桌面云技術(shù)在校園多場景下的應(yīng)用

程小康 張曉宇 李繁

摘要：隨著信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，各種新興技術(shù)在教育領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其中就包括桌面云技術(shù)，而目前市場上主流的桌面云技術(shù)以VDI，VOI，IDV三種架構(gòu)為代表，分別有著各自不同的技術(shù)特點和應(yīng)用場景。以解決桌面云技術(shù)在校園多場景下應(yīng)用的痛點問題為切入點，深入分析、比較這3種技術(shù)的優(yōu)缺點，篩選符合學(xué)校實際需求的桌面云技術(shù)，通過融合架構(gòu)的方式把以上技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，并最終實現(xiàn)在校園多場景下的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：桌面云技術(shù)；VDI；VOI；多場景；融合架構(gòu)

中圖分類號：TP319文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2022）09-38-5

目前，學(xué)校在信息化管理方面存在IT設(shè)備數(shù)量眾多、分布廣和維護(hù)難的問題。某學(xué)?，F(xiàn)有25間公共機(jī)房、5間計算機(jī)專業(yè)機(jī)房、158間多媒體教室以及眾多的辦公電腦，以上設(shè)施在提升學(xué)校教學(xué)辦公信息化水平的同時，也為學(xué)校的管理工作帶來一定的困難。如何有效地提升校園信息化管理水平，滿足師生更多的個性化需求，成為學(xué)校信息化建設(shè)亟待解決的問題。

桌面云技術(shù)以其“資源整合、快速部署、維護(hù)簡單”等特點，為學(xué)校的信息設(shè)施管理，如PC機(jī)房、多媒體教室和辦公電腦等提供了全新的管理運(yùn)維模式，能夠有效提升學(xué)校的信息化管理水平。但是由于不同的桌面云技術(shù)有其不同的適用場景，因此如何把不同的桌面云技術(shù)進(jìn)行有機(jī)融合，實現(xiàn)在校園多場景下的應(yīng)用成為重點。

隨著云計算、虛擬化技術(shù)的日益成熟，桌面云在政府、企業(yè)、金融和教育等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用和推廣。2008年，基于Intel，AMD公司提供的CPU內(nèi)核虛擬化技術(shù)，VMware，Citrix公司率先推出了桌面云產(chǎn)品[1]，其實現(xiàn)的基本原理是在服務(wù)器上為每位用戶創(chuàng)建一臺虛擬機(jī)，由服務(wù)器提供虛擬機(jī)相關(guān)的計算、存儲資源，虛擬機(jī)的桌面即為用戶使用的虛擬桌面，這種技術(shù)架構(gòu)桌面云稱為Virtual Desktop Infrastructure（VDI）桌面云?；赩DI架構(gòu)的桌面云技術(shù)具有業(yè)務(wù)部署快、資源調(diào)配靈活、桌面管理簡化和運(yùn)維難度低等優(yōu)點，因此在很多市場領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。但是由于VDI桌面云屬于在線交付模式，使用性能受網(wǎng)絡(luò)帶寬、服務(wù)器配置等外界因素干擾較大，所以近年來出現(xiàn)了基于Virtual OS Infrastructure（VOI）和Intelligent Desktop Virtualization（IDV）架構(gòu)的桌面云技術(shù)[2]。VOI和IDV桌面云屬于離線交付模式，受外界干擾影響較小，尤其是VOI桌面云對外設(shè)硬件具有良好的兼容性，因此在一些特定的場景具有良好的可用性和適用性。

隨著桌面云技術(shù)的深入應(yīng)用，用戶對于桌面云的需求變得越發(fā)復(fù)雜和多樣化，尤其在多場景的領(lǐng)域，可能需要同時使用VDI，VOI，IDV等多種桌面云技術(shù)，數(shù)據(jù)資源的分離和缺乏統(tǒng)一的管理平臺，增加了IT設(shè)備的管理難度和運(yùn)維成本。

目前，學(xué)校的公共實驗課程、計算機(jī)專業(yè)實驗課程主要通過PC機(jī)房進(jìn)行授課，共計30間PC機(jī)房，約2 500臺教學(xué)電腦，大量的計算機(jī)維護(hù)給實驗室管理單位帶來了繁重的工作負(fù)擔(dān)。實驗室管理單位不僅需要保障實驗教學(xué)電腦的正常使用，還要負(fù)責(zé)與實驗教學(xué)相關(guān)的軟件資源的維護(hù)和更新。同樣，學(xué)校的158間多媒體教室也存在類似的問題。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，如何利用信息技術(shù)為教師提供更加高效、便捷的工作方式也已經(jīng)成為學(xué)校關(guān)注的重點。桌面云作為一種新興的桌面虛擬化技術(shù)，可以有效改善學(xué)校在以上場景遇到的困境。以下為學(xué)校的不同場景針對桌面云的實際需求：

