李 燕,黃傳峰,周 峽

(南京工程學院經(jīng)濟與管理學院, 江蘇 南京 211167)

隨著教育信息化的深入發(fā)展及“慕課”時代的到來,高校計算機實驗室面臨著教學模式多樣化的新需求.傳統(tǒng)的計算機實驗模式必須同時滿足時間、地點、設備、規(guī)模等要求,無法適應科研、競賽、在線課程等靈活多樣的應用需求.在后疫情時代,實驗室的遠程應用已成為傳統(tǒng)實驗教學模式的必要補充.遠程實驗室不僅具有可以讓學生在給定時間段內(nèi)自由試驗自己想法而不受地理位置限制的優(yōu)勢[1],而且有利于實驗資源共享.目前,在校園信息化建設中搭建教育云平臺已成為主要發(fā)展趨勢[2-3].

近年來,虛擬化作為云計算的一種重要技術(shù)迅猛發(fā)展.運用服務器虛擬化技術(shù)建立私有云數(shù)據(jù)中心,可以很好地解決服務器資源利用率低、運維復雜、數(shù)量不足的問題[4].運用虛擬桌面技術(shù)實現(xiàn)云桌面實驗環(huán)境,可以提高部署、維護效率,使實踐教學脫離時間、地點的約束, 非常適合用于部署高校機房實驗環(huán)境[5].部分高校已經(jīng)在計算機實驗中心或圖書館建立了云平臺,并取得了良好的效果[4,6-8].其中,有的高校僅對服務器進行虛擬化或僅實現(xiàn)了虛擬桌面,有的高校則采用同一種虛擬化軟件建設了一體化的服務器虛擬化和虛擬桌面平臺[2-4,8-9].然而,虛擬化軟件由于架構(gòu)不同,各有優(yōu)勢與缺點,適用于不同的應用場景[10-11].服務器虛擬化平臺通常更注重穩(wěn)定性、安全性和業(yè)務連續(xù)性.虛擬桌面平臺屬于操作密集型軟件,且易發(fā)生啟動風暴[12],因此更注重高效運維和并發(fā)能力.對于既包含服務器虛擬化又包含虛擬桌面的全功能實驗平臺而言,根據(jù)需求選擇不同虛擬化產(chǎn)品并以比基于多云架構(gòu)構(gòu)建實驗中心私有云,能夠優(yōu)化平臺性能,更精準地實現(xiàn)平臺建設目標.通常對虛擬化平臺的選擇多采用案例法和經(jīng)驗分析法,為了提高平臺選擇的科學性并精準貼合需求,需要對幾種主流平臺的重要指標進行測試.本文以南京工程學院經(jīng)濟管理實驗中心為例,探討虛擬化平臺的選擇和架構(gòu)設計,部署建立一個基于多云架構(gòu)的云端實驗平臺,并對運行效果進行測試評價.

1 建設目標

南京工程學院經(jīng)濟管理學院下設9個專業(yè)、1個省級實驗示范中心.由于服務的專業(yè)多,該實驗中心具有經(jīng)管類實驗中心的典型特點：軟件種類較多；一般不需要3D圖形支持；由于政策、行業(yè)準則變化較快,軟件版本更新頻繁.因此,實驗中心建設對于資源使用效率、部署時間、并發(fā)啟動時間、易操作性等指標較為關(guān)注.經(jīng)濟管理實驗中心原有11臺IBM X3650 M2服務器,通過2臺萬兆交換機和12臺接入交換機與12個機房相連.原有服務器配置較低,在數(shù)量和配置上均無法滿足教學需求,且部分計算機房學生機使用超過10年.所以,采用虛擬化技術(shù)建設云端實驗平臺,可解決服務器數(shù)量和配置升級問題以及學生機設備更新問題,同時實現(xiàn)遠程應用.

