高金金

(山西財經(jīng)大學(xué) 實驗教學(xué)中心，山西 太原 030006)

一種基于VDI模式的高校實驗室云桌面建設(shè)方案

高金金

(山西財經(jīng)大學(xué) 實驗教學(xué)中心，山西 太原 030006)

虛擬云桌面利用虛擬化技術(shù)實現(xiàn)了一種新型的桌面體驗方式。本文討論并分析了傳統(tǒng)計算機桌面在高校實驗室中存在的一些技術(shù)與管理難題，介紹了基于VDI模式的云桌面在解決傳統(tǒng)實驗室所面臨問題上的優(yōu)勢，最終給出了一種基于VDI模式的高校實驗室云桌面建設(shè)方案。

云桌面；VDI；虛擬化；高校實驗室；vSphere

隨著教育改革發(fā)展的不斷深入和國家信息化戰(zhàn)略的進(jìn)一步確立，我國的教育信息化已進(jìn)入一個嶄新的發(fā)展時期。其中虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)為高校的信息化建設(shè)提供了革命性的技術(shù)基礎(chǔ)，采用虛擬化桌面云的方式來解決計算機教學(xué)維護(hù)與提高計算機教學(xué)效率的矛盾，是一種新興的有效解決方案[1]。本文以山西財經(jīng)大學(xué)實驗教學(xué)中心所屬實驗室的云桌面建設(shè)為例深入闡述云桌面在高校實驗室中的應(yīng)用。

1 傳統(tǒng)實驗計算機面臨的問題

1.1 實驗室現(xiàn)狀

山西財經(jīng)大學(xué)實驗教學(xué)中心共有計算機實訓(xùn)室50間，3 000臺實驗教學(xué)用計算機，為全校16000余名學(xué)生提供實驗環(huán)境。隨著近年來招生規(guī)模的擴(kuò)大和專業(yè)設(shè)置的豐富，現(xiàn)有實驗用計算機配置較低、損耗較大、返修率逐年提高，已無法勝任日益增長的實驗教學(xué)需求。前期我校已利用H3C CAS完成了實驗室服務(wù)器虛擬化建設(shè)工作[2]。

1.2 維護(hù)困難

由于實驗教學(xué)業(yè)務(wù)量的需要，終端計算機在數(shù)量方面的需求是巨大的。傳統(tǒng)計算機零部件眾多且功能復(fù)雜，伴隨著使用年限的增加，設(shè)備零部件的故障率也在逐年提升。且這一問題在實驗室這種業(yè)務(wù)終端規(guī)模龐大的環(huán)境下尤為突出，實驗室維護(hù)人員的工作量也逐年提升，造成了實驗教學(xué)用計算機硬件系統(tǒng)的維護(hù)困難。高校的實驗業(yè)務(wù)有著一定的時效性，實驗業(yè)務(wù)系統(tǒng)軟件需要與時俱進(jìn)，根據(jù)實驗教學(xué)需求重新部署，傳統(tǒng)計算機模式逐一部署工作量巨大，造成了實驗教學(xué)用計算機軟件系統(tǒng)的維護(hù)困難。

1.3 設(shè)施與業(yè)務(wù)耦合度高

高校各個學(xué)科專業(yè)之間實驗信息業(yè)務(wù)較為獨立，各實驗室中的計算機往往按照其專業(yè)需求安裝配置了相應(yīng)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，這些業(yè)務(wù)系統(tǒng)具備一定的專業(yè)性，其通用性較低，對于其它的學(xué)科專業(yè)使用價值較低，設(shè)施與業(yè)務(wù)的高耦合度造成了基礎(chǔ)硬件與專業(yè)的綁定，無法提高計算資源的利用率。

1.4 擴(kuò)展困難

隨著實驗教學(xué)工作的不斷探索與改進(jìn)、實驗業(yè)務(wù)系統(tǒng)軟件的更新與換代，實驗用計算機需要更多的計算資源作為支撐。傳統(tǒng)計算機性能擴(kuò)展較為困難，且擴(kuò)展空間十分有限。一旦業(yè)務(wù)系統(tǒng)需求突破原有硬件設(shè)施可擴(kuò)展上限，較弱的計算資源無法進(jìn)行整合，原計算機會被整體廢棄，造成實驗室投資損失。

