云桌面技術(shù)在計算機實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究

張建華，羅應(yīng)機，肖中正

摘要：隨著云計算技術(shù)的成熟，高校計算機實驗室逐漸由傳統(tǒng)的PC實驗室建設(shè)模式，轉(zhuǎn)向基于桌面虛擬化技術(shù)的集中云管輕量化客戶端模式。云桌面實施相對容易、管理成本較低、擴展性強、運維成本低。通過云桌面可以實現(xiàn)對機房、計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源、存儲資源以及用戶的統(tǒng)一集中管理，使實驗室管理高效、便捷。

關(guān)鍵詞：計算機實驗室;云桌面;虛擬化

中圖分類號：TP3? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）19-0114-02

1 背景

在傳統(tǒng)的計算機實驗室建設(shè)中，存在硬件不統(tǒng)一、管理維護困難的問題。受到建設(shè)預(yù)算、建設(shè)周期、硬件維修更新等因素影響，在后期導(dǎo)致會存在設(shè)備品牌，型號和性能的差異，從而增加維護難度[1]。當(dāng)前計算機硬件更新?lián)Q代周期越來越短，在設(shè)備使用一定年限后需要進行更新?lián)Q代。這將導(dǎo)致造成較大的資源、財力浪費，極大增加管理成本。此外，實驗室分布在不同區(qū)域、不同樓層，有軟件進行安裝與更新需求時，通常需要逐間教室或者逐臺安裝。當(dāng)教室數(shù)量及點位較多，并且軟件更新需求較為頻繁時，需要投入的管理成本巨大。

隨著云計算技術(shù)的成熟和應(yīng)用的普及，高校計算機實驗室逐漸由傳統(tǒng)的PC實驗室建設(shè)模式，轉(zhuǎn)向基于桌面虛擬化技術(shù)的集中云管輕量化客戶端模式。相較于傳統(tǒng)實驗室，云桌面計算機實驗室可以實現(xiàn)資源充分利用、按需分配資源、隨時隨地獲取資源;在管理方面具有實施相對容易、管理成本較低、擴展性強、運維成本低等優(yōu)點。因此，云桌面技術(shù)如何基于現(xiàn)有的設(shè)備進行升級改造以及后續(xù)的迭代擴展，優(yōu)化計算機實驗室管理能力，是一個值得深入研究的問題。

2 虛擬化與云桌面技術(shù)

虛擬化是服務(wù)器將一計算機通過虛擬機監(jiān)視器（Hypervisor） ，將計算機虛擬為多臺邏輯計算機[2]。虛擬機管理器將硬件資源抽象成邏輯資源池。通過虛擬化把計算資源（CPU、內(nèi)存）、網(wǎng)絡(luò)資源、存儲資源抽象成資源池，實現(xiàn)按需、按量分配。在資源池中，可以運行多個獨立的虛擬機，虛擬機可以是不同配置、不同網(wǎng)絡(luò)、不同操作系統(tǒng)。這樣有利于計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源的彈性分配，而不是像傳統(tǒng)的方式，多個程序運行與同一個操作系統(tǒng)，即污染運行環(huán)境，也無法實現(xiàn)資源合理利用。虛擬機可以安裝不同的操作系統(tǒng)，部署不同的應(yīng)用軟件。這樣就實現(xiàn)了不同的計算機實驗環(huán)境。通過輕量化的云桌面客戶端連接到虛擬機，即可實現(xiàn)云桌面系統(tǒng)。這樣一來，所有的核心計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源集中管理起來，相較于傳統(tǒng)的分散式實驗室，顯然極大提高管理效率、降低管理成本。

3 云桌面計算機實驗室平臺

3.1 平臺架構(gòu)

云桌面計算機實驗室平臺包括以下幾個大塊：

物理主機集群：這是核心虛擬化資源，屬于平臺的計算資源。物理主機集群由物理服務(wù)器組成，即是一臺具備CPU、內(nèi)存的計算設(shè)備;當(dāng)日物理主機具備少量的存儲空間，以運行必要的虛擬化程序。但物理主機通常不直接掛載大量存儲設(shè)備作為用戶數(shù)據(jù)存放設(shè)備。因為實際運行的虛擬機實例是浮動的，它可能根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)熱轉(zhuǎn)移到其他物理主機運行。因此，虛擬機的存儲設(shè)備通常使用外掛的網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備作為虛擬機的硬盤。

