虛擬桌面系統(tǒng)應(yīng)用與設(shè)計(jì)

上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院 沈意吉 解秀明 羅旻泓

虛擬桌面系統(tǒng)應(yīng)用與設(shè)計(jì)

上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院 沈意吉 解秀明 羅旻泓

虛擬化技術(shù)可以充分地發(fā)揮大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、多媒體的優(yōu)勢(shì)，將一個(gè)精簡(jiǎn)的配件層插入到計(jì)算機(jī)硬件或主機(jī)操作系統(tǒng)的上面，能夠以一個(gè)動(dòng)態(tài)的、透明的和分片的硬件資源監(jiān)控器實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)虛擬化，這樣就可以將Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、存儲(chǔ)器等集成和封裝在一起，構(gòu)建一個(gè)虛擬化的桌面運(yùn)行環(huán)境，為每一個(gè)用戶分配一個(gè)虛擬桌面賬號(hào)，可以時(shí)刻登錄虛擬桌面，并且保存運(yùn)行時(shí)信息。虛擬桌面系統(tǒng)采用的技術(shù)非常多，這些技術(shù)包括桌面虛擬化、服務(wù)器虛擬化、置備服務(wù)器和終端顯示協(xié)議等內(nèi)容，可以有效地實(shí)現(xiàn)虛擬桌面系統(tǒng)，進(jìn)一步提高硬件資源的并發(fā)性、共享性。

虛擬桌面系統(tǒng)；終端顯示協(xié)議；置備服務(wù)器；虛擬化

1.引言

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來(lái)，應(yīng)用軟件承載的功能和數(shù)據(jù)越來(lái)越多，訪問(wèn)用戶也迅速增加，但是硬件存儲(chǔ)器、光纖帶寬、服務(wù)器處理性能等的發(fā)展速度嚴(yán)重跟不上軟件應(yīng)用提升的速度，為了保證兩者匹配運(yùn)行，不陷入瓶頸狀態(tài)，許多計(jì)算機(jī)學(xué)者經(jīng)過(guò)多年的研究，提出了一種虛擬化技術(shù)。虛擬化可以將許多計(jì)算機(jī)硬件資源不斷地進(jìn)行抽象化，是一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的新型軟件技術(shù)，從根本上改變了信息處理模式和計(jì)算加工方式。

虛擬桌面系統(tǒng)應(yīng)用之后具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：

（1）提高VPN接入帶寬資源，降低單個(gè)并發(fā)程序帶寬需求。VPN是一種局域網(wǎng)接入技術(shù)，其可以為用戶構(gòu)建專用的虛擬鏈路，VPN接入提高帶寬資源時(shí)需要耗費(fèi)較高的代價(jià)，每個(gè)月需要付出較高的月租費(fèi)用，因此不是一個(gè)經(jīng)濟(jì)劃算的解決方案。利用虛擬桌面系統(tǒng)可以降低每一個(gè)并發(fā)應(yīng)用程序的帶寬資源，在低帶寬的情況下能夠確保用戶正常使用。另外，采用虛擬桌面系統(tǒng)之后，系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)開銷可以減少70%，維護(hù)開銷可以降低30%，因此可以大大地減少系統(tǒng)的建設(shè)損耗。

（2）提高硬件資源的利用率。虛擬桌面系統(tǒng)可以為用戶提供一個(gè)程序執(zhí)行、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和并發(fā)訪問(wèn)的系統(tǒng)，這樣就可以為更多的用戶提供硬件支撐，提高了硬件資源的利用率，充分地利用信息中心服務(wù)器的計(jì)算操作能力，并且大大地降低了硬件需求，延長(zhǎng)終端設(shè)備的使用年限，具有重要的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用虛擬桌面系統(tǒng)之后，硬件資源的利用率從傳統(tǒng)的27%提升到93%，能夠有效地整合各類服務(wù)器硬件，從而保證系統(tǒng)具有更好的精準(zhǔn)性，不需要犧牲系統(tǒng)就可以提高硬件利用率。

