蔡向東， 黨中華， 桑世慶

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息技術(shù)分院，浙江嘉興 314036）

0 引 言

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是高校教學(xué)工作的重要一環(huán)，傳統(tǒng)的高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中存在投入與維護(hù)成本高、管理與維護(hù)工作量大、使用效率和滿意度不高等問(wèn)題［1］。隨著云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，采用虛擬化技術(shù)構(gòu)建云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，可以改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)模式。目前，各高校紛紛開展了相關(guān)研究［2］，部分高校已經(jīng)建立起自己的云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室［3－7］，其中，東華大學(xué)利用VMWare技術(shù)和Citrix技術(shù)搭建的東華云已經(jīng)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室管理［3］，黃晨暉［5］等提出了基于云計(jì)算的VCL解決方案，該方案具備比較齊全的管理功能，宋繼紅［6］等研究了虛擬云桌面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。結(jié)合高校的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和已有的研究成果，大多數(shù)高校選擇基于桌面云作為研究和應(yīng)用模型［8］。

桌面云（Desktop Cloud）是可以通過(guò)瘦客戶端或者其它任何與網(wǎng)絡(luò)相連的設(shè)備來(lái)訪問(wèn)跨平臺(tái)的應(yīng)用程序，以及整個(gè)客戶桌面。桌面云系統(tǒng)主要包括瘦客戶端、網(wǎng)絡(luò)接入、管理客戶端和服務(wù)存儲(chǔ)端4個(gè)部分［2］。研究證明，基于桌面云的實(shí)驗(yàn)室能實(shí)現(xiàn)較高的投入與性能比、減輕管理與維護(hù)工作量［4］。

1 云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室模型

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案采用了較為成熟的虛擬化解決方案，將云計(jì)算技術(shù)與虛擬化技術(shù)有機(jī)結(jié)合，用于構(gòu)建高校的云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，既提高了實(shí)驗(yàn)資源的共享性與使用效率，又能充分滿足實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的多樣性需求。本方案以嘉興市公共實(shí)訓(xùn)中心計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)訓(xùn)室為例，結(jié)合學(xué)院的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于桌面云的建設(shè)方案，主要包括核心交換區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、學(xué)生接入?yún)^(qū)域和數(shù)據(jù)中心區(qū)域應(yīng)用系統(tǒng)。云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)如圖1所示。

圖1 云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)圖

1.2 虛擬桌面

1.2.1 虛擬桌面環(huán)境

VMware View虛擬桌面系統(tǒng)以VMware vSphere作為底層基礎(chǔ)，將服務(wù)器資源池化整合，按需為虛擬桌面提供計(jì)算資源。在底層計(jì)算資源的池化整合和虛擬機(jī)獨(dú)立封裝的基礎(chǔ)上，VM-ware通過(guò)物理服務(wù)器的高可靠性HA、動(dòng)態(tài)遷移VMotion、動(dòng)態(tài)調(diào)整服務(wù)器資源DRS等高級(jí)功能，實(shí)現(xiàn)物理服務(wù)器、虛擬機(jī)等各層的可靠性。

1.2.2 VMware Thin APP

VMware Thin App應(yīng)用程序虛擬化將應(yīng)用程序從底層操作系統(tǒng)分離出來(lái)，以提高兼容性和簡(jiǎn)化應(yīng)用程序管理。由Thin App打包的應(yīng)用程序可以在數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器上運(yùn)行，并可以通過(guò)虛擬桌面上的快捷方式進(jìn)行訪問(wèn)，從而進(jìn)一步減少了桌面映像的大小和后續(xù)存儲(chǔ)需求。由于對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行了隔離和虛擬化，因此，可以在用戶的虛擬桌面上運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序或同一應(yīng)用程序的多個(gè)版本，且不會(huì)產(chǎn)生沖突。可以集中管理和部署應(yīng)用程序，從而確保所有用戶桌面都使用最新的應(yīng)用程序版本。

1.2.3 利用View Composer組件實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)優(yōu)化

View Composer使用VMware鏈接克隆技術(shù)快速創(chuàng)建與主映像共享虛擬磁盤的桌面映像，從而節(jié)省磁盤空間和簡(jiǎn)化管理。用戶數(shù)據(jù)和設(shè)置從桌面映像中分離出來(lái)，因此能夠?qū)ζ溥M(jìn)行獨(dú)立管理。由于采用了這種鏈接克隆模型，鏈接到父映像的所有桌面都可以通過(guò)使用VMware View Manager直接更新父映像來(lái)應(yīng)用補(bǔ)丁程序或進(jìn)行更新，而不會(huì)影響用戶的設(shè)置、數(shù)據(jù)或應(yīng)用程序。這樣可以大幅減少存儲(chǔ)需求和成本，同時(shí)簡(jiǎn)化桌面管理。

1.2.4 通過(guò)View Manager實(shí)現(xiàn)安全桌面安全交付

View Manager包括集成的虛擬桌面池管理功能，這些功能利用vCenter提供的控制機(jī)制來(lái)部署和管理虛擬桌面。

1.2.5 客戶端訪問(wèn)