存儲集群：通常使用磁盤陣列作為高可用、安全的存儲設(shè)備;當(dāng)然也可以根據(jù)實際實驗室建設(shè)投資預(yù)算，選擇廉價存儲設(shè)備作為存儲集群，但需要做好副本備份。存儲集群與物理集群之間建議使用萬兆光纖連接，實現(xiàn)物理主機與存儲之間的極低延遲讀寫操作。

虛擬機模板：虛擬機模板是設(shè)置、安裝配置好環(huán)境的虛擬機。當(dāng)需要某類云桌面實驗室，只需要基于該類實驗室的模板創(chuàng)建虛擬機即可，而不需要重新安裝配置新環(huán)境。虛擬機模板通常由管理人員預(yù)先設(shè)置好，當(dāng)然也可以支持普通用戶建立主機的模板。

虛擬機：虛擬機是實際在運行狀態(tài)的邏輯服務(wù)器，即云桌面系統(tǒng)。一個虛擬機會占用一定的計算資源、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源。虛擬機的資源占用情況是按需分配的，并非在運行之初就占用預(yù)設(shè)的資源量。例如磁盤空間，假設(shè)分配50GB給到虛擬機，實際上虛擬機內(nèi)的數(shù)據(jù)只有20GB，那么平臺分配的文件只有20GB。

云管系統(tǒng)：云管系統(tǒng)是整個平臺的管理系統(tǒng)，涵蓋了物理資源、虛擬機資源、用戶以及相關(guān)的業(yè)務(wù)審批等。云管系統(tǒng)使得所有的人、資源、數(shù)據(jù)都變得可管理，并且管理相當(dāng)方便[3-4]。

3.2 云管系統(tǒng)

物理主機集群管理：物理主機是云桌面實驗室的核心基礎(chǔ)設(shè)施，是計算資源。當(dāng)部署新的物理主機時，首先需要在物理裸機上安裝虛擬機管理器，實現(xiàn)硬件的虛擬化。然后在云管系統(tǒng)上，配置接管新的物理主機，這樣計算資源就進入了計算池，可以進行計算資源的按需分配了。物理主機通常以集群方式管理，這樣可以實現(xiàn)虛擬機的熱遷移能力。熱遷移可以實現(xiàn)資源的動態(tài)調(diào)度，當(dāng)某個物理主機資源不足時，可以實時遷移到其他資源空閑的主機運行。熱遷移的基礎(chǔ)是物理主機組件集群。

存儲管理：存儲分為本地存儲和外部存儲。本地存儲是物理主機本地的存儲設(shè)備，這些存儲通常預(yù)留給主機運行用。外部存儲是核心存儲設(shè)備，存放虛擬機鏡像、模板、用戶數(shù)據(jù)等。存儲設(shè)備在安裝部署后，通過網(wǎng)絡(luò)存儲協(xié)議接入到云管平臺，例如NFS協(xié)議。云管平臺接管存儲之后，就可以進行存儲劃分。如果存儲設(shè)備有多個，則組建集群，根據(jù)需求可以實現(xiàn)多副本備份。當(dāng)創(chuàng)建虛擬機或虛擬機模板的時候，鏡像文件會存儲到外部存儲中，并且會有多個副本。而一些用戶上傳的對象文件，則以對象存儲系統(tǒng)方式存儲，例如Ceph。

網(wǎng)絡(luò)管理：網(wǎng)絡(luò)也是可虛擬化的資源之一。云桌面實驗室以虛擬機私有網(wǎng)絡(luò)為主。在云管平臺可以建立多個不同的私有網(wǎng)絡(luò);不同的虛擬機可以接入到多個不同的私有網(wǎng)絡(luò)。不同的私有網(wǎng)絡(luò)之間是隔離的。假如兩個虛擬機需要通信，則要保證它們處于同一個私有網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)然，如果需要訪問互聯(lián)網(wǎng)，就需要虛擬主機提供互聯(lián)網(wǎng)訪問權(quán)限。