1.5 總體擁有成本(TCO)高

由于傳統(tǒng)計算機存在以上的一些問題，這就需要大量的人力資源來解決這些問題，伴隨著業(yè)務(wù)系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人力資源的短缺問題更加突出，傳統(tǒng)計算機在購置時相對較低的成本優(yōu)勢蕩然無存，造成實驗室較高的TCO。

2 VDI架構(gòu)及其優(yōu)勢

2.1 概念和架構(gòu)

虛擬云桌面基礎(chǔ)架構(gòu)，英文全稱Virtual Desktop Infrastructure(VDI)，是一種云桌面虛擬化架構(gòu)與部署方式。VDI架構(gòu)利用虛擬化平臺對集成與整合硬件集群資源進(jìn)行虛擬化并合理分割成多個虛擬計算機，最終通過網(wǎng)絡(luò)將虛擬計算機的桌面交付到客戶的瘦客戶端，使終端客戶在低性能的本地計算資源的環(huán)境下實現(xiàn)計算機桌面的體驗。

虛擬化是VDI架構(gòu)的技術(shù)基礎(chǔ)，瘦客戶端并不具備完整的桌面體驗，而是利用遠(yuǎn)程桌面一類協(xié)議通過網(wǎng)絡(luò)連接訪問被虛擬化平臺系統(tǒng)所管理的服務(wù)器上的虛擬機桌面來獲得完整桌面體驗。圖1為VDI架構(gòu)圖。

圖1 VDI架構(gòu)圖[3]

2.2 VDI架構(gòu)在高校實驗室中的優(yōu)勢

2.2.1 易于維護(hù)

不同于傳統(tǒng)計算機，VDI架構(gòu)提供的云桌面所需的計算資源是被虛擬化平臺所整合的虛擬化服務(wù)器，虛擬云桌面服務(wù)器在數(shù)量上遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)計算機的數(shù)量，且直面學(xué)生的瘦客戶機結(jié)構(gòu)簡單、故障率低，這就大大減輕了實驗室管理人員的維護(hù)工作量。

2.2.2 部署靈活

虛擬化云桌面服務(wù)器可以集中部署，亦可分布式部署在不同的區(qū)域，不受制于部署空間的限制。瘦客戶端僅提供基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程桌面訪問業(yè)務(wù)，與實驗教學(xué)業(yè)務(wù)無關(guān)，無需專門為特定學(xué)科專業(yè)定制實驗室，通過定制不同的虛擬云桌面實驗業(yè)務(wù)系統(tǒng)鏡像或模板即可快速針對不同學(xué)科專業(yè)部署實驗業(yè)務(wù)桌面，使得實驗室的空間資源和計算資源被彈性利用。

2.2.3 易于擴(kuò)展

VDI架構(gòu)采用Scale-Out方式整合的計算資源和存儲資源具有很高的可擴(kuò)展性，無論未來是在實驗業(yè)務(wù)需求的計算資源方面還是系統(tǒng)整體規(guī)模容量方面都可采用橫向添置虛擬云桌面服務(wù)器的方式實現(xiàn)擴(kuò)展。單臺服務(wù)器計算性能較強，其不可被分割的計算能力上限非常高，用于虛擬云桌面業(yè)務(wù)時能夠有較長的生命周期，實現(xiàn)了對實驗室投資的保護(hù)。

2.2.4 高安全性

云桌面來自于虛擬云桌面服務(wù)器，各實驗業(yè)務(wù)系統(tǒng)桌面可被專業(yè)的實驗室維護(hù)人員集中統(tǒng)一進(jìn)行維護(hù)管理，易于軟件升級或者漏洞修復(fù)，便于提升客戶端的安全性。

3 方案設(shè)計與實施

3.1 需求分析

3.1.1 業(yè)務(wù)需求

屬性移動教學(xué)用戶數(shù)量3000位工作負(fù)載類別學(xué)生使用時間星期一至星期日,8:00-22:00訪問方法AN身份驗證方法標(biāo)準(zhǔn)Windows登錄核心應(yīng)用語音教學(xué)、ERP實訓(xùn)、金融仿真實訓(xùn)系統(tǒng);編程類軟件:C++、Java等;公共基礎(chǔ)實訓(xùn):Of-fice、Photoshop、金山打字通……操作系統(tǒng)Windows7用戶能否安裝應(yīng)用可以用戶能否使用視頻720P用戶能否使用音頻IO可以監(jiān)示器1個外聯(lián)設(shè)備光驅(qū),U盤,麥克風(fēng)、加密狗(教師機)用戶訪問設(shè)備瘦客戶機連接LAN

