虛擬云桌面在高職院校公共機房中的應(yīng)用實踐

朱鳳文

近年來，在國家政策的引領(lǐng)和信息技術(shù)的推動下，我國高職院校信息化建設(shè)突飛猛進(jìn)，眾多院校已經(jīng)步入智慧校園建設(shè)進(jìn)程，但作為重要教學(xué)資源的公共機房建設(shè)卻沒有多大改變，多數(shù)高職院校公共機房仍然采用傳統(tǒng)的PC機。隨著軟件的快速更新，迫使PC機的硬件加速更新，機房建設(shè)周期縮短、維護(hù)量大等問題一直困擾機房管理人員。自2011年起國內(nèi)開始研究利用云計算虛擬技術(shù)解決高校機房建設(shè)與管理難題，至2015年已經(jīng)有很多虛擬云桌面應(yīng)用的成功案例。我校于2016年底采用VDI模式虛擬云桌面完成4個公共機房200個信息點的改造，迄今應(yīng)用實踐3年，在設(shè)計、建設(shè)及運維等方面積累了一定的經(jīng)驗。

一、虛擬云桌面技術(shù)

（一） 什么是虛擬云桌面

虛擬云桌面是在云計算技術(shù)的基礎(chǔ)上衍生出的一種虛擬化技術(shù)，是指通過技術(shù)手段將服務(wù)器虛擬為多臺邏輯計算機（定義為虛擬機）。每個虛擬機并行運行而相互不影響。利用云終端設(shè)備（也稱瘦客戶機）通過網(wǎng)絡(luò)登錄遠(yuǎn)端服務(wù)器虛擬機，所有數(shù)據(jù)計算和存儲集中在遠(yuǎn)端服務(wù)器中進(jìn)行，云終端僅僅顯示桌面圖像以及負(fù)責(zé)鍵盤、鼠標(biāo)等外設(shè)輸入輸出操作。相對于傳統(tǒng)PC機，虛擬云桌面的優(yōu)點是運用軟件的方法對服務(wù)器資源重新定義劃分，實現(xiàn)IT資源的集中管理、動態(tài)分配、靈活調(diào)度、跨域共享，提高IT資源利用率。

（二）虛擬云桌面三種架構(gòu)

在實際應(yīng)用中，虛擬云桌面有VDI、IDV、VOI三種架構(gòu)。VDI（Virtual Desktop Infrastructure，虛擬桌面架構(gòu)）應(yīng)用特征是“集中管理，集中運算”。將服務(wù)器虛擬成多個不同的虛擬機，計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)都集中在了服務(wù)器端，云終端通過傳輸協(xié)議連接虛擬機，負(fù)責(zé)輸入操作、輸出界面。VDI的主要優(yōu)點是對云終端設(shè)備要求簡單，支持桌面漫游。缺點是對服務(wù)器規(guī)模和性能要求高，對網(wǎng)絡(luò)依賴性強、帶寬要求高，這種模式適用于對計算性能要求不高的場合，如流程化的辦公、教育等。IDV（Intelligent Desktop Virtualization，智能桌面虛擬化）采用集中存儲、分布運算的構(gòu)架，在服務(wù)器端虛擬出多個不同的系統(tǒng)，云終端把虛擬機加載到本地運行，數(shù)據(jù)再同步回服務(wù)器。IDV優(yōu)點是對網(wǎng)絡(luò)不過度依賴，無需大量的圖像傳輸，支持系統(tǒng)離線運行，但對云終端配置要求高，不支持桌面漫游，適用于統(tǒng)一的高配置終端，網(wǎng)絡(luò)較差的場景；VOI（Virtual OS Infrastructure，虛擬系統(tǒng)架構(gòu)）基本應(yīng)用特征是“集中管理，本地運行”，桌面操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件集成部署在服務(wù)器端，以數(shù)據(jù)流的方式將操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件按需傳送到云終端執(zhí)行運算。VOI的主要優(yōu)點是服務(wù)器的承載客戶端的能力高，網(wǎng)絡(luò)帶寬占用較少。缺點是對云終端性能要求高。VOI非常適合于計算性能要求高的圖形、多媒體處理的工作場合。

二、虛擬云桌面建設(shè)方案

（一）學(xué)校公共機房現(xiàn)狀分析

我校公共機房硬件配置現(xiàn)狀：在2016年，我校共有學(xué)生公共機房十個，PC機500臺，6個機房350臺購于2009年以后，基本滿足教學(xué)要求，余下4個機房200臺PC機購于2006年以前，硬件最高配置為CPU單核2.93G、內(nèi)存1G、硬盤82G、系統(tǒng)是WINDOW XP，基本不能用于教學(xué)。教學(xué)需求：在校生7000人，150教學(xué)班。課程需要window7、Java、C、android、VISIO、AutoCAD、office2010、proteus、matlab、 Photoshop等軟件環(huán)境，機房工位數(shù)量和電腦硬件配置無法滿足教學(xué)。機房維護(hù)情況：機房計算機最近為2012年購置，大多數(shù)都已經(jīng)出現(xiàn)元件老化，加之灰塵、電源接地不良等因素，上課期間頻繁出現(xiàn)藍(lán)屏、死機，硬件損壞常有之事，一名實驗員維以承擔(dān)繁雜維護(hù)工作。