云端實驗平臺由兩部分構(gòu)成,包括一個服務器虛擬化平臺和一個虛擬桌面云平臺,可提供高性能計算、海量存儲和彈性云桌面服務.服務器虛擬化平臺用來負載原有實驗教學、科研軟件及新增應用,并預留一定負載能力,根據(jù)需求為科研工作提供虛擬服務器,從設施即服務(IaaS)、平臺即服務(PaaS)、軟件即服務(SaaS)三個層面滿足教學、科研需求.初始規(guī)模按45臺虛擬機規(guī)劃.服務器虛擬化平臺的建設需充分利用原有場地、服務器和網(wǎng)絡設備.服務器虛擬化平臺應具有熱遷移、高可用、自動負載均衡等功能,并具備業(yè)務級容災能力.虛擬桌面云平臺在桌面即服務(DaaS)層面提供服務,提供的遠程應用具有較好的并發(fā)性能,能在課間快速切換不同操作系統(tǒng),軟件部署更新便捷,且虛擬機配置不低于市場主流個人機.初始規(guī)模按照170用戶設計,其中包括150個無狀態(tài)桌面供學生實驗使用,20個永久桌面供教師備課使用.服務器虛擬化平臺和虛擬桌面云平臺架構(gòu)應便于擴展,擴建后最終將實現(xiàn)實驗中心的全面虛擬化,達到1 000用戶的規(guī)模.

2 設計與實現(xiàn)

2.1 虛擬化平臺的選擇

市場上的服務器虛擬化平臺和桌面虛擬化平臺有多種架構(gòu),適合不同需求的用戶.同樣硬件環(huán)境下,虛擬化平臺的選擇和整體架構(gòu)的設計對系統(tǒng)的性能起決定作用,因此虛擬化平臺的選擇至關(guān)重要.

2.1.1 服務器虛擬化平臺的選擇

當前主流的服務器虛擬化產(chǎn)品有VMware vSphere、Citrix Hypervisor、Microsoft Hyper-V、KVM等.其中,VMware在虛擬化技術(shù)領(lǐng)域保有最高市場占有率,性能穩(wěn)定、功能強大且具有最大虛擬機密度,缺點是價格較高;Citrix的優(yōu)勢在于通過領(lǐng)先的數(shù)據(jù)壓縮和傳輸技術(shù)改善了多媒體應用的用戶體驗,因此適用于圖形密集型應用;微軟的Hyper-V集成在Windows系統(tǒng)中,可以利用Windows豐富的驅(qū)動程序集,更有利于外設種類繁多的環(huán)境;KVM作為一種開源軟件,虛擬化功能全面,在使用Linux系統(tǒng)的環(huán)境下是一個很好的選擇,缺點是不提供服務,只能在用戶社區(qū)尋求問題的解決方案.

經(jīng)管類教學軟件較少涉及圖形處理,且沒有復雜的外設,VMware雖然初期投入較多,但因為具有更高的虛擬化密度,在所需物理機臺數(shù)、電力成本、空間成本方面來看更經(jīng)濟,因此選擇VMware vSphere作為服務器虛擬化平臺.

2.1.2 桌面虛擬化平臺的選擇

當前主流的桌面虛擬化平臺按照架構(gòu)不同可分為遠程桌面服務(RDS)、虛擬桌面架構(gòu)(VDI)、虛擬操作系統(tǒng)架構(gòu)(VOI)、智能桌面虛擬化(IDV)四類[13],不同架構(gòu)適合不同的應用場景[14].RDS適合應用于Windows環(huán)境且軟件兼容性要求不高的簡單辦公、教學等環(huán)境;VDI采用瘦終端,將服務器資源池化管理,使用鏡像和快照技術(shù)生成虛擬機,然后將虛擬機的圖形界面通過桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議傳送到遠程終端上,它的優(yōu)點是資源按需分配、桌面可自動漂移、數(shù)據(jù)不落地、支持遠程應用、能耗低、同一機房能使用不同配置設備,缺點是圖形處理能力弱、外設兼容性低、斷網(wǎng)不可用[15];VOI采用胖終端,集中管理、分布計算,它的優(yōu)點是用戶體驗好、圖形處理和外設兼容能力強、離線可用[11],缺點是需為不同終端配置制作不同鏡像、不支持遠程應用;IDV采用胖終端,集中管理、分布計算,適合圖形計算密集型應用場景[16],缺點是不支持遠程應用,高可用、擴展能力差.就經(jīng)濟管理實驗中心而言,實現(xiàn)遠程應用是重要建設目標,由于圖形軟件使用較少,同時兼顧終端成本投入的降低,采用VDI架構(gòu)的桌面虛擬化軟件.