虛擬桌面可以通過(guò)PC、瘦客戶機(jī)、筆記本等接入，客戶端配置VMware View Client程序，通過(guò)RDP協(xié)議或PC Over IP協(xié)議，登陸到View Manager，可以看到允許其登陸的一個(gè)或多個(gè)虛擬機(jī)。VMware View提供完整、未經(jīng)修改的桌面環(huán)境，與現(xiàn)有傳統(tǒng)或自定義應(yīng)用程序兼容，并為各個(gè)用戶提供適合各自需求的自定義桌面。

由于具有廣泛的客戶端支持，因此用戶可以隨時(shí)通過(guò)各種虛擬桌面設(shè)備訪問(wèn)自己的桌面，并使用本地打印機(jī)、USB設(shè)備或其它外圍設(shè)備。

2 云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室部署

2.1 虛擬化物理資源配置

實(shí)驗(yàn)室采用包括7臺(tái)服務(wù)器、2臺(tái)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)和2臺(tái)光纖交換機(jī)來(lái)構(gòu)建虛擬化環(huán)境。其中4臺(tái)服務(wù)器用于構(gòu)建服務(wù)器虛擬化系統(tǒng)，3臺(tái)服務(wù)器用于構(gòu)建云桌面虛擬化系統(tǒng)，提供學(xué)員桌面系統(tǒng)應(yīng)用資源，2臺(tái)存儲(chǔ)設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)配置文件和應(yīng)用數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存放。

2.2 服務(wù)器配置

根據(jù)虛擬桌面的配置要求，一個(gè)物理CPU內(nèi)核可以供3～4個(gè)虛擬桌面運(yùn)行，每個(gè)虛擬桌面配置2 G內(nèi)存來(lái)計(jì)算，40個(gè)虛擬桌面需要10～15個(gè)物理CPU內(nèi)核，80 G內(nèi)存。為滿足運(yùn)行的需求，本方案需要配置2臺(tái)雙路6核處理，同時(shí)為了保證物理服務(wù)器的高可靠性，增加1臺(tái)物理備份，保證1臺(tái)故障情況下，另外2臺(tái)仍能保證業(yè)務(wù)應(yīng)用。配置7臺(tái)DELL R720服務(wù)器，其中3臺(tái)物理服務(wù)器作為虛擬桌面應(yīng)用的需求，4臺(tái)物理服務(wù)器作為實(shí)施實(shí)驗(yàn)室其它應(yīng)用的計(jì)算資源需求。

2.3 存儲(chǔ)配置

存儲(chǔ)單元主要提供虛擬化系統(tǒng)配置文件的保存，以及實(shí)訓(xùn)學(xué)員應(yīng)用文件的存放，這些臨時(shí)文件在課程結(jié)束后將會(huì)被初始化清除，所以整個(gè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間配置少，但是擴(kuò)展能力要求高。

2.4 光纖交換機(jī)配置

為實(shí)現(xiàn)FC-SAN高性能、可靠存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，在存儲(chǔ)配置支持4個(gè)8 GB光纖主機(jī)通道基礎(chǔ)上，配置2臺(tái)24口光纖交換機(jī)，激活16口，以滿足服務(wù)器和存儲(chǔ)連接的要求。

2.5 前端虛擬化桌面客戶端配置

實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室中配置40一體機(jī)終端，包括主機(jī)和顯示器，實(shí)現(xiàn)虛擬桌面的客戶端支持，自身配置筆記本電腦的學(xué)員也可以通過(guò)配置VMware View客戶訪問(wèn)虛擬化系統(tǒng)。

3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)出口層、網(wǎng)絡(luò)核心層、學(xué)生接入?yún)^(qū)域和服務(wù)器區(qū)域匯聚層、接入層構(gòu)成，提供云計(jì)算所需的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

3.1 核心交換機(jī)

本方案配置2臺(tái)型號(hào)為H3C S7503E-S高性能核心交換機(jī)，支持960 Gbps交換容量、720 Mpps包轉(zhuǎn)發(fā)能力，設(shè)備支持IRF2虛擬化，通過(guò)2個(gè)萬(wàn)兆端口堆疊，構(gòu)建IRF2虛擬化，實(shí)現(xiàn)2臺(tái)交換機(jī)虛擬成1臺(tái)交換機(jī)，虛擬化雙機(jī)間帶寬為20 G，能滿足高負(fù)載的數(shù)據(jù)交換要求。

3.2 匯聚層

3臺(tái)H3C S5500-58C-HI三層交換機(jī)，分別放置于學(xué)生接入?yún)^(qū)域和數(shù)據(jù)中心區(qū)域，實(shí)現(xiàn)終端接入的網(wǎng)絡(luò)匯聚和服務(wù)器匯聚。其中兩臺(tái)匯聚交換機(jī)構(gòu)建IRF2虛擬化架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心區(qū)域網(wǎng)絡(luò)性能和可靠性提升。

