吳湘寧,羅勛鶴,劉遠(yuǎn)興,李 敏
(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,湖北 武漢 430078;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處,湖北 武漢 430074;3.荊楚理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,湖北 荊門(mén) 448000)
隨著社會(huì)信息化程度的不斷提高,以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及,計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為各行各業(yè)必不可少的常用工具,計(jì)算機(jī)的操作和使用能力也成為當(dāng)代大學(xué)生必備的技能之一。高校各專(zhuān)業(yè),無(wú)論是理工類(lèi)還是文史類(lèi),均要求學(xué)生必須具備使用計(jì)算機(jī)處理和解決問(wèn)題的能力。為此,各地高校每年投入大量資金新建、改建、擴(kuò)建計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室,為學(xué)生計(jì)算機(jī)實(shí)踐能力的培養(yǎng)創(chuàng)造良好的硬件條件[1]。
最早出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方式是:每個(gè)工位配備一臺(tái)PC 機(jī),所有的PC 機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)鏈接。這種方式最大的問(wèn)題在于,管理人員需要為每臺(tái)PC 機(jī)單獨(dú)安裝軟件,這項(xiàng)工作量很大,而且不利于PC 機(jī)系統(tǒng)的維護(hù)和更新[2],一旦出現(xiàn)計(jì)算機(jī)病毒就難以控制且極易擴(kuò)散[3]。
為了解決這一問(wèn)題,隨后出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始使用硬盤(pán)還原卡[4]及硬盤(pán)同傳拷貝系統(tǒng)。這種解決方案通常是在每一臺(tái)PC 機(jī)上安裝一個(gè)硬盤(pán)還原卡,在教師機(jī)上安裝一塊同傳拷貝卡。其操作方式為:先在教師機(jī)上安裝教學(xué)軟件,然后將教師機(jī)的硬盤(pán)內(nèi)容同傳拷貝到所有的學(xué)生機(jī)的硬盤(pán)上,在啟動(dòng)硬盤(pán)還原卡后,學(xué)生機(jī)重新開(kāi)機(jī)后,其操作系統(tǒng)都會(huì)恢復(fù)到上課之前的狀態(tài)。這種方式可以實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的一次性安裝及不限次數(shù)地分發(fā)克隆,減輕了管理人員的工作負(fù)擔(dān)。但是這種方案的缺點(diǎn)也非常明顯:首先,所有教師機(jī)和學(xué)生機(jī)必須采用相同的型號(hào)和配置,當(dāng)有PC機(jī)損壞需要更換或?qū)嶒?yàn)室需要擴(kuò)建并采購(gòu)新機(jī)器時(shí),往往很難保證購(gòu)置到與以前PC 機(jī)同型號(hào)、同配置的新PC 機(jī);其次,由于這種方式是基于硬盤(pán)的拷貝,而大多PC 機(jī)硬盤(pán)是價(jià)格便宜但讀寫(xiě)速度較慢的機(jī)械硬盤(pán),硬盤(pán)的拷貝過(guò)程需要耗費(fèi)大量的時(shí)間,在系統(tǒng)同傳時(shí),所有的學(xué)生機(jī)一同拷貝,對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)速度也是一種考驗(yàn)。因此,一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生機(jī)要全部拷貝完成往往需要耗時(shí)十幾個(gè)小時(shí),而且,一旦中間出現(xiàn)任何故障,同傳過(guò)程就會(huì)失敗并需要重做一遍。此外,通常教師機(jī)上最多安裝2~3 種不同系統(tǒng),因此學(xué)生機(jī)硬盤(pán)也就只有這2~3 種模板可用,很難滿足不同專(zhuān)業(yè)學(xué)生共享計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的需求。
