苗桂君，許南山，劉 勇，張 靜

(北京化工大學(xué) 計算機教學(xué)實驗中心，北京 100029)

基于桌面虛擬化的高校機房的調(diào)研與構(gòu)建

苗桂君，許南山，劉 勇，張 靜

(北京化工大學(xué) 計算機教學(xué)實驗中心，北京 100029)

該文通過分析現(xiàn)有高校機房在管理和教學(xué)方面存在的問題，著重研究將桌面虛擬化技術(shù)引入到我校公共機房的管理和維護。通過對比目前主流的虛擬化技術(shù)，根據(jù)當(dāng)前我校計算機實驗教學(xué)環(huán)境的特點和機房管理的需求，提出了搭建基于桌面虛擬化架構(gòu)的高校公共機房的解決方案，在此基礎(chǔ)上搭建個性化教學(xué)環(huán)境進(jìn)行實際測試和驗證，并對測試結(jié)果進(jìn)行了對比分析，指出了今后實際應(yīng)用管理中應(yīng)注意的問題。

桌面虛擬化；機房管理；計算機實驗教學(xué)；虛擬桌面架構(gòu)

隨著北京化工大學(xué)新校區(qū)建設(shè)和辦學(xué)規(guī)模的不斷擴大，公共機房的設(shè)備數(shù)量與日俱增，公共機房所承擔(dān)的實驗教學(xué)任務(wù)也日益繁重，為了滿足各任課教師多樣化的教學(xué)需求，需要定制個性化的教學(xué)環(huán)境，因此，傳統(tǒng)機房的管理模式已經(jīng)無法滿足我校當(dāng)前實驗教學(xué)體系的要求，迫切需要制定一套完善的機房系統(tǒng)管理解決方案。

近年來，虛擬化技術(shù)作為一種熱門的新興技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域，且大量針對高校機房的功能各異的虛擬化產(chǎn)品也應(yīng)運而生，能否根據(jù)學(xué)校本身的需求選擇合適的產(chǎn)品顯得尤為重要。本文針對新校區(qū)機房建設(shè)，系統(tǒng)地分析了當(dāng)前日常教學(xué)中存在的問題及本校機房的環(huán)境需求，提出了基于桌面虛擬化架構(gòu)的校級公共機房解決方案，在此基礎(chǔ)上搭建個性化教學(xué)環(huán)境進(jìn)行實際測試和驗證，并對測試結(jié)果進(jìn)行了對比分析，指出環(huán)境搭建過程中應(yīng)注意的問題。

1 當(dāng)前機房管理存在的問題

目前本校機房現(xiàn)有管理方式是通過采用硬盤保護卡來實現(xiàn)的，隨著系統(tǒng)環(huán)境的復(fù)雜化，使用保護卡過程中問題百出，面臨的管理與教學(xué)應(yīng)用問題集中體現(xiàn)在以下3個方面。

1.1 機房設(shè)備管理方面

現(xiàn)有市場上的硬盤還原卡功能不夠穩(wěn)定，對于部分個性化軟件需要進(jìn)行人工逐臺激活。硬盤保護卡對于不同品牌、型號的計算機需要單獨制作樣機，這些都增加了實驗室維護難度，導(dǎo)致日常維護工作繁瑣[1]。

1.2 操作方便性方面

無法滿足上課老師臨時提出的軟件和新增操作系統(tǒng)需求，在準(zhǔn)備時間嚴(yán)重不足的情況下，不能輕易同傳系統(tǒng)；由于硬盤保護卡無法設(shè)置還原點，一旦發(fā)生軟件沖突等造成系統(tǒng)崩潰的情況，無法實現(xiàn)快速恢復(fù)，嚴(yán)重影響后續(xù)實驗課的正常進(jìn)行。

1.3 輔助教學(xué)應(yīng)用方面

現(xiàn)有管理模式系統(tǒng)環(huán)境復(fù)雜臃腫，無法給學(xué)生和老師提供一個干凈、整潔、專用的個性化系統(tǒng)環(huán)境，從而也不利于教學(xué)的開展；無法提供動態(tài)管理，缺乏師生互動和監(jiān)督管理功能，在一定程度上影響課堂秩序。

針對以上問題，目前常見的解決方案有GHOST克隆、無盤工作站、無盤加還原精靈的模式等等，但這些技術(shù)還存在很大不足。而桌面虛擬化技術(shù)通過使物理設(shè)備和操作系統(tǒng)實現(xiàn)解耦，管理者可以對上千臺虛擬終端進(jìn)行統(tǒng)一認(rèn)證、管理、分配和回收資源，成為機房管理的一種更為有效的解決方案[2]。

