桌面云技術在校園多場景下的應用

程小康 張曉宇 李繁

摘要：隨著信息技術與教育教學的深度融合，各種新興技術在教育領域得到了廣泛應用，其中就包括桌面云技術，而目前市場上主流的桌面云技術以VDI，VOI，IDV三種架構為代表，分別有著各自不同的技術特點和應用場景。以解決桌面云技術在校園多場景下應用的痛點問題為切入點，深入分析、比較這3種技術的優(yōu)缺點，篩選符合學校實際需求的桌面云技術，通過融合架構的方式把以上技術進行有機結合，并最終實現在校園多場景下的應用。

關鍵詞：桌面云技術；VDI；VOI；多場景；融合架構

中圖分類號：TP319文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）09-38-5

目前，學校在信息化管理方面存在IT設備數量眾多、分布廣和維護難的問題。某學校現有25間公共機房、5間計算機專業(yè)機房、158間多媒體教室以及眾多的辦公電腦，以上設施在提升學校教學辦公信息化水平的同時，也為學校的管理工作帶來一定的困難。如何有效地提升校園信息化管理水平，滿足師生更多的個性化需求，成為學校信息化建設亟待解決的問題。

桌面云技術以其“資源整合、快速部署、維護簡單”等特點，為學校的信息設施管理，如PC機房、多媒體教室和辦公電腦等提供了全新的管理運維模式，能夠有效提升學校的信息化管理水平。但是由于不同的桌面云技術有其不同的適用場景，因此如何把不同的桌面云技術進行有機融合，實現在校園多場景下的應用成為重點。

隨著云計算、虛擬化技術的日益成熟，桌面云在政府、企業(yè)、金融和教育等領域獲得了廣泛的應用和推廣。2008年，基于Intel，AMD公司提供的CPU內核虛擬化技術，VMware，Citrix公司率先推出了桌面云產品[1]，其實現的基本原理是在服務器上為每位用戶創(chuàng)建一臺虛擬機，由服務器提供虛擬機相關的計算、存儲資源，虛擬機的桌面即為用戶使用的虛擬桌面，這種技術架構桌面云稱為Virtual Desktop Infrastructure（VDI）桌面云。基于VDI架構的桌面云技術具有業(yè)務部署快、資源調配靈活、桌面管理簡化和運維難度低等優(yōu)點，因此在很多市場領域獲得了廣泛的應用。但是由于VDI桌面云屬于在線交付模式，使用性能受網絡帶寬、服務器配置等外界因素干擾較大，所以近年來出現了基于Virtual OS Infrastructure（VOI）和Intelligent Desktop Virtualization（IDV）架構的桌面云技術[2]。VOI和IDV桌面云屬于離線交付模式，受外界干擾影響較小，尤其是VOI桌面云對外設硬件具有良好的兼容性，因此在一些特定的場景具有良好的可用性和適用性。

隨著桌面云技術的深入應用，用戶對于桌面云的需求變得越發(fā)復雜和多樣化，尤其在多場景的領域，可能需要同時使用VDI，VOI，IDV等多種桌面云技術，數據資源的分離和缺乏統(tǒng)一的管理平臺，增加了IT設備的管理難度和運維成本。

目前，學校的公共實驗課程、計算機專業(yè)實驗課程主要通過PC機房進行授課，共計30間PC機房，約2 500臺教學電腦，大量的計算機維護給實驗室管理單位帶來了繁重的工作負擔。實驗室管理單位不僅需要保障實驗教學電腦的正常使用，還要負責與實驗教學相關的軟件資源的維護和更新。同樣，學校的158間多媒體教室也存在類似的問題。隨著信息技術的快速發(fā)展，如何利用信息技術為教師提供更加高效、便捷的工作方式也已經成為學校關注的重點。桌面云作為一種新興的桌面虛擬化技術，可以有效改善學校在以上場景遇到的困境。以下為學校的不同場景針對桌面云的實際需求：

（1）實驗室

學校的公共實驗室與計算機專業(yè)實驗室主要是PC機房，所有的授課教學、課程實驗全部在PC機上完成。用戶終端的桌面運行以及數據存儲全都在服務器上，能夠實現資源的彈性分配，服務器、存儲可以隨時動態(tài)調整分配給桌面的CPU、內存和磁盤等資源，可以根據教學課程需求通過定制模板的方式快速部署實施不同的教學桌面環(huán)境，如Windows 7，Windows 10，Linux等。

（2）多媒體教室

虛擬桌面部署在教室電腦終端，由本地終端提供計算資源和數據存儲服務，即使出現斷網情況也不會影響正常的課堂教學。所有虛擬桌面由統(tǒng)一的管理平臺進行管理，能夠實現系統(tǒng)的快速統(tǒng)一安裝和數據的增量下發(fā)。教師在多媒體教室可以使用相同的賬號、密碼遠程訪問、使用自己的虛擬辦公桌面，從虛擬辦公桌面中下載課件資源或者利用虛擬辦公桌面直接進行課程教學。

