基于VDI桌面云的高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究

楊浩志 辛艷青

摘 要：云計(jì)算技術(shù)不斷發(fā)展，其中，云桌面技術(shù)的發(fā)展為高校計(jì)算機(jī)機(jī)房建設(shè)和改造提供了全新的方案。文章提出一套基于VDI桌面云代替?zhèn)鹘y(tǒng)PC主機(jī)的高校計(jì)算機(jī)機(jī)房建設(shè)方案，并從能耗、管理方式、安全性等角度分析基于VDI的桌面云架構(gòu)及其相對(duì)傳統(tǒng)PC主機(jī)的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：云桌面;計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室;VDI

0?引言

隨著高校課程改革的不斷推進(jìn)，越來越多高校開始注重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力，對(duì)于計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室是培養(yǎng)其動(dòng)手能力的主要場所。目前，許多高校由于資金和管理人員不足等原因，導(dǎo)致部分計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室存在硬件設(shè)備老舊、管理混亂等問題。如何利用有限的資金和人員來提高這些計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的使用體驗(yàn)，成了擺在高校實(shí)驗(yàn)室管理者面前的一道難題。

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室是理工科學(xué)生進(jìn)行上機(jī)操作的重要場所，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的上機(jī)操作能力起著至關(guān)重要的作用。目前，云桌面技術(shù)能在滿足學(xué)生及老師教學(xué)和上機(jī)實(shí)驗(yàn)需求的基礎(chǔ)上，大大降低計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和使用成本，并有效降低實(shí)驗(yàn)室的管理難度，為高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供了高效且完善的解決方案。

1?云桌面技術(shù)介紹

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們生產(chǎn)和生活中越來越離不開計(jì)算資源，硬件的更新頻率越來越快。然而，計(jì)算機(jī)等計(jì)算設(shè)備頻繁更新會(huì)造成資源浪費(fèi)和利用率較低等問題，如果能利用公共資源來滿足人們對(duì)計(jì)算資源的需求，將極大地降低資源浪費(fèi)并節(jié)約成本，云計(jì)算正是在這樣一種需求下被業(yè)界提出。

云計(jì)算是繼互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)后在信息時(shí)代又一種革新。云計(jì)算是按使用量付費(fèi)的模式，這種模式提供可用、便捷、按需、可配置的計(jì)算資源共享池（資源包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲(chǔ)、應(yīng)用軟件、服務(wù)），只需投入很少的管理工作，或與服務(wù)供應(yīng)商進(jìn)行很少的交互，這些資源能夠被快速提供。云計(jì)算核心是可以將很多的計(jì)算機(jī)資源協(xié)調(diào)在一起，用戶通過網(wǎng)絡(luò)就可以獲取到無限的資源，同時(shí)獲取的資源不受時(shí)間和空間的限制。云計(jì)算按照層級(jí)分可以分為3類：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Servic，Iaas）;平臺(tái)即服務(wù)（Platform-as-a-Service，Paas）;軟件即服務(wù)（Software-as-a-Service，Saas）。

云桌面屬于云計(jì)算中Saas的一種應(yīng)用形式，是基于虛擬化技術(shù)的終端操作系統(tǒng)交付與管理方案，可以根據(jù)業(yè)務(wù)場景的不同，定制標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)模板。終端客戶端可以通過遠(yuǎn)程桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議、虛擬磁盤讀寫指令、虛擬地址映射等多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)模板的本地化呈現(xiàn)。云桌面可以有效提高終端的操作系統(tǒng)部署與運(yùn)維效率。

目前，云桌面有3種主流技術(shù)架構(gòu)：虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)（Virtual Desktop Infrastructure，VDI），虛擬操作系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)（Virtual OS Infrastructure，VOI），智能桌面虛擬化（Intelligent Desktop Virtualization，IDV）。根據(jù)學(xué)校計(jì)算機(jī)機(jī)房的使用場景和建設(shè)成本，選擇基于VDI技術(shù)的云桌面架構(gòu)比較合適。VDI云桌面架構(gòu)基于KVM虛擬化技術(shù)，根據(jù)不同的用戶需求對(duì)桌面進(jìn)行虛擬化配置，安裝操作系統(tǒng)和軟件后，將虛擬機(jī)發(fā)布給終端用戶使用[1]。用戶可通過終端設(shè)備連接云桌面服務(wù)器，該終端不進(jìn)行任何的存儲(chǔ)和計(jì)算，只負(fù)責(zé)連接安裝在服務(wù)器端的系統(tǒng)，因此配置要求不高。為節(jié)約建設(shè)成本，目前一般專用終端為ARM架構(gòu)。VDI架構(gòu)具有高可用、熱遷移、批量部署等特點(diǎn)，用戶可通過平板手機(jī)隨時(shí)隨地登錄智能設(shè)備使用，比較適合于有專業(yè)運(yùn)維技術(shù)人員的使用場景，如高（職）校、大中型企業(yè)、醫(yī)院等[2]。