2 桌面虛擬化技術(shù)概述

2.1 桌面虛擬化

現(xiàn)有虛擬化技術(shù)主要分為服務(wù)器虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、存儲虛擬化和桌面虛擬化(又稱應(yīng)用虛擬化)4種[3]。其中， 桌面虛擬化技術(shù)(desktop virtualization)專注于桌面應(yīng)用及其運行環(huán)境的模擬與分發(fā)，它通過增加虛擬層將硬件、軟件環(huán)境和用戶三者之間實現(xiàn)解耦，通過高效的桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議，為用戶提供安全、高效的虛擬桌面應(yīng)用執(zhí)行環(huán)境[4]。桌面虛擬化的示意圖如圖1所示。

圖1 虛擬桌面示意圖

2.2 主流桌面虛擬化技術(shù)

當(dāng)前，主流的桌面虛擬化技術(shù)按技術(shù)架構(gòu)的不同可以分為：SBC、VDI、VOI、IDV等幾種技術(shù)方向。

基于SBC(server-based computing)的虛擬桌面解決方案，是指將應(yīng)用程序統(tǒng)一安裝到服務(wù)器上，通過使用壓縮算法將屏幕畫面?zhèn)魉偷娇蛻舳斯┯脩暨M(jìn)行訪問[5]。SBC要求服務(wù)器支持多用戶多會話的操作系統(tǒng)，多個用戶的會話和應(yīng)用隔離運行。但這種解決方案的桌面交付兼容性太低，只支持Windows應(yīng)用。

虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)VDI(virtual desktop infrastructure)，其工作原理是在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器端批量生成多個虛擬機，在虛擬機上安裝相應(yīng)的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，通過高效的桌面顯示協(xié)議(例如RDP、PCoIP、ICA協(xié)議等)將虛擬桌面發(fā)送給客戶端供用戶使用，它的基礎(chǔ)是服務(wù)器虛擬化[6]?；赩DI架構(gòu)的桌面虛擬化產(chǎn)品主要有：Citrix公司的XenDesktop、VMware公司的VMware Viewer桌面虛擬化方案、國內(nèi)的江波。雖然VDI可以同時支持Windows和Linux桌面及相關(guān)應(yīng)用，但是該架構(gòu)在存儲性能、軟件授權(quán)、網(wǎng)絡(luò)依賴、外圍設(shè)備支持等方面也存在著很多瓶頸和限制， 同時存在著大量啟動的“登錄風(fēng)暴”問題；且需要持久的網(wǎng)絡(luò)連接，不適于離線使用的場合；對于機房教學(xué)中常用的3DsMAX、Auto CAD等圖像密集型運算應(yīng)用支持不好等等。

虛擬操作系統(tǒng)架構(gòu)VOI(virtual os infrastructure)和智能桌面虛擬化IDV(intelligent desktop virtualization)，是對VDI架構(gòu)的重大突破，彌補了VDI的上述缺陷，這兩種架構(gòu)完美支持圖形密集型應(yīng)用軟件，還可以緩存到本地離線使用，是目前比較理想的兩種虛擬化解決方案。其中，VOI架構(gòu)最早由IBM的Steve Mills提出，它的原理是將操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、用戶數(shù)據(jù)等分散的終端資源集中放在云端管理，進(jìn)行有效組織、安全存儲、按需分配，并充分利用本地硬件資源。該架構(gòu)的代表廠商有國內(nèi)的和信創(chuàng)天VEsystem[7]。IDV是由最權(quán)威的CPU廠商Intel提出的，其架構(gòu)的工作原理是通過網(wǎng)絡(luò)獲得位于服務(wù)器端的桌面環(huán)境、差異傳輸數(shù)據(jù)，在本地運算運行，實現(xiàn)集中管理、分布計算。采用IDV架構(gòu)的代表廠商有：國外的Virtual Computer、Mokafive、Wanova，國內(nèi)的幻影Phantosys、噢易和紅山Halsign。

2.3 高校桌面虛擬化技術(shù)的應(yīng)用情況

通過查閱文獻(xiàn)和實際到高校參觀學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)已有多家高校在使用桌面虛擬化產(chǎn)品，產(chǎn)品使用情況總結(jié)有以下2點。

