郭紅　袁夫

摘要：計算機(jī)機(jī)房，是每所學(xué)校重要的實驗教學(xué)場所。目前隨著高校對機(jī)房需求的不斷增加，只有提高機(jī)房的管理和利用效率，才能保障高校對機(jī)房的教學(xué)和科研需求?；凇霸啤钡挠嬎銠C(jī)機(jī)房的本質(zhì)就是桌面虛擬化，其核心思想就是多個獨立的虛擬機(jī)在服務(wù)器上同時運行，用戶通過瘦客戶端訪問虛擬機(jī)，所有計算和存儲都在服務(wù)器虛擬機(jī)中完成，客戶端只完成信息輸入輸出和顯示的功能，使用戶獲得PC機(jī)般的體驗。

關(guān)鍵詞：桌面云；虛擬化；服務(wù)器；協(xié)議；中間件

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）30-0015-03

過去的幾年里，說起信息技術(shù)領(lǐng)域的熱門話題，云計算技術(shù)應(yīng)該是首當(dāng)其沖、不可不提的。“云計算”為人們使用網(wǎng)絡(luò)提供了幾乎無限多的可能，當(dāng)然也包括在教育信息化中的應(yīng)用。正是基于云計算技術(shù)的發(fā)展，教育信息化的發(fā)展必定是教育與云計算的相結(jié)合?，F(xiàn)代高等教育無論是高校的教學(xué)還是科研工作，計算機(jī)機(jī)房都是不可或缺的一塊基地。云實驗室也就是”云”機(jī)房的概念應(yīng)運而生，它是云計算技術(shù)和虛擬化技術(shù)在教育領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。

1 “云”機(jī)房技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 云計算技術(shù)

“云”機(jī)房系統(tǒng)的構(gòu)建首先有賴于云計算技術(shù)的飛速發(fā)展。分布式系統(tǒng)、虛擬化、Web2.0、面向服務(wù)的計算和效用計算這五種技術(shù)在云計算的實現(xiàn)過程中發(fā)揮了重要的作用。大型機(jī)計算系統(tǒng)，集群計算和網(wǎng)格計算是云計算技術(shù)發(fā)展史上的三大里程碑。

作為一種服務(wù)模式，根據(jù)交付內(nèi)容的不同，目前云計算包括三個層次的服務(wù)：IaaS（Infrastructure as a Service，基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）、PaaS（Platform as a Service，平臺即服務(wù)）、SaaS（Software as a Service，軟件即服務(wù)）。

這三種服務(wù)類型相互關(guān)聯(lián)，從底部到頂部，構(gòu)成了云計算技術(shù)的整體組織結(jié)構(gòu)，同時也將利用云計算技術(shù)提供的各種服務(wù)進(jìn)行了從底部到頂部的層次劃分。

1.2 虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)是指將計算機(jī)的物理資源（如硬件、運行環(huán)境、存儲以及網(wǎng)絡(luò)等）進(jìn)行抽象化后呈現(xiàn)給用戶，從而實現(xiàn)底層硬件和上層軟件的分離的方法。它可以將單個資源劃分為多個虛擬資源，也可以將多個分散資源整合為一個虛擬資源，它可以用于在操作系統(tǒng)中隔離應(yīng)用程序的運行環(huán)境，也可以創(chuàng)建多個虛擬環(huán)境，如本文研究的“云”機(jī)房中的服務(wù)器端模擬多個操作系統(tǒng)界面。

虛擬化技術(shù)擁有龐大的技術(shù)和概念體系，根據(jù)其仿真的服務(wù)和實體，可以將虛擬化技術(shù)分為執(zhí)行環(huán)境虛擬化、存儲虛擬化和網(wǎng)絡(luò)虛擬化。也就是說，利用虛擬化技術(shù)不僅可以為應(yīng)用程序提供運行的抽象環(huán)境，也可以用于存儲、網(wǎng)絡(luò)以及客戶端/服務(wù)器交互的虛擬化。