（二）機房建設(shè)方案設(shè)計

根據(jù)學(xué)校現(xiàn)實條件，綜合考慮實際需求、建設(shè)成本、使用周期、維護(hù)管理等因素，經(jīng)過調(diào)研論證，確定了采用基于VDI架構(gòu)的虛擬云桌面改造4個公共機房200點的建設(shè)方案。具體方案是在致遠(yuǎn)樓一樓“ICT行業(yè)創(chuàng)新基地”搭建云計算數(shù)據(jù)中心，采購9臺刀片服務(wù)器和一套磁盤陣列，其中2個服務(wù)器作管理服務(wù)器，雙機主備工作；7臺服務(wù)器構(gòu)成集群環(huán)境，利用KVM技術(shù)虛擬出200個虛擬計算機，每個虛擬機為當(dāng)時主流配置（vCPU 2.6Ghz、vRAM 4G、vMEM 100G，服務(wù)器與存儲磁陣通過萬兆核心交換機以IPSAN方式連接；四個公共機房設(shè)在歷行樓五樓，每個機房50臺云終端構(gòu)成千兆局域網(wǎng)環(huán)境，云終端運行 VDI授權(quán)客戶端軟件；歷行樓設(shè)一臺千兆匯聚交換機與致遠(yuǎn)核心交換機雙光纖連接，四個機房與匯聚交換機千兆連接，云終端與虛擬機采用基于SPICE開源協(xié)議。在數(shù)據(jù)中心配置一臺高性能路由器。與核心交換機相連，通過校園網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1，設(shè)備配置如表1。

三、虛擬云桌面的優(yōu)勢與不足

我校虛擬云桌面公共機房自2016年底交付使用，滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)3年，與傳統(tǒng)PC機房比較在眾多方面有明顯的優(yōu)勢。

建設(shè)成本低。虛擬云桌面機房建設(shè)成本有兩部分組成，即服務(wù)器端和云終端，云終端包括瘦客戶機、顯示器、鍵盤鼠標(biāo)。云終端一般為主流PC機價格一半，服務(wù)器端可根據(jù)虛擬機要求進(jìn)行配置，按工位計算總成本稍低于PC機房，但隨著工位數(shù)增加，虛擬桌面機房成本成下降趨勢。

運行功耗低。虛擬云桌面機房的運營功耗遠(yuǎn)低于PC機房，單臺云終端的功耗小于10W，一臺服務(wù)器虛擬25臺PC機功耗750W，單個虛擬機均耗50W，單工位均耗60W左右，而同配置PC機均耗為200W，因些一單工位省電140W。每學(xué)年按40周1120課時計算，一個工位可省電117.6度電。一個機房50工位可以省電5880度。

硬件利用率高。傳統(tǒng)PC機配置固定，不能針對軟件動態(tài)調(diào)整，硬件資源不能得到充分利用。而虛擬機可以根據(jù)用戶需求對資源合理分配，實現(xiàn)資源的彈性管理，服務(wù)器資源得到充分利用，如可為AutoCAD、PS等課程規(guī)劃高配虛擬機。

擴展性好。不斷更新的軟件，加速硬件升級換代，傳統(tǒng)PC機擴展性差，勢必縮短了PC機使用周期。虛擬云桌面隨時可通過增加服務(wù)器、內(nèi)存數(shù)量及存諸容量提升虛擬機的配置，滿足軟件的要求，如2019年我校對服務(wù)器內(nèi)存和存儲資源進(jìn)行了升級。

維護(hù)性好。虛擬機運行于服務(wù)器上，通過管理服務(wù)器可集中管理所有虛擬機，包括虛擬機配置、系統(tǒng)升級、漏洞修復(fù)、軟件部署以及遠(yuǎn)程在線運維，避免了單機操作，簡單易行，維護(hù)效率高。

安全性好。因云終端與虛擬機采用分離結(jié)構(gòu)，將U盤病毒、木馬攻擊等威脅隔離在云終端，不會感染虛機，大大增加了機房可靠性和數(shù)據(jù)安全性。

開放性好。若服務(wù)器接入校園網(wǎng)，多種終端經(jīng)授權(quán)可在校園網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)通過有線或無線方式接入虛擬機，在網(wǎng)絡(luò)安全的前提下，服務(wù)器接入廣域網(wǎng)，授權(quán)用戶通過互聯(lián)網(wǎng)接入虛擬機。實現(xiàn)虛擬桌面漫游，傳統(tǒng)PC機無法比擬。

