劉 永,吳 杰,寧玉富,姜 偉

(1.山東青年政治學(xué)院 實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理處,山東 濟(jì)南 250103;2.山東省高校信息安全與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250103)

高校虛擬化桌面實(shí)施研究

劉 永1,吳 杰1,寧玉富2,姜 偉1

(1.山東青年政治學(xué)院 實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理處,山東 濟(jì)南 250103;2.山東省高校信息安全與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250103)

隨著云計(jì)算技術(shù)及其應(yīng)用研究的日益成熟，虛擬化桌面技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展,并受到了政府、企業(yè)以及其他各行業(yè)的廣泛青睞，在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用。采用虛擬化桌面技術(shù)不僅打破了傳統(tǒng)IT行業(yè)的運(yùn)營(yíng)管理模式，還可以不斷提高IT資源利用率、降低IT成本，使得IT管理更加簡(jiǎn)便。目前虛擬化桌面技術(shù)已經(jīng)被高校教育領(lǐng)域所采用，不但降低了IT教育成本，還使得實(shí)驗(yàn)室管理人員可以從繁重的日常管理工作中解脫出來(lái)，集中精力做其他方面的工作。文中從高校實(shí)驗(yàn)室管理角度出發(fā)，介紹了虛擬化桌面的概念及其優(yōu)缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，虛擬化桌面的技術(shù)架構(gòu)以及一種云虛擬化桌面解決方案，希望能夠?yàn)楦咝Ｊ褂锰摂M化桌面技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)代信息化建設(shè)提供借鑒。

云計(jì)算；桌面虛擬化；高校;虛擬化解決方案

0 引 言

近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，個(gè)人計(jì)算機(jī)的使用相當(dāng)普及，并且已經(jīng)成為高校管理、教學(xué)科研不可缺少的工具。但是高校在使用個(gè)人計(jì)算機(jī)過程中也存在著各種問題，主要體現(xiàn)在以下方面：

(1)計(jì)算機(jī)老化迅速[1]。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的快速發(fā)展，大約每隔5年，計(jì)算機(jī)性能就已經(jīng)跟不上操作系統(tǒng)和軟件的要求。如果重新購(gòu)置，需要投入大量資金，并且將來(lái)還要面臨同樣的問題。

(2)維護(hù)困難。多媒體教室、實(shí)驗(yàn)室機(jī)房是主要的教學(xué)場(chǎng)所，經(jīng)常需要安裝各種軟件。管理人員經(jīng)常要根據(jù)教學(xué)需求安裝教學(xué)軟件，并利用還原卡進(jìn)行同傳，有的保護(hù)卡不支持異構(gòu)計(jì)算機(jī)的軟件同傳，增加了安裝軟件的難度，不支持異構(gòu)計(jì)算機(jī)機(jī)房的聯(lián)網(wǎng)管理，維護(hù)起來(lái)不是很方便[2]。

(3)計(jì)算機(jī)病毒難以預(yù)防。雖然目前多媒體教室、實(shí)驗(yàn)室機(jī)房都安裝了還原卡，但是對(duì)于某些病毒還是不能做到徹底預(yù)防。對(duì)于有些作為考試的機(jī)房，一旦中了病毒，將會(huì)影響考試軟件的安裝以及正?？荚嚨?。

隨著云計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，高校信息化建設(shè)也在不斷推進(jìn)中，虛擬化桌面引起了高校的興趣和關(guān)注[3-5]。

1 虛擬化桌面介紹

1.1 什么是虛擬化桌面

虛擬化技術(shù)是云計(jì)算采用的關(guān)鍵技術(shù)之一[6]。虛擬化桌面是在虛擬化技術(shù)的基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生的。所謂虛擬化桌面就是將計(jì)算機(jī)的終端系統(tǒng)(也稱作桌面)進(jìn)行虛擬化，以達(dá)到桌面使用的安全性和靈活性?？梢越柚魏卧O(shè)備，在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間通過網(wǎng)絡(luò)訪問屬于個(gè)人的桌面系統(tǒng)[7]。

