韓友前

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學院 實驗實訓管理處，江蘇 徐州 221116）

桌面虛擬化又稱為云桌面，是虛擬化技術(shù)的一個具體應(yīng)用，它將桌面和應(yīng)用進行虛擬化并以服務(wù)的形式交付給用戶，從而實現(xiàn)在任何時間、任何地點都可以遠程訪問個人專屬的桌面環(huán)境[1]。桌面虛擬化將桌面資源集中管理，部署靈活，是計算機實驗室管理的理想解決方案。越來越多的高校嘗試使用桌面虛擬化技術(shù)對機房計算機進行管理和維護，為計算機實驗室管理的規(guī)范化、信息化、智能化進行了有益的探索。

智能桌面虛擬化（intelligent desktop virtualization，IDV）是“集中存儲，集中管理，分布計算”的架構(gòu)模式。服務(wù)器端存儲和管理操作系統(tǒng)鏡像，客戶端負責計算和執(zhí)行[2]。首次部署時客戶端從服務(wù)器下載系統(tǒng)鏡像并緩存至本機磁盤存儲，終端通過虛擬化層運行系統(tǒng)鏡像。由于系統(tǒng)鏡像和虛擬化層都在本地，可以充分利用本機的CPU 和GPU 計算資源，性能接近本地非虛擬計算機，使用習慣和傳統(tǒng)計算機一致。系統(tǒng)可以不依賴服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)離線運行，對服務(wù)器的配置要求不高，一臺普通計算機即可管理數(shù)百臺終端。但由于是虛擬的系統(tǒng)，使用體驗及兼容性和傳統(tǒng)計算機相比稍差。不支持平板、手機等瘦終端設(shè)備，不支持移動辦公。

IDV 計算分布在終端，可以離線使用，適合對終端性能要求較高、圖形計算密集型應(yīng)用場景。

1 基于IDV 架構(gòu)的智能云教室部署

1.1 IDV 的邏輯結(jié)構(gòu)

IDV 是一種計算分布在終端的云桌面架構(gòu)形式，服務(wù)器端保存和管理系統(tǒng)鏡像，終端緩存服務(wù)器推送過來的系統(tǒng)鏡像并在本地虛擬化層運行[3]。

服務(wù)器端由控制臺、數(shù)據(jù)庫、服務(wù)程序等組成。控制臺可以設(shè)置控制策略實現(xiàn)對客戶端桌面和用戶數(shù)據(jù)的管理。數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)鏡像文件、快照文件和用戶數(shù)據(jù)等。后臺服務(wù)主要有負責文件傳輸?shù)腜2P 服務(wù)[4]，負責IP 地址分配的DHCP 服務(wù)以及實現(xiàn)其他功能的一些服務(wù)。

終端是具備計算和數(shù)據(jù)緩存能力的胖終端設(shè)備，通常為臺式機或筆記本電腦等，由物理硬件、虛擬化層、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和用戶數(shù)據(jù)組成。虛擬化層是運行在裸機之上的虛擬機管理程序，負責虛擬桌面的實現(xiàn)，同時虛擬化層還負責獨立于操作系統(tǒng)的用戶管理、策略設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)封裝和解析等，即“帶外管理”。虛擬化層之上就是用戶使用的虛擬機部分。IDV 邏輯架構(gòu)如圖1 所示。

1.2 基于IDV 架構(gòu)的智能云教室部署

智能云教室是基于IDV 架構(gòu)的云桌面管理系統(tǒng)。具有集中管理、高效跨網(wǎng)段部署、多系統(tǒng)快速切換、支持離線運行等諸多優(yōu)點，可以快速構(gòu)建一個安全、穩(wěn)定、智能的云教室管理平臺。

1.2.1 智能云教室部署實例

某高職院校有15 間公共機房共1 000 余臺計算機，采用聯(lián)想EDU 硬盤保護同傳系統(tǒng)管理。其中兩間機房162 臺計算機使用時間較長、老化嚴重，需要更換新機器。由于使用傳統(tǒng)的硬盤保護卡管理維護效率不高，新機器決定采用技術(shù)先進的云桌面進行管理。綜合考慮計算機性能需求、機器品牌、離線運行、經(jīng)費預(yù)算等因素，最終選擇基于IDV 技術(shù)的聯(lián)想智能云教室解決方案。部署環(huán)境如下。

（1）網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。需要部署云桌面的兩間計算機實驗室位于同一樓層，每個房間有81 個機位。機房內(nèi)布線為UTP 六類網(wǎng)線，接入層交換機和匯聚交換機之間通過光纖連接。終端到服務(wù)器之間為千兆局域網(wǎng)。其網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖2 所示。

