虛擬云平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與架構(gòu)

汪克峰, 葉飛躍

(江蘇理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院, 江蘇 常州 213001)

虛擬云平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與架構(gòu)

汪克峰, 葉飛躍

(江蘇理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院, 江蘇 常州 213001)

根據(jù)云技術(shù)構(gòu)建出了一套虛擬云平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室,詳細(xì)介紹了云端平臺(tái)的設(shè)計(jì)、構(gòu)建與架構(gòu)。分析了云端平臺(tái)的優(yōu)勢和安全性,與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)(PC)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了比較,軟硬件成本低,后期維護(hù)工作小,數(shù)據(jù)集中管理并且數(shù)據(jù)安全性也大大地提高了。同時(shí),虛擬平臺(tái)也具有真實(shí)計(jì)算機(jī)的所有的特點(diǎn)。虛擬云平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室是今后計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的趨勢和方向。

虛擬云平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室； 云技術(shù)； 設(shè)計(jì)與構(gòu)架

桌面虛擬化作為虛擬化技術(shù)又一個(gè)快速興起的潮流,越來越多的企業(yè)開始接受桌面虛擬化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)企業(yè)的桌面基礎(chǔ)架構(gòu)。它通過桌面虛擬化技術(shù)在一臺(tái)性能強(qiáng)大的服務(wù)器上虛擬出若干臺(tái)虛擬機(jī)(VM),用戶或管理員可以在該虛擬機(jī)中安裝操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序等,管理員可以根據(jù)需要將一臺(tái)或多臺(tái)虛擬機(jī)分配給一個(gè)或多個(gè)用戶,而用戶桌面上不再需要部署性能強(qiáng)大的PC,而只要部署一臺(tái)安全、易管理的云計(jì)算終端就可以連接到數(shù)據(jù)中心的虛擬機(jī)并使用該虛擬機(jī),通過網(wǎng)絡(luò)把服務(wù)器端的虛擬主機(jī)傳輸?shù)娇蛻舳瞬⒄宫F(xiàn)給最終用戶[1]。通過“云終端+云桌面”的方式,OVD桌面云平臺(tái)為用戶提供一站式的桌面虛擬化解決方案,大大簡化了桌面的部署和管理。通過節(jié)省操作費(fèi)用和提高靈活性來降低桌面管理成本,同時(shí)提供給最終用戶熟悉的PC使用體驗(yàn),以及企業(yè)級(jí)別的桌面可靠性、數(shù)據(jù)保護(hù)和災(zāi)難恢復(fù)能力。

1 桌面云平臺(tái)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

整體桌面云方案是由云終端Thinclient、虛擬桌面控制器OVD、虛擬機(jī)管理平臺(tái)OVP、服務(wù)器存儲(chǔ)設(shè)備等組成,實(shí)現(xiàn)將企業(yè)員工的辦公桌面統(tǒng)一部署于服務(wù)器上,員工的個(gè)人數(shù)據(jù)也集中存儲(chǔ),然后通過網(wǎng)絡(luò)(局域網(wǎng)或廣域網(wǎng))將個(gè)人桌面系統(tǒng)快速交付給員工,員工可以通過各種不同類型的終端設(shè)備,如瘦客戶機(jī)、筆記本、手機(jī)及平板等隨時(shí)隨地接入辦公,打造一種新型的桌面辦公模式。

CDesktop OVD桌面云平臺(tái)以獨(dú)享桌面的形式,將桌面作為一種按需服務(wù)、隨時(shí)隨地交付給任何用戶,利用獨(dú)特的VDX桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議,OVD可以快速而安全地向企業(yè)內(nèi)的所有用戶交付整個(gè)桌面,不管他們是固定辦公員工,還是移動(dòng)辦公員工,具體平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。平臺(tái)核心組件如下:

(1) 虛擬機(jī)管理平臺(tái)OVP。構(gòu)建硬件資源可動(dòng)態(tài)調(diào)度的服務(wù)器集群環(huán)境,通過虛擬機(jī)可承載Windows和Linux桌面操作系統(tǒng)和應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)桌面池的統(tǒng)一管理和性能監(jiān)控。獨(dú)有的對(duì)稱式集群架構(gòu),可以登錄到任意一臺(tái)服務(wù)器對(duì)整個(gè)集群進(jìn)行管理,無需單獨(dú)安裝中央管理服務(wù)器,從而保證了管理平臺(tái)的高可用性。