（3）提高系統(tǒng)管理的便捷性和安全性。虛擬桌面系統(tǒng)可以為用戶提供統(tǒng)一的安裝、升級(jí)、維護(hù)等工作，用戶只需要擁有一個(gè)登錄賬號(hào)即可，同時(shí)系統(tǒng)為IT支撐平臺(tái)提供了故障定位功能，保證系統(tǒng)維護(hù)的精準(zhǔn)性；同時(shí)系統(tǒng)安全采用電信級(jí)安全防御能力，可以更好地滿足用戶需求。系統(tǒng)關(guān)鍵業(yè)務(wù)運(yùn)行過(guò)程中可以為用戶提供強(qiáng)大的基礎(chǔ)部署架構(gòu)，保證系統(tǒng)未來(lái)運(yùn)行具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性、高安全性、高可靠性，保證系統(tǒng)之間的連接是無(wú)縫的和實(shí)時(shí)的。

2.虛擬桌面系統(tǒng)功能及架構(gòu)設(shè)計(jì)

虛擬桌面系統(tǒng)能夠滿足電商用戶、政企單位、金融銀行、電力通信、物流運(yùn)輸?shù)榷嘈袠I(yè)用戶群體，能夠按照實(shí)際需求為人們定制動(dòng)態(tài)的虛擬桌面，桌面上的應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)服務(wù)器可以集成在一起，部署在云端，同時(shí)為用戶提供一個(gè)端到端的桌面管理和解決方案。由于客戶運(yùn)行的數(shù)據(jù)集中部署在遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)中心機(jī)房，機(jī)房擁有企業(yè)級(jí)的安全防御和信息保護(hù)能力，因此用戶不需要擔(dān)心客戶端是否存在安全漏洞，每一次登錄都可以實(shí)時(shí)地獲取一個(gè)干凈的、個(gè)性化的全新桌面，這樣就可以保證每一個(gè)應(yīng)用程序的處理性能不會(huì)下降。虛擬桌面包括多個(gè)組件，因此可以為各類型用戶提供獨(dú)特的、定制的、個(gè)性化需求，具體的虛擬桌面組件及功能架構(gòu)如下所述：

（1）虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)

虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)可以將單個(gè)物理服務(wù)器硬件進(jìn)行抽象和虛擬，采用強(qiáng)大的分片技術(shù)、資源映射技術(shù)形成一個(gè)資源共享的虛擬服務(wù)器，虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)可以提高硬件資源的共享性，實(shí)現(xiàn)多用戶并發(fā)接入。

（2）虛擬桌面交付控制器

虛擬桌面交付控制器可以實(shí)現(xiàn)虛擬桌面注冊(cè)、虛擬桌面請(qǐng)求解析和邏輯業(yè)務(wù)定位功能，通過(guò)一個(gè)Web接口組件與虛擬桌面交付控制器進(jìn)行有效的交互處理，用戶登錄Web網(wǎng)站或者安裝本地接收器，系統(tǒng)就可以將虛擬桌面交付給每一個(gè)用戶。

（3）虛擬桌面置備

虛擬桌面置備服務(wù)器位于虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)的上方，其可以將虛擬桌面生成的實(shí)例信息發(fā)送到服務(wù)器，為其提供一個(gè)強(qiáng)大的操作系統(tǒng)鏡像資源，如果一個(gè)基本的操作系統(tǒng)鏡像被創(chuàng)建完成，可以配置相關(guān)的企業(yè)操作策略，按照規(guī)定與操作系統(tǒng)的相關(guān)級(jí)別進(jìn)行配置，每一個(gè)虛擬桌面啟動(dòng)時(shí)，操作系統(tǒng)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流技術(shù)將相關(guān)邏輯業(yè)務(wù)請(qǐng)求映射到虛擬桌面上，兩者之間通過(guò)接口進(jìn)行連接，因此基本鏡像升級(jí)后可以在下一次重啟時(shí)使用最新的鏡像資源。

（4）應(yīng)用交付控制器

虛擬桌面可以完成用戶的多種邏輯應(yīng)用請(qǐng)求，因此系統(tǒng)可以使用應(yīng)用交付控制器處理、識(shí)別、分配邏輯應(yīng)用ID，以便能夠?qū)⑵浞峙浣o關(guān)聯(lián)的用戶，并且交付到用戶的虛擬桌面上。應(yīng)用交付也是用戶需求、桌面操作個(gè)性化的關(guān)鍵內(nèi)容，其可以將應(yīng)用與桌面鏡像資源實(shí)現(xiàn)分離化操作，這樣就可以大大地降低桌面鏡像的保存數(shù)量，提高了系統(tǒng)升級(jí)和維護(hù)的便捷性。