（3）個人辦公

改變傳統(tǒng)的辦公區(qū)域限制，教師不僅可以在辦公室使用個人的辦公桌面，離開辦公室在學校的任何地方（包括公共機房、多媒體教室和圖書館等處）也可以通過漫游桌面訪問自己的辦公桌面環(huán)境。

根據市場調研及查閱相關資料，目前市場上比較成熟的桌面云技術主要包括VDI，VOI，IDV三種架構模式。

（1）VDI架構

VDI架構[2]屬于在線交付模式，桌面云采用集中計算、集中存儲的模式，即所有的計算資源和存儲資源全部由服務器提供，云端能夠實現資源的動態(tài)分配。只要保持網絡可達，用戶即可使用桌面云。VDI桌面云的架構模型如圖1所示。

（2）VOI架構

VOI[2]屬于離線交付模式，所有的計算資源和數據存儲全都在電腦終端上，平臺統(tǒng)一進行管理。相比IDV依賴Hypervisor的模式，VOI通過Doctor容器技術可以直接利用宿主電腦的內核。由于沒有虛擬操作系統(tǒng)的概念，VOI能夠更好地使用宿主電腦的硬件資源[3-4]，從而提升虛擬桌面的啟動速度，同時確保良好的外設兼容性。VOI桌面云的架構模型如圖2所示。

（3）IDV架構

IDV與VOI類似，也是離線交付模式，集中管理、分布計算。與VOI模式的區(qū)別在于，IDV基于虛擬機技術，需要首先搭建虛擬物理環(huán)境，即Hypervisor，然后在Hypervisor上創(chuàng)建虛擬機，虛擬機包含所有的虛擬硬件資源，最后在虛擬機上創(chuàng)建虛擬桌面[4]。因此，相比VOI模式，IDV模式對于宿主電腦的資源使用效率更低。IDV模式一般適合于對于桌面云的性能要求不高、傳統(tǒng)PC電腦可以利舊使用的場景。IDV桌面云的架構模型如圖3所示。

根據學校實際的業(yè)務場景需求，綜合分析、比較不同架構模式桌面云技術的特點，VDI，VOI，DVI三種桌面云的技術特點比較如表1所示[5]，最終確定VDI+VOI融合架構模式的桌面云更加符合學校的實際需求。

鑒于桌面云各種技術適用場景的區(qū)別，學校的公共機房、計算機專業(yè)機房采用VDI架構模式，多媒體教室與個人辦公采用VOI架構模式，最終通過統(tǒng)一的融合管理平臺實現VDI+VOI桌面云的管理。

桌面云融合方案的實現主要包括2個方面的內容：桌面云的基礎環(huán)境搭建和融合管理平臺的部署。

4.1基礎環(huán)境搭建

桌面云的基礎環(huán)境搭建主要包括控制節(jié)點、計算節(jié)點、存儲和桌面終端的環(huán)境部署4個部分，桌面云基礎環(huán)境的拓撲結構如圖4所示。

（1）控制節(jié)點

選擇2臺物理服務器通過HA技術建立主備模式，分別在2臺服務器上安裝相同的桌面云管理平臺和心跳檢測軟件，其中一臺服務器作為主服務器，處于運行狀態(tài)，另外一臺服務器作為備服務器，處于待機狀態(tài)，2臺服務器之間通過心跳線連接，服務器之間的局域網使用虛擬地址，對外提供統(tǒng)一的IP地址。當主服務器發(fā)生故障時，備服務器因為沒有檢測到來自主服務器的心跳數據（keepalive報文）即刻開始啟用[6]，同時對外提供相應的服務，主備服務器之間的切換時間<1 s，對于用戶體驗來說接近于無感知。

（2）計算節(jié)點

利用集群技術對所有承載桌面云計算資源的服務器進行分布式部署，對于基于VDI架構的桌面云，一個虛擬桌面的標準配置為Windows7操作系統(tǒng)、4 GB內存、64 GB固態(tài)硬盤，按照50∶1的標準（50個虛擬桌面對應1臺服務器，服務器的硬件資源保持20%的冗余）規(guī)劃服務器的數量、硬件資源。VOI架構的桌面云的計算資源、存儲資源主要依賴宿主電腦，只有涉及漫游桌面時，需要使用服務器的計算資源。

（3）存儲

存儲的部署模式主要有4種：FC-SAN模式、IP-SAN模式、直連存儲（DAS）模式以及網絡附屬存儲（NAS）模式。相比其他3種模式，FC-SAN具備高帶寬、低延時等優(yōu)點，因此選擇FC-SAN作為VDI桌面云的存儲方式。

為了避免由于大規(guī)模的虛擬桌面同時啟動產生的啟動風暴導致存儲系統(tǒng)無法及時響應業(yè)務請求，需要考慮如何提高IOPS的處理能力。目前比較常見的提升存儲IOPS處理能力的技術是分層存儲，即采用SSD與機械硬盤混搭設計模式，使用SSD作為前端IO的讀寫緩存，最終數據由機械硬盤進行保存，這種數據分層結構可以極大地提高IO性能[7]。

