李力LI Li

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331）

（Chongqing College of Electronic Engineering，Chongqing 401331，China）

0 引言

高等院校的數(shù)字化建設(shè)經(jīng)歷了突飛猛進(jìn)的十年，如今高校機(jī)房已經(jīng)成為教學(xué)實(shí)踐最重要的設(shè)施，但傳統(tǒng)IT 架構(gòu)下的機(jī)房存在著諸多問題：

①資源利用率低：隨著機(jī)房建設(shè)的陸續(xù)進(jìn)行，必然會有配置上的高低之分。而根據(jù)課程不同，教學(xué)對機(jī)房設(shè)備的性能需求也是有高有低，這就容易造成硬件性能上供需失衡。②資源浪費(fèi)：計(jì)算機(jī)的更新?lián)Q代非?？?，往往在兩三年之內(nèi)就會產(chǎn)生明顯的功能性貶值。如果為了使性能保持主流水平，就必須頻繁地報廢、采購，造成嚴(yán)重浪費(fèi)。③維護(hù)困難：傳統(tǒng)的機(jī)房，通常依靠系統(tǒng)保護(hù)卡和網(wǎng)絡(luò)同傳進(jìn)行批量管理，但機(jī)房成批次的更新?lián)Q代，帶來了大量不同型號、不同操作規(guī)范的軟硬件系統(tǒng)，使管理和維護(hù)的成本增大，對人力資源也是一種浪費(fèi)。④能效低下：一臺普通的臺式電腦通常需要最大輸出為180W-350W 的ATX 電源適配器，按一個機(jī)房40 臺計(jì)算機(jī)來計(jì)算，就會有7200W-14000W 的峰值能耗，既增大了運(yùn)行成本，也不符合低碳的政策。

實(shí)際上，這些情況在其它行業(yè)也普遍存在。近年來越來越多的單位，如大型企業(yè)、政府機(jī)構(gòu)等，已經(jīng)開始嘗試使用云計(jì)算來應(yīng)對挑戰(zhàn)，改善問題。在云計(jì)算的理念下，“硬件和軟件都是資源并被封裝為服務(wù)，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)按需地訪問和使用?！盵1]由于國內(nèi)的廣域網(wǎng)環(huán)境仍然存在著傳輸速率、通信容量等瓶頸，因此國人在云計(jì)算領(lǐng)域的嘗試主要以私有云為主。從體系結(jié)構(gòu)的角度來看，云的底層是由虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)。簡單說，要實(shí)現(xiàn)私有云，其核心內(nèi)容就是在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境里部署虛擬化解決方案。根據(jù)虛擬化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，本文認(rèn)為，如果在高校現(xiàn)有的IT 環(huán)境下增加云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，可以有效地改善問題。

1 虛擬化技術(shù)概述

虛擬化技術(shù)起源于大型機(jī)時代，在x86 硬件性能過剩的今天煥發(fā)了“第二春”。直觀地說，虛擬化技術(shù)可以將單個物理資源抽象為多個邏輯資源，供多個用戶分區(qū)復(fù)用或分時復(fù)用，從而節(jié)省資源、改善管理并提高利用率。[2]

最底層的虛擬化是服務(wù)器虛擬化，其核心內(nèi)容是CPU虛擬化、內(nèi)存虛擬化、存儲虛擬化和I/O 虛擬化。目前較為成功的虛擬化產(chǎn)品均采用hypervisor 對虛擬機(jī)進(jìn)行管理，其代碼非常精簡，且直接運(yùn)行在硬件之上，無論是從性能還是安全角度來看，都比寄居于操作系統(tǒng)下的傳統(tǒng)的虛擬機(jī)管理軟件要強(qiáng)得多。[3]

桌面虛擬化則是在服務(wù)器虛擬化的基礎(chǔ)上，將虛擬機(jī)及其操作系統(tǒng)整體提供給局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)用戶。圖1 展示了服務(wù)器虛擬化和桌面虛擬化的總體架構(gòu)。

圖1 服務(wù)器虛擬化和桌面虛擬化的構(gòu)架

由圖1 可見，服務(wù)器虛擬化能把有限的物理主機(jī)虛擬為若干臺客戶機(jī)，使不同的用戶使用。桌面虛擬化則可以把虛擬機(jī)和其它虛擬資源進(jìn)一步整合、優(yōu)化，然后提供給遠(yuǎn)程桌面用戶，并保證良好的用戶體驗(yàn)。