VDI類桌面虛擬化軟件的主要提供商有國外的VMware、Citrix等,以及國內(nèi)的噢易、深信服等.分別測試其中幾種主流平臺的重要指標,為軟件的選擇提供依據(jù).測試服務器配置為CPU E5-2630v2×2、內(nèi)存128 G、硬盤600 G、4口千兆網(wǎng)卡;虛擬桌面配置為2核CPU、4 G內(nèi)存、150 G硬盤,虛擬機文件存放于共享存儲IBM 3500的SAS硬盤上;客戶端配置為E2140 1.6 G、512 M、80 G,通過百兆網(wǎng)訪問服務器.虛擬桌面操作系統(tǒng)為Windows 7,制作兩種模板分別安裝工程造價和會計專業(yè)軟件,每個模板置備虛擬桌面20個.測試結(jié)果如表1所示.

表1 云桌面軟件性能測試結(jié)果 s

從表1可以看出,噢易教育云桌面軟件并發(fā)能力強、能在課間快速切換不同的專業(yè)桌面,這是經(jīng)管類實驗中心選擇虛擬桌面軟件的重要條件,且該軟件面向教育行業(yè)開發(fā),界面易操作,所以選擇該軟件.另外,噢易教育云桌面軟件融合了VDI、IDV、VOI三種桌面技術(shù)架構(gòu),若未來開設Revite等需使用3D圖形類軟件的課程,只需在原有平臺上拓展部署IDV或VOI架構(gòu)的虛擬桌面,就可繼續(xù)使用原有平臺對兩種架構(gòu)的云桌面進行統(tǒng)一管理.

2.2 架構(gòu)設計

多云架構(gòu)由多個云供應商提供的多個云服務組合而成,既可以是公共云,也可以是私有云,很多企業(yè)由于靈活性和可靠性要求采取多云策略.實驗平臺采用多云架構(gòu)可以兼顧服務器和虛擬桌面需求的不同側(cè)重點.云端實驗平臺架構(gòu)設計如圖1所示,平臺架構(gòu)包含硬件資源層、虛擬化層和用戶訪問層.

1) 硬件資源層由兩個服務器集群、共享存儲和網(wǎng)絡設備組成.兩個服務器集群分別用于部署服務器虛擬化平臺和云桌面虛擬化平臺.服務器虛擬化集群通過光纖連接存儲局域網(wǎng)絡(SAN)共享存儲,以便實現(xiàn)高可用功能.云桌面虛擬化集群采用分布式存儲,每臺服務器既是計算節(jié)點又是存儲節(jié)點,這樣可以減少單點故障的概率[12].遇到開機高峰時段,由于多個存儲器并行讀取鏡像,因此需要提高并發(fā)性能,避免啟動風暴.