虛擬桌面系統(tǒng)可以采用SOA、云計(jì)算、B/S體系架構(gòu)等技術(shù)構(gòu)建一個(gè)多層次的運(yùn)程服務(wù)系統(tǒng)，為用戶提供一個(gè)強(qiáng)大的信息加工運(yùn)行環(huán)境，將處理完成的信息推送到用戶的終端設(shè)備上，用戶可以使用筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)等登錄到Web服務(wù)器，自動(dòng)化地加載系統(tǒng)，通過(guò)遠(yuǎn)程顯示協(xié)議訪問(wèn)服務(wù)端處理完成的結(jié)果。虛擬桌面系統(tǒng)自頂向下劃分為三個(gè)層次，系統(tǒng)架構(gòu)及主要組成如圖1所示。

圖1　虛擬桌面系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

3.虛擬桌面系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1桌面虛擬化

桌面虛擬化也即是利用先進(jìn)的大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)提供一種遠(yuǎn)程服務(wù)，然后為用戶提供一個(gè)強(qiáng)大的桌面運(yùn)行環(huán)境，將虛擬化的桌面推送到用戶的終端設(shè)備上。遠(yuǎn)程服務(wù)器保存著每一個(gè)用戶的桌面ID及運(yùn)行時(shí)信息，用戶可以使用智能手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦、網(wǎng)絡(luò)云電視等登錄到遠(yuǎn)程服務(wù)器，自動(dòng)化地加載桌面系統(tǒng)，這些設(shè)備僅僅提供鏈接功能，不承載其他功能業(yè)務(wù)，可以通過(guò)遠(yuǎn)程顯示協(xié)議訪問(wèn)服務(wù)端，這樣每一個(gè)用戶都可以在服務(wù)上運(yùn)行一個(gè)虛擬化的桌面系統(tǒng)，并且每一次登錄時(shí)都可以獲取全新的、干凈的、個(gè)性化的桌面。桌面虛擬化主要技術(shù)包括以下三個(gè)方面：

（1）虛擬桌面服務(wù)器技術(shù)

虛擬桌面服務(wù)器可以采用中高端配置，并且安裝相關(guān)的虛擬化工具，這樣就可以將服務(wù)器虛擬化，創(chuàng)建多個(gè)邏輯獨(dú)立的虛擬機(jī)，每一個(gè)虛擬機(jī)都可以關(guān)聯(lián)一個(gè)虛擬桌面用戶ID，并且分配強(qiáng)大的運(yùn)行時(shí)存儲(chǔ)器。

（2）終端用戶桌面

系統(tǒng)面向每一個(gè)終端用戶定制和創(chuàng)建一個(gè)虛擬用戶桌面，每一個(gè)桌面僅需要配置一臺(tái)鍵盤、一個(gè)鼠標(biāo)和一個(gè)顯示器，安裝一個(gè)云端桌面即可登錄到服務(wù)器，加載虛擬桌面運(yùn)行時(shí)信息。

（3）連接管理中間件

連接管理中間件可以為用戶虛擬桌面、服務(wù)器提供一個(gè)資源池，實(shí)現(xiàn)邏輯業(yè)務(wù)的通信連接和資源調(diào)度功能，將遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器虛擬化，提供數(shù)以萬(wàn)計(jì)的虛擬桌面客戶端。因?yàn)楦呙芏鹊挠脩羧涸斐闪苏{(diào)度、管理困難，同時(shí)一個(gè)磁盤也難以形成并發(fā)訪問(wèn)能力，網(wǎng)絡(luò)帶寬資源也無(wú)法得到協(xié)同，因此實(shí)現(xiàn)采用一個(gè)連接中間件，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶認(rèn)證、通信連接、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、資源調(diào)度，負(fù)責(zé)虛擬桌面應(yīng)用功能啟動(dòng)、負(fù)載均衡、分配桌面資源等功能。