實(shí)現(xiàn)桌面虛擬化就要將服務(wù)器虛擬化，通過將數(shù)據(jù)中心服務(wù)器虛擬化，從而生成大量的獨(dú)立桌面操作系統(tǒng)(虛擬桌面)，并將虛擬桌面協(xié)議發(fā)送給終端。終端通過以太網(wǎng)連接到虛擬服務(wù)器上。用戶只需要記住用戶名和密碼及網(wǎng)管信息，就可以通過網(wǎng)絡(luò)登錄到自己的桌面系統(tǒng)進(jìn)行隨時(shí)隨地的操作。因此高校如果使用桌面虛擬化技術(shù)會(huì)使實(shí)驗(yàn)室機(jī)房、多媒體教室等變得更易于集中管理[8]，從而減輕了管理人員的工作負(fù)擔(dān)，使得管理人員有更多的精力從事其他方面的工作。

1.2 使用虛擬化桌面的優(yōu)缺點(diǎn)

由于實(shí)驗(yàn)室機(jī)房是教學(xué)的主要場(chǎng)所，因此這里主要針對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室機(jī)房來(lái)具體分析使用虛擬化桌面的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

1.2.1 優(yōu) 點(diǎn)

(1)終端配置簡(jiǎn)單。虛擬化數(shù)據(jù)中心建成后，在實(shí)驗(yàn)室機(jī)房、多媒體實(shí)驗(yàn)室等不再使用主機(jī)，而是只需要一個(gè)顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、瘦終端就可以進(jìn)行教學(xué)。

(2)升級(jí)方便。如果實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)配置過時(shí)，不能滿足當(dāng)前教學(xué)需求，也無(wú)需購(gòu)置新的計(jì)算機(jī)，只需要升級(jí)數(shù)據(jù)中心里的服務(wù)器硬件或增加服務(wù)器數(shù)量就可以了。

(3)便于維護(hù)。管理人員只需維護(hù)數(shù)據(jù)中心里的服務(wù)器，保證其良好運(yùn)行就可以了。負(fù)責(zé)每個(gè)實(shí)驗(yàn)室機(jī)房的老師工作量會(huì)減少很多，可以把精力用到其他方面。

(4)節(jié)約成本。現(xiàn)在計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展迅速，實(shí)驗(yàn)室機(jī)房的計(jì)算機(jī)用不了幾年，就會(huì)面臨淘汰。如果高校再花錢購(gòu)買一批新的，勢(shì)必造成資金上的浪費(fèi)。如果采用虛擬化桌面模式，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室機(jī)房面臨計(jì)算機(jī)硬件升級(jí)時(shí)，只需要升級(jí)服務(wù)器就可以了，資金上得到節(jié)約。在使用成本上，服務(wù)器因?yàn)椴捎锰摂M化技術(shù)，一些不用的虛擬機(jī)會(huì)關(guān)閉，只運(yùn)行需要的虛擬機(jī)，服務(wù)器運(yùn)行上會(huì)省電，從而也會(huì)減少使用成本。在用人成本上[9]，桌面虛擬化模式使實(shí)驗(yàn)室不需要太多管理，給實(shí)驗(yàn)室管理人員減輕了不少壓力，學(xué)校可以減少管理人員的數(shù)量，節(jié)約用人成本。

1.2.2 缺 點(diǎn)

(1)不適合使用專業(yè)軟件和特殊軟件(這里主要是針對(duì)VDI(虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu))而言的)。因?yàn)椴捎锰摂M化桌面的云計(jì)算主要是用來(lái)計(jì)算和存儲(chǔ)服務(wù)，因此云計(jì)算數(shù)據(jù)中心里的服務(wù)器顯卡的配置要低一些，不適合運(yùn)行像Photoshop、3D Max這樣的專業(yè)軟件。只適合運(yùn)行像MS Office(Microsoft Office，微軟辦公軟件)等對(duì)顯卡要求不高的軟件。因此使用桌面虛擬化，比較適合學(xué)校公共課的教學(xué)。對(duì)于有特殊軟件需求的專業(yè)，還要再建設(shè)專門的實(shí)驗(yàn)室機(jī)房，用于教學(xué)。

(2)不適合某些特殊考試的要求。虛擬化桌面這種模式不適用于如全國(guó)計(jì)算機(jī)等級(jí)考試、計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)考試等的要求，必須要建立單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)室PC機(jī)房才可以滿足考試要求。

