李輝 涂勝倩 楊靜

摘要：應(yīng)用型本科院校招生規(guī)模增加、計(jì)算機(jī)相關(guān)課程增多，但現(xiàn)有機(jī)房的日常建設(shè)與管理模式均存在諸多問題，很難滿足當(dāng)前教學(xué)及相關(guān)實(shí)訓(xùn)的需求。隨著云計(jì)算和虛擬化技術(shù)的普及，機(jī)房數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)集中化管理，便于集中部署與教學(xué)相關(guān)的桌面環(huán)境，為應(yīng)用型本科院校機(jī)房帶來新的技術(shù)架構(gòu)和管理模式。通過研究傳統(tǒng)機(jī)房建設(shè)和運(yùn)維管理現(xiàn)狀，結(jié)合學(xué)校的實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)并建立不同架構(gòu)融合的新虛擬桌面云平臺(tái)，達(dá)到對應(yīng)用型本科院校云機(jī)房統(tǒng)一管理的目的。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算;虛擬化;云桌面;云機(jī)房

中圖分類號(hào)：TP391? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）33-0034-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

作為承擔(dān)應(yīng)用型本科院校不同專業(yè)實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)課程的重要場所，計(jì)算機(jī)機(jī)房對資源共享、資源分配、數(shù)據(jù)安全、軟硬件更新等提出更高的要求。而傳統(tǒng)機(jī)房主要存在不同批次電腦間硬件不統(tǒng)一、系統(tǒng)升級(jí)與更新頻繁、后期硬件擴(kuò)容成本高等問題[1-2]。云機(jī)房，其技術(shù)支撐為桌面虛擬化技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)是以云計(jì)算為中心加以虛擬化技術(shù)融合搭建而成，通過資源的統(tǒng)一集中部署，改變了過去獨(dú)立、冗散的系統(tǒng)環(huán)境[3-5]。利用集群式服務(wù)器的優(yōu)化架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)體硬件或操作系統(tǒng)的虛擬化，節(jié)省物理空間，并將硬件資源進(jìn)行有效資源分配與共享，即可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一高效管理[6-7]。從現(xiàn)有的運(yùn)行情況來看，虛擬桌面云平臺(tái)能夠提高機(jī)房軟硬件資源的利用率與系統(tǒng)的可靠性、可擴(kuò)展性[8]。如何建立優(yōu)化的虛擬桌面云平臺(tái)架構(gòu)、提高資源利用率及減輕維護(hù)工作任務(wù)量，并保障云機(jī)房運(yùn)行的穩(wěn)定性，已成為應(yīng)用型本科院校云機(jī)房普遍面臨的難題。

1 應(yīng)用型本科院校機(jī)房建設(shè)與管理的現(xiàn)狀分析

20世紀(jì)80年代末，隨著計(jì)算機(jī)專業(yè)的普及，各大高校開始配置機(jī)房，早期的機(jī)房通常由十多臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行的計(jì)算機(jī)組成，大部分機(jī)房管理缺少專業(yè)的計(jì)算機(jī)機(jī)房維護(hù)人員，機(jī)房運(yùn)行故障率高。到了二十一世紀(jì)初，維護(hù)管理制度趨于完善，加之高性能的中央服務(wù)器大量應(yīng)用，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的中心機(jī)房開始在高校中普及[9]。此時(shí)，機(jī)房的建設(shè)與管理仍然存在諸多問題：（1）硬件建設(shè)與管理方面：由于日常消耗帶來機(jī)房的擴(kuò)建和維修，不同批次的硬件設(shè)備之間品牌、型號(hào)和性能差異很大，造成了硬件配置標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，管理維護(hù)困難;每臺(tái)計(jì)算機(jī)都包含CPU、內(nèi)存、硬盤、顯卡等設(shè)備，整體電源能耗大，還需額外配備專業(yè)電源管理人員，加重管理負(fù)擔(dān)。（2）機(jī)房軟件建設(shè)與管理方面：大部分專業(yè)軟件授權(quán)費(fèi)用高，且需要綁定終端硬件，需要逐臺(tái)激活，增加管理人員的負(fù)擔(dān);校園計(jì)算機(jī)病毒泛濫，并可借助校園網(wǎng)大面積擴(kuò)散，短時(shí)間內(nèi)很難進(jìn)行保障教學(xué)正常;現(xiàn)有的機(jī)房管理軟件一般只能通過廣播的方式實(shí)現(xiàn)教學(xué)演示，教學(xué)方式單一、教學(xué)效果差，無法有效實(shí)現(xiàn)課堂上師生互動(dòng)。