虛擬桌面系統(tǒng)通?？梢允褂靡粋€(gè)具有冗余功能的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)實(shí)現(xiàn)集成鏈接功能，利用網(wǎng)絡(luò)的雙鏈路操作完成系統(tǒng)的冗余部署操作，每一臺(tái)服務(wù)器都配置一個(gè)冗余端口，使用光纖將其連接到交換機(jī)或存儲(chǔ)器上，這種配置模式可以保證虛擬服務(wù)器發(fā)生問(wèn)題時(shí)，能夠及時(shí)地將正在處理的事務(wù)轉(zhuǎn)移到另外一臺(tái)服務(wù)器。

3.2服務(wù)器虛擬化

服務(wù)器虛擬化是桌面虛擬化系統(tǒng)的一個(gè)重要組成內(nèi)容，虛擬桌面嚴(yán)重依賴服務(wù)器虛擬化的性能，桌面虛擬化需要提供并發(fā)處理能力、透明存儲(chǔ)能力、分片管理能力，同一臺(tái)物理服務(wù)器經(jīng)過(guò)虛擬化操作，可以形成多個(gè)虛擬桌面。目前，服務(wù)器端虛擬化技術(shù)較多，主要是針對(duì)承載服務(wù)器運(yùn)行的硬件物理資源進(jìn)行抽象化，這些技術(shù)主要包括虛擬CPU、虛擬設(shè)備與輸入輸出、虛擬內(nèi)存，并且針對(duì)每一個(gè)虛擬桌面提供強(qiáng)大的隔離性、安全性操作內(nèi)容，保證虛擬桌面用戶的并發(fā)處理能力，保證每一個(gè)虛擬化桌面的運(yùn)行數(shù)據(jù)是完整的、安全的。

目前，許多大型軟件開發(fā)商、服務(wù)器企業(yè)開始研究服務(wù)器虛擬化產(chǎn)品，服務(wù)器虛擬化的產(chǎn)品代表主要包括VMWare workstation、VMWare server、Hyper-V、KVM、XEN等。VMWare是一種功能完善的虛擬化管理軟件，經(jīng)過(guò)多年的研究使用和實(shí)踐改進(jìn)，VMWare已經(jīng)誕生了很多具體的服務(wù)器虛擬化版本軟件，比如VMWare workstation、VMWare server和VMware Fusion等，VMware vSphere是一種技術(shù)先進(jìn)的服務(wù)器虛擬化產(chǎn)品和軟件平臺(tái)，引入的服務(wù)器虛擬化軟件功能組件包括很多，分別是VMware vSphere Client、VMware ESXi Server和VMware vCenter Server等ESXi關(guān)鍵組件。Hyper-V是微軟公司研發(fā)的一款虛擬化產(chǎn)品，采用了開源技術(shù)hypervisor，與VMWare虛擬產(chǎn)品類似，能夠更加直接地與市場(chǎng)先行者展開競(jìng)爭(zhēng)，搶占虛擬桌面系統(tǒng)的技術(shù)高地Hyper-V采用了微內(nèi)核的系統(tǒng)架構(gòu)，能夠兼具高性能、高安全的特性。Hyper-V底層的Hypervisor在系統(tǒng)運(yùn)行中具有最高的特權(quán)，虛擬機(jī)的OS內(nèi)核與驅(qū)動(dòng)運(yùn)行于Ring0，系統(tǒng)運(yùn)行不需要較高的操作性能，架構(gòu)不需要過(guò)于復(fù)雜。KVM（Kernel Virtual Module）是一個(gè)基于Linux操作內(nèi)核的虛擬化平臺(tái)，其實(shí)質(zhì)是Linux操作系統(tǒng)的一個(gè)模塊，可以使用modprobe實(shí)現(xiàn)KVM虛擬化平臺(tái)功能的加載，但是用戶無(wú)法直接控制系統(tǒng)內(nèi)核模塊，而是需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)虛擬的用戶空間，才可以滿足虛擬化操作管理。