（1）實驗室

學(xué)校的公共實驗室與計算機(jī)專業(yè)實驗室主要是PC機(jī)房，所有的授課教學(xué)、課程實驗全部在PC機(jī)上完成。用戶終端的桌面運(yùn)行以及數(shù)據(jù)存儲全都在服務(wù)器上，能夠?qū)崿F(xiàn)資源的彈性分配，服務(wù)器、存儲可以隨時動態(tài)調(diào)整分配給桌面的CPU、內(nèi)存和磁盤等資源，可以根據(jù)教學(xué)課程需求通過定制模板的方式快速部署實施不同的教學(xué)桌面環(huán)境，如Windows 7，Windows 10，Linux等。

（2）多媒體教室

虛擬桌面部署在教室電腦終端，由本地終端提供計算資源和數(shù)據(jù)存儲服務(wù)，即使出現(xiàn)斷網(wǎng)情況也不會影響正常的課堂教學(xué)。所有虛擬桌面由統(tǒng)一的管理平臺進(jìn)行管理，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的快速統(tǒng)一安裝和數(shù)據(jù)的增量下發(fā)。教師在多媒體教室可以使用相同的賬號、密碼遠(yuǎn)程訪問、使用自己的虛擬辦公桌面，從虛擬辦公桌面中下載課件資源或者利用虛擬辦公桌面直接進(jìn)行課程教學(xué)。

（3）個人辦公

改變傳統(tǒng)的辦公區(qū)域限制，教師不僅可以在辦公室使用個人的辦公桌面，離開辦公室在學(xué)校的任何地方（包括公共機(jī)房、多媒體教室和圖書館等處）也可以通過漫游桌面訪問自己的辦公桌面環(huán)境。

根據(jù)市場調(diào)研及查閱相關(guān)資料，目前市場上比較成熟的桌面云技術(shù)主要包括VDI，VOI，IDV三種架構(gòu)模式。

（1）VDI架構(gòu)

VDI架構(gòu)[2]屬于在線交付模式，桌面云采用集中計算、集中存儲的模式，即所有的計算資源和存儲資源全部由服務(wù)器提供，云端能夠?qū)崿F(xiàn)資源的動態(tài)分配。只要保持網(wǎng)絡(luò)可達(dá)，用戶即可使用桌面云。VDI桌面云的架構(gòu)模型如圖1所示。

（2）VOI架構(gòu)

VOI[2]屬于離線交付模式，所有的計算資源和數(shù)據(jù)存儲全都在電腦終端上，平臺統(tǒng)一進(jìn)行管理。相比IDV依賴Hypervisor的模式，VOI通過Doctor容器技術(shù)可以直接利用宿主電腦的內(nèi)核。由于沒有虛擬操作系統(tǒng)的概念，VOI能夠更好地使用宿主電腦的硬件資源[3-4]，從而提升虛擬桌面的啟動速度，同時確保良好的外設(shè)兼容性。VOI桌面云的架構(gòu)模型如圖2所示。

（3）IDV架構(gòu)

IDV與VOI類似，也是離線交付模式，集中管理、分布計算。與VOI模式的區(qū)別在于，IDV基于虛擬機(jī)技術(shù)，需要首先搭建虛擬物理環(huán)境，即Hypervisor，然后在Hypervisor上創(chuàng)建虛擬機(jī)，虛擬機(jī)包含所有的虛擬硬件資源，最后在虛擬機(jī)上創(chuàng)建虛擬桌面[4]。因此，相比VOI模式，IDV模式對于宿主電腦的資源使用效率更低。IDV模式一般適合于對于桌面云的性能要求不高、傳統(tǒng)PC電腦可以利舊使用的場景。IDV桌面云的架構(gòu)模型如圖3所示。

根據(jù)學(xué)校實際的業(yè)務(wù)場景需求，綜合分析、比較不同架構(gòu)模式桌面云技術(shù)的特點，VDI，VOI，DVI三種桌面云的技術(shù)特點比較如表1所示[5]，最終確定VDI+VOI融合架構(gòu)模式的桌面云更加符合學(xué)校的實際需求。

鑒于桌面云各種技術(shù)適用場景的區(qū)別，學(xué)校的公共機(jī)房、計算機(jī)專業(yè)機(jī)房采用VDI架構(gòu)模式，多媒體教室與個人辦公采用VOI架構(gòu)模式，最終通過統(tǒng)一的融合管理平臺實現(xiàn)VDI+VOI桌面云的管理。