(2) 虛擬桌面控制器OVD。與OVP協(xié)同工作,內(nèi)置域服務(wù)提供集中式的桌面用戶認(rèn)證,自動(dòng)化的桌面管理,控制OVP進(jìn)行創(chuàng)建、更新、還原虛擬桌面等操作。在不依賴于虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)情況下將虛擬桌面安全、快速、可靠地交付到Thinclient。

(3) 云終端Thinclient。無論是體積小巧、功率低的瘦客戶機(jī),還是PC機(jī)、筆記本、智能終端,都能作為云終端Thinclient的軟件載體,隨時(shí)隨地連接到虛擬桌面進(jìn)行辦公應(yīng)用[2]。

圖1 桌面云平臺(tái)整體架構(gòu)圖

2 智能的云平臺(tái)管理

2.1 云終端設(shè)計(jì)

從云終端的軟件設(shè)計(jì)上講,之所以稱之為智能云終端,是因?yàn)槠涑司邆鋫鹘y(tǒng)PC主機(jī)的硬件接口外,還獨(dú)創(chuàng)性地加入了用戶體驗(yàn)狀態(tài)指示燈。能夠?qū)τ脩粼谑褂迷谱烂鏁r(shí)面臨的各種硬件或網(wǎng)絡(luò)問題進(jìn)行智能報(bào)警,從而幫助用戶了解云桌面的運(yùn)行狀況。當(dāng)有故障發(fā)生時(shí),能夠輕松地排障,或者清晰地向管理員反饋故障現(xiàn)場,幫助管理員快速定位問題并及時(shí)恢復(fù)業(yè)務(wù)。具體硬件指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 云終端硬件指標(biāo)參數(shù)

通過狀態(tài)指示燈的閃爍、暗、亮等不同的狀態(tài)，能夠區(qū)分不同情況下影響服務(wù)質(zhì)量的狀況，用戶只需根據(jù)指示燈的狀態(tài)，就能輕松判斷故障的原因。

2.2 云桌面部署

OVP、OVD均在同一臺(tái)服務(wù)器上，即只需要對(duì)一臺(tái)服務(wù)器操作即可完成服務(wù)器虛擬化、桌面虛擬化平臺(tái)部署，以及所有的桌面新建、更新、還原等操作。部署時(shí)間與傳統(tǒng)虛擬化廠商平臺(tái)相比，減少了50%以上的安裝步驟。見圖2。

圖2 云桌面的部署圖

同時(shí)，平臺(tái)內(nèi)置本地域服務(wù)器，可以在不安裝AD域的情況下，輕松實(shí)現(xiàn)用戶的授權(quán)和管理工作。

2.3 統(tǒng)一的云終端管理

采用“云終端+云桌面”的部署模式，除了對(duì)于虛擬桌面的統(tǒng)一部署和管理之外，CDesktop OVM是針對(duì)企業(yè)級(jí)用戶推出的一套云終端管理系統(tǒng)，它為IT管理人員提供易用的組織管理、控制和云終端設(shè)備的OS鏡像、軟件分發(fā)、補(bǔ)丁更新及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，可支持上萬數(shù)量級(jí)的運(yùn)行Thinclient軟件的終端設(shè)備，無論是瘦客戶機(jī)，還是運(yùn)行Thinclient軟件的PC機(jī)。云終端管理特點(diǎn)見表2。

表2 云終端管理特點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

2.4 跨地域集中管理

對(duì)于全國各地的分支機(jī)構(gòu)人員，分布范圍較散且每個(gè)分支機(jī)構(gòu)人數(shù)也不多，一般不會(huì)單獨(dú)配置IT管理員，而這個(gè)時(shí)候總部管理員便難以對(duì)其桌面系統(tǒng)進(jìn)行高效管理和維護(hù)。因此，分支機(jī)構(gòu)使用分布式部署集中管理的瘦客戶機(jī)+虛擬桌面進(jìn)行接入，快捷高效，無需管理員過多干預(yù)，后續(xù)運(yùn)維工作統(tǒng)一在數(shù)據(jù)中心完成，如果分支機(jī)構(gòu)新增人員可直接配發(fā)瘦客戶機(jī)，管理員在10 min以內(nèi)便可以實(shí)現(xiàn)桌面環(huán)境的部署[3]。跨地云平臺(tái)管理結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 跨地云平臺(tái)管理結(jié)構(gòu)圖