2 高校機(jī)房桌面虛擬化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 高校機(jī)房通常由普通的臺式機(jī)構(gòu)成，其最終用戶以上機(jī)實(shí)踐的學(xué)生為主，且多數(shù)是在課內(nèi)使用。目前主流的桌面虛擬化整體解決方案中，VMware View 和Citrix Xendesktop 占了絕大部分市場份額。文獻(xiàn)[4]對兩種產(chǎn)品進(jìn)行了綜合的性能測試和評價，主要結(jié)論是：由于有更優(yōu)秀的HDX 協(xié)議，在廣域網(wǎng)環(huán)境下Xendesktop搭配VMware vSphere 是最佳選擇；但對于局域網(wǎng)下的性能則是View 更好，部署也更簡單。考慮到高校機(jī)房本質(zhì)上是建立在局域網(wǎng)之上，因此選用View。

多數(shù)高校都將各個院系分布在不同的教學(xué)樓，如果每個建筑都有若干機(jī)房，可以在每個樓層或每個機(jī)房部署一個小型的服務(wù)器集群，分別實(shí)現(xiàn)單個機(jī)房的桌面虛擬化。采用這種方案，在管理上仍然是分散的，不同數(shù)據(jù)中心之間難以實(shí)現(xiàn)資源共享和負(fù)載均衡（或者能實(shí)現(xiàn)但開銷過大），因此意義不大。

如果集中化建設(shè)，將所有用于虛擬化的服務(wù)器都放入同一個數(shù)據(jù)中心，再通過網(wǎng)絡(luò)讓其他樓宇共享，則可以擁有最好的資源利用率，最好的硬件整合效果。但同時也有兩個問題，其一是吞吐量巨大，對校園主干網(wǎng)絡(luò)的要求非常高；其二是當(dāng)前的高校提倡各院系獨(dú)立自主，集中化可能引起后期管理上的矛盾。

折中的方案是給每個院系（通常也是每棟教學(xué)樓）配置一個中等規(guī)模的數(shù)據(jù)中心，如圖2 所示，采用這種方案，設(shè)備不會過度分散，也不會在管理維護(hù)上涉及跨部門事務(wù)。

圖2 以樓宇為單位分別部署桌面虛擬化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境圖

2.2 系統(tǒng)實(shí)施 在虛擬化環(huán)境下，后臺所依靠的基礎(chǔ)構(gòu)架組件均可以由虛擬機(jī)擔(dān)任，因此首先在物理機(jī)上安裝EXSi，即前文所提到的hypervisor，隨后通過控制臺在該服務(wù)器上建立虛擬機(jī)。為創(chuàng)建桌面虛擬化的基礎(chǔ)架構(gòu)組件，需要多臺虛擬服務(wù)器，清單如表1 所示。

表1

組件部署完畢之后服務(wù)器上剩余的硬件資源就是可以分配給機(jī)房的計(jì)算資源，由于桌面虛擬化的整合率通?？梢赃_(dá)到1:16，因此可以大致算出在中等工作負(fù)載下，一臺服務(wù)器的資源可以提供16 個虛擬桌面，以取代傳統(tǒng)的16 臺PC 機(jī)。根據(jù)不同的教學(xué)需求，可能有更輕量化的工作負(fù)載，整合率甚至可以達(dá)到1:50。

對于不同的課程，可定制不同的桌面模板，分別安裝所不同的軟件。制作好模板之后生成非永久桌面池，使桌面可以回滾到初始狀態(tài)，這樣就相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了硬盤保護(hù)卡的功能。此外，一旦機(jī)房的課程內(nèi)容發(fā)生變化，只需要簡單的切換桌面池即可。

2.3 網(wǎng)絡(luò)和存儲的優(yōu)化 為了使虛擬桌面能夠有良好的用戶體驗(yàn)，需要穩(wěn)定的連接。機(jī)房內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境至少需要千兆以太網(wǎng)，而在匯聚層的層面上則需要更高、更穩(wěn)定的速度。

在存儲方面，如果單個數(shù)據(jù)中心提供的虛擬桌面數(shù)量少于5 個機(jī)房的終端數(shù)，可以采用廉價的iSCSI 磁盤陣列；而在更大規(guī)模的應(yīng)用環(huán)境下，應(yīng)當(dāng)使用FC-SAN。[5]磁盤陣列最好是采用RAID 10，這是由于機(jī)械硬盤容量大，價格低，因此即使空間利用率較低也可以接受，而RAID 10 的IOPS 較高，更能保障虛擬桌面的流暢。另外在虛擬桌面啟動時，I/O 的存儲負(fù)載會大大加重，特別是剛上課時，大量的虛擬桌面同時啟動，必然造成性能急劇下降。因此可采用一個有SSD 構(gòu)成的存儲池，用于存放虛擬桌面的原始鏡像。由于有著優(yōu)秀的響應(yīng)速度，使其即使是單個SSD 也足以滿足整個課堂的IOPS。[6]