（2）硬件配置。計算機實驗室主要服務(wù)于建筑類專業(yè)，終端安裝圖形計算密集的建筑信息模型（building information modeling，BIM）類軟件較多，所以需要較高的硬件配置。服務(wù)器的主要作用是鏡像管理，對性能要求不高，一般的入門級服務(wù)器即可勝任。硬件配置見表1。

表1 硬件型號配置

（3）軟件安裝規(guī)劃。機房需要安裝的軟件和考試客戶端較多，應(yīng)根據(jù)軟件性質(zhì)和服務(wù)專業(yè)提前做好安裝規(guī)劃，避免軟件沖突，同一系統(tǒng)節(jié)點下不宜安裝過多大型軟件。為了穩(wěn)定和安全，各個考試客戶端軟件應(yīng)盡量安裝在純凈的系統(tǒng)中。軟件配置見表2。

表2 軟件安裝規(guī)劃

1.2.2 云教室部署步驟

智能云教室采用的是客戶機/服務(wù)器架構(gòu)，分為服務(wù)器和客戶端兩部分，重點是基礎(chǔ)鏡像的制作，云教室的部署主要分為以下6 個步驟[5]。

（1）服務(wù)器端安裝。服務(wù)器安裝微軟Windows Server 12 操作系統(tǒng)，設(shè)置靜態(tài)IP 地址，安裝智能云教室服務(wù)端。

（2）基礎(chǔ)鏡像制作?；A(chǔ)鏡像是虛擬機操作系統(tǒng)鏡像，它是生成用戶操作系統(tǒng)的模板。選擇任意一臺終端計算機作為樣機，安裝Windows10 操作系統(tǒng)和Office、WinRAR、PDF 閱讀器等常用軟件。安裝云教室客戶端將系統(tǒng)虛擬化，通過控制臺分別上傳系統(tǒng)分區(qū)和數(shù)據(jù)分區(qū)到服務(wù)器，完成基礎(chǔ)鏡像制作。

（3）建立虛擬磁盤。虛擬磁盤是客戶端云桌面系統(tǒng)的存儲載體，通過控制臺創(chuàng)建虛擬磁盤，設(shè)置磁盤名稱和空間大小，虛擬磁盤容量應(yīng)小于或等于客戶端物理硬盤，通過對虛擬磁盤的屬性設(shè)置可以實現(xiàn)對客戶端硬盤的統(tǒng)一管理。

（4）創(chuàng)建操作系統(tǒng)。先創(chuàng)建系統(tǒng)快照，在控制臺創(chuàng)建系統(tǒng)根快照，然后引用該快照，在虛擬磁盤上創(chuàng)建操作系統(tǒng)，多系統(tǒng)的創(chuàng)建可以重復(fù)上述步驟。

（5）分組管理。在控制臺分組管理界面創(chuàng)建分組，設(shè)置本組終端引用的虛擬磁盤，IP 起始地址、計算機名等屬性完成分組創(chuàng)建。服務(wù)器端開啟部署服務(wù)，勾選默認分組，完成部署準備工作，等待終端計算機登錄。

（6）客戶端部署。在終端計算機BIOS 中設(shè)置網(wǎng)絡(luò)啟動為第一啟動項，安裝底層系統(tǒng)，計算機重啟后進入系統(tǒng)桌面，服務(wù)器通過P2P 協(xié)議在后臺快速部署數(shù)據(jù)到客戶端。部署流程如圖3 所示。

圖3 智能云教室部署流程

2 云教室應(yīng)用中的問題及優(yōu)化

2.1 存在問題

基于IDV 的智能云教室部署高效、管理靈活，滿足了目前機房軟件復(fù)雜、系統(tǒng)環(huán)境需求多樣和快速部署的需求。然而將IDV 云桌面技術(shù)應(yīng)用于計算機實驗室管理的實踐中還存在一些問題需要解決，例如軟件的易用性、兼容性和保護卡類軟件相比有較大的差距；管理人員需要具備一定的虛擬化和云桌面專業(yè)知識，否則很難發(fā)揮IDV 云桌面的技術(shù)優(yōu)勢；最突出的問題是終端使用體驗欠佳，特別是在機械硬盤和Windows10系統(tǒng)環(huán)境下，終端計算機啟動時間過長，從加電開機到打開軟件需要近10 min；進入桌面后操作卡鈍、系統(tǒng)運行不流暢等。