虛擬化技術(shù)在應(yīng)用上，比較典型的有服務(wù)器虛擬化和桌面虛擬化。

1.3 “云”機(jī)房的理論研究

1）“云”機(jī)房的虛擬化架構(gòu)組成

“云”機(jī)房的虛擬化架構(gòu)可以說是桌面虛擬化架構(gòu)（VDI）的局部應(yīng)用。VDI架構(gòu)的原則是“集中計算，分布顯示”。通常，VDI方案的基本架構(gòu)可以分為三層。頂層是用戶訪問層，用戶通過支持VDI訪問協(xié)議的終端設(shè)備進(jìn)入VDI。中間層是虛擬架構(gòu)服務(wù)層，用戶訪問層通過特定的顯示協(xié)議和中間層實現(xiàn)通信，從而獲得安全、規(guī)范、高可用的桌面環(huán)境。最底層是存儲服務(wù)層，虛擬架構(gòu)服務(wù)通過調(diào)用存儲協(xié)議來訪問在該層中存儲的用戶數(shù)據(jù)、屬性、鏡像等。

具體地說，一個“云”機(jī)房的虛擬化架構(gòu)應(yīng)該主要包含終端客戶端、管理服務(wù)器和虛擬桌面服務(wù)器。

2）“云”機(jī)房的虛擬化顯示協(xié)議

桌面虛擬化顯示協(xié)議連接著終端客戶端和服務(wù)器中的虛擬桌面，負(fù)責(zé)將終端客戶端輸入的信息經(jīng)過打包、壓縮、加密后傳輸給虛擬桌面服務(wù)器中對應(yīng)的虛擬機(jī)進(jìn)行計算，然后將計算的結(jié)果再進(jìn)行打包、壓縮、加密傳輸?shù)浇K端客戶端并解析顯示給用戶。因而，桌面虛擬化顯示協(xié)議的效率是用戶體驗的關(guān)鍵，也是桌面虛擬化技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

當(dāng)前主流的桌面虛擬化顯示協(xié)議主要有四種，第一種是RDP協(xié)議，第二種是ICA協(xié)議，第三種是PCoIP協(xié)議，第四種是SPICE協(xié)議。

2 “云”機(jī)房平臺架構(gòu)設(shè)計

2.1 桌面云平臺架構(gòu)總體設(shè)計

桌面云平臺的總體架構(gòu)設(shè)計如下圖1所示。整個桌面云平臺架構(gòu)分為三部分，終端客戶端（云終端）、管理中間件（Broker）和虛擬桌面服務(wù)器端（Host）。每個部分具體包含的功能模塊設(shè)計以及各部分之間的關(guān)系如下圖所示。

如上圖所示，在整個桌面云平臺中，終端和服務(wù)器端通過管理中間件實現(xiàn)連接。具體來看，是終端的Broker客戶端模塊Broker Agent對管理中間件中的終端接口進(jìn)行訪問從而實現(xiàn)終端和管理中間件的通訊，然后獲取到終端的顯示桌面，接著通過Spice協(xié)議實現(xiàn)自身SPICE客戶端到虛擬桌面服務(wù)器中的SPICE服務(wù)端的通訊，同時由虛擬桌面服務(wù)器中的服務(wù)器客戶端Host Agent來實現(xiàn)服務(wù)器端虛擬機(jī)及各種資源的管理，其管理接口Host Agent接口由管理中間件提供。

2.2 云桌面平臺服務(wù)器

將桌面“云端”化的前提條件是將服務(wù)器資源虛擬化。虛擬環(huán)境管理套件、虛擬化管理接口、QEMU-KVM平臺、SPICE顯示協(xié)議，是虛擬化服務(wù)器中的主要組成部分。

1）QEMU-KVM虛擬化平臺

作為一款純軟件的虛擬化模擬器，QEMU在Linux平臺上被廣泛使用，其開源性為研究提供可能。它可以通過模擬的方式虛擬化出各種常見的硬件架構(gòu)，且模擬效率較高，再通過非開源的KQEMU軟件的加速，可使整個虛擬環(huán)境的運行速度與實體機(jī)相媲美。同時為了突破QEMU的I/O系統(tǒng)瓶頸又引入了Virtio，于是其整體架構(gòu)如圖2所示：

