路 海，廖曉菊，張 曼

（中國(guó)工程物理研究院 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所，四川 綿陽(yáng)621900）

0 引 言

采用虛擬桌面系統(tǒng)（virtual desktop infrastructure，VDI）技術(shù)后，桌面系統(tǒng)的IT 基礎(chǔ)架構(gòu)發(fā)生了重大變化，將原來(lái)分布式的計(jì)算能力、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力、網(wǎng)絡(luò)交換能力集中到后端數(shù)據(jù)中心內(nèi)。由于架構(gòu)的巨大差異，驅(qū)動(dòng)企業(yè)網(wǎng)VDI系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心需要密集的服務(wù)器設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備，這部分基礎(chǔ)架構(gòu)的成本占據(jù)了VDI系統(tǒng)成本的較大比例。因此計(jì)算和設(shè)計(jì)企業(yè)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心內(nèi)的VDI基礎(chǔ)架構(gòu)承載能力，成為了VDI系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)將導(dǎo)致嚴(yán)重后果——VDI系統(tǒng)因缺乏承載能力無(wú)法滿足需求，或者因過(guò)分設(shè)計(jì)浪費(fèi)大量的投資。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，需要簡(jiǎn)便、有效、普適的方法測(cè)算和設(shè)計(jì)VDI系統(tǒng)的承載能力。

針對(duì)企業(yè)網(wǎng)私有云環(huán)境，本文給出了一種數(shù)據(jù)中心VDI基礎(chǔ)架構(gòu)的承載能力估算和設(shè)計(jì)方法。該方法通過(guò)計(jì)算VDI基礎(chǔ)架構(gòu)（服務(wù)器、存儲(chǔ)和WAN 網(wǎng)絡(luò)帶寬）的關(guān)鍵性能和容量的承載能力，進(jìn)而確定數(shù)據(jù)中心VDI基礎(chǔ)架構(gòu)主要的能力指標(biāo)和規(guī)格參數(shù)。同時(shí)為了提高估算的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性，本文給出了關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試校準(zhǔn)的基本方法。

針對(duì)VDI基礎(chǔ)架構(gòu)性能和容量的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文總結(jié)了主要的優(yōu)化途徑。通過(guò)性能設(shè)計(jì)的優(yōu)化技術(shù)可提升VDI系統(tǒng)的承載能力、降低成本。

1 企業(yè)網(wǎng)環(huán)境下VDI性能的關(guān)鍵度量因素

在企業(yè)網(wǎng)的環(huán)境下，VDI系統(tǒng)的性能包括：基礎(chǔ)架構(gòu)性能、虛擬化Hypervisor性能以及虛擬桌面系統(tǒng)內(nèi)操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的性能。VDI基礎(chǔ)架構(gòu)決定了VDI系統(tǒng)硬件提供的性能和容量。其中3個(gè)主要的因素是：計(jì)算資源性能和容量、存儲(chǔ)資源性能和容量、網(wǎng)絡(luò)性能和帶寬。

VDI系統(tǒng)性能和容量視圖如圖1所示。

圖1 VDI系統(tǒng)性能和容量視圖

VDI基礎(chǔ)架構(gòu)性能和容量設(shè)計(jì)的輸入是用戶規(guī)模和用戶工作量。用戶工作量特指桌面用戶利用桌面系統(tǒng)所完成的工作。用戶工作量與用戶角色、部門職能相關(guān)，不同類型用戶的工作量差別可能很大。為了便于工程應(yīng)用，在性能設(shè)計(jì)中可將用戶分為2種類型：

（1）任務(wù)型用戶：每次使用一個(gè)應(yīng)用，以辦公和字處理為主；

（2）知識(shí)型用戶：每次使用多個(gè)應(yīng)用，而且應(yīng)用種類眾多。需要支持多媒體和外設(shè)。

在開(kāi)展系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，需分別對(duì)各類型用戶進(jìn)行性能度量指標(biāo)的測(cè)試和統(tǒng)計(jì)，如：CPU 利用率、內(nèi)存分配率、網(wǎng)絡(luò)帶寬、磁盤IO 訪問(wèn)，利用性能評(píng)估公式計(jì)算VDI基礎(chǔ)架構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2 計(jì)算資源性能和容量設(shè)計(jì)