正是由于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案存在以上問(wèn)題,所以當(dāng)云桌面技術(shù)一出現(xiàn)便立刻吸引了計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室規(guī)劃人員的注意[5]。云桌面實(shí)際上是云計(jì)算虛擬化技術(shù)的一種具體應(yīng)用[6],它和服務(wù)器虛擬化技術(shù)的最大不同就是側(cè)重于為客戶提供不受物理場(chǎng)地、物理主機(jī)限制的虛擬桌面服務(wù),相對(duì)于傳統(tǒng)PC 機(jī)而言,在網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通的情況下,用戶可以在家里、辦公室、會(huì)議室等任何場(chǎng)所隨時(shí)調(diào)出自己的專(zhuān)有虛擬桌面,因此可以不間斷地處理自己的工作業(yè)務(wù)。云桌面最早為了解決企業(yè)移動(dòng)辦公的問(wèn)題而出現(xiàn)的,目前云桌面的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景不僅僅限于企業(yè)辦公,在教育行業(yè)也表現(xiàn)出了很好的應(yīng)用前景。
云桌面技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于可以克隆,亦可個(gè)性化定制桌面。它可以將一些常用的桌面做成可以復(fù)用的模板(術(shù)語(yǔ)稱(chēng)作虛擬機(jī)鏡像),在云服務(wù)方CPU、硬盤(pán)、網(wǎng)絡(luò)資源允許的情況下,可以從這些虛擬機(jī)鏡像中克?。ㄐg(shù)語(yǔ)稱(chēng)作實(shí)例化)出任意個(gè)數(shù)的桌面(術(shù)語(yǔ)稱(chēng)作虛擬機(jī)),當(dāng)把這些桌面分配給不同的用戶后,用戶可以根據(jù)自己的需要對(duì)自己的桌面進(jìn)行定制,如安裝自己所需要的軟件等。用戶對(duì)桌面的修改可以是永久的,也可以是臨時(shí)性的(關(guān)掉虛擬機(jī)后所有修改就失效),臨時(shí)性桌面是建立在虛擬機(jī)快照基礎(chǔ)上的,也就是桌面可以根據(jù)用戶要求,恢復(fù)到以前某個(gè)特定時(shí)刻被記錄下來(lái)的狀態(tài)(術(shù)語(yǔ)稱(chēng)作快照)。所有的虛擬桌面在鏈接到網(wǎng)絡(luò)上后等同于一臺(tái)獨(dú)立的PC 機(jī),可以分配獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)地址和鏈接到網(wǎng)絡(luò)上的物理機(jī)幾乎沒(méi)有區(qū)別。
云桌面技術(shù)還可以很好地解決計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室硬件建設(shè)成本高且更新淘汰速度快的問(wèn)題。由于云計(jì)算技術(shù)可以將硬件資源集中管理、按需分類(lèi)[7],所以在需要提高云桌面的配置時(shí),只需將云服務(wù)端集群的資源進(jìn)行升級(jí)或擴(kuò)展,即可達(dá)到利舊的目的。
由此可見(jiàn),由于云桌面技術(shù)特點(diǎn),它非常適用于高校的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景[8],它還可以將不同專(zhuān)業(yè)不同課程的實(shí)驗(yàn)需求定制為不同的鏡像,在學(xué)生上機(jī)實(shí)驗(yàn)之前,由鏡像快速實(shí)例化出眾多虛擬機(jī),將這些虛擬機(jī)分配給不同的學(xué)生使用。如果有些虛擬機(jī)需要重復(fù)使用,如給下一年級(jí)的新生繼續(xù)使用,可以將這些虛擬機(jī)拍下快照,等新生上課的時(shí)候,將這些虛擬機(jī)恢復(fù)到拍快照時(shí)的狀態(tài)即可。
值得一提的是,云桌面技術(shù)非常適合用作移動(dòng)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在很多情況下,學(xué)生希望離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室后能夠繼續(xù)未完成的實(shí)驗(yàn)。有了云桌面后,只要通過(guò)校園網(wǎng)就能夠訪問(wèn)到云桌面服務(wù)器,就可以在宿舍、圖書(shū)館、教室等地使用云桌面繼續(xù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。對(duì)于教師而言,使用云桌面后,只要能夠通過(guò)公共的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò),或通過(guò)校園網(wǎng)VPN(虛擬專(zhuān)網(wǎng))訪問(wèn)到云桌面服務(wù)器,就可以不受場(chǎng)地限制,隨時(shí)隨地備課,也可以在課堂上隨時(shí)調(diào)出自己的云桌面給學(xué)生作演示。因此,可以說(shuō)云桌面技術(shù)可以真正實(shí)現(xiàn)不受?chē)鷫徒淌蚁拗频拈_(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室。