2）桌面顯示協(xié)議SPICE

SPICE是一種體驗度較高的遠(yuǎn)程桌面顯示協(xié)議，在整個桌面虛擬化架構(gòu)中承擔(dān)的僅僅是內(nèi)容的顯示功能，它本身不參與控制信息、執(zhí)行邏輯等數(shù)據(jù)的傳輸。所有涉及執(zhí)行、處理等功能時都將在服務(wù)器端執(zhí)行。SPICE協(xié)議只顯示更新變化的顯示內(nèi)容，因此它對帶寬的要求極低。這也是保證虛擬客戶端高效率執(zhí)行的前提。

SPICE服務(wù)端可以利用SPICE協(xié)議與遠(yuǎn)程的客戶端和建立虛擬設(shè)備接口的虛擬機(jī)進(jìn)行通信。當(dāng)前對象的覆蓋關(guān)系和依賴關(guān)系需要通過維護(hù)一個樹結(jié)構(gòu)體和一個命令的序列來管理，同時把虛擬機(jī)的QXL指令轉(zhuǎn)化為SPICE協(xié)議傳遞給客戶端。

3） Libvirt虛擬化管理接口（Host Agent）

作為一套開源的函數(shù)庫，不少主流的虛擬化工具都采用了Libvirt來進(jìn)行開發(fā)。大部分虛擬化管理平臺的虛擬機(jī)管理功能都被Libvirt所支持。

在構(gòu)建Libvirt管理平臺時，可將Libvirt與被管理的虛擬機(jī)置于同一臺物理機(jī)上，也可以將它們分離開置于不同的物理主機(jī)上。在同一主機(jī)上的邏輯結(jié)構(gòu)為：最底層的物理主機(jī)；第二層的Linux操作系統(tǒng)；第三層為虛擬化管理平臺和Libvirt；虛擬機(jī)管理應(yīng)用位于Libvirt之上，虛擬機(jī)則位于虛擬化管理平臺之上。

2.3 虛擬化平臺中間管理組件

中間管理組件是整個虛擬化架構(gòu)中的“橋梁”，能讓用戶通過云終端連接到遠(yuǎn)程虛擬化桌面中，可以實現(xiàn)虛擬化平臺的監(jiān)控、虛擬機(jī)的管理、用戶的管理、數(shù)據(jù)庫的管理、虛擬機(jī)的申請管理、終端連接的管理等，是位于云終端和虛擬桌面服務(wù)器端之間的非常關(guān)鍵的部件。該組件又被稱為Broker。

虛擬機(jī)的管理是虛擬化Web管理平臺的核心。管理中間件可以連接到虛擬桌面服務(wù)器上，服務(wù)器端的和虛擬機(jī)相關(guān)的信息和數(shù)據(jù)都可以被中間件所調(diào)用，從而實現(xiàn)對虛擬機(jī)的管理。

2.4 終端客戶端

終端設(shè)備客戶端主要實現(xiàn)三方面功能，第一是建立與管理中間件的聯(lián)系也就是Broker Agent；第二是實現(xiàn)SPICE顯示協(xié)議的API接口工作；第三是對當(dāng)前終端設(shè)備的配置。

高?！霸啤睓C(jī)房的終端客戶端一般采用專用的云終端設(shè)備來建立虛擬桌面與用戶之間的聯(lián)系。從用戶端輸入來說，“云”終端將用戶輸入的數(shù)據(jù)或信息，經(jīng)過編碼、壓縮、加入安全碼后通過遠(yuǎn)程桌面顯示協(xié)議將其傳送到虛擬機(jī)，虛擬機(jī)在執(zhí)行這些指令后將執(zhí)行結(jié)果再進(jìn)行編碼、壓縮、加入安全碼后傳輸給“云”終端，最后“云”終端將這些信息解碼后在終端顯示設(shè)備顯示出來，從而使用戶獲得PC般的體驗。

