應用型本科院校云機房建設的應用研究

李輝 涂勝倩 楊靜

摘要：應用型本科院校招生規模增加、計算機相關課程增多，但現有機房的日常建設與管理模式均存在諸多問題，很難滿足當前教學及相關實訓的需求。隨著云計算和虛擬化技術的普及，機房數據中心實現集中化管理，便于集中部署與教學相關的桌面環境，為應用型本科院校機房帶來新的技術架構和管理模式。通過研究傳統機房建設和運維管理現狀，結合學校的實際應用需求，設計并建立不同架構融合的新虛擬桌面云平臺，達到對應用型本科院校云機房統一管理的目的。

關鍵詞：云計算;虛擬化;云桌面;云機房

中圖分類號：TP391? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）33-0034-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

作為承擔應用型本科院校不同專業實驗和實訓課程的重要場所，計算機機房對資源共享、資源分配、數據安全、軟硬件更新等提出更高的要求。而傳統機房主要存在不同批次電腦間硬件不統一、系統升級與更新頻繁、后期硬件擴容成本高等問題[1-2]。云機房，其技術支撐為桌面虛擬化技術，該項技術是以云計算為中心加以虛擬化技術融合搭建而成，通過資源的統一集中部署，改變了過去獨立、冗散的系統環境[3-5]。利用集群式服務器的優化架構，實現了實體硬件或操作系統的虛擬化，節省物理空間，并將硬件資源進行有效資源分配與共享，即可實現統一高效管理[6-7]。從現有的運行情況來看，虛擬桌面云平臺能夠提高機房軟硬件資源的利用率與系統的可靠性、可擴展性[8]。如何建立優化的虛擬桌面云平臺架構、提高資源利用率及減輕維護工作任務量，并保障云機房運行的穩定性，已成為應用型本科院校云機房普遍面臨的難題。

1 應用型本科院校機房建設與管理的現狀分析

20世紀80年代末，隨著計算機專業的普及，各大高校開始配置機房，早期的機房通常由十多臺獨立運行的計算機組成，大部分機房管理缺少專業的計算機機房維護人員，機房運行故障率高。到了二十一世紀初，維護管理制度趨于完善，加之高性能的中央服務器大量應用，星型拓撲結構或網狀拓撲結構的中心機房開始在高校中普及[9]。此時，機房的建設與管理仍然存在諸多問題：（1）硬件建設與管理方面：由于日常消耗帶來機房的擴建和維修，不同批次的硬件設備之間品牌、型號和性能差異很大，造成了硬件配置標準不統一，管理維護困難;每臺計算機都包含CPU、內存、硬盤、顯卡等設備，整體電源能耗大，還需額外配備專業電源管理人員，加重管理負擔。（2）機房軟件建設與管理方面：大部分專業軟件授權費用高，且需要綁定終端硬件，需要逐臺激活，增加管理人員的負擔;校園計算機病毒泛濫，并可借助校園網大面積擴散，短時間內很難進行保障教學正常;現有的機房管理軟件一般只能通過廣播的方式實現教學演示，教學方式單一、教學效果差，無法有效實現課堂上師生互動。

總的來說，相對于機房建設，機房管理的重要性逐漸凸顯出來，計算機通識教學成為幾乎所有專業的必修課程，致使機房每天的使用頻率非常高，如何有效部署應用軟件的批量升級及學生端的遠程控制以減輕機房維護人員的工作任務量，同時如何有效隔絕計算機病毒或網絡攻擊以防止重要數據的損失。系統還原軟硬件與遠程控制軟件應運而生，使得機房建設與管理走向正規化、專業化及規范化。移植于網吧機房的無盤系統實現服務器端的統一部署和管理，計算機每次重啟后即可恢復到初始狀態。但無盤系統的終端計算機僅是無須安裝硬盤，并且限于同一個局域網內進行部署，仍存在安裝方法復雜、系統穩定性差、不支持透過Internet遠程控制啟動、客戶端無法保存數據等問題[10]。