1)在產(chǎn)品選擇上，國外Citrix公司的XenDesktop、VMware公司的VMware Viewer、VMware Workstation桌面虛擬化方案在各企業(yè)和國內(nèi)高校、很多高職院校比較受歡迎。使用VMware公司產(chǎn)品的學(xué)校有北京理工大學(xué)[8]、江漢大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)等。使用Citrix公司產(chǎn)品的學(xué)校有華東政法大學(xué)和武漢理工大學(xué)[9]等。這兩種解決方案技術(shù)優(yōu)勢明顯，產(chǎn)品穩(wěn)定性強，但是成本高昂，且普遍缺乏針對實驗教學(xué)中心參與者面向課程實驗活動的管理機制。國內(nèi)的幻影Phantosys市場占有率較大，使用的高校有華南理工大學(xué)、中國政法大學(xué)、對外經(jīng)濟貿(mào)易大學(xué)等。另外，和信創(chuàng)天基于VOI的解決方案也被部分高校使用，主要代表為北京郵電大學(xué)、中國民用航空飛行學(xué)院等。江波的基于VDI 架構(gòu)的Dawnstor虛擬化系統(tǒng)在北京語言大學(xué)等高校有使用。

2)在應(yīng)用領(lǐng)域上，大部分高校對桌面虛擬化系統(tǒng)的使用僅限于學(xué)院級別的機房、多媒體教室、圖書館閱覽室、語音教學(xué)等等，校級公共機房的應(yīng)用多是在一些文科院校，這些使用場景對虛擬化系統(tǒng)的要求相對較簡單。與理工科院校的校級公共機房相比，在機房規(guī)模、軟件種類和數(shù)量、系統(tǒng)環(huán)境的復(fù)雜度、專業(yè)課的承載能力上都有很大差距。

3 基于桌面虛擬化的機房環(huán)境建設(shè)

本校新校區(qū)公共機房承擔(dān)了全校所有專業(yè)約360多個班級的教學(xué)實驗任務(wù)，機房需要搭建非常復(fù)雜的系統(tǒng)和應(yīng)用軟件環(huán)境，且為提高機房利用率，機房排課量飽滿，課表無規(guī)律可循，甚至要在一個機房進(jìn)行分組上課，課余時間還需提供學(xué)生個人自由上機，這就需要根據(jù)我校教學(xué)體系和專業(yè)配置的特點，慎重選擇能滿足我校機房管理和實驗教學(xué)需求的桌面虛擬化系統(tǒng)。

3.1 計算機實驗教學(xué)環(huán)境要求

根據(jù)統(tǒng)計，新校區(qū)機房所涉及上機課程在100門左右，應(yīng)用軟件也數(shù)以百計，需要針對課程、按需匹配，為各老師提供專用的實驗環(huán)境，這不僅要求要搭建Win7、WinXP、Linux、Unix等多種操作系統(tǒng)環(huán)境，而且至少需要100多個操作系統(tǒng)搭建定制化的實驗教學(xué)環(huán)境，尤其要有效處理軟件沖突、個性化軟件的逐臺激活等問題。下面以機械學(xué)院為例，列出了本科教學(xué)中部分計算機實驗教學(xué)課程所需的軟件環(huán)境，如表1所示。

表1 機械學(xué)院部分課程實驗軟件環(huán)境要求

如表1所述，桌面環(huán)境需要安裝Ansys、Pro/E、Solid Works 2010、AutoCAD、3DsMax等大型專業(yè)軟件，這些軟件中Ansys、Pro/E需要逐臺激活，Solid Works 2010與其他軟件(已知的有一款化工設(shè)計類軟件Aspen 2007)有沖突，AutoCAD、3DsMax是圖形密集型應(yīng)用程序，所以，桌面虛擬化產(chǎn)品需要能完美支持這上百種應(yīng)用軟件，經(jīng)過對市面上多家主流產(chǎn)品的詳細(xì)測試和對比分析，并考慮到新校區(qū)建設(shè)的成本問題，目前，基于IDV架構(gòu)的桌面虛擬化系統(tǒng)能基本滿足上述需求。

3.2 桌面虛擬化技術(shù)解決方案總體規(guī)劃

校級公共機房的虛擬化建設(shè)，應(yīng)以課程需求為出發(fā)點，以服務(wù)為導(dǎo)向，建立一個高可用性、高擴展性、高靈活度和管理簡化的新型計算機實驗教學(xué)平臺，必須解決現(xiàn)有傳統(tǒng)模式機房管理和教學(xué)實驗中出現(xiàn)的問題。新平臺支持快速部署、輕松管理、搭載數(shù)量多、環(huán)境復(fù)雜的實驗環(huán)境，具有可逆性、可快速恢復(fù)、離線可用等特點。根據(jù)每門專業(yè)課的教學(xué)需求和軟件特點，為每位老師打造量身定做的系統(tǒng)實驗環(huán)境，支持在一個機房中進(jìn)行分組教學(xué)、使用不同的系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，保證軟件運行流暢和課堂的連續(xù)性，提高課堂效率和實驗課的教學(xué)質(zhì)量。

