計算機實驗室虛擬云桌面的設計與建構

趙文靜, 曹 忠

(1. 廣州大學 實驗中心 網絡與現代教育技術中心, 廣東 廣州 510006; 2. 廣州大學 物理與電子工程學院, 廣東 廣州 510006)

在信息技術蓬勃發展的今天,信息素養成為全球信息化對人們提出的基本要求。高校作為高水平人才的培養基地,擔負著提高大學生信息素養的重要使命。計算機實驗室是高校信息技術類課程的實驗和實操基地,承擔著全校學生的計算機實驗教學工作。近年來,隨著學校擴招和高水平大學建設步伐的推進,學生規模迅速擴大,對設備性能的要求也越來越高。傳統實驗室的運行和管理模式已無法滿足教學需求,制約了學校對高素質、創新人才培養工作的有效實施。因此,采用先進的技術對實驗室進行全方位改造,改變已有的設備運行和管理模式,成為目前實驗室發展和建設的有效路徑。云計算技術是近年來不斷發展成熟的技術,云桌面是其最重要的應用之一[1],具有信息安全可靠、維護方便、節能、部署快捷等優勢。因此,本研究立足于實驗室維護和管理現狀,結合虛擬云桌面技術,設計適合我校計算機實驗室的虛擬云桌面系統,為高校計算機實驗室的改造和建設提供借鑒。

1 計算機實驗室存在的問題

計算機實驗室承擔全校學生的信息技術類實驗課程,面向全校各專業,課程多、種類雜。目前,隨著學生人數劇增,課程對實驗環境要求顯著提高,傳統的單機管理模式使實驗室的管理和維護處于效率低下、舉步維艱的局面，其主要問題如下：

(1) 軟件環境難維護。在傳統PC模式下,由于學生的各種原因,常常導致系統文件誤刪、病毒入侵等問題,使得實驗室單機維護工作量大,管理人員忙于應付各種故障的修復,工作效率較低。

(2) 硬件設備利用率低。在傳統的單機部署模式下,實驗設備在上課時段供不應求,在課后卻又處于閑置狀態,無法得到高效開放和有效利用。

(3) 實驗室運行成本高。傳統機房采用普通PC作為終端,大量使用終端使機房電力成本居高不下,更增加了總成本支出。

(4) 難以滿足個性化的教學需求。在傳統的機房管理模式下,所有單機需要網絡克隆,并部署相同的軟件環境。一旦因課程的變動和系統要求更新,維護人員需要將整個機房全部重新克隆,不但造成維護人員的重復勞動,而且無法滿足師生個性化的需求。

2 虛擬云桌面技術

云桌面技術,即虛擬桌面系統,是通過在數據中心的服務器運行Windows系統,用戶通過來自終端設備(傳統終端設備和移動智能終端)的客戶計算協議與后臺服務器進行連接,將用戶桌面虛擬化,使用戶訪問終端桌面就像是訪問傳統的本地安裝桌面一樣[2]。云桌面技術在不改變原有用戶使用習慣的情況下,為IT運維管理提供了高效便捷的全新管理模式。這種虛擬桌面架構方式輕前端、重后臺,絕大多數成本投入在后端資源建設。優勢主要體現在簡化桌面管理和更少的硬件采購、延長舊客戶端硬件的使用壽命,實現了靈活調配、移動辦公和更高的網絡安全保障。

2.1 虛擬云桌面系統功能設計

我校計算機實驗室開展虛擬云桌面系統的建設和實施,目標是利用云桌面技術,部署具有強交互性的、基于課程教學與實踐教育為主的自適應教學云平臺[3-5],除提供計算機實驗教學外,還為師生提供豐富的實驗教學資源,包括實驗教學資料、學生實驗數據備份、實驗手冊、教學視頻、教師參考答案、學生答案模板、實驗素材下載等,為計算機實驗教學搭建全校范圍的全方位互動式整體教育教學與實踐平臺,具體技術和功能架構如圖1所示。

圖1 虛擬云桌面系統功能圖

平臺采用任務驅動教學案例模式,以知識點貫穿教學案例的編排,內容組織靈活有序。采用“學習導向圖”方式,明確學習目標,總體把控學習流程,使學習變得更有針對性。平臺提供多種形式的標準化教學資源、開放性的平臺,也可按需自行導入及上傳教學資源,充分滿足教學需求。強交互性客戶端便于師生之間、生生之間與師師之間的實時互動,滿足課程指導和催交作業等互動需求。完善的教學教務管理,實現備課、作業布置、作業提交、檢查、評估等全無紙化系統管理。體系化平臺管理,提供AppEngine接口,可與符合CMMI標準的項目管理系統、各種虛擬桌面VDI平臺、考試系統、測試工具等專業引擎作平臺級別的集成。

2.2 高可用集群式云桌面系統架構

系統采用高可用集群式云桌面[6]架構方式,這是是目前一種主流的架構方式,系統架構如圖2所示。在后臺配置服務器集群和共享存儲設備,通過GFS文件系統進行統一管理,云桌面的鏡像文件全部存儲在共享存儲設備上。服務器主要提供計算能力,構建起集群系統而無需配置更多磁盤。服務器上的虛擬機是無狀態的,有狀態的數據全部在共享存儲上。因此,對任何一臺服務器主機,管理平臺會在其他可用的服務器上再啟動一個虛擬機訪問存儲上的鏡像文件,交付云桌面,進而實現高可用性。