云桌面技術(shù)同樣適用于辦公場(chǎng)景[9],使用云桌面后,在保持網(wǎng)絡(luò)通暢的情況下,人們可以在國(guó)內(nèi)、國(guó)外、單位內(nèi)、單位外等任何地點(diǎn),甚至在交通車(chē)輛上實(shí)時(shí)辦公,可以極大地提高辦公效率。所以許多公司、事業(yè)單位、政府機(jī)關(guān)逐漸開(kāi)始采用云桌面辦公[10]。許多教育行業(yè)單位在建設(shè)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的同時(shí),往往也同時(shí)將云桌面技術(shù)引入到教學(xué)管理和辦公業(yè)務(wù)中來(lái)。
盡管云桌面有著各種優(yōu)點(diǎn),但是也并非完美無(wú)缺。在實(shí)際選型的時(shí)候,是有多種實(shí)施方案可以選擇的,每一種實(shí)施方案有各自的優(yōu)缺點(diǎn),需要根據(jù)高校自身實(shí)際情況作出合理選擇。當(dāng)前主流的云桌面技術(shù)有以下幾種。
RDS(remote desktop services, 遠(yuǎn)程桌面服務(wù))類(lèi)似于Windows 系統(tǒng)的遠(yuǎn)程桌面,在同一個(gè)操作系統(tǒng)下面創(chuàng)建多個(gè)賬號(hào),然后在客戶端上通過(guò)遠(yuǎn)程桌面軟件,使用賬號(hào)遠(yuǎn)程登錄服務(wù)器上的系統(tǒng)。這種方式實(shí)際上是多用戶共享同一操作系統(tǒng),比較適合于微軟體系解決方案。RDS 的架構(gòu)如圖1 所示。
圖1 RDS 的架構(gòu)
VDI(virtual desktop infrastructure,虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu))是在物理服務(wù)器上安裝并運(yùn)行虛擬化管理程序(hypervisor),實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器硬件資源的虛擬化,在此基礎(chǔ)上再為不同用戶虛擬化出虛擬機(jī)(即云桌面的操作系統(tǒng)),然后通過(guò)圖像的壓縮和解壓縮技術(shù),將虛擬機(jī)的圖形界面通過(guò)專(zhuān)有協(xié)議,實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到云終端上,用戶在云終端上也可實(shí)時(shí)對(duì)云桌面進(jìn)行操作,操作的指令也會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)反饋并控制服務(wù)器上正在運(yùn)行的虛擬機(jī),VDI 的架構(gòu)如圖2所示。
圖2 VDI 的架構(gòu)
3.2.1 VDI 的優(yōu)點(diǎn)
(1)通過(guò)云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器硬件資源(CPU、硬盤(pán)、內(nèi)存)的共享和按需分配[11]。
(2)運(yùn)算和數(shù)據(jù)存放均集中在服務(wù)器端,安全性能很高。
(3)支持多終端訪問(wèn):由于所有的計(jì)算都集中在服務(wù)器上,云終端只是起到顯示的作用,因此這是一種集中式計(jì)算的瘦客戶模式,云終端可以是配置較低的一體機(jī),或?qū)S玫慕尤牒屑语@示器來(lái)實(shí)現(xiàn),也可以使用一些舊計(jì)算機(jī)充當(dāng)云終端,甚至可以在平板電腦、手機(jī)上訪問(wèn)虛擬桌面,實(shí)現(xiàn)移動(dòng)教學(xué)和移動(dòng)辦公。
3.2.2 VDI 的劣勢(shì)
