基于桌面虛擬化的計算機實驗室的應(yīng)用和管理研究

陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 陶筱嬌

基于桌面虛擬化的計算機實驗室的應(yīng)用和管理研究

陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 陶筱嬌

本文基于桌面云的技術(shù)優(yōu)勢，針對高校計算機實驗室的管理實際，探討運用桌面虛擬化技術(shù)提升計算機實驗室管理工作效率，并簡述了校園網(wǎng)桌面虛擬化系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計。通過Citrix虛擬化平臺的構(gòu)建桌面云環(huán)境，可降低計算機設(shè)備的投入成本，緩解計算機硬件維護壓力，提高計算機實驗室的使用效率。

桌面云；計算機實驗室；實驗室管理；資源優(yōu)化

1 引言

隨著IT和信息技術(shù)的發(fā)展，計算機已然成為各行業(yè)各領(lǐng)域重要工具。高校作為人才培養(yǎng)的基地，計算機技術(shù)已經(jīng)融入大學(xué)專業(yè)課及其他學(xué)科的教學(xué)中，已然成為現(xiàn)代化教學(xué)不可缺少的重要部分[1]。國內(nèi)各高校都非常重視計算機實踐教學(xué)，投注了大量的人力物力來建設(shè)計算機實驗室。計算機的大量投入使用，維護和管理的問題日益凸顯出來。由于計算機硬件性能參差不齊，管理工作比較復(fù)雜，實驗室管理人員每天的管理維護工作包括數(shù)量眾多的PC故障、系統(tǒng)恢復(fù)、軟件安裝、補丁更新等。另外，從管理、規(guī)劃的角度來看，大力度的投入建設(shè)計算機實驗室，不可避免的會造成實驗室重復(fù)建設(shè)，制約了各學(xué)科的實驗教學(xué)、科研發(fā)展。除此之外，龐大的計算機數(shù)量造成的能源消耗，暴露出來相關(guān)的能耗問題不容小窺。所以，高校在建設(shè)實驗室的過程中還要考慮實驗室的運營成本。近年來，云計算技術(shù)的發(fā)展迅猛，云計算背景下應(yīng)運而生的桌面云為高校信息化建設(shè)帶來了重大變革。本文針對陜西科技大學(xué)計算機實驗室的實際情況，探討桌面虛擬化技術(shù)應(yīng)用于算機實驗室管理的優(yōu)勢和可行性，提出利用Citrix公司產(chǎn)品桌面云平臺搭建實驗教學(xué)環(huán)境的技術(shù)方案。

2 桌面云技術(shù)

云計算（Cloud Computing）技術(shù)是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)服務(wù)模式，超大規(guī)模、虛擬化、通用性、按需服務(wù)、高可擴展是它的典型特點[2]。通過云計算，用戶能夠通過網(wǎng)絡(luò)按需的獲得個性化的計算資源[3]。相比一般的計算機桌面，云桌面比較方便快捷、可以隨時隨地啟用，只要有Receiver程序，就可以運行在任何構(gòu)架的操作系統(tǒng)上。根據(jù)客戶的需求，讓用戶能夠靈活、快捷、高效的使用個性化定制的計算資源。

2.1 虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)是云計算的關(guān)鍵技術(shù)之一，是一種資源優(yōu)化、簡化管理的解決方案[4]。通過虛擬化技術(shù)可以將各種硬件、軟件、操作系統(tǒng)、存儲、網(wǎng)絡(luò)以及其他IT資源都進行虛擬化，并納入云計算管理平臺的管理。這樣，IT能力都可以轉(zhuǎn)變成可管理的邏輯資源，通過互聯(lián)網(wǎng)提供給最終用戶，實現(xiàn)云計算的最終目標(biāo)。虛擬化術(shù)通過在系統(tǒng)中引入一個虛擬化層，一方面向下管理真實的物理資源另一方面向上提供虛擬出來的系統(tǒng)資源，能夠起到擴大硬件的容量，簡化軟件的重新配置過程的作用。一般的虛擬化示意圖如圖 1 所示。虛擬化技術(shù)包括服務(wù)器虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、存儲虛擬化、應(yīng)用程序虛擬化、桌面虛擬化等。本文主要討論桌面虛擬化。