2.2 問題分析

在運行軟件時，發(fā)現(xiàn)硬盤指示燈頻繁閃爍，查看Windows 任務(wù)管理器“性能”一項，CPU 和內(nèi)存利用率均在合理范圍，而“磁盤處理讀取或?qū)懭胝埱蟮臅r間百分比”一項則經(jīng)常接近100%，因此初步判斷系統(tǒng)運行卡頓的主要原因是由于硬盤頻繁讀寫，I/O 負荷接近飽和造成的。主要原因有以下幾個。

（1）虛擬化造成的性能損耗。虛擬化是將硬件資源進行邏輯化處理的過程，是用軟件模擬硬件的技術(shù)。雖然現(xiàn)在虛擬化技術(shù)已非常成熟，但是無論采用何種虛擬化方案，虛擬的計算機和本地非虛擬計算機相比，都不可避免地造成一定程度上的性能損耗。QEMU（quick emulator）是用軟件虛擬出硬件的一種計算機開源虛擬化技術(shù)，是純軟件實現(xiàn)的硬件模擬，所有的虛擬機指令都需要經(jīng)過QEMU 重新編譯后在物理硬件上執(zhí)行，這樣一方面讓QEMU 具備了跨平臺的通用性，另一方面使得QEMU 的執(zhí)行效率較低[6]。在實際應(yīng)用中QEMU 通常是通過KVM（kernel-based virtual machine）模塊加速后使用，KVM 是硬件輔助的虛擬化技術(shù)，它集成在Linux 內(nèi)核中，執(zhí)行速度快、效率高，KVM 主要負責高速計算的CPU 和內(nèi)存的虛擬化，而硬盤、網(wǎng)卡、顯卡等I/O 設(shè)備的虛擬化則由QEMU負責完成。智能云教室終端采用的是KVM-QEMU 虛擬化技術(shù)方案，架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 KVM-QEMU 架構(gòu)

（2）文件索引沖突。由IDV 云桌面的架構(gòu)原理可知，IDV 云桌面數(shù)據(jù)是分層結(jié)構(gòu)，由基礎(chǔ)鏡像、用戶程序、用戶數(shù)據(jù)3 層組成[7]。為了標識用戶產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件，IDV 底層文件系統(tǒng)監(jiān)控進程需要不停地對增量數(shù)據(jù)進行索引，這些變化的數(shù)據(jù)會根據(jù)差異同步Rsync 算法去重、加密、壓縮后同步到服務(wù)器存儲[8]。而SysMain、Windows Search、Windows Defender 等系統(tǒng)服務(wù)進程也同時會對變化的數(shù)據(jù)進行跟蹤索引，這些進程同時對文件進行索引就會引起沖突，造成磁盤頻繁的讀寫，使終端系統(tǒng)運行緩慢，反應(yīng)遲鈍。

（3）過多快照影響系統(tǒng)性能。在已部署系統(tǒng)的終端安裝新軟件并上傳到服務(wù)器時，在當前系統(tǒng)快照下會自動生成一個新的數(shù)據(jù)增量子快照，其他終端開機時會自動同步增量數(shù)據(jù)，此時終端系統(tǒng)數(shù)據(jù)由基礎(chǔ)鏡像數(shù)據(jù)和增量數(shù)據(jù)組成?？煺盏氖褂媒o不同操作系統(tǒng)環(huán)境之間的切換帶來了便利，但如果增量快照節(jié)點數(shù)量過多，當系統(tǒng)有讀寫請求時就會在基礎(chǔ)鏡像和多個快照之間來回檢索，從而延遲系統(tǒng)的響應(yīng)時間，導致系統(tǒng)運行變慢[9]。

（4）加載虛擬化層延長啟動時間。IDV 終端啟動（從加電開機，到系統(tǒng)能正常使用）較慢主要原因是終端開機啟動包括兩個過程，一個是虛擬化層Linux系統(tǒng)的啟動，另一個就是用戶使用的Windows 虛擬系統(tǒng)的啟動[10]。另外使用未優(yōu)化的Windows10 系統(tǒng)啟動時會加載大量后臺服務(wù)和程序，同時終端系統(tǒng)鏡像數(shù)據(jù)還需要和服務(wù)器端鏡像數(shù)據(jù)進行比對以確認是否有新的增量數(shù)據(jù)需要部署，使得開機進入桌面后3~4 min內(nèi)磁盤占有率一直處于接近100%狀態(tài)，這段時間內(nèi)用戶是無法操作的。