圖2 虛擬云桌面系統架構圖

因為服務器集群與存儲之間的數據訪問量巨大且最為關鍵,因此它們之間需要建立可靠的網絡環境,一般采用兩臺千兆交換機或者光纖交換機滿足通信的可靠性要求。出現故障時,可能需要重新掛載共享存儲設備,因此系統管理員要求具有基本的Linux技能要求。同時,在這種構架下,后臺服務器和共享存儲網絡采用完整的冗余架構,當主機宕機時能夠迅速遷移業務到其他主機上運行。由于桌面數據集中存儲在共享存儲設備上,集中管理和備份將會變得簡單易行。維護方面對系統管理員有簡單要求,系統出現故障時,需要能夠使用Linux重新掛載共享存儲。

2.3 終端接入方式

對于實驗室的原有軟硬件配置,終端接入方式采取在原有PC終端上安裝桌面云軟件客戶端的方式實現[7]。在這種部署模式下,所有實驗用的虛擬桌面存放于后臺存儲中,并接受統一管理。這種管理方式的主要優點在于不改變原有的系統環境，即可完成實驗環境的虛擬化。學生可以隨時接入到自己桌面,最大程度地實現原有終端的利用,進而節約建設資金。

針對新設機位,采用統一的云終端機接入[5],學生打開終端,輸入用戶名和密碼便可以進行正常計算機操作。云終端的選擇較多,可以選擇Intel或者ARM的架構。云終端的配置如表1所示。

2.4 系統后臺設計

桌面云通過將后臺計算資源虛擬化形成統一的資源池,管理員根據實驗的桌面環境要求,通過桌面云集控管理平臺統一創建虛擬桌面并分配給對應的學生和教師[8]。由于桌面鏡像及數據存放于后臺存儲中,學生在課后也能通過校園網鏈接到自己的實驗桌面進行實踐,有效地提高了實驗室利用率。

表1 云終端配置表

以1 000個云桌面的規模,每個桌面采用Windows 7操作系統,每個桌面平均配置2vCPU,內存4G,硬盤80G(40G系統盤+40G數據盤),建議系統配置如表2所示。

表2 系統配置要求表

2.5 P2V系統遷移

P2V工具[9]提供將物理主機上的系統及數據完整遷移到虛擬化平臺的功能,將現有的應用環境遷移到虛擬化平臺,實現數據中心的云化處理,確保總體構架無單點故障,使環境易搭建、易備份、易恢復,進而保障業務的連續性。這種遷移方式能夠大幅降低對硬件數量的需要,降低設備能耗、減少空間需求、減少空調、人力、保養等運維費用,應用程序在虛擬化構架上實現更高的可用性,確保業務連續性。以“鏡像文件”實現應用環境的P2V虛擬化和整體備份,使應用環境不再緊耦合于硬件,應用環境更易備份、更易還原[10],圖3展示了P2V系統遷移前后的系統變化。

在P2V工作過程中,首先將物理主機的硬盤通過克隆的方式,封裝成為虛擬硬盤文件; 其次進行系統重配置操作(虛擬驅動的安裝/升級和系統環境的預處理); 最后根據操作系統類型、系統環境,配置相應的虛擬硬件生成虛擬機[11-12]，P2V系統遷移流程示意圖見圖4。

3 實驗室虛擬云桌面建設的意義

(1) 運維更方便快捷。高校計算機實驗室采用虛擬桌面云,使系統維護變得簡單高效。管理員在完成硬件部署之后,只需要通過后臺批量創建虛擬桌面、綁定用戶,即完成了系統的部署。部署完成后,用戶登錄即可進入自己的虛擬桌面。用戶桌面存儲于后臺,管理員可根據不同實驗課程需要,在管理后臺為用戶創建多個對應虛擬桌面,以滿足課程需要。

(2) 大幅提高管理效率。桌面云的虛擬桌面架構是唯一實現操作系統級別管理的解決方案,可以方便地對所有的受控終端進行批量分配桌面、批量修改虛擬機資源、批量關機、遠程協助等作業。相比傳統PC桌面模式(管理人員大量時間浪費在系統升級更新、現場故障修復),采用虛擬桌面架構的管理人員,只要終端硬件無故障,幾乎所有的管理作業都可以在后臺進行,成倍地提高了IT管理效率。

圖3 P2V系統遷移前后變化

圖4 P2V系統遷移流程

(3) 實現便利的接入。虛擬云桌面建設實現了對實驗環境的最大程度利用,讓學生在課后仍然能夠進入到實驗環境,進行各項課程的實驗學習。

(4) 實現故障的快速修復。通過桌面虛擬化改造,用戶操作系統運行于后臺,實現了與終端的分離。實驗環境的各種軟件故障,都可通過桌面云集控管理平臺遠程修復; 終端發生硬件故障不會對實驗環境造成影響,只需要直接更換終端,即可進入實驗環境,不會對學生業務應用造成影響。

(5) 實現總成本的降低。虛擬云桌面打造了一個近乎免維護的系統環境,后期的管理維護成本得到了大幅降低; 此外,通過引進低功耗的云終端,結合“桌面池”“虛擬機動態啟動”“內存復用”“鏡像自增長”等技術,將系統的計算資源和能源的消耗降到了最低,實現總成本的降低。

4 結語

高校計算機實驗室采用虛擬云桌面技術,將虛擬桌面的計算資源與高校實踐教學資源融合在一起,實現計算、存儲、網絡資源的集中化、共享化,將PC的處理能力集中到數據中心,實驗室終端變成TC; 后臺云數據中心給每個實驗室終端提供虛擬化的“計算機”,通過云數據中心集中統一調度和管理,實現對資源的按需分配的管理。這種新型的管理模式不僅為高校師生提供了更加高效的實驗室運行環境,而且極大地提高了實驗室的管理效率,為高校計算機實驗室的進一步發展和改進提供了新思路。