(3)其他要解決的問題[10]。例如，遠(yuǎn)程桌面托管、遠(yuǎn)程托管專用虛擬桌面、遠(yuǎn)程虛擬應(yīng)用程序、本地虛擬應(yīng)用程序及本地虛擬操作系統(tǒng)等虛擬化桌面存在著各種問題；另外還有對(duì)虛擬化桌面終端硬件的支持問題，對(duì)服務(wù)器硬件、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)過度依賴的問題以及數(shù)據(jù)的安全性問題等。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前桌面虛擬化廠商，國(guó)外主要有：VMware、思杰(Citrix)、微軟。國(guó)內(nèi)主要有：華三[11]、和信[12]。

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

2.1.1 VMware

VMware桌面虛擬化產(chǎn)品主要面向個(gè)人用戶和企業(yè)桌面。包括VMware View，VMware Fusion,VM-ware Workstation等。VMware View在數(shù)據(jù)中心集中保存了所有用戶的個(gè)性化桌面，通過網(wǎng)絡(luò)終端提供虛擬化桌面[13]。目前，VMware最新產(chǎn)品是VMware View 5。VMware View 5無(wú)需專門的顯卡或客戶端設(shè)備就可以在虛擬桌面中支持基本3D應(yīng)用程序，例如Office 2010或者需要Direct X的應(yīng)用程序。并且采用PCoIP遠(yuǎn)程傳輸協(xié)議，可以通過LAN(Local Area Network，局域網(wǎng))或WAN(Wide Area Network，廣域網(wǎng))為用戶提供高可靠性、高可用性、高安全性、高可擴(kuò)展性的虛擬桌面體驗(yàn)。

2.1.2 思 杰

思杰的主要虛擬化桌面產(chǎn)品是Xen Desktop。用戶只要通過Xen Desktop的終端設(shè)備就可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器端的個(gè)性化桌面系統(tǒng)，就如同在本地使用物理機(jī)一樣。目前Xen Desktop最新版本是Xen Desktop 3。Xen Desktop采用ICA(Independent Computing Architecture，獨(dú)立計(jì)算體系架構(gòu))網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并且采用開放式架構(gòu)，能夠支持各種虛擬化平臺(tái)和終端設(shè)備。不同于其他桌面解決方案，Xen Desktop可以使用單個(gè)鏡像在數(shù)據(jù)中心或通過終端設(shè)備將個(gè)性化桌面交付給虛擬設(shè)備和物理設(shè)備，通過內(nèi)置的性能監(jiān)控工具進(jìn)行更換的IT(Information Technology，信息技術(shù))服務(wù)管理。

2.1.3 微 軟

微軟的主要產(chǎn)品是客戶端Virtual PC和服務(wù)器端Virtual Desktop兩類產(chǎn)品，采用RDP桌面虛擬化傳輸協(xié)議。虛擬桌面的客戶OS操作系統(tǒng)運(yùn)行在一個(gè)基于服務(wù)器的虛擬機(jī)環(huán)境中，通過網(wǎng)絡(luò)與用戶交互。微軟虛擬化桌面后端服務(wù)器采用Hyper-V架構(gòu)，用來(lái)提供單個(gè)虛擬機(jī)或虛擬計(jì)算機(jī)池，前端的PC機(jī)更多的是采用基于會(huì)話的桌面形式呈現(xiàn)給用戶，并且為用戶提供能夠使用的遠(yuǎn)程應(yīng)用程序[14]。微軟以其優(yōu)越的Windows操作系統(tǒng)和Windows server服務(wù)器在桌面虛擬化領(lǐng)域中占有一席之地。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

2.2.1 華 三

華三的桌面虛擬化解決方案主要是H3C零存儲(chǔ)解決方案。它最大的特色是將計(jì)算服務(wù)器上的硬盤作為云存儲(chǔ)設(shè)備，不需要用戶再單獨(dú)購(gòu)買云存儲(chǔ)設(shè)備，為用戶節(jié)省了成本。

2.2.2 和 信

和信公司在虛擬化桌面產(chǎn)品方面主要推出了“和信虛擬終端管理系統(tǒng)VEsystem”。與傳統(tǒng)的虛擬化桌面設(shè)計(jì)不同，該管理系統(tǒng)的終端對(duì)底層計(jì)算機(jī)硬件資源的利用不再依賴GPU虛擬化和CPU虛擬化技術(shù)，而是直接在I/O層實(shí)現(xiàn)對(duì)物理存儲(chǔ)介質(zhì)的重定向，從而使得虛擬化OS完全工作于硬件之上。當(dāng)終端需要更新軟件時(shí)，僅需在任意一臺(tái)終端上操作就可以完成自動(dòng)同步。并且斷網(wǎng)或硬盤出現(xiàn)故障，終端也能繼續(xù)使用虛擬桌面。該管理系統(tǒng)具有良好的兼容性，可以兼容不同配置的終端計(jì)算機(jī)，能夠創(chuàng)建多平臺(tái)系統(tǒng)環(huán)境，滿足教學(xué)多樣化的需求[15]。