桌面云融合方案的實現(xiàn)主要包括2個方面的內(nèi)容：桌面云的基礎(chǔ)環(huán)境搭建和融合管理平臺的部署。

4.1基礎(chǔ)環(huán)境搭建

桌面云的基礎(chǔ)環(huán)境搭建主要包括控制節(jié)點、計算節(jié)點、存儲和桌面終端的環(huán)境部署4個部分，桌面云基礎(chǔ)環(huán)境的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

（1）控制節(jié)點

選擇2臺物理服務(wù)器通過HA技術(shù)建立主備模式，分別在2臺服務(wù)器上安裝相同的桌面云管理平臺和心跳檢測軟件，其中一臺服務(wù)器作為主服務(wù)器，處于運(yùn)行狀態(tài)，另外一臺服務(wù)器作為備服務(wù)器，處于待機(jī)狀態(tài)，2臺服務(wù)器之間通過心跳線連接，服務(wù)器之間的局域網(wǎng)使用虛擬地址，對外提供統(tǒng)一的IP地址。當(dāng)主服務(wù)器發(fā)生故障時，備服務(wù)器因為沒有檢測到來自主服務(wù)器的心跳數(shù)據(jù)（keepalive報文）即刻開始啟用[6]，同時對外提供相應(yīng)的服務(wù)，主備服務(wù)器之間的切換時間<1 s，對于用戶體驗來說接近于無感知。

（2）計算節(jié)點

利用集群技術(shù)對所有承載桌面云計算資源的服務(wù)器進(jìn)行分布式部署，對于基于VDI架構(gòu)的桌面云，一個虛擬桌面的標(biāo)準(zhǔn)配置為Windows7操作系統(tǒng)、4 GB內(nèi)存、64 GB固態(tài)硬盤，按照50∶1的標(biāo)準(zhǔn)（50個虛擬桌面對應(yīng)1臺服務(wù)器，服務(wù)器的硬件資源保持20%的冗余）規(guī)劃服務(wù)器的數(shù)量、硬件資源。VOI架構(gòu)的桌面云的計算資源、存儲資源主要依賴宿主電腦，只有涉及漫游桌面時，需要使用服務(wù)器的計算資源。

（3）存儲

存儲的部署模式主要有4種：FC-SAN模式、IP-SAN模式、直連存儲（DAS）模式以及網(wǎng)絡(luò)附屬存儲（NAS）模式。相比其他3種模式，F(xiàn)C-SAN具備高帶寬、低延時等優(yōu)點，因此選擇FC-SAN作為VDI桌面云的存儲方式。

為了避免由于大規(guī)模的虛擬桌面同時啟動產(chǎn)生的啟動風(fēng)暴導(dǎo)致存儲系統(tǒng)無法及時響應(yīng)業(yè)務(wù)請求，需要考慮如何提高IOPS的處理能力。目前比較常見的提升存儲IOPS處理能力的技術(shù)是分層存儲，即采用SSD與機(jī)械硬盤混搭設(shè)計模式，使用SSD作為前端IO的讀寫緩存，最終數(shù)據(jù)由機(jī)械硬盤進(jìn)行保存，這種數(shù)據(jù)分層結(jié)構(gòu)可以極大地提高IO性能[7]。

（4）桌面終端

由于VDI桌面云的虛擬桌面的計算資源、存儲資源全部由服務(wù)器、存儲提供，非本地化部署，所以針對桌面終端的環(huán)境搭建主要考慮基于VOI架構(gòu)的桌面云。VOI桌面云的虛擬桌面部署分為2個步驟：①通過設(shè)置BIOS使物理PC從網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)啟動，配置桌面云管理平臺和VOI桌面終端的IP地址等信息，建立終端桌面與管理平臺之間的通信，然后通過云端桌面云管理平臺下發(fā)應(yīng)用容器引擎，或者通過U盤引導(dǎo)的方式安裝應(yīng)用容器引擎；②通過桌面云管理平臺下發(fā)桌面模板文件[8]。

4.2融合管理平臺部署

建立統(tǒng)一的融合管理平臺，通過共享數(shù)據(jù)管理（包括教學(xué)資源數(shù)據(jù)、終端設(shè)備數(shù)據(jù)、模板數(shù)據(jù)和桌面數(shù)據(jù)等）、融合資源管理、基于多場景的DVI，VOI模板生成以及桌面漫游等功能設(shè)計，實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、資源融合、模板融合以及桌面融合[9-10]。