2) 虛擬化層由兩部分組成,分別是服務器虛擬化平臺和虛擬桌面云平臺.兩個平臺根據(jù)需求采用不同供應商提供的虛擬化產(chǎn)品,從而實現(xiàn)多云架構(gòu),平臺之間可以通過萬兆交換機快速通信.這兩部分都包含虛擬化管理層和虛擬資源層兩個子層.服務器虛擬化平臺包含VMware vSphere虛擬化管理平臺和核心應用虛擬服務器.虛擬化管理平臺負責將CPU、內(nèi)存、存儲和網(wǎng)絡等硬件資源集中池化管理,按需分配資源,創(chuàng)建和管理虛擬服務器,并提供各種組件實現(xiàn)虛擬數(shù)據(jù)中心的高可用、負載均衡、性能監(jiān)控等功能.核心應用虛擬服務器主要用于負載核心應用,包括實驗軟件的服務端、文件服務器以及用于管理的域控制器、虛擬控制中心(vCenter)等,并負責身份驗證和訪問控制.虛擬桌面云平臺由噢易教育桌面云軟件和虛擬桌面池構(gòu)成.噢易教育桌面云軟件提供硬件管理、鏡像管理、虛擬桌面部署和配置、用戶管理、安全管理等功能.虛擬桌面池中包含學生實驗使用的各專業(yè)無狀態(tài)桌面、教師備課使用的永久個人桌面和各種桌面模板.兩個平臺都對硬件資源池化管理,當需要擴大平臺規(guī)模時只需增加服務器和存儲設備并加入資源池即可,具有較好的擴展性.

圖1 云端實驗平臺架構(gòu)圖

3) 終端層由實驗中心各機房和研究所的PC、瘦客戶端以及個人的iPad、筆記本電腦等各種終端設備組成,它們可以通過虛擬桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議經(jīng)高速網(wǎng)絡訪問虛擬桌面.

2.3 云端實驗平臺的實現(xiàn)

云端實驗平臺使用7臺機架式服務器搭建,其中4臺通過光纖連接共享存儲搭建FC SAN,組成服務器虛擬化平臺;另外3臺用于組建虛擬化桌面云平臺.為了提高數(shù)據(jù)中心的兼容性,保留部分舊服務器用于負載不支持虛擬機環(huán)境的個別教學軟件.網(wǎng)絡拓撲如圖2所示,實驗中心網(wǎng)絡架構(gòu)主要由虛擬化平臺、舊業(yè)務系統(tǒng)和實驗室、研究所局域網(wǎng)三部分組成.虛擬化平臺包含服務器虛擬化集群和云桌面虛擬化集群,它們通過連接高速交換機進行通信,并通過核心交換機與實驗室和研究所互通,原有的舊業(yè)務系統(tǒng)也連接核心交換機,與實驗室和研究所計算機進行通信.

圖2 網(wǎng)絡拓撲圖

服務器虛擬化平臺選用主流的IBM 3650服務器搭建,配置如表2所示.根據(jù)實際需求,再綜合考慮磁盤I/O速度和共享網(wǎng)絡帶寬等因素,3臺服務器可滿足45臺虛擬機的需求,另增加1臺服務器來實現(xiàn)高可用(HA)功能.服務器虛擬化平臺存儲設備采用磁盤陣列IBM V3500,配置1.2T SAS磁盤12塊.VMware引導映象存儲在本地硬盤,虛擬機文件共享存儲,由于共享存儲上的虛擬機文件每臺服務器都能訪問,當一臺物理機發(fā)生故障時,運行在其上的虛擬機將自動在另一臺物理機上重啟并恢復原來的運行狀態(tài),由于重啟時間短,對于用戶來說就像沒有中斷過一樣.基于同樣的原理,資源動態(tài)均衡和容災備份功能得以實現(xiàn).由于VMware支持薄置備和差異存儲技術(shù),可以有效節(jié)省存儲空間,總共14.4 T的空間可以支持45臺虛擬機的存儲需求.虛擬桌面云平臺用3臺Dell服務器搭建,其中1臺作為高可用冗余節(jié)點,接入終端采用瘦客戶端,配置如表2所示.部署150個無狀態(tài)教學桌面供學生使用,針對會計、工程管理、信管3個專業(yè)的不同教學需要,每專業(yè)50個桌面,可供一個班學生同時進行實驗,系統(tǒng)重啟后將自動恢復初始狀態(tài);部署20個永久個人桌面供教師使用,可以保存?zhèn)€性化設置及個人數(shù)據(jù).3臺服務器組成集群共同負載所有虛擬桌面,當其中1臺服務器發(fā)生故障時,在其上運行的虛擬桌面會自動在其它服務器重建,保證試驗過程不被中斷.為了兼顧I/O性能和建設成本,系統(tǒng)鏡像文件存儲在SSD固態(tài)硬盤上,數(shù)據(jù)文件存儲在SAS盤上.經(jīng)測試,當面對開機風暴時,得益于分布式存儲策略和固態(tài)盤的高I/O,50點位的機房可在90 s內(nèi)完成虛擬桌面的同時啟動.

