桌面虛擬化技術研究

謝峰

桌面虛擬化是在物理服務器上安裝虛擬主機系統，由虛擬主機系統模擬出操作系統運行所需要的硬件資源，操作系統運行在這些虛擬的硬件資源之上，可以實現多個操作系統共享物理服務器的硬件資源，從而提高資源利用率。虛擬桌面的存儲和執行都集中在數據中心，用戶使用終端設備通過遠程協議進行訪問。桌面虛擬化將所有桌面虛擬機在數據中心進行托管并統一管理，同時用戶獲得完整PC的使用體驗。用戶可以通過客戶端，或者類似的設備在局域網或者遠程訪問獲得與傳統PC一致的用戶體驗，是一種僅將操作系統桌面呈現在用戶面前的技術，由服務器端完成運算，可以結合服務器虛擬化和應用虛擬化進行。

1.桌面虛擬化模式

桌面虛擬化可以通過三種模式實現，分別是客戶機的虛擬化、基于服務器模式和最新的基于云計算模式。對于這三種桌面虛擬化技術模式，他們之間是相關的，特別是其中的服務器模式和云計算模式。在這三種模式中，它們的主要差別是三種主要桌面虛擬機的使用或管理方面存在差異。若遠端用戶常漫游和脫機工作時，則可能會選用基于客戶機虛擬模式，而不會依靠網絡連接。若用戶是固定的局域網用戶時，則可能選擇服務器模式，這樣的好處是可以很容易實現耗電和資源使用的規模經濟。若用戶有適合的云計算的服務提供商的話，則云計算模式應該是最佳選擇模式。

（1）基于客戶機的桌面虛擬化：基于客戶機的桌面虛擬化模式結構其定義為虛擬機運行在傳統的個人電腦或筆記本電腦。對于基于客戶機的桌面虛擬化模式來說，標準的虛擬機構成應包括操作系統、應用程序和用戶設置，而虛擬機的信息是以磁盤映像文件格式存儲在本地硬盤、網絡空間、DVD或USB硬盤。對于基于客戶機的桌面虛擬化產品來說，其最具代表性的是VMware的ACE（Assured Computing Environment），它的主要作用是解決復雜臺式機環境下的部署、維護和控制等難題，適用范圍很廣，可以從公司擁有的受管理的個人計算機到難以接觸到的員工擁有的個人計算機及第三方的個人計算機。

（2）基于服務器托管桌面虛擬化：基于服務器托管的桌面虛擬化模式結構其主要特點是客戶端設備通過諸如RDP或者ICA的網絡協議到中介代理。在代理服務器中，其中專門的代理軟件主要是用于平衡服務器資源和客戶兩者的關系。中介代理的另外一個職責是認證和授權Windows Active Directory虛擬機生成、遠程連接信息、高可用性和用戶個人資料儲存。在這種模式下，每一個虛擬機也同樣包括操作系統、應用程序和用戶設置。在不考慮其他外界的情況下，連接到中介接入的每一個遠程連接都將獲得虛擬機，并且可以自動恢復用戶設置。在該模式中，為了增強系統可控性，也可配備WAN加速器和用戶性能監測。在基于服務器模式的產品中，最具代表的是Microsoft、VMware的虛擬桌面基礎架構和思杰。在所有的三種模式中，基于服務器模式是桌面虛擬化的最經典模式，而在這種模式中第三種電腦模式又是最眾望所歸。但對于基于服務器托管的桌面虛擬化模式，也存在明顯的缺點，即它把個人電腦管理的風險轉嫁給服務器管理員，主要原因是服務員可能缺乏對個人電腦管理應有基本技能或動力。相比之下，使用RDP網絡協議連接圖形密集型CAD/CAM效果會明顯弱于它們在本地的運行。但是再從經濟成本的角度看，成功的服務器虛擬化整合滿足了對個人電腦桌面虛擬化的需求。根據最新瑞士信貸的報告預測估計，基于服務器的桌面虛擬化市場在2012年可以達18億美元，并且這個數字將以50%以上的年增長速度，以及超過50%大型企業機構已經外包部分或全部臺式機管理，這一比例預計還將繼續增加。

（3）基于云計算的桌面虛擬化：基于云計算模式結構與上面的基于服務器模式非常相似，主要區別是它們的管理職權分別為企業自身和其服務提供商。在基于云計算的桌面虛擬化中，其企業Active Directory和商業應用軟件仍然存在，同時供應商服務網格內的數據中心將提供高可用性的桌面虛擬化和應用。