3.1.2 使用資源分析

RAMCPUIOPS網(wǎng)絡(luò)帶寬客戶端緩存4GB2個vCPU308Mb/s2GB操作系統(tǒng)磁盤操作系統(tǒng)增量用戶數(shù)據(jù)頁面文件日志文件30GB105(GB)4GB100MB

3.1.3 資源需求分析

資源普通上課使用基礎(chǔ)組件總和實際規(guī)劃預(yù)留系數(shù)底層開銷vCPU(核)6000286028100460.6RAM(GByte)6003863815042.50.8桌面空間磁盤(GByte)42300300426001065000.850%個人空間磁盤(GByte)80000800002000000.850%

3.2 虛擬化平臺

為提升硬件資源的利用率，在虛擬化平臺的選擇上我們優(yōu)先考慮以Hypervisor方式部署的虛擬化平臺。現(xiàn)在支持Hypervisor的主流虛擬化平臺有VMware vSphere ESX、Hyper-V和XEN hypervisor。大學(xué)實驗室有著復(fù)雜的實驗業(yè)務(wù)需求，這就需要虛擬化平臺對Guest系統(tǒng)有著廣泛的支持，vSphere在這個方面有一定的優(yōu)勢；vSphere vCenter對于大規(guī)模服務(wù)器集群的管理非常便捷。我們最終選定VMware vSphere虛擬化架構(gòu)。

3.3 計算資源

以2路16核服務(wù)器為例，CPU核心按照1：8的虛擬比例，單個核心可以虛擬出8個虛擬CPU(vCPU)，則單臺云桌面服務(wù)器可提供256個vCPU。40臺2路16核心云桌面服務(wù)器即可滿足10046個vCPU核心的需求。每臺服務(wù)器需提供384G內(nèi)存即可滿足15042.5G的內(nèi)存總需求，即單臺服務(wù)器需配置24條16G ECC服務(wù)器內(nèi)存。

3.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

3.3.1 服務(wù)器之間網(wǎng)絡(luò)連接

虛擬云桌面服務(wù)器之間網(wǎng)絡(luò)通信主要涉及vSphere平臺的一些高級特性，例如HA、實時遷移、彈性負(fù)載平衡等。這些業(yè)務(wù)對于網(wǎng)絡(luò)通信的速率要求非常高、對于網(wǎng)絡(luò)的實時性也有著一定的要求，這就需要一個低復(fù)雜度的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜洼^高的通信速率。

1) 云桌面服務(wù)器間的通信網(wǎng)絡(luò)獨立于其他業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)；

2) 網(wǎng)絡(luò)接口全部為千兆以太網(wǎng)接口；

3) 二層交換機要求具有較高的背板容量；

4) 網(wǎng)絡(luò)要求冗余備份；

5) 長距離的情況下使用光纖通信。

3.3.2 客戶端與云桌面間網(wǎng)絡(luò)連接

瘦客戶端與云桌面虛擬機之間的通信內(nèi)容主要為遠(yuǎn)程桌面連接協(xié)議報文，次要通信內(nèi)容為文件傳輸協(xié)議。遠(yuǎn)程桌面連接協(xié)議內(nèi)容主要包括桌面畫面流、外設(shè)操作與控制等，這些業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的實時性有較高要求，故網(wǎng)絡(luò)連接不宜跳轉(zhuǎn)多層路由，盡量通過二層協(xié)議通信。文件傳輸業(yè)務(wù)雖然對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求量較高，但此類業(yè)務(wù)使用頻率較低，快速以太網(wǎng)即可滿足需求。

1) 瘦客戶端接入層交換機提供快速以太網(wǎng)接入；

2) 虛擬云桌面主機的接入網(wǎng)絡(luò)由vSphere ESX提供虛擬千兆交換機接入；

3) 虛擬千兆交換機通過映射到虛擬云服務(wù)器物理以太網(wǎng)接口接入到匯聚層交換機，物理接口采用雙千兆端口聚合以保障云服務(wù)器所需的吞吐量；

4) 匯聚層交換機與接入層交換機間提供千兆以太網(wǎng)絡(luò)。

3.4 存儲設(shè)計

Virtual SAN是一種Scale-Out[4]方式的虛擬化存儲方案，對于vSphere ESX有良好的兼容性。為兼顧實驗計算機IO性能與存儲成本，在硬件存儲設(shè)施架構(gòu)選擇閃存(SSD或PCI-E)作為高速緩存和大容量磁盤(HDD)作為容量擴(kuò)展的混合存儲架構(gòu)。