3 “云”機(jī)房的管理模塊設(shè)計

3.1 桌面模塊

“云”機(jī)房的桌面模塊主要包括三個部分：桌面教學(xué)管理模塊、教學(xué)桌面模塊和個人桌面模塊。

教學(xué)桌面管理：對場景（即不同的教學(xué)實施環(huán)境）的新增、查找、激活、場景桌面開機(jī)、場景桌面關(guān)機(jī)，開機(jī)加速、修改場景及刪除基本功能的操作。

教學(xué)桌面：對教學(xué)場景管理應(yīng)用，及各場景下的教學(xué)桌面的開機(jī)、關(guān)機(jī)、重啟、暫停、恢復(fù)、查看桌面、查找基本功能的操作。

個人桌面：對桌面基本功能及修改桌面、動態(tài)遷移、存模板、快照功能實施。

3.2 模板模塊

模板模塊主要包括硬件模板、教學(xué)模板、個人模板和終端模板等。硬件模板主要是針對不同的需求建立不同的虛擬機(jī)硬件配置模板，如選擇具體CPU、內(nèi)存、硬盤數(shù)據(jù)等。教學(xué)模板下主要包含5個功能塊，制作模板、編輯模板、更新桌面、下載模板、刪除模板。個人模板功能設(shè)計主要包含4個，制作模板、編輯模板、下載模板、刪除模板。

3.3 終端模塊

終端模塊主要包含教室管理、終端管理和會話管理三個方面的功能。

在教室管理模塊，通過課程列表應(yīng)該能夠查看和編輯每個教室不同時間的教學(xué)桌面課程詳情。設(shè)定時間到達(dá)可自動激活預(yù)設(shè)桌面，以方便教學(xué)。教室管理具體功能設(shè)計主要包括對教室的新增、編輯、刪除、搜索基本功能的操作。

終端管理是針對所有通過Windows/Linux客戶端登錄連接到服務(wù)器的終端信息，包含終端的IP、MAC地址及其連接桌面的相關(guān)信息。終端管理具體功能設(shè)計主要包括對終端喚醒、關(guān)機(jī)、修改IP/計算機(jī)名/教室、配置參數(shù)功能的管理。

會話管理主要功能是對客戶端以教學(xué)/個人桌面接入時形成的會話進(jìn)行顯示和管理。

3.4 其他模塊

“云”機(jī)房管理系統(tǒng)還應(yīng)該包含用戶模塊、排課模塊、監(jiān)控模塊、安全模塊等方面的設(shè)計。用戶分為管理用戶和普通用戶，管理用戶實現(xiàn)對用戶的新增、編輯、搜索、刪除等。普通用戶分為兩種：普通用戶和教師用戶。實現(xiàn)新增用戶、編輯信息、批量導(dǎo)入、批量導(dǎo)出等功能。排課模塊主要功能是完成“云”機(jī)房的課程安排，要包含每節(jié)課開始以及結(jié)束的時間、每節(jié)課教室配置信息以及排課與清除等功能。監(jiān)控模塊主要是對主機(jī)和桌面進(jìn)行時時監(jiān)控，方便查看數(shù)據(jù)找到性能瓶頸。安全模塊主要包括對系統(tǒng)的備份、鏡像、升級和操作日志等方面的功能設(shè)計。

另外，根據(jù)高校教學(xué)管理的需求，在整個管理系統(tǒng)中還可以增加多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)軟件和在線考試的設(shè)計。實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過程中的屏幕廣播、文件傳輸、鎖定控制、短線鎖定、教學(xué)內(nèi)容登錄查看、可視對講、屏幕錄制、電子點名、上線同步廣播等功能，更好地滿足教學(xué)工作的實際需求。在線考試模塊，實現(xiàn)題庫的導(dǎo)入、編輯，試卷生成，在線計時、評分等功能。

4 結(jié)束語

基于“云”的計算機(jī)機(jī)房有眾多的優(yōu)點，但設(shè)計、構(gòu)建的過程并不簡單。隨著“云”技術(shù)和硬件水平的飛速發(fā)展，“云”機(jī)房設(shè)計方案也將不斷成熟和發(fā)展，基于“云”的計算機(jī)機(jī)房必將成為高校機(jī)房的建設(shè)趨勢。

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