3 虛擬化桌面采用的技術(shù)架構(gòu)

雖然目前市場(chǎng)上虛擬化產(chǎn)品眾多，但它們采用的虛擬化桌面技術(shù)架構(gòu)主要分為兩種：虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)(Virtual Desktop Infrastructure，VDI)和虛擬操作系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)(Virtual OS Infrastructure，VOI)。

3.1 VDI架構(gòu)

VDI是由早期的RDP協(xié)議(Remote Display Protocol)和瘦客戶機(jī)逐漸演變而來(lái)的，其利用服務(wù)器為整個(gè)桌面提供集中化管理，是目前國(guó)外虛擬化廠商VMware、思杰、微軟等極力推薦的模式。但其采用的是瘦終端協(xié)議，因此不適合專業(yè)軟件和特殊軟件的教學(xué)需求。同時(shí)VDI對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的依賴性很強(qiáng)，客戶端必須時(shí)刻保持聯(lián)網(wǎng)才可以工作，因此對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求很高。

圖1給出了思杰公司的VDI解決方案。

圖1 思杰公司的VDI解決方案

3.2 VOI架構(gòu)

相比VDI，VOI正逐漸成為一個(gè)新的桌面虛擬化發(fā)展方向。VOI是使終端和服務(wù)器端共同承擔(dān)計(jì)算需求。它是將云虛擬桌面的終端徹底虛擬化，構(gòu)建一個(gè)虛擬的容器池，然后在這個(gè)容器池上再部署操作系統(tǒng)OS。因?yàn)榻K端已經(jīng)被徹底虛擬化，所以虛擬機(jī)既可以在服務(wù)器端運(yùn)行也可以在終端運(yùn)行。這就減輕了服務(wù)器端的壓力，使得數(shù)據(jù)中心規(guī)?？梢钥s減。VOI模式成功解決了VDI模式的一些困難。

對(duì)于大量的圖形、音頻、視頻等專業(yè)軟件，現(xiàn)在都可以由客戶端來(lái)處理。同時(shí)客戶端承擔(dān)了很大一部分各類運(yùn)算負(fù)擔(dān)，因此不需要實(shí)時(shí)和服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)，只需要在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)聯(lián)網(wǎng)就可以了，這就大大降低了對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的依賴性。VOI模式也可以對(duì)各種外設(shè)進(jìn)行良好的兼容。

結(jié)合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)看，VOI模式很適合專業(yè)軟件的教學(xué)。但缺點(diǎn)就是對(duì)實(shí)驗(yàn)室終端計(jì)算機(jī)的硬件配置要求可能高一些，因此終端的購(gòu)置成本會(huì)高一些。在國(guó)內(nèi)，和信公司最早推出了基于VOI的虛擬終端管理系統(tǒng)。圖2給出了和信公司的VOI解決方案。

圖2 和信公司的VOI解決方案

表1給出了目前市場(chǎng)上熱門虛擬化桌面產(chǎn)品的比較。

表1 虛擬化桌面產(chǎn)品比較

4 一種云虛擬化桌面解決方案

在現(xiàn)有的VDI和VOI基礎(chǔ)架構(gòu)上，華三提出了自己的云虛擬化桌面解決方案—H3C零存儲(chǔ)解決方案。

該方案融合了計(jì)算虛擬化和存儲(chǔ)虛擬化，將計(jì)算和存儲(chǔ)集成到一個(gè)硬件平臺(tái)上，形成可橫向擴(kuò)展的云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)。在這種架構(gòu)上運(yùn)行的虛擬機(jī)不僅能夠支持vMotion、DRS、快照等，而且數(shù)據(jù)不再經(jīng)過復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)傳遞，顯著提高了性能。H3C的最大優(yōu)點(diǎn)是在建立虛擬化數(shù)據(jù)中心的時(shí)候，不再需要單獨(dú)購(gòu)買云計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備，只需利用計(jì)算服務(wù)器上的硬盤就可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，從而降低了購(gòu)置成本。因此高校如果使用該方案可以節(jié)省購(gòu)置云存儲(chǔ)設(shè)備的成本。H3C零存儲(chǔ)架構(gòu)解決方案邏輯架構(gòu)如圖3所示。

