馬漢達(dá)

（江蘇大學(xué) 計算機科學(xué)與通信工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

云計算環(huán)境下計算機房的建設(shè)思考

馬漢達(dá)

（江蘇大學(xué) 計算機科學(xué)與通信工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

本文根據(jù)計算機房的建設(shè)現(xiàn)狀，分析了目前計算機的使用壽命和使用效率存在的問題，提出了在云計算環(huán)境下使用虛擬化技術(shù)，提高計算機使用效益的兩種計算機房建設(shè)方案，通過實例說明了云計算模式計算機房建設(shè)在成本、使用效益、能源消耗、管理維護上的優(yōu)越性。

計算機利用率；虛擬化；云計算；PC模式；N Computing；節(jié)能

一、高校計算機房建設(shè)現(xiàn)狀

計算機房是高校學(xué)習(xí)計算機的重要場所，主要承擔(dān)高校計算機類課程和以計算機為實驗設(shè)備的課程的教學(xué)工作，計算機作為高校教學(xué)設(shè)備的典型代表，計算機房的建設(shè)已成為學(xué)校信息化投資的重要部分，高校每年對計算機的需求量很大，按照目前大多數(shù)高校在計算機房建設(shè)過程中所采用的PC模式（根據(jù)終端數(shù)采購相應(yīng)的PC數(shù)），這種模式?jīng)Q定了學(xué)校每年必須有很大的投資用于購買計算機。由于計算機技術(shù)的發(fā)展，《中華人民共和國企業(yè)所得稅法實施條例》將電子設(shè)備的最低折舊年限由原來的5年改為3年，意味著每隔3～5年，就需要更新一批機器，造成高校用于計算機的投資經(jīng)費會很大，計算機投資效率比較低，而且PC模式的計算機房建設(shè)其能源消耗量也較大，不符合低碳的要求。在低碳時代要將節(jié)約能源作為計算機房建設(shè)的一個重要的指標(biāo)。[1]因此，合理選擇計算機房的構(gòu)建模式，提高計算機機房的使用率是我們必須認(rèn)真思考的問題。

二、計算機使用情況和利用效率情況

1．計算機使用壽命分析

計算機使用過程經(jīng)歷性能穩(wěn)定期、故障多發(fā)期、產(chǎn)品淘汰期三個階段，符合梯田曲線。一般來說，一年以內(nèi)計算機性能比較穩(wěn)定，兩年后計算機故障較多，經(jīng)過3～5年的使用，微機的故障率將不斷增加，使微機進入產(chǎn)品淘汰期。一方面由于計算機的不斷發(fā)展，對微機的主要產(chǎn)品采用不斷淘汰的策略，維修找不到配件，維護成本高，使其無法維修，不得不淘汰；另一方面微機硬件雖然沒有故障，仍然可以正常開機，但是運行新操作系統(tǒng)和新應(yīng)用軟件的硬件條件限制導(dǎo)致其運行速度非常緩慢，甚至不能使用。這時雖然電子元器件遠(yuǎn)沒有達(dá)到它的衰老期，但由于硬件配置不能適應(yīng)新的軟件要求，使得計算機工作性能變得非常低下，導(dǎo)致了微機的淘汰。因此，計算機淘汰的主要原因是計算機硬件不能滿足軟件發(fā)展的需要。那么，如何延長計算機的壽命，達(dá)到投資收益最大化，除了加強日常維護，提高使用效率之外，必須在IT技術(shù)突飛猛進的情況下考慮計算機房建設(shè)方案的合理性。

2．計算機的實際利用效率分析

效率的本質(zhì)是研究資本的投入與產(chǎn)出之間的比率關(guān)系。[2]在計算機房建設(shè)中，投入主要是指計算機房建設(shè)中所投入的資金，這里不考慮人力成本等其他的投入，產(chǎn)出主要是指能滿足多少學(xué)生上機實習(xí)任務(wù)，可以年機時數(shù)來表示。在投入既定的情況下，產(chǎn)出的有用成果越多越有效率；相反，產(chǎn)出一定的情況下，投入越少，效率越高。根據(jù)IBM公司的一項調(diào)查顯示，設(shè)備的平均資源使用率不到20%，[3]也就是說其實很多資源都白白浪費了。就我校的實際情況來看，計算機房的利用率也不能令人滿意。