為了便于管理，本校特制定靈活的課表排程功能，系統(tǒng)可按照教學(xué)課表，在指定時間自動啟動相應(yīng)的桌面環(huán)境，實現(xiàn)無人值守、自動切換。管理端需提供簡單快捷的課表信息設(shè)置、導(dǎo)入功能，方便管理員對課表計劃的預(yù)設(shè)及靈活調(diào)整。

3.3 基于桌面虛擬化架構(gòu)的機房系統(tǒng)

3.3.1 平臺的物理拓?fù)?/p>

新校區(qū)共建12個機房，主要配備到可同時容納28個班級規(guī)模的微機實驗室，共計計算機約1 000多臺。根據(jù)現(xiàn)有建筑布局和機房建設(shè)規(guī)劃，虛擬化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 虛擬化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖2中，將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)交換機的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用劃分為接入層、匯聚層和核心主干層3部分。通過一臺核心交換機連接起12個機房，在核心交換機上通過劃分VLAN進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，從而實現(xiàn)所有機房之間網(wǎng)絡(luò)互通，使用一臺管理端可實現(xiàn)上千臺機器的管理與維護。其中，核心交換機使用萬兆以太網(wǎng)交換機，并具備足夠的光纖模塊；匯聚交換機使用至少帶1個光口的千兆交換機，核心交換機到匯聚交換機之間使用單模光纖傳輸；接入層交換機至少需具備一個全雙工千兆RJ45 端口與匯聚交換機全雙工千兆RJ45 端口點對點連接，采用合格六類布線；接入層交換機到每個客戶端網(wǎng)卡間采用點對點的超六類布線，保證全雙工千兆到桌面。

3.3.2 基于IDV架構(gòu)的桌面虛擬化平臺搭建

使用本校某一機房165臺機器作為客戶端，搭建一個基于IDV桌面虛擬化架構(gòu)的實驗教學(xué)平臺，桌面虛擬化系統(tǒng)選擇主流的IDV架構(gòu)產(chǎn)品Phantosys?？蛻舳伺渲煤头?wù)器硬件配置如表2。

在搭建環(huán)境之前，需要確保PXE協(xié)議、Phantosys EDSC協(xié)議能夠正常通訊[10]。環(huán)境搭建步驟主要涉及服務(wù)器端和模板客戶端的搭建，主要搭建流程如圖3和圖4所示。

表2 客戶端和服務(wù)器硬件配置

圖3 服務(wù)器端搭建流程圖

圖4 模板客戶端搭建流程圖

至此，經(jīng)過一系列操作和相關(guān)功能設(shè)置，該機房所有客戶端均可正常使用Windows XP系統(tǒng)，Windows 7、Linux等其他操作系統(tǒng)的模板客戶端創(chuàng)建流程同上。

3.4 測試結(jié)果和分析

根據(jù)本校實驗課的教學(xué)特點和實際需求，進(jìn)行科學(xué)合理的客戶端系統(tǒng)環(huán)境規(guī)劃，根據(jù)規(guī)劃，在服務(wù)器端建立相應(yīng)的樹狀節(jié)點，從而實現(xiàn)為不同專業(yè)課定制個性化的實驗環(huán)境。以機械學(xué)院表1中列出的課程信息為例，其樹狀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 部分課程樹狀結(jié)構(gòu)設(shè)計

將所有樹狀節(jié)點系統(tǒng)下發(fā)給所有客戶端機器，下發(fā)成功后，進(jìn)行一系列功能性測試和教師課堂試用，針對保護卡在機房管理中存在的問題與不足，總結(jié)測試結(jié)果如表3所示。

由于本校特殊定制的課表排程功能，涉及大量機器的同時啟動和系統(tǒng)切換，為確保系統(tǒng)登錄和運行效率，故進(jìn)行壓力測試。結(jié)果表明該解決方案中客戶端運行速度與普通計算機基本一致，不存在“登錄風(fēng)暴”問題。測試方法及結(jié)果如表4和表5所示。

表3 測試結(jié)果對比

表4 壓力測試方法

表5 壓力測試結(jié)果

經(jīng)實際環(huán)境測試和驗證，本文提出的基于桌面虛擬化架構(gòu)的高校公共機房的構(gòu)建方案具有可行性，能夠解決保護卡在機房管理中存在的一系列問題，在一定程度上能實現(xiàn)教學(xué)資源利用率、管理效率和實驗教學(xué)質(zhì)量的提高。