將現(xiàn)有桌面用戶遷移到VDI架構(gòu)前，應(yīng)對(duì)每個(gè)桌面用戶分組的計(jì)算資源需求進(jìn)行測(cè)算，得出承載虛擬化平臺(tái)的宿主服務(wù)器的配置。關(guān)鍵度量因素包括：CPU 的利用率需求和內(nèi)存的利用率需求。

以下評(píng)估公式用于計(jì)算VDI宿主服務(wù)器可承載虛擬桌面操作系統(tǒng)的容量P，其中宿主服務(wù)器CPU 資源可承載虛擬桌面操作系統(tǒng)的最大數(shù)量為Pcpu，宿主服務(wù)器內(nèi)存資源可承載虛擬桌面操作系統(tǒng)的最大數(shù)量為Pmem

計(jì)算Pcpu所需的參數(shù)為宿主服務(wù)器CPU 路數(shù)S，宿主服務(wù)器CPU 核心數(shù)／線程數(shù)C，宿主服務(wù)器CPU 時(shí)鐘頻率H。桌面虛擬化系統(tǒng)CPU 保護(hù)系數(shù)α和單臺(tái)虛擬化桌面操作系統(tǒng)對(duì)CPU 的需求β是兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

計(jì)算Pmem所需的參數(shù)為宿主服務(wù)器內(nèi)存總量M。桌面虛擬化系統(tǒng)內(nèi)存保護(hù)系數(shù)γ和單臺(tái)虛擬桌面操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存的需求μ

CPU 保護(hù)系數(shù)α和內(nèi)存保護(hù)系數(shù)γ為虛擬化平臺(tái)運(yùn)行消耗、計(jì)算資源利用巔峰、VDI負(fù)載過(guò)載等留出余量，其單位為百分比。以VMware ESXi 5.0為例，廠家α系數(shù)的建議值為10%—25%，γ系數(shù)的建議值為6%－15%。

在目前企業(yè)網(wǎng)環(huán)境下，虛擬桌面操作系統(tǒng)以微軟Windows XP和Windows 7為主。根據(jù)廠商的技術(shù)文檔，可確定通用用戶桌面操作系統(tǒng)（Windows XP和Windows 7）的單臺(tái)虛擬化桌面操作系統(tǒng)對(duì)CPU 的需求β和對(duì)內(nèi)存的需求μ的經(jīng)驗(yàn)值見(jiàn)表1。

表1 不同用戶類型的β和μ經(jīng)驗(yàn)值

式（1）～式（3）給出了VDI計(jì)算資源性能和容量的理論評(píng)估公式，然而實(shí)際VDI服務(wù)器系統(tǒng)的負(fù)載能力還需要根據(jù)用戶桌面負(fù)載、硬件系統(tǒng)部署的具體情況進(jìn)行測(cè)試。以以下測(cè)試系統(tǒng)為例：①宿主服務(wù)器：2 路8 核Intel Xeon E5－2600 主頻2.4GHz內(nèi)存128GB；②虛擬化環(huán)境VMware ESXi 5.1、VMware View 5.1、連接協(xié)議PCoIP；③桌面操作系統(tǒng) 配置：Windows XP 32 位專業(yè)版SP3，1 個(gè) 虛 擬CPU、1GB 虛 擬 內(nèi) 存，Office 2007、Internet Explorer、Adobe Acrobat 9。

通過(guò)評(píng)估公式計(jì)算得出的可承載最大虛擬桌面操作系統(tǒng)數(shù)量見(jiàn)表2。

表2 不同用戶類型的P實(shí)例值

實(shí)際測(cè)試中，對(duì)宿主服務(wù)器的平均CPU 利用率、存儲(chǔ)利用率進(jìn)行測(cè)量。以CPU 負(fù)載為85%的場(chǎng)景為例，測(cè)試結(jié)果與Pcpu評(píng)估公式測(cè)算的偏差為11.5%，與Pmem評(píng)估公式測(cè)算的偏差為10.6%。

測(cè)試環(huán)境下Pcpu和Pmem測(cè)量值如圖2所示。

圖2 測(cè)試環(huán)境下Pcpu和Pmem測(cè)量值

采用式（1）估算虛擬桌面操作系統(tǒng)的容量P 時(shí)，CPU需求β和內(nèi)存需求μ是影響測(cè)算準(zhǔn)確性的重要參數(shù)，需要進(jìn)行測(cè)試校準(zhǔn)。測(cè)試校準(zhǔn)的主要方法是：首先確定用戶類型，并根據(jù)功能需求將用戶歸類和分組；其次是針對(duì)每組用戶桌面操作系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，設(shè)計(jì)若干組CPU 和內(nèi)存配置樣本，進(jìn)行用戶體驗(yàn)測(cè)試；最終滿足接受準(zhǔn)則的最低CPU和內(nèi)存配置確定該組桌面操作系統(tǒng)的β和μ。