隨著計算機寬帶網絡技術和桌面虛擬化相關開源技術的發展和應用，國內很多高校紛紛采用虛擬桌面云平臺來組建云機房。在虛擬桌面云平臺中，云計算實質上為利用分布式計算的分配與共享特性，完美結合進程式的虛擬化技術，并依托于網絡匯聚交換后的計算機資源池，在后臺服務器將實體硬件的資源抽象化處理，從而得到多個本地化的相互獨立虛擬資源，實現處理器、顯卡、內存、硬盤等實體硬件的虛擬化，滿足本地使用時大量數據高并發交互環境的需求。虛擬桌面云平臺使云機房具有較好的優勢：（1）云桌面全部放置于后臺服務器中，前端不占用任何性能資源，如：統一配置網絡地址、配置云桌面參數、更新等，且只需要對后臺服務器進行維護即可，有效解決管理維護問題;（2）云桌面的鏡像之間相互隔離，各個獨立鏡像的配置之間實時進行動態調度，只需利用后臺服務器即可完成，且后臺服務器可通過統一終端進行升級管理;（3）云桌面終端投入成本低，功耗低，整體設備更新周期為8-10年，有效降低了整體擁有成本;（4）云桌面可將遺存在本地的數據進行統一加密存儲，利用終端接口的權限來進行訪問認證。

主流的虛擬桌面云平臺的框架有四種，包括RDS、IDV、VOI及VDI等，但均存在諸多問題：前兩者雖可離線使用，但軟件支持力度差，需針對數據庫資源進行獨立安全性防護，且造價成本高;后兩者則比較耗網絡資源，傳輸文件過大容易造成網絡堵塞，極易致使服務器負載太大而出現故障，最終導致所有學生端癱瘓無法使用。此外，部分虛擬桌面云平臺由于集中在后端服務器進行計算，致使終端無法流暢運行大型3D軟件及播放高清影像。

2 基于VOI和VDI框架融合的云機房建設

當前，雖有利用四種框架進行融合設計的案例，但效果均不理想，體現在無法有效利用現有機房的硬件資源進行部署。因此，結合VOI和VDI框架的技術特點，探索兩者之間優勢的互補方案，設計融合方案及其系統架構。

根據前述需求和技術特點，確定VOI和VDI框架融合的虛擬桌面云方案，具體如下：

利用集群式架構的原理，通過設置控制節點和計算節點兩大部分來綜合部署瘦客戶端，便于統一管理。具體來說，控制節點用于在VDI服務器中存儲操作鏡像文件，計算節點用于在GPU服務器集群內平衡可動態擴展的桌面虛擬機資源，可滿足瘦客戶端內三維建模、影片剪輯及VR模擬等實際教學需求，同時可通過交換機的遠程登錄，提供虛擬個人桌面，進而實現實時的軟件數據交互處理。

設計的系統架構涉及如下，采用現有機房內臺式電腦，并設置基于win系統的版本鏡像的存儲，隨后結合云桌面的遠程注冊和申請特點，將存儲版本鏡像的臺式電腦與網絡服務器端進行相連，滿足不同版本鏡像在軟件維持周期內的實時更新。此外，學生或教師用戶可通過本地瘦客戶端的安裝操作，只需以密鑰方式登錄，即可實現對遠程云桌面的有效訪問。

結合圖1來看，臺式電腦和筆記本電腦上設置有瘦而客戶端，同時每個瘦客戶端獨立連接VOI服務器和VDI服務器，利用云端vGPU+VDI服務器的部署功能，有效將現有機房的臺式電腦進行增霸卡式的統一管理。經測試，上述設計方案可應用大學物理實驗、電工電子技術、AUTOCAD建筑設計等仿真虛擬實驗環境中。

3 總結

本文結合現有虛擬桌面云平臺的優劣勢，提出一種新式的融合的架構設計方案，其結合了VOI服務器、VDI服務器及GPU服務器的優勢。該方案按照不同的實驗課程要求和終端的特點，部署相應的云桌面服務，與傳統機房相比，云機房在建設成本、管理、運維、節能及資源利用率上具有非常好的優勢，VDI+VOI融合實現了兩種虛擬云桌面平臺的統一管理，節省了大量部署教學環境的準備時間和教學空間，滿足教師個性化桌面需求，保障了數據的安全性和私密性，為高校云機房的建設和管理提供了新思路。

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【通聯編輯：梁書】