由于分支機(jī)構(gòu)采用廣域網(wǎng)線路進(jìn)行互聯(lián)，帶寬資源有限，通過桌面云分布式部署集中管理模式避免傳輸大量的非業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在廣域網(wǎng)上傳輸，對(duì)互聯(lián)網(wǎng)帶寬占用少，同時(shí)保障分支機(jī)構(gòu)的用戶體驗(yàn)。對(duì)于極小的分支或者零散的人員，可采用互聯(lián)網(wǎng)VPN形式接入到總部的虛擬桌面平臺(tái)，通過高效傳輸協(xié)議VDX，能夠保證在窄帶寬情況下，虛擬桌面的正常訪問和應(yīng)用，從而達(dá)到統(tǒng)一接入的效果。

3 云到端的安全設(shè)計(jì)

3.1 平臺(tái)安全

從整體認(rèn)證架構(gòu)上講，Thinclient、OVP、OVD三方認(rèn)證，且通過SSL加密通信，嵌入到VDX顯示協(xié)議中，以保證整個(gè)平臺(tái)的安全性，防止中間人攻擊(MITM)。即使用戶在登錄過程中遭遇中間人截獲，由于其無法同時(shí)與OVP、OVD完成認(rèn)證，最終會(huì)顯示登錄失敗，無法進(jìn)入整個(gè)虛擬化平臺(tái)。

從虛擬機(jī)的安全性來講，在云桌面內(nèi)，每個(gè)用戶獨(dú)占一個(gè)虛擬機(jī)，通過OVP底層機(jī)制實(shí)現(xiàn)CPU調(diào)度、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)訪問、磁盤IO、存儲(chǔ)空間的隔離，用戶虛擬機(jī)的故障和安全問題不會(huì)影響到其他用戶，保證虛擬機(jī)之間的隔離安全；每個(gè)用戶都會(huì)分配個(gè)人數(shù)據(jù)盤來存放文檔，當(dāng)用戶遷移至虛擬桌面的使用模式后，所有數(shù)據(jù)都集中存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)中心。因此，通過為個(gè)人數(shù)據(jù)盤進(jìn)行加密存儲(chǔ)，讓其他用戶，包括管理員都無法訪問，可以保證用戶個(gè)人隱私安全。

從虛擬機(jī)的管理安全性來講，不同管理員角色授予合適的管轄權(quán)限范圍，并保存操作日志。支持分級(jí)管理權(quán)限，包括上級(jí)管理員有權(quán)操作下級(jí)管理員的配置行為，相反則無權(quán)；支持上級(jí)管理員將虛擬桌面資源授權(quán)給下級(jí)管理員[4]。

3.2 傳輸安全

從服務(wù)器到終端通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟⒉皇钦鎸?shí)的用戶數(shù)據(jù)，而是云桌面內(nèi)的圖像信息，這些圖像信息在傳輸過程中已經(jīng)基于SSL加密處理，一般情況下無法破解。由于傳輸?shù)氖菆D像，所以即使能夠截獲，也無法得到原始的用戶數(shù)據(jù)，最大限度保障了數(shù)據(jù)的安全。

3.3 終端安全

云終端的安全可以從硬件和軟件2個(gè)層面來解析，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 云終端數(shù)據(jù)通道圖

硬件層面上，由于云終端本身并不進(jìn)行任何計(jì)算，只是對(duì)圖像進(jìn)行編解碼的操作，所以其物理硬件上并不帶硬盤，從而數(shù)據(jù)不會(huì)存儲(chǔ)在云終端上，從根本上杜絕了數(shù)據(jù)的泄密問題[5]。