通過創(chuàng)建統(tǒng)一的資源池，實現(xiàn)桌面云的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一規(guī)劃、管理[11]。創(chuàng)建教學(xué)和個人場景，根據(jù)校園多場景業(yè)務(wù)的需求，分別定制基于DVI，VOI架構(gòu)的鏡像模板，公共機(jī)房選擇DVI模板，多媒體教室選擇VOI模板，辦公室選擇VOI模板，按需配置模板的硬件資源，包括CPU、內(nèi)存和硬盤容量等。創(chuàng)建虛擬終端，劃分終端歸屬類型，根據(jù)場景業(yè)務(wù)需求選擇教學(xué)桌面或者個人桌面類型，最后把教學(xué)桌面或者個人桌面下發(fā)至相應(yīng)的場景終端[12]。為了滿足教師在多場景下使用個人漫游桌面的需求，通過復(fù)制個人桌面模板生成漫游桌面鏡像文件，把漫游桌面鏡像文件上傳至個人桌面共享存儲空間，學(xué)校教師可以在任何場景下通過個人桌面的登錄界面訪問漫游桌面，個人桌面與漫游桌面使用統(tǒng)一的賬號、密碼，個人桌面的增量數(shù)據(jù)變化與漫游桌面同步[13]。融合桌面云服務(wù)模型如圖5所示。

桌面云的基礎(chǔ)環(huán)境已經(jīng)部署完成，為了驗證是否達(dá)到預(yù)期的效果，需要開展相關(guān)的測試。測試內(nèi)容主要包括以下幾個方面：

（1）功能驗證

主要包括虛擬桌面的鏡像模板創(chuàng)建、下發(fā)是否正常、桌面的移動漫游是否成功、能否使用統(tǒng)一的賬號、密碼在任何地方訪問個人的虛擬辦公桌面。經(jīng)過實測，以上功能全部能夠正常使用。

（2）穩(wěn)定性

由于VOI模式屬于離線交付模式，外界干擾因素較少，穩(wěn)定性較高[14]，所以關(guān)于穩(wěn)定性的測試主要針對VDI模式。主要測試在公共機(jī)房桌面云正常運(yùn)行狀態(tài)下突然發(fā)生任意服務(wù)器宕機(jī)或者斷網(wǎng)時，虛擬桌面是否能夠快速恢復(fù)。為了達(dá)到比較真實的測試效果，選擇正在運(yùn)行的任意服務(wù)器（承載50臺虛擬桌面的計算資源）斷開網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)觀測在虛擬桌面斷開網(wǎng)絡(luò)的2 min 30 s后虛擬桌面恢復(fù)正常，即虛擬桌面漂移成功，桌面恢復(fù)時間在可承受范圍之內(nèi)，滿足課堂教學(xué)管理的要求。

（3）IOPS處理能力

IOPS處理能力測試針對大規(guī)模的虛擬桌面同時啟動時存儲的請求響應(yīng)能力[15]。選擇公共機(jī)房的2 500臺虛擬桌面同時啟動，觀測虛擬桌面的啟動速度以及是否存在啟動風(fēng)暴現(xiàn)象。經(jīng)過實測，沒有發(fā)生啟動風(fēng)暴現(xiàn)象，虛擬桌面的啟動時間小于50 s，2 500臺虛擬桌面同時啟動時IOPS為3.6萬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于存儲的IOPS性能指標(biāo)。

（4）鏡像模板下發(fā)速度

鏡像模板下發(fā)速度測試主要針對VOI模式，對158間多媒體教室的電腦終端同時下發(fā)虛擬桌面鏡像模板，觀測模板文件的傳輸速度。經(jīng)過實測，對158間多媒體教室的電腦終端下發(fā)4 GB的鏡像模板文件只需要不到3 min的時間，滿足教學(xué)管理要求。

經(jīng)過實際測試，基于VOI+VDI融合技術(shù)的校園多場景的虛擬桌面應(yīng)用方案切實可行，滿足學(xué)校的實際業(yè)務(wù)需求。

VOI+VDI技術(shù)的深度融合實現(xiàn)了桌面云在校園多種場景下的廣泛應(yīng)用，憑借鏡像模板快速創(chuàng)建、下發(fā)，資源平臺統(tǒng)一管理，虛擬桌面無縫漫游等特點[16]，不僅有效改善了學(xué)校的教學(xué)、辦公條件，而且減輕了學(xué)校的教學(xué)設(shè)備運(yùn)維工作負(fù)擔(dān)，提升了教學(xué)資源的管理水平，是信息技術(shù)與教育教學(xué)的完美契合。下一步，需要考慮如何拓展桌面云在教學(xué)領(lǐng)域的深入應(yīng)用，使桌面云成為提升學(xué)校教育教學(xué)水平的有力工具。

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