（4）桌面終端

由于VDI桌面云的虛擬桌面的計算資源、存儲資源全部由服務器、存儲提供，非本地化部署，所以針對桌面終端的環(huán)境搭建主要考慮基于VOI架構的桌面云。VOI桌面云的虛擬桌面部署分為2個步驟：①通過設置BIOS使物理PC從網絡引導啟動，配置桌面云管理平臺和VOI桌面終端的IP地址等信息，建立終端桌面與管理平臺之間的通信，然后通過云端桌面云管理平臺下發(fā)應用容器引擎，或者通過U盤引導的方式安裝應用容器引擎；②通過桌面云管理平臺下發(fā)桌面模板文件[8]。

4.2融合管理平臺部署

建立統(tǒng)一的融合管理平臺，通過共享數據管理（包括教學資源數據、終端設備數據、模板數據和桌面數據等）、融合資源管理、基于多場景的DVI，VOI模板生成以及桌面漫游等功能設計，實現數據融合、資源融合、模板融合以及桌面融合[9-10]。

通過創(chuàng)建統(tǒng)一的資源池，實現桌面云的計算、存儲、網絡資源的統(tǒng)一規(guī)劃、管理[11]。創(chuàng)建教學和個人場景，根據校園多場景業(yè)務的需求，分別定制基于DVI，VOI架構的鏡像模板，公共機房選擇DVI模板，多媒體教室選擇VOI模板，辦公室選擇VOI模板，按需配置模板的硬件資源，包括CPU、內存和硬盤容量等。創(chuàng)建虛擬終端，劃分終端歸屬類型，根據場景業(yè)務需求選擇教學桌面或者個人桌面類型，最后把教學桌面或者個人桌面下發(fā)至相應的場景終端[12]。為了滿足教師在多場景下使用個人漫游桌面的需求，通過復制個人桌面模板生成漫游桌面鏡像文件，把漫游桌面鏡像文件上傳至個人桌面共享存儲空間，學校教師可以在任何場景下通過個人桌面的登錄界面訪問漫游桌面，個人桌面與漫游桌面使用統(tǒng)一的賬號、密碼，個人桌面的增量數據變化與漫游桌面同步[13]。融合桌面云服務模型如圖5所示。

桌面云的基礎環(huán)境已經部署完成，為了驗證是否達到預期的效果，需要開展相關的測試。測試內容主要包括以下幾個方面：

（1）功能驗證

主要包括虛擬桌面的鏡像模板創(chuàng)建、下發(fā)是否正常、桌面的移動漫游是否成功、能否使用統(tǒng)一的賬號、密碼在任何地方訪問個人的虛擬辦公桌面。經過實測，以上功能全部能夠正常使用。

（2）穩(wěn)定性

由于VOI模式屬于離線交付模式，外界干擾因素較少，穩(wěn)定性較高[14]，所以關于穩(wěn)定性的測試主要針對VDI模式。主要測試在公共機房桌面云正常運行狀態(tài)下突然發(fā)生任意服務器宕機或者斷網時，虛擬桌面是否能夠快速恢復。為了達到比較真實的測試效果，選擇正在運行的任意服務器（承載50臺虛擬桌面的計算資源）斷開網絡，根據觀測在虛擬桌面斷開網絡的2 min 30 s后虛擬桌面恢復正常，即虛擬桌面漂移成功，桌面恢復時間在可承受范圍之內，滿足課堂教學管理的要求。

（3）IOPS處理能力

IOPS處理能力測試針對大規(guī)模的虛擬桌面同時啟動時存儲的請求響應能力[15]。選擇公共機房的2 500臺虛擬桌面同時啟動，觀測虛擬桌面的啟動速度以及是否存在啟動風暴現象。經過實測，沒有發(fā)生啟動風暴現象，虛擬桌面的啟動時間小于50 s，2 500臺虛擬桌面同時啟動時IOPS為3.6萬，遠遠小于存儲的IOPS性能指標。

（4）鏡像模板下發(fā)速度

鏡像模板下發(fā)速度測試主要針對VOI模式，對158間多媒體教室的電腦終端同時下發(fā)虛擬桌面鏡像模板，觀測模板文件的傳輸速度。經過實測，對158間多媒體教室的電腦終端下發(fā)4 GB的鏡像模板文件只需要不到3 min的時間，滿足教學管理要求。

經過實際測試，基于VOI+VDI融合技術的校園多場景的虛擬桌面應用方案切實可行，滿足學校的實際業(yè)務需求。

VOI+VDI技術的深度融合實現了桌面云在校園多種場景下的廣泛應用，憑借鏡像模板快速創(chuàng)建、下發(fā)，資源平臺統(tǒng)一管理，虛擬桌面無縫漫游等特點[16]，不僅有效改善了學校的教學、辦公條件，而且減輕了學校的教學設備運維工作負擔，提升了教學資源的管理水平，是信息技術與教育教學的完美契合。下一步，需要考慮如何拓展桌面云在教學領域的深入應用，使桌面云成為提升學校教育教學水平的有力工具。

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