桌面虛擬化與計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理

金 彪， 鄭小建， 姚志強(qiáng)， 林 劼

(福建師范大學(xué) 軟件學(xué)院， 福建 福州 350108)

當(dāng)前，高校的教育教學(xué)過(guò)程對(duì)計(jì)算機(jī)的依賴程度日益增強(qiáng)。然而，計(jì)算機(jī)在給教育教學(xué)帶來(lái)方便的同時(shí)，也帶來(lái)了不少管理方面的問(wèn)題，因計(jì)算機(jī)故障而造成的教學(xué)事故也有所增多。

實(shí)踐教學(xué)是高等教育教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室則是開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)的重要場(chǎng)所(尤其是理工科院校)。計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)計(jì)算機(jī)數(shù)量多、管理工作量大，為了保證實(shí)踐教學(xué)的正常、有序進(jìn)行，必須提高管理效率。然而現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室管理模式的缺陷以及實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員配備不足等諸多因素，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理效率低，因設(shè)備故障得不到及時(shí)維修而造成的事故時(shí)有發(fā)生。

為了提高管理效率，降低設(shè)備故障發(fā)生次數(shù)，本文將探討桌面虛擬化技術(shù)用于計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理的可行性和有效性，針對(duì)福建師范大學(xué)軟件學(xué)院的實(shí)際情況，提出利用Citrix公司產(chǎn)品Citrix XenDesktop 搭建實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的方案。

1 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理工作內(nèi)容和難點(diǎn)

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室是學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)、消化吸收理論知識(shí)的主要場(chǎng)所。但計(jì)算機(jī)數(shù)量多、設(shè)備型號(hào)不一以及實(shí)驗(yàn)所需軟件多樣性等原因，使得計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的管理工作量大且繁雜。

1.1 管理工作主要內(nèi)容

日常的管理工作主要包括軟件的部署和更新、計(jì)算機(jī)安全防護(hù)、硬件更換和報(bào)修、網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)等4類。

(1) 軟件部署和更新。部署計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)所需應(yīng)用軟件；備份操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的硬盤鏡像。

(2) 計(jì)算機(jī)安全防護(hù)。安裝殺毒軟件；更新病毒庫(kù)和木馬庫(kù)；修補(bǔ)系統(tǒng)漏洞。

(3) 硬件更換和報(bào)修。對(duì)于計(jì)算機(jī)的普通硬件設(shè)備(如鼠標(biāo)、鍵盤、VGA線等)故障，管理人員可直接更換；對(duì)于內(nèi)部核心硬件故障，如內(nèi)存條、顯卡、硬盤等，通知計(jì)算機(jī)供應(yīng)商進(jìn)行維修或更換。

(4) 網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)。上網(wǎng)用戶賬號(hào)管理；網(wǎng)絡(luò)故障診斷和修復(fù)。

1.2 管理工作的困難

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理工作存在不少困難，主要原因包括：

(1) 計(jì)算機(jī)數(shù)量多，硬件種類多樣化，給管理工作帶來(lái)很多麻煩；

(2) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)所需的應(yīng)用軟件種類繁多，為滿足教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)應(yīng)用的差異化要求，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)上安裝的軟件過(guò)多，啟動(dòng)速度太慢，而且容易引起應(yīng)用沖突；

(3) 為了在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)軟件故障后能快速恢復(fù)操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)一般安裝有還原卡，這卻導(dǎo)致計(jì)算機(jī)每作一次改動(dòng)，如增加軟件、卸載軟件以及漏洞修復(fù)等，都需要把改動(dòng)后的計(jì)算機(jī)作為“母機(jī)”同傳給其他計(jì)算機(jī)，或者在每臺(tái)計(jì)算機(jī)上逐一改動(dòng)后再逐一手動(dòng)保存，都很費(fèi)時(shí)、費(fèi)力；