總的來說，相對于機(jī)房建設(shè)，機(jī)房管理的重要性逐漸凸顯出來，計(jì)算機(jī)通識(shí)教學(xué)成為幾乎所有專業(yè)的必修課程，致使機(jī)房每天的使用頻率非常高，如何有效部署應(yīng)用軟件的批量升級(jí)及學(xué)生端的遠(yuǎn)程控制以減輕機(jī)房維護(hù)人員的工作任務(wù)量，同時(shí)如何有效隔絕計(jì)算機(jī)病毒或網(wǎng)絡(luò)攻擊以防止重要數(shù)據(jù)的損失。系統(tǒng)還原軟硬件與遠(yuǎn)程控制軟件應(yīng)運(yùn)而生，使得機(jī)房建設(shè)與管理走向正規(guī)化、專業(yè)化及規(guī)范化。移植于網(wǎng)吧機(jī)房的無盤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端的統(tǒng)一部署和管理，計(jì)算機(jī)每次重啟后即可恢復(fù)到初始狀態(tài)。但無盤系統(tǒng)的終端計(jì)算機(jī)僅是無須安裝硬盤，并且限于同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行部署，仍存在安裝方法復(fù)雜、系統(tǒng)穩(wěn)定性差、不支持透過Internet遠(yuǎn)程控制啟動(dòng)、客戶端無法保存數(shù)據(jù)等問題[10]。

隨著計(jì)算機(jī)寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和桌面虛擬化相關(guān)開源技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，國內(nèi)很多高校紛紛采用虛擬桌面云平臺(tái)來組建云機(jī)房。在虛擬桌面云平臺(tái)中，云計(jì)算實(shí)質(zhì)上為利用分布式計(jì)算的分配與共享特性，完美結(jié)合進(jìn)程式的虛擬化技術(shù)，并依托于網(wǎng)絡(luò)匯聚交換后的計(jì)算機(jī)資源池，在后臺(tái)服務(wù)器將實(shí)體硬件的資源抽象化處理，從而得到多個(gè)本地化的相互獨(dú)立虛擬資源，實(shí)現(xiàn)處理器、顯卡、內(nèi)存、硬盤等實(shí)體硬件的虛擬化，滿足本地使用時(shí)大量數(shù)據(jù)高并發(fā)交互環(huán)境的需求。虛擬桌面云平臺(tái)使云機(jī)房具有較好的優(yōu)勢：（1）云桌面全部放置于后臺(tái)服務(wù)器中，前端不占用任何性能資源，如：統(tǒng)一配置網(wǎng)絡(luò)地址、配置云桌面參數(shù)、更新等，且只需要對后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行維護(hù)即可，有效解決管理維護(hù)問題;（2）云桌面的鏡像之間相互隔離，各個(gè)獨(dú)立鏡像的配置之間實(shí)時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度，只需利用后臺(tái)服務(wù)器即可完成，且后臺(tái)服務(wù)器可通過統(tǒng)一終端進(jìn)行升級(jí)管理;（3）云桌面終端投入成本低，功耗低，整體設(shè)備更新周期為8-10年，有效降低了整體擁有成本;（4）云桌面可將遺存在本地的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一加密存儲(chǔ)，利用終端接口的權(quán)限來進(jìn)行訪問認(rèn)證。

主流的虛擬桌面云平臺(tái)的框架有四種，包括RDS、IDV、VOI及VDI等，但均存在諸多問題：前兩者雖可離線使用，但軟件支持力度差，需針對數(shù)據(jù)庫資源進(jìn)行獨(dú)立安全性防護(hù)，且造價(jià)成本高;后兩者則比較耗網(wǎng)絡(luò)資源，傳輸文件過大容易造成網(wǎng)絡(luò)堵塞，極易致使服務(wù)器負(fù)載太大而出現(xiàn)故障，最終導(dǎo)致所有學(xué)生端癱瘓無法使用。此外，部分虛擬桌面云平臺(tái)由于集中在后端服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算，致使終端無法流暢運(yùn)行大型3D軟件及播放高清影像。

