云計算環境下計算機房的建設思考

馬漢達

（江蘇大學 計算機科學與通信工程學院，江蘇 鎮江 212013）

云計算環境下計算機房的建設思考

馬漢達

（江蘇大學 計算機科學與通信工程學院，江蘇 鎮江 212013）

本文根據計算機房的建設現狀，分析了目前計算機的使用壽命和使用效率存在的問題，提出了在云計算環境下使用虛擬化技術，提高計算機使用效益的兩種計算機房建設方案，通過實例說明了云計算模式計算機房建設在成本、使用效益、能源消耗、管理維護上的優越性。

計算機利用率；虛擬化；云計算；PC模式；N Computing；節能

一、高校計算機房建設現狀

計算機房是高校學習計算機的重要場所，主要承擔高校計算機類課程和以計算機為實驗設備的課程的教學工作，計算機作為高校教學設備的典型代表，計算機房的建設已成為學校信息化投資的重要部分，高校每年對計算機的需求量很大，按照目前大多數高校在計算機房建設過程中所采用的PC模式（根據終端數采購相應的PC數），這種模式決定了學校每年必須有很大的投資用于購買計算機。由于計算機技術的發展，《中華人民共和國企業所得稅法實施條例》將電子設備的最低折舊年限由原來的5年改為3年，意味著每隔3～5年，就需要更新一批機器，造成高校用于計算機的投資經費會很大，計算機投資效率比較低，而且PC模式的計算機房建設其能源消耗量也較大，不符合低碳的要求。在低碳時代要將節約能源作為計算機房建設的一個重要的指標。[1]因此，合理選擇計算機房的構建模式，提高計算機機房的使用率是我們必須認真思考的問題。

二、計算機使用情況和利用效率情況

1．計算機使用壽命分析

計算機使用過程經歷性能穩定期、故障多發期、產品淘汰期三個階段，符合梯田曲線。一般來說，一年以內計算機性能比較穩定，兩年后計算機故障較多，經過3～5年的使用，微機的故障率將不斷增加，使微機進入產品淘汰期。一方面由于計算機的不斷發展，對微機的主要產品采用不斷淘汰的策略，維修找不到配件，維護成本高，使其無法維修，不得不淘汰；另一方面微機硬件雖然沒有故障，仍然可以正常開機，但是運行新操作系統和新應用軟件的硬件條件限制導致其運行速度非常緩慢，甚至不能使用。這時雖然電子元器件遠沒有達到它的衰老期，但由于硬件配置不能適應新的軟件要求，使得計算機工作性能變得非常低下，導致了微機的淘汰。因此，計算機淘汰的主要原因是計算機硬件不能滿足軟件發展的需要。那么，如何延長計算機的壽命，達到投資收益最大化，除了加強日常維護，提高使用效率之外，必須在IT技術突飛猛進的情況下考慮計算機房建設方案的合理性。

2．計算機的實際利用效率分析

效率的本質是研究資本的投入與產出之間的比率關系。[2]在計算機房建設中，投入主要是指計算機房建設中所投入的資金，這里不考慮人力成本等其他的投入，產出主要是指能滿足多少學生上機實習任務，可以年機時數來表示。在投入既定的情況下，產出的有用成果越多越有效率；相反，產出一定的情況下，投入越少，效率越高。根據IBM公司的一項調查顯示，設備的平均資源使用率不到20%，[3]也就是說其實很多資源都白白浪費了。就我校的實際情況來看，計算機房的利用率也不能令人滿意。

以我校計算機基礎教學中心和計算機學院專業實驗中心為例，計算機基礎教學中心負責全校計算機基礎教學，計算機學院專業實驗中心負責計算機學院及相關學院計算機課程的上機實驗任務，與其他實驗室相比，兩個實驗室的教學工作量應該說是比較飽滿的。

計算機的利用率可以這樣來計算，假設每臺機器按照每天10小時、每周7天、一年40周、機器完好率95%來計算，計算機基礎教學中心共600臺機器，那么按上述假設， 基礎教學中心可完成機時： 600×10×7×40×0.95=1596000小時，而實際2009年完成教學機時355420機時，2010年完成教學機時341250機時，利用率只有21%左右。再以計算機學院專業實驗中心來說，實驗中心軟件機房共300臺計算機，可完成機時數應達到：300×7×10×40×0.95=798000機時，而實際情況是2009年完成教學機時128750機時，2010年完成教學機時127381機時，實際利用率只有16%左右，其他實驗室的利用率則可見一斑。