表2 服務器及虛擬機配置表

3 運行效果

通過Windows的性能監(jiān)視器和虛擬化平臺的性能監(jiān)控工具以及人工計時,得到云端實驗平臺建設前后的重要管理和運行指標,如表3、表4所示.

表3 服務器虛擬化平臺建設前后運行指標對比

表4 虛擬桌面云平臺建設前后運行指標對比

從表3、表4可以看出,服務器虛擬化平臺的建設大大提高了系統(tǒng)資源利用率,在總負載增加的前提下減少了服務器的數(shù)量,從而降低了基礎(chǔ)設施的投資.服務器和學生機的部署及維護工作效率得到了極大的提高,總耗電功率也得到了有效降低.服務器虛擬化平臺可以提供大容量存儲和高速計算資源,即IaaS服務;提供裝有指定操作系統(tǒng)和軟件的虛擬機,即PaaS服務;可以通過網(wǎng)址直接使用教學軟件、實驗平臺,即SaaS服務；虛擬桌面云平臺實現(xiàn)了實驗室的遠程應用,即提供DaaS層面服務.建設前,各教學軟件服務器只能在實驗中心局域網(wǎng)內(nèi)訪問,部署云桌面后,用戶可以在教室、辦公室、宿舍甚至地鐵上輸入IP地址和用戶名密碼連接虛擬桌面,通過虛擬桌面訪問各實驗軟件服務器,實驗資源的使用不再受時間和空間的限制,使得本校其他學院或兄弟院校的師生也可以通過網(wǎng)絡共享經(jīng)濟管理實驗中心的實驗資源.但是,對于采用何種共享管理模式合理分配實驗資源的使用時間使資源使用率最高且不會發(fā)生沖突,尚需研究并制定相應規(guī)則.與兄弟院校的單一架構(gòu)實驗云平臺相比,虛擬桌面的并發(fā)性能和桌面切換時間有明顯優(yōu)勢,且兼顧了服務器虛擬化平臺的高資源利用率和高穩(wěn)定性,體現(xiàn)了多云架構(gòu)的優(yōu)越性.

4 結(jié)語

通過對多種服務器虛擬化軟件和云桌面軟件的研究與測試,選擇分別滿足兩種平臺不同需求的軟件以多云架構(gòu)建設了可以從IaaS、PaaS、SaaS、DaaS四個層面為師生提供全面服務的私有云.多云架構(gòu)的采用兼顧了虛擬服務器的穩(wěn)定性、安全性和虛擬桌面的高并發(fā)、短切換特征,分布式存儲策略提高了并發(fā)能力,降低了單點故障風險.雖然平臺初建規(guī)模較小,但后期只需在服務器集群中增加服務器、擴大存儲容量即可擴建.云端實驗平臺的建設既解決了服務器資源利用率低的問題,又解決了學生機生命周期短、維護困難的問題,使實驗教學資源的使用不再受時間和空間限制,也可為未來在線開放實驗的開展提供基礎(chǔ)設施.建設高校云端實驗平臺可以促進優(yōu)質(zhì)教學資源的共建、共享,對于深入教學改革具有重要意義.高校計算機實驗室建設從實到虛、從本地到云端的轉(zhuǎn)變將是未來發(fā)展的方向.