為了保障數(shù)據(jù)安全與可靠，Virtual SAN在配置上采用完全備份方式，占據(jù)了50%的底層開銷，這就需要多出一倍的基礎(chǔ)存儲空間。

裸存容量為106 500G+200 000G=31T，平均每臺服務(wù)器7.7T磁盤。每臺服務(wù)器選用900G的SAS硬盤9塊即可滿足存儲需求。在SSD緩存方面，我們選擇SAS硬盤容量的1/10作為高速緩存，需要2塊480G的SSD閃存。

3.5 瘦客戶機

在VDI架構(gòu)下，學(xué)生用終端計算機并非為云桌面提供計算資源的支持，而是提供一個遠(yuǎn)程桌面連接的功能。連接虛擬云桌面需要通過瘦客戶端的遠(yuǎn)程桌面連接協(xié)議的支持。

PCoIP[5]協(xié)議是VMware研發(fā)的一種新型遠(yuǎn)程桌面協(xié)議，支持多達(dá)4個顯示設(shè)備，對于多媒體應(yīng)用的支持要優(yōu)于RDP協(xié)議，PCoIP基于UDP通信協(xié)議，對于網(wǎng)絡(luò)的需求和開銷都比較小。但PCoIP協(xié)議對CPU的開銷和兼容性要落后于Windows集成的RDP協(xié)議。為了保障流暢的遠(yuǎn)程桌面體驗，同時又需要兼顧特殊情況下的連接兼容性，對于瘦客戶端的選擇上要求同時支持PCoIP和RDP協(xié)議。

4 總結(jié)

基于VDI架構(gòu)的虛擬化云桌面解決了傳統(tǒng)高校實驗室建設(shè)和管理中存在的維護(hù)困難、業(yè)務(wù)靈活度低、難以擴(kuò)展和TCO過高等難題。我校云桌面實驗室建設(shè)完成后獲得了良好的成效，管理與維護(hù)工作量大大降低，實驗業(yè)務(wù)安排也更加靈活，獲得了在校師生的一致好評。伴隨著實驗業(yè)務(wù)服務(wù)器的虛擬化改造和實驗室云桌面建設(shè)完成，我校實驗室信息化建設(shè)取得了一定的階段性成果，極大改善了公共教學(xué)環(huán)境。

[1] 秦濤,李占平.高校教學(xué)機房虛擬化桌面云建設(shè)實踐探索[J].內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(教育科學(xué)版),2015,28(9):24-26.DOI:10.3969/j.issn.1671-0916.2015.09.008.

[2] 高金金,李潞洋.基于CAS的服務(wù)器虛擬化在高校實驗室的應(yīng)用[J].山西電子技術(shù),2016(6):13-14+31.

[3] 步入e桌面時代。http://www.sunmnet.com/info_detail.php?id=22

[4] 冷志強.基于分布式文件系統(tǒng)GlusterFS的橫向擴(kuò)展云存儲的研究與實現(xiàn)[D].上海：復(fù)旦大學(xué).2014.

[5] 李博.基于SPICE協(xié)議的桌面虛擬化客戶端的設(shè)計與實現(xiàn)[D].廣州：華南理工大學(xué),2012,29.

A Cloud-desktop Construction Project of University Laboratory Based on VDI

Gao Jinjin

(CenterofExperimentalandTeaching,ShanxiUniversityofFinance&Economics,TaiyuanShanxi030006,China)

The virtual cloud desktop implements a new way of desktop experience through virtualization technology. This article discusses and analyzes some of the technology and management problems that exist in traditional computer desktop of university laboratory; introduces the advantages of cloud desktop based on VDI in deal with the problems of traditional laboratory; finally, gives a solution to the construction of the cloud desktop university laboratory based on VDI.

cloud desktop; VDI; virtualization; university laboratory; vSphere

2017-02-26

高金金(1988- )，女，山西呂梁人，碩士研究生，研究方向：基于內(nèi)容的圖像檢索。

1674- 4578(2017)02- 0011- 04

TP391

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