(1)對(duì)服務(wù)器性能及穩(wěn)定性、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通性和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求高。由于VDI 采用集中運(yùn)算模式,因此對(duì)服務(wù)端的性能及其運(yùn)行穩(wěn)定性提出了很高的要求,通常服務(wù)器需要較高的配置,而且需要提供UPS 不間斷供電或雙路冗余供電。此外,由于虛擬機(jī)的實(shí)時(shí)圖形界面都是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到云終端上的。因此VDI 不支持離線使用[12],一旦斷網(wǎng),云桌面就徹底不可使用。如果網(wǎng)絡(luò)不暢,也會(huì)影響虛擬桌面的響應(yīng)速度,會(huì)出現(xiàn)掉幀或延遲的現(xiàn)象,從而極大地影響用戶的使用感受。
(2)外設(shè)兼容性不高。由于虛擬機(jī)是在服務(wù)器端運(yùn)行,而實(shí)際的外設(shè)物理接口(如USB、串口、并口、顯示接口)卻在云終端上,要保證虛擬機(jī)能夠連接并正常使用這些外設(shè)物理接口,就要求VDI 系統(tǒng)要具有很好的外設(shè)兼容性。
(3)對(duì)圖形處理的支持不夠。只有VDI 系統(tǒng)支持顯卡虛擬化并安裝高性能的GPU 顯卡,虛擬桌面才可以運(yùn)行三維建模、三維渲染、視頻播放、地理信息系統(tǒng)等對(duì)圖形化功能要求比較高的應(yīng)用。
VOI(virtual operating-system infrastructure,虛擬操作系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu))是一種改進(jìn)的無(wú)盤(pán)工作站方案,其工作原理是:胖客戶終端采用網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)模式,直接加載服務(wù)器上存放的操作系統(tǒng)鏡像(也叫磁盤(pán)鏡像)到終端本地的硬件上來(lái)運(yùn)行。VOI 和無(wú)盤(pán)工作站的區(qū)別在于在終端本身帶有緩存功能,服務(wù)器上下載的操作系統(tǒng)鏡像下載后可以在本地存放,下次終端啟動(dòng)的時(shí)候可以不必重新下載,就可以直接運(yùn)行本地存儲(chǔ)的操作系統(tǒng)鏡像。
在需要修改或升級(jí)操作系統(tǒng)鏡像時(shí),可以先在某一個(gè)終端上修改,比如安裝需要的軟件,接下來(lái)將這個(gè)終端上的操作系統(tǒng)上傳至服務(wù)端做成新的操作系統(tǒng)鏡像,然后再由服務(wù)端將該鏡像下發(fā)到各個(gè)終端,VOI的架構(gòu)如圖3 所示。
圖3 VOI 的架構(gòu)
3.3.1 VOI 的優(yōu)勢(shì)
(1)性能體驗(yàn)好,外設(shè)兼容性強(qiáng)。由于操作系統(tǒng)鏡像是在本地終端的硬件資源上直接運(yùn)行,因此其運(yùn)行效果和物理PC 機(jī)一樣,對(duì)外設(shè)的兼容性也很好[3]。
(2)對(duì)服務(wù)器性能及穩(wěn)定性、網(wǎng)絡(luò)的依賴不高。服務(wù)器僅實(shí)現(xiàn)鏡像、用戶、策略等管理功能,不需要負(fù)責(zé)虛擬桌面的運(yùn)行,因此,服務(wù)器的配置可以不用太高。此外,由于終端上有桌面操作系統(tǒng)的鏡像緩存,因此桌面可以離線運(yùn)行[12],即使服務(wù)器宕機(jī)、網(wǎng)絡(luò)斷網(wǎng),各個(gè)終端仍然可以繼續(xù)使用。
(3)圖形處理性能強(qiáng)。VOI 采用的是分布式計(jì)算的胖客戶模式,桌面操作系統(tǒng)直接在物理硬件上運(yùn)行,圖形處理能力取決于終端的顯卡處理能力。
3.3.2 VOI 的劣勢(shì)
(1)與終端的硬件環(huán)境耦合度高。由于操作系統(tǒng)鏡像是在某個(gè)終端上先做好然后上傳服務(wù)端的,因此,使用同一操作系統(tǒng)鏡像的終端也需要有同樣的硬件配置,否則就無(wú)法運(yùn)行鏡像?;旧蠈?duì)于某一類(lèi)操作系統(tǒng),如Windows10 系統(tǒng),機(jī)房里的客戶機(jī)有多少種硬件配置,就需要做多少種此類(lèi)操作系統(tǒng)的磁盤(pán)鏡像。同樣道理,在同一種客戶機(jī)配置上要運(yùn)行多種操作系統(tǒng)的時(shí)候,也需要針對(duì)這種客戶機(jī)特定配置制作多個(gè)操作系統(tǒng)鏡像。
(2)不支持多終端訪問(wèn)。由于VOI 采用網(wǎng)絡(luò)無(wú)盤(pán)啟動(dòng),基于硬件運(yùn)行,所以主要支持PC 機(jī)應(yīng)用,并不支持筆記本電腦、平板、手機(jī)等多終端的移動(dòng)應(yīng)用。
可見(jiàn),VOI 適用于無(wú)移動(dòng)需求,僅在局域網(wǎng)環(huán)境下使用,客戶端配置比較固定,對(duì)客戶端運(yùn)算能力要求較高,或者有較高圖形處理需求,以及有PC 機(jī)利舊需求的實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景。