以我校計算機基礎(chǔ)教學(xué)中心和計算機學(xué)院專業(yè)實驗中心為例，計算機基礎(chǔ)教學(xué)中心負(fù)責(zé)全校計算機基礎(chǔ)教學(xué)，計算機學(xué)院專業(yè)實驗中心負(fù)責(zé)計算機學(xué)院及相關(guān)學(xué)院計算機課程的上機實驗任務(wù)，與其他實驗室相比，兩個實驗室的教學(xué)工作量應(yīng)該說是比較飽滿的。

計算機的利用率可以這樣來計算，假設(shè)每臺機器按照每天10小時、每周7天、一年40周、機器完好率95%來計算，計算機基礎(chǔ)教學(xué)中心共600臺機器，那么按上述假設(shè)， 基礎(chǔ)教學(xué)中心可完成機時： 600×10×7×40×0.95=1596000小時，而實際2009年完成教學(xué)機時355420機時，2010年完成教學(xué)機時341250機時，利用率只有21%左右。再以計算機學(xué)院專業(yè)實驗中心來說，實驗中心軟件機房共300臺計算機，可完成機時數(shù)應(yīng)達(dá)到：300×7×10×40×0.95=798000機時，而實際情況是2009年完成教學(xué)機時128750機時，2010年完成教學(xué)機時127381機時，實際利用率只有16%左右，其他實驗室的利用率則可見一斑。

現(xiàn)在的計算機房大多采用PC模式，也就是說每個學(xué)生一臺PC，擁有自己獨立的一套資源，彼此之間是無法共享資源的。隨著計算機的功能越來越強，很多用戶可能只使用了電腦功能的一小部分，甚至只使用到計算機5%的性能，大量的PC性能被閑置或浪費了，這種PC模式不能很好地發(fā)揮計算機的性能。

3．如何提高計算機的利用效率

在過去的幾十年中，計算機由主機時代發(fā)展為個人計算機時代，現(xiàn)在云計算的出現(xiàn)，則把計算從個人時代升級為云時代，大部分計算又回到了服務(wù)器端，而終端用戶只需要有一個瀏覽器就可以實現(xiàn)目前計算機可以完成的所有任務(wù)，并且終端變得輕巧、快捷、經(jīng)濟和高效。[3]在云時代，通過改變計算機機房建設(shè)的模式，可以充分發(fā)揮PC強大的性能。

改變計算模式最根本的因素也是成本，而技術(shù)是觸發(fā)條件。在大型主機的年代之所以采用集中計算，主要是因為主機成本太高，而PC的出現(xiàn)極大地降低了用戶使用成本，互聯(lián)網(wǎng)和云計算的出現(xiàn)使得進一步降低成本成為可能，[3]NComputing是云計算模式下的典型產(chǎn)品，它可以充分發(fā)揮PC的性能，讓多用戶得以共享同一臺PC。每個用戶均可以各自運行軟件程序，可以擁有各自的文件、設(shè)置以及偏好選項，無需額外開銷，也不用另外購買更多的PC。NComputing的解決方案向空閑的PC系統(tǒng)資源提出挑戰(zhàn)，使得多用戶同時分享一臺PC的計算資源，并且有著獨立的操作環(huán)境，讓多用戶去分享空閑著的電腦資源。[4]而對于計算機利用率低的問題，可通過制度加以解決，實行計算機中心化，集中采購，集中管理，使計算機在有限的使用時間上得到充分的利用。

三、云計算模式下計算機房建設(shè)

通過上述的分析，在傳統(tǒng)的高校計算機房建設(shè)中，一般采用的是PC模式，這種模式每臺機器要安裝安全設(shè)備如硬盤保護卡或還原卡、殺毒軟件，每臺機器要安裝操作系統(tǒng)及各種應(yīng)用軟件，而且這種方案還存在PC資源利用率低，布置復(fù)雜管理和維護量、使用成本高等缺點。在云計算理念下構(gòu)建基于云計算的計算機房成為了可能，[4]在建設(shè)基于云計算的計算機房時，運用云計算的架構(gòu)思想，利用虛擬化技術(shù)，使用少量的計算機或服務(wù)器，統(tǒng)籌規(guī)劃，即可建立一個質(zhì)優(yōu)價廉、便于管理和維護的計算機房。云計算模式下根據(jù)機房規(guī)模的大小，計算機房的建設(shè)有兩種可選方案。