（5）Windows10 啟動后臺服務(wù)過多。Windows10操作系統(tǒng)啟動時有許多服務(wù)進程和用戶程序在后臺運行，如超級預(yù)讀服務(wù)SysMain、微軟智能助理Cortana、文件索引Windows Search、微軟云存儲服務(wù)OneDrive、殺毒軟件Windows Defender 等，這些服務(wù)和程序在系統(tǒng)啟動時加載到內(nèi)存，占用較多的系統(tǒng)資源，延長了系統(tǒng)啟動時間。

（6）機械硬盤讀寫性能較差。終端硬件配置存在短板，存儲設(shè)備是機械硬盤，讀寫性能較弱。臺式計算機機械硬盤讀寫速度通常只有100 MB/s 左右，而固態(tài)硬盤讀寫速度基本都在500 MB/s 以上。機械硬盤的讀寫速度已經(jīng)成為制約計算機性能發(fā)揮的瓶頸。

2.3 優(yōu)化措施

IDV 終端啟動時間過長，運行卡頓，影響了用戶的使用體驗，不利于IDV 云桌面的推廣和應(yīng)用，必須對其進行優(yōu)化。通過分析IDV 云桌面系統(tǒng)運行緩慢的原因，對造成系統(tǒng)運行卡頓和啟動緩慢的可能因素進行有針對性的優(yōu)化，減少不必要的性能損耗環(huán)節(jié)，可以有效提高系統(tǒng)流暢度，加快系統(tǒng)啟動時間。主要有以下優(yōu)化措施。

（1）優(yōu)化基礎(chǔ)鏡像，減少后臺服務(wù)啟動?；A(chǔ)鏡像是生成終端系統(tǒng)的模板，在安裝樣機時對基礎(chǔ)鏡像系統(tǒng)的后臺服務(wù)和程序進行適當精簡和優(yōu)化，可以提升終端系統(tǒng)的啟動速度和運行效率?？申P(guān)閉對系統(tǒng)性能影響較大而不影響正常使用的一些后臺服務(wù)，例如SysMain、Windows Search、Windows Defender 等服務(wù)進程I/O 操作頻繁，對磁盤性能影響較大，可以禁止開機啟動。有些服務(wù)例如Windows Update、Security Center、Windows Firewall 等無法直接在服務(wù)管理窗口中修改啟動類型，可以通過修改注冊表、組策略或借助第三方優(yōu)化工具予以關(guān)閉。其他提升系統(tǒng)性能的方法還有，關(guān)閉Windows 外觀視覺效果，禁用智能助理Cortana、微軟云存儲服務(wù)OneDrive 以及禁止其他第三方應(yīng)用的開機啟動。

（2）選擇功能簡化的Windows10 LTSC 版本。該版本是微軟提供給企業(yè)用戶使用的功能簡化版Windows10 系統(tǒng)，和其他Windows10 版本相比，僅有安全更新，沒有內(nèi)置Edge 瀏覽器、智能助手Cortana、應(yīng)用商店和任何磁貼程序，后臺服務(wù)啟動極少。使用該版本作為終端系統(tǒng)安全穩(wěn)定，可以有效提高系統(tǒng)運行效率。

（3）將應(yīng)用軟件安裝在基礎(chǔ)鏡像中。在桌面虛擬化系統(tǒng)中，通?；A(chǔ)鏡像使用的是讀寫性能較好的全鏡像模式鏡像格式，而增量文件則使用讀寫性能稍弱的稀疏模式鏡像格式[11]。將軟件安裝在讀寫性能較好基礎(chǔ)鏡像中可以提高軟件啟動速度和運行效率。

（4）減少系統(tǒng)快照的數(shù)量。系統(tǒng)快照數(shù)量過多時，會增加數(shù)據(jù)檢索的時間成本，可以采用合并快照的方法來減少快照數(shù)量，當軟件不多時，盡量將軟件都安裝在基礎(chǔ)鏡像中。

（5）用固態(tài)硬盤替換機械硬盤。部署基于IDV 技術(shù)架構(gòu)的云教室時，由于虛擬化帶來的磁盤I/O 損耗較大，在預(yù)算充足的條件下，建議使用讀寫性能較好的固態(tài)硬盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械硬盤來保證系統(tǒng)運行的流暢度。