軟件層面上，通過USB權(quán)限控制，能夠保證虛擬桌面內(nèi)的數(shù)據(jù)按照管理員設(shè)定的權(quán)限來禁止或允許對(duì)應(yīng)的USB拷貝。同時(shí)，云終端操作系統(tǒng)為精簡加固的輕量級(jí)Linux操作系統(tǒng)，封閉的系統(tǒng)漏洞少，被黑客木馬入侵的可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Windows操作系統(tǒng)，從而保障了終端系統(tǒng)的安全[6]。

4 點(diǎn)到面的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的桌面虛擬化平臺(tái)，其管理節(jié)點(diǎn)必須是一臺(tái)單獨(dú)的服務(wù)器或者虛擬機(jī)，一旦管理平臺(tái)發(fā)生故障，則會(huì)失去對(duì)整個(gè)虛擬化平臺(tái)的控制，存在嚴(yán)重的單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)。在CDesktop OVD桌面云平臺(tái)中，當(dāng)服務(wù)器采用集群模式部署時(shí)，集群內(nèi)每個(gè)服務(wù)器都是平等的，沒有中央管理節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息都會(huì)通過Multicast互相同步，登錄到任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠?qū)φ麄€(gè)集群做管理.從而實(shí)現(xiàn)管理平臺(tái)的高可用。見圖5。

圖5 集群部署圖

集群內(nèi)同步的是狀態(tài)信息和配置文件，并不會(huì)有大流量的數(shù)據(jù)，不會(huì)因?yàn)樾畔⒌耐蕉斐删W(wǎng)絡(luò)堵塞[7]。

5 虛擬化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的亮點(diǎn)解析

利用現(xiàn)代化云技術(shù)的發(fā)展，我們構(gòu)建出來的虛擬化云平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室比傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，并且也具有常規(guī)計(jì)算機(jī)(PC)的特點(diǎn)。

5.1 高清視頻體驗(yàn)

CDesktop OVD桌面云平臺(tái)中，由于從服務(wù)器到終端傳輸?shù)氖菆D像內(nèi)容，并不是真正的應(yīng)用數(shù)據(jù)，所以如何在有限的帶寬下高效地傳輸圖像，就決定了用戶在使用云桌面時(shí)的體驗(yàn)。在虛擬化服務(wù)器端采用的是獨(dú)有的多媒體啟發(fā)式識(shí)別算法，可以區(qū)別GIF動(dòng)畫廣告、視頻、窗口界面變化速度等，智能識(shí)別出真正的視頻內(nèi)容，進(jìn)行特殊的視頻壓縮編碼，發(fā)送到客戶端，其余內(nèi)容則按圖片幀傳輸。CDesktop OVD支持1080P高清視頻在虛擬桌面內(nèi)的本地播放和在線播放，實(shí)際使用效果與PC機(jī)完全一致，從而讓用戶完全感覺不出來是在使用云桌面，能夠滿足用戶日常各種應(yīng)用環(huán)境的使用[8-9]。

5.2 高效VDX協(xié)議

VDX(Virtual Desktop eXtend,虛擬桌面擴(kuò)展協(xié)議)是面向VDI架構(gòu)定制化桌面訪問而專門打造的一種優(yōu)化連接協(xié)議，旨在克服現(xiàn)有桌面訪問協(xié)議(RDP/ICA/PCoIP/SPICE etc.)在虛擬桌面架構(gòu)環(huán)境下與傳統(tǒng)PC桌面功能缺失與體驗(yàn)差距的弱點(diǎn)，包括視頻多媒體流暢度及外設(shè)支持等方面。目前主流桌面訪問協(xié)議都是在VDI架構(gòu)誕生之前而設(shè)計(jì)的，并沒有周全考慮VDI桌面訪問過程中所特有的場景需求，而VDX協(xié)議則是專門為VDI架構(gòu)量身打造，解決了視頻多媒體播放和多種外設(shè)支持等重點(diǎn)問題，并學(xué)習(xí)和借鑒了RDP和 SPICE開放協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，整合成為一種更加適合VDI部署的協(xié)議，提供更優(yōu)化的帶寬，更好的用戶體驗(yàn)，更加類似于傳統(tǒng)PC的外設(shè)支持[10-11]。