1．NComputing 的方案

NComputing是云時代的典型產(chǎn)品，其工作原理是將單臺物理主機（PC或服務(wù)器）的資源劃分為不同區(qū)塊提供給不同的共享用戶，在主機上安裝桌面虛擬化軟件vSpace，各種應(yīng)用程序和公共資源都放在服務(wù)器上，將共享用戶（終端）連接成一個局域網(wǎng)，各用戶通過特殊協(xié)議共享服務(wù)器上的各種軟硬件資源，包括應(yīng)用程序、各種資料、CPU資源、內(nèi)存和硬盤。NComputing虛擬桌面終端只是輸入輸出和顯示的設(shè)備，UXP協(xié)議則負(fù)責(zé)管理桌面顯示及遠(yuǎn)程鍵盤鼠標(biāo)操作，每個共享用戶打開終端上的開關(guān)即可享用完整的PC 功能，獲得完整的PC環(huán)境交互體驗。NComputing的核心終端設(shè)備有三個系列，分別L系列、X系列、U系列，它們各有優(yōu)缺點，可根據(jù)不同的需求選擇合適的產(chǎn)品，根據(jù)學(xué)校的具體要求，可選擇L系列的產(chǎn)品，它可有效地減低維修成本，使用基于以太網(wǎng)連接、用戶數(shù)多（一臺安裝Windows XP操作系統(tǒng)的主機最多可以帶10個用戶，而運行著Windows Server的高性能電腦主機或服務(wù)器最多支持30個用戶[5]），只要將共享主機升級，所有的共享用戶也將自動享受使用性能的提升，因此，它為用戶提供最佳性能和最低構(gòu)建成本，是學(xué)校計算機房建設(shè)的首選產(chǎn)品。表1是使用標(biāo)準(zhǔn)計算機的PC模式和使用NComputing模式的對比。

2．Halsign+NComputing 方案[6]

該方案充分發(fā)揮服務(wù)器的計算能力，可以在一臺服務(wù)器之上，同時讓多用戶操作，并且有著獨立的操作環(huán)境。其工作原理是使用基于服務(wù)器的虛擬化軟件和桌面虛擬化軟件實現(xiàn)，服務(wù)器虛擬化軟件能夠在一個服務(wù)器上運行多個異構(gòu)的操作系統(tǒng)，在每個操作系統(tǒng)下又可將資源劃分為不同的區(qū)塊提供給不同的用戶，再通過vSpace虛擬桌面軟件完成。NComputing技術(shù)讓多用戶去分享使用PC計算機操作系統(tǒng)，整合比例可達(dá)30∶1，而服務(wù)器虛擬化技術(shù)可將多臺PC計算機整合到一臺服務(wù)器上，整合比例按服務(wù)器性能可達(dá)20∶1。通過上述兩項技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)的將是一種乘積效應(yīng)，極大地簡化桌面管理的難度。

表1標(biāo)準(zhǔn)PC模式與NComputing模式對比

服務(wù)器虛擬化軟件可使用VMware Workstation或Halsign TurboGate。VMware是VMware公司設(shè)計的專業(yè)虛擬機軟件，可以虛擬現(xiàn)有任何操作系統(tǒng)，是全球桌面到數(shù)據(jù)中心虛擬化解決方案的領(lǐng)導(dǎo)廠商，全球不同規(guī)模的客戶依靠VMware來降低成本和運營費用、確保業(yè)務(wù)持續(xù)性、加強安全性并走向綠色。TurboGate是一款由紅山公司開發(fā)的PC虛擬化（桌面虛擬化）軟件產(chǎn)品，是當(dāng)前PC虛擬化的主要產(chǎn)品之一。它獨立于Windows系統(tǒng)，能更加安全可靠地管理計算機。TurboGate通過PC虛擬化技術(shù)來改善用戶使用Windows時的體驗。它能有效地管理Windows，通過控制Windows的運行來提供更穩(wěn)定、安全以及快速的系統(tǒng)災(zāi)難恢復(fù)以及數(shù)據(jù)加密等功能。[7]