基于VDI架構(gòu)的虛擬云桌面在應(yīng)用中也存在不足，一是可靠性低于傳統(tǒng)PC機機房，對網(wǎng)絡(luò)依賴程度高，一旦網(wǎng)絡(luò)故障影響面積大，甚至全部癱瘓。二是單機性能不高，特別是對計算性能、圖形處理、流媒體應(yīng)用要求高的應(yīng)用不適用，如運行BIM相關(guān)軟件。

四、虛擬云桌面機房運維問題

我校虛擬云桌面公共機房運行3年，建設(shè)初期也曾出現(xiàn)了一些問題，隨著管理員對設(shè)備的深入了解，經(jīng)過不斷調(diào)整優(yōu)化后，能保障穩(wěn)定地提供教學(xué)服務(wù)。常見問題大多是參數(shù)錯誤，都能通過參數(shù)調(diào)整或重啟得到恢復(fù)，有少量的網(wǎng)絡(luò)沖突或硬件損壞，所有故障都能通過服務(wù)器日志進(jìn)行分析判斷，智能化程度高，處理時間快。虛擬云桌面支持遠(yuǎn)程協(xié)助，服務(wù)器通過安全方式接入互聯(lián)網(wǎng)，設(shè)備廠商或服務(wù)商可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程在線排除故障，符合現(xiàn)代信息技術(shù)的要求。

但有些問題可以通過合理地規(guī)劃方案減少的，限于早期的技術(shù)條件，加之學(xué)校場地限制，我校虛擬云桌面機房也存在一定缺陷。

服務(wù)器與機房相距較遠(yuǎn)。因網(wǎng)絡(luò)接續(xù)問題造成帶寬受限、登錄虛擬機時間長、故障點多，可靠性差。

選用刀片服務(wù)器。刀片服務(wù)器的優(yōu)點是配線少，部署快、節(jié)省空間，但缺點掛載硬盤少，必須額外增加磁盤陣列來滿足虛擬存儲空間要求，磁盤陣列不僅降低了存取速度，還增加了故障點。此外刀片服務(wù)器不能擴展顯卡，對處理圖像用戶達(dá)不到虛擬顯卡的要求。

云終端ROM存儲空間小。因軟件兼容問題，如紅蜘蛛、極域等機房管理軟件不能加載至虛擬機，只能安裝在瘦客戶機端，ROM造成存儲空間異常緊張。

五、虛擬云桌面應(yīng)用前景分析

虛擬云桌面概念已經(jīng)提出近10年，之所以不能普及應(yīng)用，主要原因是VDI、IDV、VOI三種架構(gòu)都存在明顯不足，任何一種都沒能徹底解決取代PC機所帶來的問題。但實際三種模式不是排斥的關(guān)系，隨著技術(shù)的演進(jìn)，三種模式的融合應(yīng)用，將為虛擬云桌面發(fā)展開拓出廣闊的空間，可以針對不同應(yīng)用場景、用戶需求多種模式靈活組合，優(yōu)勢互補，實現(xiàn)集中管理前提下的計算、存儲在云端和用戶端自由切換，即使高校中專業(yè)性強的虛擬仿真、3D繪圖、媒體處理等實訓(xùn)機房都能得到完美解決。另外，借助5G的商用，虛擬云桌面將有力推動辦公模式變革，使人們徹底擺脫對桌面PC的依賴性，企業(yè)或高校在云端為每人分配一個虛擬機，云平臺的統(tǒng)一管理下，個人辦公應(yīng)用、數(shù)據(jù)信息加載于虛擬機，合理控制信息安全，用戶借助5G帶寬，利用各種智能終端隨時隨地快速接入云端，即以私有云方式實現(xiàn)移動辦公。

六、結(jié)束語

我校三年應(yīng)用實踐證明，虛擬云桌面公共機房在建設(shè)和管理中有傳統(tǒng)PC機無法比擬的優(yōu)勢。雖然有不足之處，隨著技術(shù)的發(fā)展都會得到圓滿解決。面對日新月異的信息化技術(shù)，高職院校的各類機房建設(shè)應(yīng)充分結(jié)合虛擬云桌面技術(shù)進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)籌規(guī)劃，發(fā)揮云計算技術(shù)的優(yōu)勢，借鑒現(xiàn)已取得實踐經(jīng)驗，對職業(yè)院校多媒體教室、教師辦公、電子閱覽室等應(yīng)用場景進(jìn)行部署，完善智慧校園建設(shè)的整體布局，推動職業(yè)院校教育信息化進(jìn)度，早日實現(xiàn)教育現(xiàn)代目標(biāo)。

作者單位：遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院