測(cè)試的重點(diǎn)是確定接受準(zhǔn)則。特定測(cè)試對(duì)象的接受準(zhǔn)則可能存在較大差異，但是以下接受準(zhǔn)則適用于多數(shù)場(chǎng)景：

（1）常用應(yīng)用軟件打開(kāi)時(shí)間小于5s；

（2）CPU 平均利用率低于80%；

（3）內(nèi)存平均利用率低于70%；

（4）平均IO 延遲小于20ms。

在VDI環(huán)境下，采用內(nèi)存和操作系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)，可提升VDI的承載密度。以VMware ESXi 5.0 和Windows桌面操作系統(tǒng)為例，可利用的優(yōu)化技術(shù)包括：

（1）透明頁(yè)共享（transparent page sharing，TPS）技術(shù)是Hypervisor內(nèi)存頁(yè)面消重技術(shù)，適用于多臺(tái)虛擬機(jī)運(yùn)行相同OS的場(chǎng)景；

（2）內(nèi)存氣球（ballooning）技術(shù)可動(dòng)態(tài)回收虛擬機(jī)占用的閑置內(nèi)存，當(dāng)VDI承載密度較大時(shí)，可有效提升物理內(nèi)存的利用率；

（3）對(duì)Windows桌面操作系統(tǒng)的性能優(yōu)化可有效降低Windows對(duì)CPU 的需求。例如：在 “視覺(jué)效果”中啟用“最佳性能調(diào)整”選項(xiàng)、關(guān)閉休眠、禁用不必要的設(shè)備、禁用Windows頁(yè)交換、禁用磁盤碎片整理、優(yōu)化自動(dòng)更新策略、刪除桌面背景、禁用索引服務(wù)等。

3 存儲(chǔ)資源性能和容量設(shè)計(jì)

VDI架構(gòu)中，存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能是決定VDI性能的關(guān)鍵，其中關(guān)鍵度量因素包括IOPS和容量。

以下評(píng)估公式分別用于計(jì)算VDI系統(tǒng)存儲(chǔ)IOPS和存儲(chǔ)容量S。其中單個(gè)虛擬桌面操作系統(tǒng)所需的IOPS為IOPSos，用戶個(gè)人業(yè)務(wù)文件所需的IOPS為IOPSdata，虛擬化平臺(tái)所需的IOPS為IOPShyper。單個(gè)虛擬桌面操作系統(tǒng)所需的存儲(chǔ)容量為Sos，用戶個(gè)人業(yè)務(wù)文件所需的存儲(chǔ)容量為Sdata

以Windows XP和Windows 7為例，IOPSos、IOPSdata、IOPShyper和Sos的經(jīng)驗(yàn)值見(jiàn)表3。

表3 存儲(chǔ)估算公式的變量參考值

以以下企業(yè)網(wǎng)VDI系統(tǒng)為例：

（1）100用戶；

（2）以辦公和文字處理為主；

（3）操作系統(tǒng)為Windows 7專業(yè)版；

（4）用戶平均個(gè)人業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)配額為20GB。

可通過(guò)以上評(píng)估公式測(cè)算出該VDI系統(tǒng)的IOPS和容量指標(biāo)分別為：1600IOPS和5TB。存儲(chǔ)性能和容量指標(biāo)可為存儲(chǔ)系統(tǒng)的配置設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

以上評(píng)估公式給出了VDI存儲(chǔ)資源性能和容量的通用測(cè)算方法，實(shí)際中還需注意IOPS的測(cè)算僅針對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行和用戶正常使用的情況，不能應(yīng)對(duì)VDI啟動(dòng)風(fēng)暴、登錄風(fēng)暴、掃描風(fēng)暴、備份風(fēng)暴。因此在VDI系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)中，還需要設(shè)定運(yùn)行策略規(guī)避以上極端情況的出現(xiàn)。