3．建設(shè)方案對比

通過上述分析，在高校計算機房的建設(shè)中，一般采用的是Halsign+NComputing方案，為了使投資效益最大化，除了在管理制度上計算機中心化以外，可以采用云計算模式下使用虛擬化技術(shù)來作為計算機房的建設(shè)方案。下面通過一個實際案例，來分析采用服務(wù)器虛擬化架構(gòu)的優(yōu)越性。某實驗中心需要建100個終端的計算機教學(xué)實驗室，考慮基于傳統(tǒng)的PC模式和服務(wù)器虛擬化的NComputing模式。（未考慮兩種方案均需要的設(shè)備）通過對比這個案例，我們可以發(fā)現(xiàn)后者有以下優(yōu)勢：

一次投入成本低：基于服務(wù)器的虛擬化架構(gòu)，只需要傳統(tǒng)方案65%價格。

表2兩種模式的對比

電力消耗：普通電腦PC消耗200瓦左右電力，100臺 PC將 消耗 100PC×200W=20,000瓦/小 時，NComputing終端一共使用（100臺×5W）+（2臺×500W）=1500瓦/小時，節(jié)省90%以上的電力。

設(shè)備更新費用低：三年后，使用傳統(tǒng)模式的PC模式，更新則需要100臺PC的價格約40萬元，而使用NComputing則只需更新兩臺服務(wù)器的價格4萬元，節(jié)省90%的費用。

經(jīng)過上述分析我們看到，虛擬化桌面終端僅需要極低的成本，就可以實現(xiàn)多名用戶同時共享一臺虛擬化服務(wù)器資源。其基于vSpace技術(shù)架構(gòu)的NComputing產(chǎn)品方案通過將桌面環(huán)境自物理主機端的創(chuàng)建分發(fā)后構(gòu)成各個虛擬桌面客戶端，并實現(xiàn)操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和存儲空間的同步共享。

四、結(jié)語

在云計算環(huán)境下，使用服務(wù)器虛擬化技術(shù)、桌面虛擬化技術(shù)和NComputing的終端為學(xué)校計算機房的建設(shè)提供了一種新模式，這種模式對于學(xué)校來說是一個性價比非常好的選擇，NComputing能夠充分利用PC的性能，讓多位用戶同時享受豐富的個人電腦使用體驗，每位用戶仿佛都擁有自己的個人電腦。使用NComputing虛擬桌面終端方案能夠最大限度地實現(xiàn)集中管理、資源共享，而且NComputing虛擬桌面終端本身是免維護、免升級的，一切軟硬件的維護和升級都只需在服務(wù)器端進行。另外，云計算的模式告訴我們，在云計算模式下計算機房的建設(shè)成本、使用成本更低，是云時代值得選擇的建設(shè)方案。

[1]鄭澤.計算機房建設(shè)中的節(jié)能應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù),2010,8(6).

[2]劉竹蓉.基于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的陜西固定資產(chǎn)投資效率研究[D],西北農(nóng)林科技大學(xué)碩士論文,2010.

[3]朱近之.智慧的云計算[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[4]深圳市寶通志遠(yuǎn)科技有限公司.虛擬桌面技術(shù)解決方案[EB/OL].http://www.ex-channel.com/.

[5]無錫三革科技有限公司.NComputing企業(yè)架構(gòu)建議書[Z].

[6]北京世紀(jì)紅山科技有限公司.基于服務(wù)器虛擬化的多用戶計算整體解決方案[Z].

[7]張玉昆.虛擬化對云計算的基礎(chǔ)支撐作用[Z].

[8]陳建新.云計算在數(shù)字化微格實驗室建設(shè)中的應(yīng)用探究[J].中國教育信息化，2010(12):19-22.

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1673-8454(2011)17-0068-03

（編輯：金冉）