圖1 虛擬化示意圖

按照應(yīng)用領(lǐng)域來劃分，桌面虛擬化只是虛擬化技術(shù)的一種應(yīng)用[5]。桌面虛擬化技術(shù)一般定義為一種基于服務(wù)器的計算模型，桌面虛擬機是由服務(wù)器虛擬化而來，同時借用了傳統(tǒng)瘦客戶端的模型，通過瘦客戶端或者其他終端展示出來，由于數(shù)據(jù)都是在服務(wù)器處理，所以用戶體驗起來速度較快并且操作與普通PC無異[6]。桌面虛擬化主要有兩種方式接入：

一是專業(yè)瘦客戶端。提供商已經(jīng)內(nèi)置相應(yīng)的遠程桌面接入?yún)f(xié)議，配置和操作都相對便捷，本地不需要額外安裝操作系統(tǒng)，其本地資源開銷很低。專業(yè)客戶端也稱為云終端，每臺單價比普通pc便宜近一半，運行功耗比普通pc低近十倍。

二是普通PC。通過Web或者安裝與服務(wù)器對應(yīng)版本的桌面虛擬化客戶端軟件和遠程桌面協(xié)議，本地需要一定的硬盤空間和計算資源支持本地操作系統(tǒng)的運行，主要計算仍然集中在服務(wù)器，或?qū)⑵胀≒C結(jié)合無盤工作站技術(shù)實現(xiàn)硬盤上操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的分離，也可以由學(xué)生自帶筆記本電腦訪問虛擬化系統(tǒng)。

2.2 桌面虛擬化的基礎(chǔ)構(gòu)架

基于有線和無線網(wǎng)絡(luò)連接，桌面云的整體架構(gòu)設(shè)計如圖2所示，從云到端由5個部分組成：

（1）硬件資源層：主要包括存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備、安全設(shè)備以及計算設(shè)備。

（2）虛擬資源層：主要為虛擬化提供資源，由服務(wù)器虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化或存儲虛擬化形成的資源池構(gòu)成

（3）虛擬桌面層：通過使用服務(wù)器虛擬化軟件，將服務(wù)器分成多個共享資源，向外部提供虛擬桌面服務(wù)。資源分配可根據(jù)需求進行調(diào)度，并部署后臺計算節(jié)點，實現(xiàn)集中管理。

（4）桌面管理層。管理控制臺負責(zé)整個虛擬桌面系統(tǒng)的調(diào)度、新虛擬桌面的注冊以及將虛擬桌面的請求指向可用的系統(tǒng)?？梢钥旖莸剡M行用戶添加、刪除、配置密碼、修改用戶權(quán)限等操作，簡化了不同分組用戶的系統(tǒng)鏡像管理、補丁更新等工作。

（5）終端接入層。即指接入云終端的設(shè)備，一般采用價格更為便宜，管理成本更低，更新周期更長的瘦客戶端，也可以是是傳統(tǒng)PC，智能手機、PAD等移動設(shè)備。