(4) 學(xué)校配備的專業(yè)技術(shù)人員數(shù)量少，難以滿足大規(guī)模運(yùn)維服務(wù)的即時(shí)響應(yīng)。

1.3 計(jì)算機(jī)故障產(chǎn)生原因

為了保證實(shí)踐教學(xué)的正常開(kāi)展，必須保證實(shí)驗(yàn)室內(nèi)計(jì)算機(jī)正常工作，及時(shí)解決計(jì)算機(jī)故障。調(diào)查表明，在一系列計(jì)算機(jī)故障中，軟件故障發(fā)生的概率遠(yuǎn)高于硬件故障和網(wǎng)絡(luò)故障。造成軟件故障多發(fā)的原因復(fù)雜且難以避免，常見(jiàn)的原因主要有：

(1) 網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)或使用U盤不慎導(dǎo)致計(jì)算機(jī)感染木馬等病毒；

(2) 使用計(jì)算機(jī)的師生多，操作技能參差不齊，有些誤操作會(huì)刪除重要系統(tǒng)文件；

(3) 設(shè)備驅(qū)動(dòng)沖突，應(yīng)用程序沖突；

(4) 注冊(cè)表錯(cuò)誤，垃圾文件過(guò)多；

(5) 操作系統(tǒng)漏洞，不完整的程序安裝或卸載信息；

(6) 不同軟件之間，甚至不同版本的同款軟件之間都可能因?yàn)檫\(yùn)行環(huán)境、配置信息等相互沖突而導(dǎo)致無(wú)法正常運(yùn)行。

2 桌面虛擬化技術(shù)

計(jì)算機(jī)操作技能培訓(xùn)雖然可以降低某些計(jì)算機(jī)故障發(fā)生的概率，但見(jiàn)效慢且需耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力。采用硬盤保護(hù)(還原)卡和網(wǎng)絡(luò)同傳等方法，如比較知名的聯(lián)想公司的硬盤保護(hù)系統(tǒng)/還原卡和Dell公司的增霸卡，雖可在出現(xiàn)軟件故障時(shí)快速恢復(fù)預(yù)裝的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，但安裝和更新非常麻煩，耗時(shí)耗力，給教學(xué)應(yīng)用帶來(lái)諸多不便，甚至嚴(yán)重影響正常教學(xué)。為了提高計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理效率，在計(jì)算機(jī)因軟件故障而無(wú)法正常工作時(shí)得到及時(shí)、有效的維護(hù)，本文探討將桌面虛擬化技術(shù)用于提高管理者對(duì)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理效率的可行性和有效性。

桌面虛擬化(desktop virtualization)又稱為虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)(virtual desktop infrastructure,DVI)，是虛擬化廠商VMware最先提出的一種基于服務(wù)器的計(jì)算模型。通過(guò)該模型可以將個(gè)人計(jì)算機(jī)桌面環(huán)境與物理設(shè)備分離，所產(chǎn)生的“被虛擬”的桌面不再存儲(chǔ)于遠(yuǎn)程客戶端的本地磁盤上，而是存儲(chǔ)在遠(yuǎn)端中央服務(wù)器上。如圖1所示，桌面虛擬化由存儲(chǔ)層、虛擬化平臺(tái)層、桌面和會(huì)話管理層以及終端接入層構(gòu)成，每層分工如下：

圖1 桌面虛擬化構(gòu)成

(1) 存儲(chǔ)層：為桌面虛擬化平臺(tái)提供存儲(chǔ)資源池；

(2) 虛擬化平臺(tái)層：采用X86或X64服務(wù)器以及虛擬化平臺(tái)軟件來(lái)提供虛擬機(jī)資源池，虛擬化平臺(tái)軟件主要包括VMvarevSphere，Sun VirtualBox，Citrix XenServer，Microsoft Hyper-V以及HuaWei SmartUvp等；

(3) 桌面和會(huì)話管理層：負(fù)責(zé)桌面分配管理和用戶接入會(huì)話管理，主要產(chǎn)品包括VMware View，Sun VDI，Citrix XenDesktop以及Microsoft Windows 2008等；