2.桌面虛擬化關鍵技術

在最新的研究中，桌面虛擬化關鍵技術主要包括：服務器虛擬化技術和遠程連接協議技術。

（1） 服務器虛擬化技術：虛擬化技術起源于對分式系統時代，其目標是在一臺主機上運行多個進程，以便充分利用大型機上昂貴的計算資源。從廣義上講，虛擬化技術主要分為平臺虛擬化、資源虛擬化和應用程序虛擬化等。筆者主要討論平臺虛擬化技術，平臺虛擬化通過虛擬機監視器隱藏特定計算平臺的實際物理特性，為用戶提供抽象的、虛擬的硬件環境。VMM是一個位于計算機硬件和操作系統之間的軟件層，運行在特權級，負責管理和隔離上層運行的多個虛擬機，并為這些虛擬機提供安全、獨立的運行環境。每個虛擬硬件系統運行的操作系統稱為客戶操作系統（Guest OS），客戶操作系統將通過VMM訪問實際的物理資源。平臺虛擬化技術按照實現方式可分為指令集虛擬化、硬件抽象級虛擬化，硬件輔助虛擬化、操作系統級虛擬化等。早期的平臺虛擬化技術采用軟件解決方案，為解決軟件解決方案在性能方面的瓶頸，出現了硬件輔助虛擬化技術。

（2）遠程連接協議：遠程連接訪問技術使用戶能夠在任何時間和地點，通過任何設備都能夠訪問到自己的桌面。協議效率決定了虛擬桌面使用的用戶體驗，而用戶體驗是桌面虛擬化產品生命力的關鍵。目前，在桌面虛擬化解決方案中主要使用的協議有Windows的RDP協議、Citrix的ICA協議和VMwarePCOIP協議。

3.桌面虛擬化技術簡介

主流桌面虛擬化產品簡介：目前，市場上應用較為廣泛的桌面虛擬化技術主要有思杰、Microsoft和VMware三種。

（1）Citrix桌面虛擬化平臺簡介：Citrix桌面虛擬化支持多種的虛擬化平臺，如Citrix XenServer、VMware vSphere及Microsoft Hyper-V等主要功能是存放和運行虛擬桌面。除創建和存儲虛擬桌面外，還提供虛擬桌面管理所需核心功能，包括：啟動虛擬桌面、停止虛擬桌面、創建虛擬桌面快照等。桌面和會話管理層：采用Citrix XenDesktop產品，主要包括desktop delivery controller，web interface等組件。它采用ICA協議，可顯著降低對帶寬的要求，提高用戶體驗。其主要的功能特點有：①提供一種端到端的桌面交付解決方案，桌面操作系統、應用程序和用戶設置可分別進行交付，并可在數據中心集中化管理；②可提供靜態虛擬桌面，也可以動態按需產生虛擬桌面。

（2）Microsoft桌面虛擬化平臺簡介：Microsoft桌面虛擬化平臺主要采用Windows server 2008 Hyper-V，結構精簡，使得虛擬機和硬件之間只通過很薄的一層進行連接，其中不包含任何第三方的驅動。Hyper-V支持多種用戶操作系統，包括：Windows Server 2003、Novell SUSE Linux Enterprise Server 10、Windows Vista （x86）和Windows XP（x86）等；虛擬桌面管理采用微軟的SCVMM（system center virtual machine manager）軟件，提供特定于虛擬化環境所需的功能，主要包括：將傳統未充分利用的硬件服務器轉化為虛擬機（VM）；供應、部署和管理虛擬機及其他虛擬資源；自動優化虛擬化的基礎結構等。SCVMM可管理微軟所有的虛擬環境服務器產品，包括Microsoft Virtual Server、Windows Server Hyper-V等。Microsoft桌面虛擬化解決方案的桌面和會話管理層，簡單場景可采用Microsoft遠程桌面服務，支持RDP協議。復雜場景可采用Citrix XenDesktop。

（3）VMware桌面虛擬化平臺簡介：VMware桌面虛擬化平臺層采用VMware vSphere系統，其應用主要功能為存放及運行虛擬桌面。除創建和存儲虛擬桌面外，還提供虛擬桌面管理所需的核心功能。