4 實際應(yīng)用管理中需注意的問題

1)在實施過程中，要注意基礎(chǔ)設(shè)施的部署工作，保證系統(tǒng)的高可用性、可擴展性，考慮到日后應(yīng)用規(guī)模的擴增，尤其是需要提供千兆甚至萬兆的高速接入帶寬。

2)為保證教學(xué)的連續(xù)性，所有教學(xué)系統(tǒng)均需緩存到本地，以防網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器出故障而中斷教學(xué)實驗，導(dǎo)致教學(xué)事故的情況發(fā)生。服務(wù)器端也要做好容災(zāi)備份工作。

3)需要提前做好管理人員的培訓(xùn)工作。現(xiàn)有管理人員只熟悉保護卡的操作流程，對桌面虛擬化系統(tǒng)操作不熟練，為避免在使用過程中出現(xiàn)誤操作而影響正常教學(xué)的現(xiàn)象發(fā)生，需要加強對機房管理人員的專業(yè)技術(shù)和業(yè)務(wù)技能培訓(xùn)工作。

4)為保證桌面虛擬化系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行，機房還需要建立虛擬化平臺的資源管理和日常運維機制，制定虛擬化平臺運行手冊和知識庫，保證其使用和維護的規(guī)范化、制度化。

5 結(jié)束語

桌面虛擬化技術(shù)解決了傳統(tǒng)機房管理與維護中遇到的難題，成為一種主流的解決方案，相信隨著虛擬化技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外越來越多的高校會將桌面虛擬化技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)的管理和服務(wù)，這是一個必然趨勢。如何合理應(yīng)用桌面虛擬化技術(shù)進(jìn)行計算機實驗教學(xué)，有效促進(jìn)高校教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量的提升，還需要廣大教育科研工作者努力去探索研究。

[1] 王凡，陳純煉.基于桌面云的高校計算機實驗室組建與管理[J].實驗科學(xué)與技術(shù), 2015, 13(3): 190-201.

[2]張慶，戴娟，周莉萍.基于虛擬桌面架構(gòu)的實驗機房環(huán)境構(gòu)建[J].沈陽師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2014, 32(3): 401-404.

[3]陳全，鄧倩妮.云計算及其關(guān)鍵技術(shù)[J].計算機應(yīng)用, 2009, 29(9): 2562-2566.

[4]LI Y.Development and application of desktop virtualization technology[C]//IEEE 3rd International Conference on Communication Software and Networks(ICCSN).Kuala Lumpur:IEEE，2011: 326-329.

[5]徐傳印.基于安全云架構(gòu)的虛擬沙箱的設(shè)計與實現(xiàn)[D].武漢: 華中科技大學(xué), 2013.

[6]張慶萍.虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)(VDI)安全研究[J].計算機安全, 2011(4): 72-74.

[7]何欽淋.基于VOI的桌面虛擬化研究[J].信息安全與通信保密, 2013(5): 49-51.

[8]李宏儒.虛擬化技術(shù)在計算機實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理, 2010, 27(5): 90-92.

[9]張文靜.基于Citrix VDI跨平臺桌面虛擬化架構(gòu)研究[J].電子世界, 2013(3): 18.

[10]林先津.桌面虛擬化技術(shù)在分布式設(shè)備管理中的研究與應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理, 2013, 30(4): 68-70.

The Investigate and Construction on University Computer Laboratory Based on Desktop Virtualization

MIAO Guijun, XU Nanshan, LIU Yong, ZHANG Jing

(Computer Teaching Experiment Center,Beijing University of Chemical Technology,BeiJing 100029,China )

This paper mainly focuses on the introducation of the desktop virtualization technology into management and maintenance of the public computer lab of Beijing University of Chemical Technololgy, by summarizing the existed problems in management and teaching of current computer labs in higher educational institutions.A solution of setting up the university public computer lab based on desktop virtualization is proposed according to the characteristics of experimental teaching environment and management requirements of current university computer lab after comparing the current mainstream of virtualization technology.Then on this basis we also build personalized teaching environment for the actual testing and validation, compare and analyze the test results，and point out some issues that need attention in the real application and management.

desktop virtualization; computer room management; computer experiment teaching; virtual desktop infrastructure

2015-09-15；修改日期:2015-12-03

苗桂君(1985-)，女，碩士，工程師，主要從事現(xiàn)代信號處理、計算機應(yīng)用、桌面虛擬化技術(shù)與應(yīng)用方面的研究。

G482

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.044