(4) 終端接入層：采用瘦客戶端、軟終端(通過(guò)物理PC，采用客戶端方式或Web方式)等實(shí)現(xiàn)虛擬桌面的接入(虛擬桌面需采用RDP、ICA、PCOIP等遠(yuǎn)程桌面協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)接入。

桌面虛擬化技術(shù)借助于虛擬機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬盤(安裝環(huán)境)、CPU與內(nèi)存(運(yùn)行環(huán)境)、外設(shè)的物理拆分[1-2]，使用戶可以通過(guò)前臺(tái)PC或者瘦客戶端遠(yuǎn)程訪問(wèn)虛擬桌面。桌面虛擬化技術(shù)與無(wú)盤工作站技術(shù)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)硬盤上的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序與運(yùn)行環(huán)境中的相關(guān)文件、數(shù)據(jù)、指令等發(fā)生分離[3]；使用RDP或ICA協(xié)議可以將程序的運(yùn)行與操作相分離。

引入桌面虛擬化技術(shù)之后，實(shí)驗(yàn)室管理人員只需對(duì)虛擬桌面進(jìn)行安裝、發(fā)布和維護(hù)即可。因此利用桌面虛擬化技術(shù)提高管理者對(duì)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的管理效率是可行、有效的。

3 益于計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理

在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的管理中引入桌面虛擬化技術(shù)，將有助于提高管理效率、縮減采購(gòu)成本、減少維護(hù)成本，還能起到節(jié)能作用。

3.1 提高管理效率

桌面虛擬化后，實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)管理工作可快速執(zhí)行，并簡(jiǎn)化為安裝、升級(jí)和漏洞修復(fù)、恢復(fù)、擴(kuò)展。這些操作的執(zhí)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于物理電腦的安裝和分發(fā)(包括網(wǎng)絡(luò)同傳)。

(1) 安裝：安裝虛擬桌面的GOLD IMAGE，再發(fā)布和部署它的只讀拷貝給用戶使用；

(2) 升級(jí)和漏洞修復(fù)：升級(jí)和修復(fù)虛擬桌面的GOLD IMAGE，再發(fā)布和部署它的只讀拷貝給用戶使用；

(3) 恢復(fù)：將虛擬桌面的GOLD IMAGE發(fā)布和部署給因某些原因使得原先虛擬桌面不能正常使用的用戶；

(4) 擴(kuò)展：將已有的虛擬桌面直接部署給新加入的用戶，或根據(jù)新用戶的需求，安裝新的虛擬桌面后再發(fā)布和部署給他們。

3.2 縮減采購(gòu)成本

桌面虛擬化后，客戶機(jī)采用云終端架構(gòu)，其采購(gòu)成本要低于傳統(tǒng)PC機(jī)。同檔次的云終端單價(jià)約3 000元/套(含顯示器)，而傳統(tǒng)PC的采購(gòu)成本約為5 000元/套。此外，PC機(jī)的使用年限為4～5年，而云終端因其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特殊性，使得它們的使用年限在6年以上。

3.3 減少維護(hù)成本

(1) 桌面應(yīng)用維護(hù)成本。我學(xué)院在用的實(shí)驗(yàn)室共17間，每間配置50臺(tái)學(xué)生機(jī)和1臺(tái)教師機(jī)。教師機(jī)桌面與學(xué)生機(jī)桌面不同，教師機(jī)獨(dú)立安裝，學(xué)生機(jī)可在安裝1臺(tái)后，采用聯(lián)想公司提供的同傳功能進(jìn)行同傳。在PC架構(gòu)下，管理員需要管理2×17=34個(gè)桌面和安裝34個(gè)操作系統(tǒng)，再安裝約10×34個(gè)應(yīng)用程序，完成一間實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和軟件的部署就需要4～5 h。而采用桌面虛擬化技術(shù)后，管理員只需要安裝1臺(tái)教師機(jī)和1臺(tái)學(xué)生機(jī)，然后直接發(fā)布和部署它的只讀拷貝給用戶使用即可，可以省去學(xué)生機(jī)同傳花費(fèi)的時(shí)間。