在VDI環(huán)境下，通過(guò)存儲(chǔ)優(yōu)化技術(shù)可提升VDI的存儲(chǔ)承載容量和IO 性能、降低成本：

（1）通過(guò)SSD 或DRAM 存儲(chǔ)緩存技術(shù)，提高存儲(chǔ)IOPS；

（2）利用存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)占位（data footprint）優(yōu)化技術(shù)可有效地縮減虛擬桌面對(duì)存儲(chǔ)空間的消耗。當(dāng)大規(guī)模部署VDI時(shí)，重復(fù)數(shù)據(jù)刪除、自動(dòng)精簡(jiǎn)配置是非常必要的配置。重復(fù)數(shù)據(jù)刪除與連接克隆技術(shù)結(jié)合還可提升VDI數(shù)據(jù)的IO性能；

（3）存儲(chǔ)系統(tǒng)高密度承載虛擬機(jī)時(shí)，應(yīng)采用虛擬機(jī)分區(qū)對(duì)齊（partition alignment）技術(shù)。分區(qū)對(duì)齊技術(shù)可將虛擬機(jī)的分區(qū)與存儲(chǔ)分區(qū)邊界對(duì)齊，可有效降低IO 讀寫次數(shù)，進(jìn)而降低IO 延遲、提升存儲(chǔ)IOPS和吞吐量；

（4）采用鏡像動(dòng)態(tài)組裝技術(shù)、連接克隆技術(shù)，可令每組相同配置的用戶組擁有共享一個(gè)操作系統(tǒng)鏡像，可大大縮減用戶桌面操作系統(tǒng)占用的存儲(chǔ)空間；

（5）通過(guò)文件重定向技術(shù)、NAS集中存儲(chǔ)技術(shù)，將用戶配置文件（Windows profile data）、臨時(shí)文件、用戶數(shù)據(jù)與Windows系統(tǒng)盤分離，也可提升整個(gè)系統(tǒng)的存儲(chǔ)性能。

以下是實(shí)際場(chǎng)景的一組實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)。在存儲(chǔ)IO 優(yōu)化前，存儲(chǔ)性能數(shù)據(jù)與評(píng)估公式測(cè)算的偏差為5.6%，啟用了SSD緩存和分區(qū)對(duì)齊優(yōu)化后，存儲(chǔ)的IOPS指標(biāo)提升了35%。

測(cè)試環(huán)境下IOPS測(cè)量值如圖3所示。

圖3 測(cè)試環(huán)境下IOPS測(cè)量值

4 網(wǎng)絡(luò)帶寬測(cè)算和設(shè)計(jì)

在廣泛采用百兆和千兆以太網(wǎng)技術(shù)的局域網(wǎng)環(huán)境下，VDI系統(tǒng)端到端帶寬需求是可以得到充足保障的。但是在需要支持分支機(jī)構(gòu)的企業(yè)網(wǎng)環(huán)境下，必須對(duì)廣域網(wǎng)的帶寬進(jìn)行評(píng)估和測(cè)算。

WAN 帶寬估算公式如下，C代表確定帶寬的廣域網(wǎng)鏈路可承載的并發(fā)虛擬桌面會(huì)話數(shù)，B 代表WAN 鏈路帶寬，X 代表單個(gè)虛擬桌面會(huì)話所需的帶寬

在不同配置和使用場(chǎng)景的VDI系統(tǒng)，X 的變化范圍非常大。影響X 的因素包括：

（1）虛擬桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議，包括：傳輸加密算法、傳輸壓縮算法、顯示渲染實(shí)現(xiàn)方法（服務(wù)器端或瘦客戶端）；

（2）桌面系統(tǒng)配置的應(yīng)用程序，以及用戶的使用方式；

（3）桌面操作系統(tǒng)顯示體驗(yàn)配置；

（4）視頻播放和打印的解決方案。

因此在估算WAN 帶寬能力之前，需先通過(guò)實(shí)際測(cè)試校準(zhǔn)X。測(cè)量X 之前，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求確定用戶種類，再根據(jù)不同用戶類型組，制定完整的測(cè)試環(huán)境配置計(jì)劃，覆蓋影響X 的關(guān)鍵因素以及對(duì)應(yīng)的測(cè)試用例。

以下是在T1鏈路（帶寬為1.544Mbps）PCoIP協(xié)議環(huán)境獲取的典型辦公VDI測(cè)試會(huì)話的流量利用率采樣。如圖4所示。

圖4 T1鏈路VDI會(huì)話的流量利用率樣本

測(cè)試顯示VDI登錄、關(guān)閉應(yīng)用和注銷對(duì)流量消耗較小。啟動(dòng)應(yīng)用、應(yīng)用導(dǎo)致顯示變化較大時(shí)，流量負(fù)荷擊中T1帶寬上限。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可得出以下一組X參數(shù)測(cè)量值見(jiàn)表4。