2.4 優(yōu)化效果評估

經(jīng)過上述方法優(yōu)化后，終端系統(tǒng)啟動速度明顯加快，軟件操作較為流暢，使用體驗良好。為評估優(yōu)化效果，對系統(tǒng)性能指標進行量化，使用幾款測試軟件對系統(tǒng)優(yōu)化前和優(yōu)化后的性能分別進行測試，重點測試了硬盤的讀寫性能，同時對系統(tǒng)啟動時間和軟件啟動時間進行了記錄。

2.4.1 測試環(huán)境

終端計算機、服務(wù)器及交換機配置見表1，聯(lián)想智能云教室版本為V1.2.18.1101。

優(yōu)化前軟件環(huán)境：操作系統(tǒng)為Windows10 64 位專業(yè)版，保持默認設(shè)置。應(yīng)用軟件安裝Office10 專業(yè)版、AutoCAD2016 教育版、Revit2016 教育版、360 壓縮，Chrome 瀏覽器，極域電子教室客戶端?；A(chǔ)鏡像只安裝Windows10 系統(tǒng)，應(yīng)用軟件分3 次安裝和增量上傳，系統(tǒng)引用根快照下第3 個子快照。

優(yōu)化后軟件環(huán)境：操作系統(tǒng)為Windows 10 LTSC 2019 64 位，應(yīng)用軟件安裝同優(yōu)化前，按照上述優(yōu)化措施優(yōu)化。軟件都安裝在基礎(chǔ)鏡像中，操作系統(tǒng)引用系統(tǒng)鏡像根快照。

2.4.2 測試結(jié)果

測試方法為Windows 進入桌面后靜置5 min 待系統(tǒng)穩(wěn)定后進行測試，測試軟件使用默認設(shè)置，每組數(shù)據(jù)測試3 遍取平均數(shù)，保留兩位小數(shù)。

（1）硬盤讀寫性能測試。CrystalDiskMark 是一款硬盤讀寫性能測試軟件，使用CrystalDiskMark（版本:6.0.1 x64）軟件對優(yōu)化前后系統(tǒng)盤C 盤進行測試，測試結(jié)果見表3、表4。

表3 硬盤讀取測試結(jié)果

表4 硬盤寫入測試結(jié)果

（2）綜合性能測試。魯大師是一款國產(chǎn)計算機系統(tǒng)工具軟件，通過模擬計算機不同使用場景對計算機CPU、內(nèi)存、顯卡和硬盤進行評估測試，最后輸出測試結(jié)果。使用魯大師（版本：5.20.1190）測試結(jié)果見表5。

表5 計算機綜合性能測試結(jié)果

（3）性能基準測試。PCMark10 是一款基于實際應(yīng)用的計算機綜合性能基準測試軟件，它提供基準、快速和擴展3 種測試模式，其中快速模式包括基本功能和生產(chǎn)力兩個測試環(huán)節(jié)。利用PCMark10 基礎(chǔ)版（版本：v1.0.1271）對優(yōu)化前后進行快速模式測試，結(jié)果見表6。

表6 計算機性能基準測試結(jié)果

（4）啟動時間。系統(tǒng)啟動時間記錄方法為在“啟動”文件夾中新建一個文本文件，記錄從按下電源開關(guān)到開機后自動打開文本文件所用的時間。軟件啟動選擇常用的Autodesk CAD2016（局域網(wǎng)授權(quán)）為測試對象，記錄從雙擊程序圖標到顯示程序主界面所用時間。測度結(jié)果見表7。

表7 系統(tǒng)和軟件啟動時間

從測試結(jié)果可以看出終端計算機虛擬化后硬盤性能較差，經(jīng)過優(yōu)化后硬盤讀寫性能、系統(tǒng)和軟件啟動時間都有了較大的提升，優(yōu)化效果顯著。其中CPU、內(nèi)存、顯卡優(yōu)化后性能提升不明顯，主要原因是虛擬化后它們的性能損耗本來就小，所以優(yōu)化后這些硬件性能提升有限。由于條件限制，未能對更換SSD 硬盤后終端性能進行測試。

3 結(jié)語

利用IDV 云桌面技術(shù)部署和管理計算機實驗室，可快速交付各種教學、考試系統(tǒng)環(huán)境，具有穩(wěn)定、高效、靈活的優(yōu)點，滿足計算機實驗室軟件環(huán)境復(fù)雜、管理困難的實際需求，提高了計算機實驗室管理的信息化和智能化水平。對于IDV 云桌面終端系統(tǒng)運行緩慢的問題，可通過多種優(yōu)化措施來提高系統(tǒng)運行的流暢度，從而提升用戶的使用體驗，促進云桌面系統(tǒng)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用和普及。