(2) 桌面病毒維護(hù)成本。傳統(tǒng)PC架構(gòu)下桌面病毒維護(hù)成本是動(dòng)態(tài)的，主要取決于病毒的破壞性以及數(shù)據(jù)的重要性，但這個(gè)維護(hù)成本在桌面虛擬化下是沒(méi)有的。

3.4 巨大的節(jié)能效益

傳統(tǒng)PC的功耗通常在230 W以上，而云終端的功耗一般為23 W，是PC機(jī)功耗的1/10。僅以我學(xué)院在用的17間實(shí)驗(yàn)室、每間實(shí)驗(yàn)室50臺(tái)計(jì)算機(jī)、平均每天開(kāi)放3 h計(jì)算，每天可節(jié)約用電527 kW。

4 桌面虛擬化實(shí)施方案

軟件學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)大樓共有5層：一層為學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，二層為數(shù)字媒體創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，三層為軟件工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室，四層為嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，五層為CDIO(conceive-design-implement-operate)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室。筆者對(duì)VMware和Citrix的虛擬桌面產(chǎn)品進(jìn)行了綜合比較(見(jiàn)表1)，并最終選用Citrix XenDesktop。

表1 虛擬桌面產(chǎn)品對(duì)比分析表

使用學(xué)院現(xiàn)有的1臺(tái)IBM刀片服務(wù)器BladeCenter HS23 7875B1C來(lái)構(gòu)建XenDesktop的架構(gòu)平臺(tái)，利用Citrix XenServer劃分為5臺(tái)虛擬服務(wù)器。在虛擬服務(wù)器上按照Citrix XenDesktop的要求，依據(jù)以下流程進(jìn)行部署和設(shè)置：(1)安裝XenServer；(2)安裝配置XenCenter；(3)利用XenCenter在XenServer中創(chuàng)建虛擬機(jī)；(4)配置AD(active directory)服務(wù)器；(5)安裝配置DDC服務(wù)器；(6)安裝配置PVS服務(wù)器；(7)安裝配置Windows XP客戶端(虛擬桌面鏡像)操作系統(tǒng)；(8)部署發(fā)布虛擬桌面。

詳細(xì)設(shè)置可參考文獻(xiàn)[4]。圖2為一個(gè)樓層的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境搭建方案。

圖2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境搭建方案圖

其中，虛擬桌面服務(wù)器的虛擬桌面安裝有數(shù)字媒體專業(yè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)所需的操作系統(tǒng)(Windows XP/Win 7)以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)軟件(3DMax、Maya、Adobe Flash CS5等)。學(xué)院每間實(shí)驗(yàn)室都有3臺(tái)交換機(jī)，虛擬桌面通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布到每間實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生終端，可以為每一間實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備一份獨(dú)立的虛擬桌面。但是，考慮學(xué)院的實(shí)際情況(二層實(shí)驗(yàn)室均是數(shù)字媒體專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)所需軟件基本相同，服務(wù)器性能以及網(wǎng)速等硬指標(biāo)滿足要求)，為了減少虛擬桌面的數(shù)量，方案中我們只為每一層實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備一份虛擬桌面，在該桌面上安裝好該樓層實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)所需的全部軟件。

5 結(jié)束語(yǔ)

桌面虛擬化技術(shù)值得進(jìn)一步研究，桌面虛擬化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步拓展。文獻(xiàn)[5—7]致力于桌面虛擬化技術(shù)的研究，文獻(xiàn)[3]、[8—12]則嘗試將桌面虛擬化技術(shù)應(yīng)用到不同場(chǎng)合、不同的環(huán)境中。本文從技術(shù)層面說(shuō)明采用虛擬化桌面技術(shù)提高計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的管理效率是可行的、有效的，并提出采用Citrix 公司的虛擬化產(chǎn)品Citrix XenDesktop搭建實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的方案。該方案已獲得學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的重視，后續(xù)工作是對(duì)方案作進(jìn)一步完善和全面論證，爭(zhēng)取早日進(jìn)入實(shí)施階段。

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