2?高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室存在的主要問題

2.1? 計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備陳舊

高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)計(jì)算機(jī)普遍購置時(shí)間較長，隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件版本的更新，計(jì)算機(jī)硬件配置已無法滿足軟件的配置要求。尤其是計(jì)算機(jī)專業(yè)的虛擬仿真等軟件對(duì)顯卡和內(nèi)存的要求較高，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)設(shè)備的配置基本無法滿足，影響實(shí)驗(yàn)課學(xué)生的上機(jī)學(xué)習(xí)質(zhì)量。很多計(jì)算機(jī)已經(jīng)處于超壽命運(yùn)行狀態(tài)，大大增加了出現(xiàn)硬件故障的概率。發(fā)生故障后，如不能及時(shí)進(jìn)行維修，將影響正常的授課安排[3]。

2.2? 缺乏專業(yè)機(jī)房運(yùn)維人員

目前，高校計(jì)算機(jī)機(jī)房維護(hù)由實(shí)驗(yàn)課授課老師和計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生負(fù)責(zé)，大都缺乏專業(yè)的機(jī)房運(yùn)維知識(shí)，對(duì)于一些簡單的軟硬件故障尚可以處理，但對(duì)于重大軟硬件故障，往往無法及時(shí)處理，需要聯(lián)系專業(yè)維修人員，維修周期較長。

3?云桌面架構(gòu)機(jī)房的優(yōu)勢

3.1? 系統(tǒng)可靠性高

傳統(tǒng)PC機(jī)硬件和軟件故障較多，且不易排查問題原因，一旦出現(xiàn)問題需要由廠家專業(yè)人員進(jìn)行維護(hù)，耗時(shí)較長，影響正常授課。云桌面管理平臺(tái)支持快速遷移技術(shù)，在出現(xiàn)設(shè)備宕機(jī)等故障時(shí)，可由管理員使用遷移技術(shù)實(shí)現(xiàn)云桌面快速切換，有效保障了實(shí)驗(yàn)課實(shí)驗(yàn)環(huán)境的可靠性。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室教師授課終端一般采用x86架構(gòu)，在無法連接到云桌面服務(wù)器時(shí)，可使用本機(jī)自帶系統(tǒng)進(jìn)行臨時(shí)授課，保障了授課環(huán)境的可靠性。

3.2? 系統(tǒng)部署效率高

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室授課種類繁多，不同課程需要使用不同的上機(jī)實(shí)驗(yàn)軟件。云桌面支持快速自動(dòng)化部署，只需由工作人員將實(shí)驗(yàn)課所需軟件安裝到模板虛擬機(jī)上，再通過虛擬機(jī)克隆的方式就可以自動(dòng)派生出多臺(tái)和模板虛擬機(jī)一致的用戶虛擬機(jī)，大大提高部署效率，降低運(yùn)維難度。管理員還可以根據(jù)不同課程需求，定制不同硬件配置的云桌面系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)硬件資源的動(dòng)態(tài)分配。

3.3? 建設(shè)成本低

云桌面方式和傳統(tǒng)PC機(jī)方式在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的首次投入上相差不大，但云桌面支持資源的按需分配和動(dòng)態(tài)調(diào)整，對(duì)于性能要求較高的實(shí)驗(yàn)室，可以動(dòng)態(tài)分配較高的CPU和內(nèi)存資源，保證用戶的正常使用，無須重新采購新的服務(wù)器等設(shè)備;即使需要建設(shè)新的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，一般只需采購終端連接設(shè)備和顯示設(shè)備，投入成本較低。傳統(tǒng)PC機(jī)實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)主機(jī)性能無法滿足使用要求時(shí)，只能更換新的PC主機(jī)，如需建設(shè)新的實(shí)驗(yàn)室，也只能重新采購主機(jī)，無法做到充分利舊，投入成本較高。