該架構(gòu)的基本單元是部署了H3C CAS系統(tǒng)的x86標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器。在提供虛擬計(jì)算資源的同時(shí)，服務(wù)器上的空閑磁盤空間被組織起來(lái)形成一個(gè)統(tǒng)一的虛擬共享存儲(chǔ)池：分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)vStor。vStor在存儲(chǔ)功能上與獨(dú)立共享存儲(chǔ)完全一致，從而為用戶提供了云計(jì)算的存儲(chǔ)功能，用戶無(wú)需再購(gòu)買云計(jì)算存儲(chǔ)設(shè)備。vStor采用無(wú)中心架構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器的角色完全一樣，用戶不需再像傳統(tǒng)分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)那樣管理元數(shù)據(jù)服務(wù)器，而是由系統(tǒng)自動(dòng)管理。

圖3 H3C零存儲(chǔ)解決方案

在計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源擴(kuò)展方面，用戶只需以服務(wù)器為單位進(jìn)行擴(kuò)展，就能實(shí)現(xiàn)計(jì)算與存儲(chǔ)資源的同步擴(kuò)展。新加入的節(jié)點(diǎn)服務(wù)器可以在業(yè)務(wù)不被中斷的情況下，自動(dòng)納入統(tǒng)一虛擬資源池，極大縮短擴(kuò)容部署時(shí)間。H3C具有高可靠、高性能、按需擴(kuò)展、高性價(jià)比、管理簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，這使得高?？梢院芎玫毓芾?、使用虛擬化桌面。

5 結(jié)束語(yǔ)

高校實(shí)施虛擬化桌面可以對(duì)實(shí)驗(yàn)室機(jī)房、多媒體教室等進(jìn)行更方便的管理，降低傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)機(jī)房的運(yùn)行維護(hù)成本，極大提高了計(jì)算機(jī)等設(shè)備使用的安全性[16-19]。當(dāng)前虛擬化桌面廠商提供的虛擬化桌面解決方案各式各樣，同時(shí)又有新的解決方案不斷被推出，高校在實(shí)施虛擬化桌面時(shí)一定要根據(jù)自己的實(shí)際情況，例如根據(jù)建設(shè)成本、實(shí)驗(yàn)室規(guī)模、實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等選擇合適的虛擬化桌面廠商，從而為高校的信息化建設(shè)提供更好的服務(wù)。

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Research on Desktop Virtualization Implementation of Colleges and Universities

LIU Yong1,WU Jie1,NING Yu-fu2,JIANG Wei1

(1.Department of Laboratory Equipment Management,Shandong Youth University of Political Science,Jinan 250103,China;2.Key Laboratory of Information Security and Intelligent Control in Universities of Shandong,Jinan 250103,China)

With cloud computing technology and its application research becoming more mature,desktop virtualization technology has been rapid development,which is favored by the government,enterprises and other industries and is widely used in each domain in the society.The application of desktop virtualization technology not only breaks the traditional operation and management mode of IT industry,but also increasingly improves the utilization rate of resources,and reduces the cost of IT and simplifies the management of IT.The current desktop virtualization technology has been adopted by the colleges and universities,which reduces the cost of IT education and makes the laboratory management personnel free from the heavy daily management work and concentrates on other work.Based on the concrete of college laboratory management,firstly introduced the basic concept of desktop virtualization and the advantages and disadvantages of using it.Then it proposed the research status and the technical architecture of desktop virtualization.At last,a virtual desktop solution was introduced.It hopes to provide reference for college information construction by using desktop virtualization technology.

cloud computing;desktop virtualization;colleges and universities;virtualization solutions

2015-05-11

2015-08-14

時(shí)間：2016-01-26

山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎(jiǎng)勵(lì)基金(BS2010DX032)作者簡(jiǎn)介：劉 永(1985-)，男，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，CCF會(huì)員，研究方向?yàn)樵朴?jì)算、網(wǎng)格計(jì)算；寧玉富，博士，教授，通信作者，研究方向?yàn)橹悄苡?jì)算。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160126.1517.030.html

TP391.9

A

1673-629X(2016)02-0140-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.02.032