圖2 桌面云的整體架構(gòu)設(shè)計

3 桌面云實驗室的總體技術(shù)方案

目前，計算機實驗室有計算機200余臺，設(shè)備完好率在90%左右，但是隨著使用年限的增加，計算機性能難以適應(yīng)當(dāng)前軟件的更新。特別是在承接計算機基礎(chǔ)實驗的實驗室，計算機使用頻率高，硬盤平均壽命縮短，為了滿足現(xiàn)有的教學(xué)需求，頻繁更換硬盤也是需要不少投入。為了解決這個問題，本文提出將現(xiàn)有的計算機改造成桌面云客戶端。將傳統(tǒng)的物理終端桌面環(huán)境改造成為由后臺服務(wù)器統(tǒng)一分發(fā)和集中管理的VDI模式，減少終端維護成本和管理復(fù)雜度。另外，根據(jù)不同的終端應(yīng)用需求部署不同模式的虛擬桌面。對圖形處理需求比較高的應(yīng)用桌面采用GPU透傳的虛擬桌面，針對編程、文檔處理等圖形處理要求不高的傳統(tǒng)應(yīng)用桌面采用普通的池化桌面虛擬化部署方式。二者結(jié)合使用將最大限度利用圖形工作站的性能，使資源分配更加合理有效。實驗室管理人員只需對虛擬桌面進行安裝發(fā)布，教師、學(xué)生通過遠程訪問虛擬桌面，客戶端提供操作系統(tǒng)引導(dǎo)和簡單處理、顯示的功能，計算集中在服務(wù)端。因此，利用一臺物理服務(wù)器運行多臺虛擬機，且各虛擬機之間的操作相互獨立，在管理上主要側(cè)重服務(wù)器的軟硬件資源，提高了管理效率。

在校園網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在局域網(wǎng)上增加一組服務(wù)器和共享存儲，并在服務(wù)器上部署虛擬化軟件，利用服務(wù)器虛擬化軟件在服務(wù)器組上進行部署，形成云計算資源池，為桌面云提供資源。整個桌面云系統(tǒng)采用Citrix Xendesktop套件，用戶桌面共享CPU、內(nèi)存和存儲器等底層物理硬件資源，以虛擬機的形式運行，這些虛擬機共享同一個物理資源的同時，能夠做到相互之間數(shù)據(jù)和資源的隔離。管理員通過Xencenter訪問虛擬桌面，在單個控制臺就可以對桌面進行更新，因此可有效地管理數(shù)百甚至數(shù)千個桌面；可以對虛擬桌面池進行自定義，并方便地設(shè)置桌面策略，如池中可包含的虛擬機數(shù)量；還包括驗證用戶身份、授予桌面權(quán)利、管理虛擬桌面會話等功能。具體實現(xiàn)功能包括：

3.1 集中部署客戶端

管理人員登錄交付服務(wù)器，使用vCenter自帶的控制臺和遠程桌面，就可以對PC進行批量或單獨地進行各種控制和管理。當(dāng)大而積系統(tǒng)軟件安裝或升級的時,只需要在一臺虛擬機進行軟件安裝或升級,再與服務(wù)器進行一次同步更新,完成后重啟其余虛擬機即可,無需再逐臺安裝操作,也無須用還原卡再次同傳操作系統(tǒng)。釆用的大面積批量部署方式提供了一系列遠程集中維護管理功能，不僅比還原卡的方式節(jié)省60%以上的時間，并且比還原卡更穩(wěn)定、更可靠。

3.2 按需交付

桌面云系統(tǒng)應(yīng)該為最終用廣按需配置和交付不同的使用環(huán)境和操作系統(tǒng)。所有的桌面環(huán)境虛擬化后實現(xiàn)各行業(yè)各部門的按需交付,每行業(yè)可以分部門定制單純桌面環(huán)境,充分滿足其個性化需求,又能夠集中管理。有了按需交付多操作系統(tǒng),就可以靈活應(yīng)對政府、企業(yè)、教育等多個行業(yè)的應(yīng)用環(huán)境。按需交付的過程實際上是管理員通過操作對邏輯鏡像進行合并、增量增加鏡像等操作來實現(xiàn)。微觀的來說就是對虛擬電子磁盤的扇區(qū)組合表訪問,把操作系統(tǒng)文件、應(yīng)用軟件文件和用戶差異文件這種樹狀的鏡像結(jié)構(gòu)的訪問,根據(jù)用戶的策略來按需調(diào)用和部署鏡像文件,從而實現(xiàn)這種用戶On-Demand的過程。按需交付概念如圖3所示。