3.4? 安全性高

云桌面數(shù)據(jù)存放在服務(wù)器端，能完全做到數(shù)據(jù)不落地，數(shù)據(jù)安全性很高。同時(shí)，可以通過后臺(tái)管理平臺(tái)，添加屏蔽? ? ? ? ?u盤等安全設(shè)置，可避免u盤攜帶病毒等情況的發(fā)生，提高系統(tǒng)安全性。此外，通過統(tǒng)一管理平臺(tái)，管理員可以對(duì)云桌面系統(tǒng)及時(shí)更新補(bǔ)丁，及時(shí)修復(fù)系統(tǒng)安全漏洞，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)被病毒攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。

3.5? 運(yùn)維成本低

傳統(tǒng)PC機(jī)房一般每四百臺(tái)主機(jī)就需要配置一名IT運(yùn)維人員，而云桌面方式可以大大減少運(yùn)維人員，一般全校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室只需配置一名運(yùn)維人員。云桌面雖然硬件設(shè)備增加，但它的維護(hù)工作主要都集中在服務(wù)器端，所有用戶使用的系統(tǒng)和運(yùn)行的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在服務(wù)器端，大大降低了運(yùn)維工作量。

3.6? 使用成本低

機(jī)房的使用成本主要為用電成本，在這方面云桌面架構(gòu)機(jī)房相較于傳統(tǒng)PC機(jī)架構(gòu)機(jī)房有明顯的成本優(yōu)勢。以200臺(tái)主機(jī)為例，假設(shè)每天機(jī)房主機(jī)運(yùn)行10小時(shí)，每年實(shí)際使用時(shí)間為200天，計(jì)算用電成本如表1所示。

通過比較發(fā)現(xiàn)，以3年為計(jì)算周期，云桌面方式的使用成本僅為傳統(tǒng)PC機(jī)的1/5，而且隨著設(shè)備規(guī)模的加大，使用周期增長，兩者的使用成本將會(huì)有更大的差距。

4?基于云桌面的高校機(jī)房整體架構(gòu)

機(jī)房的整體架構(gòu)如圖1所示。各機(jī)房內(nèi)云終端可以通過校園網(wǎng)連接位于數(shù)據(jù)中心內(nèi)服務(wù)器上的云桌面虛擬機(jī)，用戶數(shù)據(jù)被放置于數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)服務(wù)器上，通過賬號(hào)和密碼，用戶可使用自身專屬的桌面環(huán)境，管理員可以根據(jù)課程的具體安排動(dòng)態(tài)分配虛擬機(jī)配置，同時(shí)通過服務(wù)器上層的防火墻、WAF等防護(hù)設(shè)備，可有效防止病毒入侵系統(tǒng)，杜絕安全隱患。

5?結(jié)語

隨著5G物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，在校師生對(duì)于計(jì)算機(jī)算力的需求成倍增加，對(duì)計(jì)算機(jī)機(jī)房建設(shè)也提出了新的挑戰(zhàn)。在有效的投入下如何盡可能滿足學(xué)生的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、計(jì)算等多方面的應(yīng)用，成為擺在實(shí)驗(yàn)室管理者面前的一道難題。通過比較發(fā)現(xiàn)，基于云桌面架構(gòu)的新型計(jì)算機(jī)機(jī)房相較于傳統(tǒng)PC機(jī)架構(gòu)機(jī)房，在建設(shè)成本、使用成本、維護(hù)效率、使用體驗(yàn)方面都有明顯的優(yōu)勢，可有效提高計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課的授課質(zhì)量，可以在我國高校的計(jì)算機(jī)機(jī)房建設(shè)項(xiàng)目中進(jìn)行大力推廣。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張策.運(yùn)用云桌面技術(shù)優(yōu)化計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理的路徑探索[J].大眾標(biāo)化，2020（24）：158-159.

[2]劉全，黃維平.基于云桌面的高校計(jì)算機(jī)機(jī)房建設(shè)模式研究[J].中國教育，2020（4）：11-15.

[3]李懷成.虛擬云桌面在高校機(jī)房中的應(yīng)用與展望[J].中國新通信，2020（24）：14-15.

（編輯 姚 鑫）