在數(shù)據(jù)中心區(qū)域配置7臺(tái)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)應(yīng)用和云桌面應(yīng)用，云計(jì)算中信息量大，這些數(shù)據(jù)都需要經(jīng)服務(wù)器匯聚交換機(jī)上聯(lián)和交互，是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)性能可靠性重要保障。在虛擬化環(huán)境中，2臺(tái)服務(wù)器分?jǐn)倯?yīng)用，整體性能是2臺(tái)的疊加，其中1臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障，另外1臺(tái)快速接管。

每臺(tái)匯聚層交換機(jī)配置4個(gè)萬(wàn)兆端口，其中2個(gè)用于IRF2堆疊，另外2個(gè)萬(wàn)兆端口用于核心上聯(lián)，在通過(guò)IRF2將2臺(tái)匯聚層交換機(jī)虛擬化為1臺(tái)后，服務(wù)器匯聚層表現(xiàn)為40 G核心上聯(lián)，充分保證應(yīng)用交互需求。

在學(xué)生接入?yún)^(qū)域匯聚層，配置2塊萬(wàn)兆光口和2個(gè)萬(wàn)兆模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的20 G上聯(lián)，充分保證終端用戶的交互需求。

3.3 學(xué)員接入層

當(dāng)前配置實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)每班為40個(gè)終端學(xué)員，分為兩組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為了滿足學(xué)員的網(wǎng)絡(luò)接入和網(wǎng)絡(luò)冗余配置課程教演，為每個(gè)組配置2臺(tái)接入交換機(jī)。H3C E528以太網(wǎng)交換機(jī)支持192 Gbps交換容量，42 Mpps數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)率，全千兆端口能夠滿足高性能接入的需求，支持IRF2技術(shù)，用戶可以將多臺(tái)E528交換機(jī)連接，形成一個(gè)邏輯上的獨(dú)立實(shí)體。

3.4 模擬出口路由層

通過(guò)新增4臺(tái)路由器，分配模擬兩條運(yùn)營(yíng)商線路的接入，讓學(xué)員了解路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方式和構(gòu)建。4臺(tái)H3C MSR 30-40路由器，分別扮演遠(yuǎn)端運(yùn)營(yíng)商A，B邊界網(wǎng)絡(luò)和用戶系統(tǒng)邊界接入路由設(shè)備。

3.5 防火墻

考慮到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中安全策略的相關(guān)性以及系統(tǒng)架構(gòu)的完整性，在網(wǎng)絡(luò)出口區(qū)域構(gòu)建兩個(gè)防火墻，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包掃描、隔離，保證系統(tǒng)的安全性。

配置2臺(tái)H3C SecPath F1000-S-AI防火墻，以透明的方式配置于核心和邊界路由之間，實(shí)現(xiàn)外部接入數(shù)據(jù)包的掃描和隔離。

4 實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)

通過(guò)配置1套H3C NEMS網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)學(xué)員、實(shí)驗(yàn)設(shè)備集中統(tǒng)一管理。NEMS針對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)生命周期（實(shí)驗(yàn)定義、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果）提供完整的智能化管理。教師可以通過(guò)NEMS系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的定制、實(shí)驗(yàn)環(huán)境部署和實(shí)驗(yàn)過(guò)程的管理、監(jiān)控，完成實(shí)驗(yàn)環(huán)境的快速部屬、恢復(fù)，以及獲取、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果等工作，同時(shí)學(xué)生可以通過(guò)NEMS系統(tǒng)完成具體實(shí)驗(yàn)。通過(guò)NEMS系統(tǒng)，以模擬環(huán)境為手段，實(shí)現(xiàn)學(xué)生和教室之間互動(dòng)交流，提升教學(xué)水平。

5 結(jié) 語(yǔ)

云計(jì)算作為一種新興的IT服務(wù)模式，其易操作性、服務(wù)性、經(jīng)濟(jì)性、高效性和可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的特點(diǎn)為高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和發(fā)展提供了廣闊的前景。在看到云計(jì)算一系列優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也要看到云計(jì)算本身仍存在著一些問(wèn)題。首先，云計(jì)算采用的集中式服務(wù)，易產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)的瓶頸效應(yīng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求較高；其次，數(shù)據(jù)的安全性令人擔(dān)憂；此外，云計(jì)算技術(shù)仍缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。這些都影響了云計(jì)算技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

從研究和實(shí)施內(nèi)容來(lái)看，本方案主要立足于建立基于桌面云的實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)服務(wù)內(nèi)容的設(shè)置以及不同實(shí)訓(xùn)應(yīng)用的部署未能涉及。研究的對(duì)象仍屬于“私有云”的范疇，實(shí)訓(xùn)應(yīng)用的部署仍然存在兼容性問(wèn)題。因此，如何保護(hù)前期投資，解決升級(jí)后的云平臺(tái)存在的兼容性等問(wèn)題，仍然是未來(lái)高校云計(jì)算平臺(tái)所面臨的挑戰(zhàn)。

［1］ 夏春琴.基于云計(jì)算模式的高校機(jī)房實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的應(yīng)用研究［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2013，19：205-206.

［2］ 畢叢娣.關(guān)于“云計(jì)算”的探究［J］.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，32（4）：413-416.

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［6］ 宋繼紅.基于云計(jì)算的虛擬桌面的架構(gòu)方案探析［J］.價(jià)值工程，2011，28：155-156.

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