圖3 按需交付示意圖

3.3 多種桌面和應(yīng)用交付模式

報據(jù)各種用戶使用的不同需求,制作多種應(yīng)用環(huán)境,當(dāng)用戶打開電腦后,系統(tǒng)為用戶提供選擇菜單,由使用者自行選擇所需要使用的應(yīng)用壞境,系統(tǒng)會主動交付響應(yīng)的虛擬桌面。由于高校計算機實驗室面對的是不同專業(yè)的學(xué)生和教師，對軟件和操作系統(tǒng)的需求不一樣，針對這種情況，將桌面交付分為win7學(xué)生桌面、win7教師桌面、win8學(xué)生桌面、win8教師桌面及利用GPU透傳的3D、4D桌面,學(xué)生交付組示意圖如圖4所示。除此之外,桌面也需要靈活的應(yīng)用方式,可以選擇多種啟動和保存數(shù)據(jù)的方式。比如說客戶的數(shù)據(jù)是存儲在本地還是遠程;使用結(jié)束后系統(tǒng)是否需要還原;系統(tǒng)還原方式可以選擇每次啟動還原、一次性還原和客戶機主動還原。對于教師桌面，用戶可以直接在本地進行程序安裝和系統(tǒng)修改操作，本地不保存數(shù)據(jù)的學(xué)生桌面需要通過修改模板的方式進行更新。

圖4 學(xué)生桌面軟件示意圖

3.4 監(jiān)控管理

監(jiān)控功能主要是實現(xiàn)對服務(wù)器負載等信息的收集,這些信息包括∶CPU使用率、內(nèi)存使用率、用戶在線人數(shù)等,這樣便于用戶進行實時管理。當(dāng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量比較大,所以消耗CPU比較多,導(dǎo)致啟動速度下降時管理員能及時的調(diào)整策略;用戶在線人數(shù)則可以可視化的查看現(xiàn)有的活動用戶數(shù)量,監(jiān)控整個桌而云系統(tǒng)的狀態(tài)。

監(jiān)控端的管理界面可以直接監(jiān)控各終端機的屬性,并可以修改。終端機的信息主要有：

（1）虛擬機名∶該虛擬機的電腦名。

（2）物理地址∶顯示該客戶機網(wǎng)卡的MAC地址。

（3）IP∶顯示該客戶機由桌面云系統(tǒng)的DHCP服務(wù)器分配的IP地址。

（4）交付組∶顯示該客戶機屬于哪個交付組,在登陸時使用何種模式。

（5）會話狀態(tài)∶顯示客戶機的客戶端名稱及聯(lián)機狀態(tài)。

（6）詳細描述∶顯示對該客戶機的具體描述內(nèi)容。

3.5 移動終端

今天的數(shù)字化辦公隊伍需要極大的靈活性，來通過他們選擇的任何設(shè)備隨時隨地開展工作。利用Citrix Receiver，XenDesktop用戶可以通過任何PC機、蘋果機、瘦客戶端或智能電話訪問他們的桌面和應(yīng)用。這樣就可以實現(xiàn)全面的工作空間靈活性、業(yè)務(wù)連續(xù)性和用戶移動性。

4 結(jié)束語

基于桌面虛擬化的實驗教學(xué)管理系統(tǒng)是實驗室管理的一種創(chuàng)新模式，將桌面云應(yīng)用到傳統(tǒng)的實驗教學(xué)管理中。學(xué)校的機房設(shè)備只需要能夠上網(wǎng)，任何一種教學(xué)軟件的使用和信息的存儲包括像超級計算這樣的問題都可以輕松解決，由于軟件的安裝、維護都集中到了服務(wù)器上，而且可以根據(jù)不同專業(yè)課程對機房的硬件和軟件需求提供定制化的軟硬件服務(wù)，充分利用了機房的軟硬件資源，同時極大地減少了運行維護成本，節(jié)約了人力、物力和財力。

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