表4 一組X 參數(shù)的測(cè)量值

VDI系統(tǒng)WAN 帶寬優(yōu)化設(shè)計(jì)可圍繞影響X 參數(shù)的因素開(kāi)展：

（1）VDI傳輸協(xié)議的選擇；

（2）Windows桌面操作系統(tǒng)的顯示體驗(yàn)配置優(yōu)化，包括：分辨率、色深度、基于最佳性能的視覺(jué)效果配置；

（3）通過(guò)廣域網(wǎng)加速系統(tǒng)提升VDI打印的網(wǎng)絡(luò)性能；

（4）通過(guò)廣域網(wǎng)QoS保障視頻播放效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

VDI的架構(gòu)要求數(shù)據(jù)中心IT 基礎(chǔ)架構(gòu)具備足夠的性能和容量。通過(guò)對(duì)VDI性能因素的分析，提出了VDI基礎(chǔ)架構(gòu)關(guān)鍵性能和容量指標(biāo)的承載能力測(cè)算方法，進(jìn)而可確定關(guān)鍵設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和規(guī)格。該測(cè)算方法適用于初步設(shè)計(jì)階段對(duì)IT 基礎(chǔ)架構(gòu)的性能和容量的測(cè)算和設(shè)計(jì)，模型和算法簡(jiǎn)潔，對(duì)測(cè)試環(huán)境和測(cè)試工具的要求不高，便于工程應(yīng)用。考慮到VDI系統(tǒng)及其影響其性能因素的復(fù)雜性，在工程實(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)和使用場(chǎng)景，對(duì)不同用戶類型進(jìn)行分組驗(yàn)證測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果校準(zhǔn)參數(shù)，利用估算公式準(zhǔn)確量化系統(tǒng)的性能設(shè)計(jì)指標(biāo)。

［1］Andrzej Kochut.Power and performance modeling of virtualized desktop systems［C］／／IEEE International Symposium on MASCOTS，2009.

［2］HUAI Jinpeng.Research and design on hypervisor based virtual computing environment［J］.Journal of Software，2007，18 （8）：2016－2026 （in Chinese）.［懷進(jìn)鵬.基于虛擬機(jī)的虛擬計(jì)算環(huán)境研究 與設(shè)計(jì) ［J］.軟件學(xué)報(bào)，2007，18 （8）：2016－2026.］

［3］ZHENG Zhiyun.Multi－goal load balancing research in virtual environment［J］.Computer Engineering and Design，2012，33 （11）：4200－4203 （in Chinese）. ［鄭志蘊(yùn).虛擬化環(huán)境中多目標(biāo)負(fù)載均衡的研究 ［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2012，33（11）：4200－4203.］

［4］Workload considerations for virtual desktop reference architectures info guide［EB／OL］.［2012－08－21］.http：／／vmware.com／files／pdf／VMware－WP－WorkloadConsiderations－WP－EN.pdf.

［5］Cisco virtual workspace（VXI）smart solution 2.7［EB／OL］.［2013－05－11］.http：／／www.cisco.com／en／US／docs／solutions／Enterprise／Data＿Center／VXI／AG／VXI＿AG.pdf.

［6］YANG Linfeng.Research on the performance of network virtualization in XEN ［J］.Microcomputer Applications，2009，25 （10）：11－13 （in Chinese）.［楊林鳳.面向XEN 網(wǎng)絡(luò)虛擬化的性能研究 ［J］.微型電腦應(yīng)用，2009，25 （10）：11－13.］

［7］Andrea Chierici.Increasing performance in KVM virtualization within a Tier－1environment［J］.Journal of Physics：Conference Series，2012，396 （13）：1－12.

［8］Federico Calzolari.High availability using virtualization ［J］.Journal of Physics：Conference Series，2010，219 （5）：1－10.

［9］Seungpyo Hong.Efficient and flexible 3Dvirtual desktop system in the windows environment［J］.Journal of Measurement Science and Instrumentation，2010，1 （Suppl.）：178－181.

［10］Virtualization best practices［EB／OL］.［2013－05－11］.http：／／publib.boulder.ibm.com／infocenter／lnxinfo／v3r0m0／topic／liaat／liaatbestpractices pdf.pdf.