2 基于VOI和VDI框架融合的云機(jī)房建設(shè)

當(dāng)前，雖有利用四種框架進(jìn)行融合設(shè)計(jì)的案例，但效果均不理想，體現(xiàn)在無法有效利用現(xiàn)有機(jī)房的硬件資源進(jìn)行部署。因此，結(jié)合VOI和VDI框架的技術(shù)特點(diǎn)，探索兩者之間優(yōu)勢的互補(bǔ)方案，設(shè)計(jì)融合方案及其系統(tǒng)架構(gòu)。

根據(jù)前述需求和技術(shù)特點(diǎn)，確定VOI和VDI框架融合的虛擬桌面云方案，具體如下：

利用集群式架構(gòu)的原理，通過設(shè)置控制節(jié)點(diǎn)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)兩大部分來綜合部署瘦客戶端，便于統(tǒng)一管理。具體來說，控制節(jié)點(diǎn)用于在VDI服務(wù)器中存儲(chǔ)操作鏡像文件，計(jì)算節(jié)點(diǎn)用于在GPU服務(wù)器集群內(nèi)平衡可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的桌面虛擬機(jī)資源，可滿足瘦客戶端內(nèi)三維建模、影片剪輯及VR模擬等實(shí)際教學(xué)需求，同時(shí)可通過交換機(jī)的遠(yuǎn)程登錄，提供虛擬個(gè)人桌面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的軟件數(shù)據(jù)交互處理。

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)架構(gòu)涉及如下，采用現(xiàn)有機(jī)房內(nèi)臺(tái)式電腦，并設(shè)置基于win系統(tǒng)的版本鏡像的存儲(chǔ)，隨后結(jié)合云桌面的遠(yuǎn)程注冊和申請?zhí)攸c(diǎn)，將存儲(chǔ)版本鏡像的臺(tái)式電腦與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端進(jìn)行相連，滿足不同版本鏡像在軟件維持周期內(nèi)的實(shí)時(shí)更新。此外，學(xué)生或教師用戶可通過本地瘦客戶端的安裝操作，只需以密鑰方式登錄，即可實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程云桌面的有效訪問。

結(jié)合圖1來看，臺(tái)式電腦和筆記本電腦上設(shè)置有瘦而客戶端，同時(shí)每個(gè)瘦客戶端獨(dú)立連接VOI服務(wù)器和VDI服務(wù)器，利用云端vGPU+VDI服務(wù)器的部署功能，有效將現(xiàn)有機(jī)房的臺(tái)式電腦進(jìn)行增霸卡式的統(tǒng)一管理。經(jīng)測試，上述設(shè)計(jì)方案可應(yīng)用大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)、電工電子技術(shù)、AUTOCAD建筑設(shè)計(jì)等仿真虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中。

3 總結(jié)

本文結(jié)合現(xiàn)有虛擬桌面云平臺(tái)的優(yōu)劣勢，提出一種新式的融合的架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，其結(jié)合了VOI服務(wù)器、VDI服務(wù)器及GPU服務(wù)器的優(yōu)勢。該方案按照不同的實(shí)驗(yàn)課程要求和終端的特點(diǎn)，部署相應(yīng)的云桌面服務(wù)，與傳統(tǒng)機(jī)房相比，云機(jī)房在建設(shè)成本、管理、運(yùn)維、節(jié)能及資源利用率上具有非常好的優(yōu)勢，VDI+VOI融合實(shí)現(xiàn)了兩種虛擬云桌面平臺(tái)的統(tǒng)一管理，節(jié)省了大量部署教學(xué)環(huán)境的準(zhǔn)備時(shí)間和教學(xué)空間，滿足教師個(gè)性化桌面需求，保障了數(shù)據(jù)的安全性和私密性，為高校云機(jī)房的建設(shè)和管理提供了新思路。

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【通聯(lián)編輯：梁書】