3.3置備服務(wù)器

置備服務(wù)器主要可以完成兩個(gè)方面的功能，分別是流服務(wù)功能和TFTP功能。虛擬桌面登錄或啟動(dòng)過(guò)程中，TFTP可以聯(lián)系DHCP，以便自動(dòng)化地搜索到啟動(dòng)文件的IP網(wǎng)絡(luò)地址和相關(guān)位置，并且可以使用TFTP服務(wù)從置備服務(wù)器上獲取虛擬桌面系統(tǒng)的啟動(dòng)文件內(nèi)容。虛擬桌面接收到相關(guān)的啟動(dòng)文件之后，啟動(dòng)文件包括系統(tǒng)的操作功能，可以聯(lián)系置備服務(wù)器，并且提供一個(gè)MAC地址，置備服務(wù)器采用MAC地址可以準(zhǔn)確的識(shí)別虛擬磁盤，并且將流服務(wù)按照需求發(fā)送給虛擬桌面系統(tǒng)。目前，置備服務(wù)器常用模式包括兩個(gè)，分別是瘦置備模式和厚置備模式。瘦置備模式可以按照詳細(xì)需求占用硬盤空間，厚置備模式則可以預(yù)先劃分好虛擬機(jī)的硬盤空間，提高系統(tǒng)的運(yùn)行處理性能。

3.4終端顯示協(xié)議

虛擬桌面系統(tǒng)中桌面顯示協(xié)議主要影響用戶的體驗(yàn)效果，可以利用虛擬桌面通訊協(xié)議連接用戶的終端顯示設(shè)備，并且可以將用戶錄入的邏輯業(yè)務(wù)請(qǐng)求信息打包、壓縮、加密之后傳輸至虛擬服務(wù)器，系統(tǒng)進(jìn)行打包、壓縮、加密、傳輸和解析整合，可以將處理結(jié)果輸出至虛擬桌面。目前，虛擬桌面終端顯示協(xié)議包括多種，常用協(xié)議為Pco IP、RDP、SPICE、ICA等，不同的虛擬桌面服務(wù)系統(tǒng)都可以作為廠商選擇的模式，能夠有效支持終端顯示。

ICA協(xié)議采用數(shù)據(jù)壓縮算法，能夠?qū)⑻摂M桌面系統(tǒng)顯示的多媒體圖像或視頻進(jìn)行最大程度的壓縮，這樣就可以降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捫枨?，提高了虛擬桌面系統(tǒng)的穩(wěn)定性和流暢性。Pco IP協(xié)議采用分層漸進(jìn)模式處理桌面多媒體圖像信息，首先發(fā)送一個(gè)完整的、清晰度較低的圖像，然后可以在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，能夠?yàn)橛脩籼峁└玫囊曈X體驗(yàn)，并且支持雙向音頻信息傳輸，實(shí)現(xiàn)視頻信息播放。RDP協(xié)議可以支持較多的終端類型，比如智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備，還可以支持USB設(shè)備，保證了數(shù)據(jù)傳輸和共享的安全性。SPICE協(xié)議能夠自適應(yīng)地感知用戶端設(shè)備的處理能力，進(jìn)而將視頻解碼工作放在用戶端進(jìn)行，并且可以大大地提升多媒體圖像畫面質(zhì)量，避免虛擬桌面系統(tǒng)處理畫面時(shí)損失較多的信息。終端桌面顯示協(xié)議經(jīng)過(guò)多年的研究和實(shí)踐，已經(jīng)擁有了很多的產(chǎn)品，并且也大大地改進(jìn)了協(xié)議的應(yīng)用性能，比如提高語(yǔ)音雙工工作、壓縮數(shù)據(jù)圖像比例、提高視頻圖像恢復(fù)的質(zhì)量等，也更好地促進(jìn)了虛擬桌面系統(tǒng)的應(yīng)用和普及。

4.結(jié)束語(yǔ)

虛擬桌面系統(tǒng)集成了云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、多媒體等多種技術(shù)，將服務(wù)器硬件資源進(jìn)行虛擬化，為每一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)分配運(yùn)行空間，保存用戶虛擬桌面的運(yùn)行時(shí)信息和數(shù)據(jù)信息。虛擬桌面系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年的使用，已經(jīng)誕生了許多的標(biāo)準(zhǔn)化虛擬桌面系統(tǒng)，比如VMWare server、Hyper-V、KVM等，同時(shí)也引入了更多先進(jìn)技術(shù)，包括服務(wù)器虛擬化技術(shù)、終端顯示協(xié)議等，提高了虛擬桌面的應(yīng)用性能，更好地提高每一個(gè)用戶的操作便捷性。

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