IDV(intelligent desktop virtualization,智能桌面虛擬化)是由英特爾公司提出的革新性框架,它的技術(shù)特點(diǎn)是分布式計(jì)算,集中管理,其工作原理是在終端本地安裝相關(guān)的虛擬化管理程序,虛擬機(jī)鏡像在服務(wù)器集中管理,但不是在服務(wù)器端運(yùn)行,而是在終端的虛擬化管理程序上運(yùn)行,IDV 架構(gòu)如圖4 所示。
圖4 IDV 架構(gòu)
3.4.1 IDV 架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)
(1)采取分布式計(jì)算,并集中和簡(jiǎn)化管理及部署。借鑒了“邊緣計(jì)算”思想,充分利用了終端的硬件資源。由于服務(wù)端只用來(lái)控制和管理,無(wú)須承載桌面運(yùn)行,因此服務(wù)器成本較低。
(2)支持離線。采用終端虛擬化技術(shù),虛擬機(jī)存放在終端,斷網(wǎng)亦可使用。
(3)用戶體驗(yàn)較好。由于直接在本地運(yùn)行虛擬機(jī),不需要在網(wǎng)絡(luò)上動(dòng)態(tài)傳輸桌面,所以IDV 桌面體驗(yàn)與物理終端的體驗(yàn)接近,接近本地PC 機(jī)直接運(yùn)行效果。
3.4.2 IDV 架構(gòu)的劣勢(shì)
(1)不支持移動(dòng)訪問(wèn)桌面。對(duì)終端依賴性較大[2],不能像VDI 桌面一樣在任意地點(diǎn)訪問(wèn)桌面。
(2)運(yùn)維難度較大。由于虛擬機(jī)是分布式存放和運(yùn)行的,一旦終端發(fā)生故障,要恢復(fù)桌面和數(shù)據(jù)會(huì)比較困難,尤其是終端在跨因特網(wǎng)環(huán)境下,終端維護(hù)會(huì)更加棘手。
根據(jù)國(guó)際數(shù)據(jù)公司IDC 預(yù)測(cè),云桌面市場(chǎng)將持續(xù)增長(zhǎng),2016—2023 年間的CAGR(復(fù)合年均增長(zhǎng)率)平均達(dá)到23%,市場(chǎng)需求巨大。不同的云桌面解決方案也會(huì)因?yàn)楦髯缘奶攸c(diǎn)占據(jù)一方市場(chǎng)。根據(jù)統(tǒng)計(jì),RDS 憑著成本低、易用性高等特點(diǎn),在國(guó)外教育市場(chǎng)比較流行,教育市場(chǎng)份額占比很大,但在國(guó)內(nèi)屬于小眾市場(chǎng)。VDI 憑借著個(gè)性化和靈活性高,比較流行。但由于其復(fù)雜性和高成本,在國(guó)外,一般只有大企業(yè)采用;而在國(guó)內(nèi),因?yàn)樵S多廠家可以提供很好的售后服務(wù),在高校和大型企業(yè)辦公領(lǐng)域比較流行。VOI 目前在國(guó)內(nèi)雖然處于小眾市場(chǎng),但是由于用戶體驗(yàn)好、可利舊、斷網(wǎng)可用等特點(diǎn),近些年也逐漸在高校推廣,而IDV 與VOI 相比并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì),所以目前其市場(chǎng)形勢(shì)并不明朗。
綜上所述,每一種云桌面的解決方案都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),高校在建設(shè)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室時(shí),需要根據(jù)項(xiàng)目預(yù)算、機(jī)房條件、網(wǎng)絡(luò)條件、運(yùn)維條件、安全性需求、集中管控需求、移動(dòng)性需求、圖形圖像應(yīng)用需求等因素,選擇最適合自己的方案。在制定方案時(shí),可以先粗略確定是采用集中制計(jì)算方案還是采用分布式計(jì)算方案,RDS 和VDI 屬于集中式計(jì)算方案,所有桌面集中運(yùn)行于服務(wù)器,而VOI 和IDV 則屬于分布式計(jì)算方案,所有桌面分布運(yùn)行在終端。然后,再根據(jù)具體需求來(lái)分析,傾向使用多人共享操作系統(tǒng)的高校,可以考慮RDS。如果有服務(wù)器機(jī)房及專(zhuān)業(yè)運(yùn)維隊(duì)伍,網(wǎng)絡(luò)條件比較好,而且有隨時(shí)隨地辦公和開(kāi)放實(shí)驗(yàn)需求,對(duì)數(shù)據(jù)安全性要求高,但對(duì)運(yùn)算性能和圖像處理要求不高的高校,應(yīng)該首選VDI。在服務(wù)器方面不打算投入很多,對(duì)數(shù)據(jù)安全性要求不高,更希望利用終端的計(jì)算性能及圖像處理性能,并且斷網(wǎng)可用的高校,可以考慮使用VOI 或IDV。