3 結(jié)束語

在機(jī)房部署桌面虛擬化之后，可以得到多方面的收益。概括說來有以下幾點(diǎn)：

①簡化管理：傳統(tǒng)模式下的機(jī)房，通常需要大量的管理員。機(jī)房數(shù)量的和管理員的比例通常在4:1 左右：而部署了桌面虛擬化之后，管理員的數(shù)量可以減少一半以上。②資源利用率：虛擬桌面可以迅速地切換桌面池，使對應(yīng)的計(jì)算資源能夠被合理地分配到需要的用戶，避免了“高需求用戶使用低配機(jī)房，低需求用戶使用高配機(jī)房”的現(xiàn)象。③設(shè)備利用率：傳統(tǒng)機(jī)房在投入使用兩三年之后，就開始出現(xiàn)性能下降的趨勢（當(dāng)然這個下降主要是由于需求升高引起的），如果縮短使用年限，則必須重新采購，這就造成了資源浪費(fèi)。桌面虛擬化可以將更舊的機(jī)型作為瘦客戶端使用，發(fā)揮余熱。④更好的擴(kuò)展性：一旦性能出現(xiàn)瓶頸，不必大量地重新采購PC 機(jī)，只需單純地?cái)U(kuò)充數(shù)據(jù)中心的少量服務(wù)器即可。⑤硬件經(jīng)濟(jì)性：大量瘦客戶端搭配少量服務(wù)器的價格遠(yuǎn)低于同樣數(shù)目的PC 機(jī)。⑥軟件經(jīng)濟(jì)性：采用虛擬化，軟件成本將會根據(jù)實(shí)際的使用量而支付，而并非預(yù)先購買許可。⑦能效經(jīng)濟(jì)性：標(biāo)準(zhǔn)瘦客戶端的能耗通常只有25W。即使采用舊PC 充當(dāng)客戶端，由于不涉及本地存儲，且CPU 僅提供遠(yuǎn)程連接所需的基本運(yùn)算，能耗也遠(yuǎn)低于正常的工作負(fù)載。雖然數(shù)據(jù)中心會集中產(chǎn)生更多的能耗，但相比滿載運(yùn)作的數(shù)百臺PC 機(jī)仍然具有能效上的優(yōu)勢。⑧防盜壓力減?。河捎赑C 機(jī)的內(nèi)部硬件都符合IBM 兼容機(jī)規(guī)范，拔之即得，插之即用，因此機(jī)房里PC 機(jī)的配件失竊向來是安全管理的難題。瘦客戶端的配件不具兼容性，若采用舊有PC 機(jī)擔(dān)任瘦客戶端，也會因?yàn)槠溆布^古老，和當(dāng)前主流配件存在代差，無法兼容，沒有竊取意義。

值得強(qiáng)調(diào)的是，虛擬化具有規(guī)模效應(yīng)，規(guī)模越大，上述優(yōu)勢就愈加突出。在高校機(jī)房里實(shí)現(xiàn)桌面虛擬化，既能在教學(xué)運(yùn)行、維護(hù)管理和經(jīng)濟(jì)效益等方面帶來實(shí)際的好處，又能使高校的信息化建設(shè)更符合云時代的發(fā)展方向。

[1]虛擬化與云計(jì)算小組.云計(jì)算寶典:技術(shù)與實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011：9.

[2]張耀祥.云計(jì)算和虛擬化技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)安全,2011（05）：80.

[3]馬博峰.VMware、Citrix 和Microsoft 虛擬化技術(shù)詳解與應(yīng)用實(shí)踐[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2012：11-12.

[4]Schultz Keith.VDI shoot -out:Citrix XenDesktop vs.VMware View[J].InfoWorld.com，2011 ProQuest.

[5]吳婷.SAN 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲在數(shù)字化校園網(wǎng)中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù),2012，08(5)：999-1000.

[6][EB/OL].IOPS and Virtual Desktops.http://whiptail.com/blog/iops-and-virtual-desktops/.