktop virtualization has become the main mode of commercial application,home electronic application and electrical equipment application.This paper studies on the theory of desktop virtualization,and designs the cloud desktop virtualization architecture based on KVM from server,Web management middleware,and desktop client respectively.It also builds the environment and system configuration,deploys the cloud desktop virtualization platform,and discusses on its application and benefits.The results show that the cloud desktop virtualization platform constructed in this paper has good resource allocation and balance,and has good economic and practical value.

cloud desktop;virtualization;cloud desktop architecture;desktop virtualization platform;KVM

TP316；TP391.9

A

1008-6609(2017)08-0022-03

霍旭輪(1985-)，男，陜西綏德人，學士，助理工程師、助教，研究方向為現(xiàn)代教育技術、計算機應用。

三亞市院地合作科技項目，項目名稱：云桌面在三亞酒店業(yè)的應用研究，項目編號：2013YD64。