5.3 與PC一致的使用習(xí)慣

在用戶從PC模式切換到云桌面模式時(shí)，勢必會(huì)存在使用習(xí)慣的不一致問題，針對(duì)用戶在實(shí)際使用過程中可能出現(xiàn)的常規(guī)操作，CDesktop OVD做了大量的使用體驗(yàn)改進(jìn)工作。譬如有以下幾點(diǎn)：第一，允許修改登錄用戶密碼；第二，用戶關(guān)機(jī)/停止/啟動(dòng)自己的虛擬機(jī)；第三，云桌面不依賴本身網(wǎng)絡(luò)，可禁用或修改網(wǎng)絡(luò)配置；第四，云桌面可看到系統(tǒng)開機(jī)畫面；第五，云桌面開機(jī)自動(dòng)連接[12]。

6 結(jié)束語

云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室是以后計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展趨勢，不論從硬件和軟件成本上分析，還是在計(jì)算機(jī)后期的維護(hù)、管理以及升級(jí)方面來看，云計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室都比傳統(tǒng)物理機(jī)實(shí)驗(yàn)室有著很多方面的優(yōu)勢，特別體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)管理和分布式處理數(shù)據(jù)以及遠(yuǎn)程管理維護(hù)計(jì)算機(jī)等方面。

References)

[1] 黃晨暉,林泳琴.基于云計(jì)算的虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的研究與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010,29(11):30-34.

[2] 李莉,廖建偉,歐靈.云計(jì)算初探[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2010,27(12):4419-4422.

[3] 孟慶偉,劉婷.基于云計(jì)算的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)模型研究[J].智能計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2011(12):48-51.

[4] 廖宏建,楊玉寶,唐連章.基于云計(jì)算的動(dòng)漫渲染實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012,31(7):32-36.

[5] 李功麗,張艷.基于云計(jì)算的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)[J].河南機(jī)電高等專科學(xué)校學(xué)報(bào),2011(5):21-22.

[6] Guohua Xiong. Designation of Green Computer Terminal Supported by Cloud Computing[J].Physics Letters A,2007,372(4):394-400.

[7] 李寧,王鐵峰.打造無圍墻的實(shí)驗(yàn)室:云計(jì)算時(shí)代高校計(jì)算機(jī)服務(wù)平臺(tái)建設(shè)模式探討[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(4):12-15.

[8] 馬博峰.VMware,citrix和Microsoft虛擬化技術(shù)詳解與應(yīng)用實(shí)踐[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[9] 牛愛芳,杜煜,鐘麗,等.基于云技術(shù)開展大學(xué)生計(jì)算機(jī)應(yīng)用大賽的研究[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013，30(9):146-152.

[10] 趙俊蘭.基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)的研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011,28(3):220-227.

[11] 黃成云,左明章,榮先海.基于云計(jì)算的移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2010,20(8):102-105.

[12] 杜近之.智慧的云計(jì)算[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

Design and architecture of laboratory of virtual cloud platform

Wang Kefeng, Ye Feiyue

(School of Computer Engineering, Jiangsu Teachers University of Technology, Changzhou 213001, China)

According to the cloud technology to construct a virtual cloud platform of laboratory,this paper introduces the design, construction and architecture of the cloud platform in detail. Analysiing the advantages and the security of the cloud platform, the traditional computer (PC) laboratory are compared with the laboratory of virtual cloud platform, which has such advantages as low cost of software and hardware,maintenance of small, and centralized data management, and the data security is greatly improved.At the same time,the virtual platform is a real computer having all characteristics.This paper analyzes that the laboratory of virtual cloud platform is the trend and direction of the future development of computer laboratory.

laboratory of virtual cloud platform; cloud technology; design and architecture

2014- 0-

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61472166)；常州市云計(jì)算與智能信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(CM20123004)；江蘇理工學(xué)院校青年基金(KYY12024)

汪克峰(1981—),男,江蘇常州,碩士,講師,主要研究方向?yàn)閿?shù)字圖像處理技術(shù)、信息安全.

E-mail：wkf88@163.com

G482

A

1002-4956(2015)7- 0236- 05