現在的計算機房大多采用PC模式，也就是說每個學生一臺PC，擁有自己獨立的一套資源，彼此之間是無法共享資源的。隨著計算機的功能越來越強，很多用戶可能只使用了電腦功能的一小部分，甚至只使用到計算機5%的性能，大量的PC性能被閑置或浪費了，這種PC模式不能很好地發揮計算機的性能。

3．如何提高計算機的利用效率

在過去的幾十年中，計算機由主機時代發展為個人計算機時代，現在云計算的出現，則把計算從個人時代升級為云時代，大部分計算又回到了服務器端，而終端用戶只需要有一個瀏覽器就可以實現目前計算機可以完成的所有任務，并且終端變得輕巧、快捷、經濟和高效。[3]在云時代，通過改變計算機機房建設的模式，可以充分發揮PC強大的性能。

改變計算模式最根本的因素也是成本，而技術是觸發條件。在大型主機的年代之所以采用集中計算，主要是因為主機成本太高，而PC的出現極大地降低了用戶使用成本，互聯網和云計算的出現使得進一步降低成本成為可能，[3]NComputing是云計算模式下的典型產品，它可以充分發揮PC的性能，讓多用戶得以共享同一臺PC。每個用戶均可以各自運行軟件程序，可以擁有各自的文件、設置以及偏好選項，無需額外開銷，也不用另外購買更多的PC。NComputing的解決方案向空閑的PC系統資源提出挑戰，使得多用戶同時分享一臺PC的計算資源，并且有著獨立的操作環境，讓多用戶去分享空閑著的電腦資源。[4]而對于計算機利用率低的問題，可通過制度加以解決，實行計算機中心化，集中采購，集中管理，使計算機在有限的使用時間上得到充分的利用。

三、云計算模式下計算機房建設

通過上述的分析，在傳統的高校計算機房建設中，一般采用的是PC模式，這種模式每臺機器要安裝安全設備如硬盤保護卡或還原卡、殺毒軟件，每臺機器要安裝操作系統及各種應用軟件，而且這種方案還存在PC資源利用率低，布置復雜管理和維護量、使用成本高等缺點。在云計算理念下構建基于云計算的計算機房成為了可能，[4]在建設基于云計算的計算機房時，運用云計算的架構思想，利用虛擬化技術，使用少量的計算機或服務器，統籌規劃，即可建立一個質優價廉、便于管理和維護的計算機房。云計算模式下根據機房規模的大小，計算機房的建設有兩種可選方案。

1．NComputing 的方案

NComputing是云時代的典型產品，其工作原理是將單臺物理主機（PC或服務器）的資源劃分為不同區塊提供給不同的共享用戶，在主機上安裝桌面虛擬化軟件vSpace，各種應用程序和公共資源都放在服務器上，將共享用戶（終端）連接成一個局域網，各用戶通過特殊協議共享服務器上的各種軟硬件資源，包括應用程序、各種資料、CPU資源、內存和硬盤。NComputing虛擬桌面終端只是輸入輸出和顯示的設備，UXP協議則負責管理桌面顯示及遠程鍵盤鼠標操作，每個共享用戶打開終端上的開關即可享用完整的PC 功能，獲得完整的PC環境交互體驗。NComputing的核心終端設備有三個系列，分別L系列、X系列、U系列，它們各有優缺點，可根據不同的需求選擇合適的產品，根據學校的具體要求，可選擇L系列的產品，它可有效地減低維修成本，使用基于以太網連接、用戶數多（一臺安裝Windows XP操作系統的主機最多可以帶10個用戶，而運行著Windows Server的高性能電腦主機或服務器最多支持30個用戶[5]），只要將共享主機升級，所有的共享用戶也將自動享受使用性能的提升，因此，它為用戶提供最佳性能和最低構建成本，是學校計算機房建設的首選產品。表1是使用標準計算機的PC模式和使用NComputing模式的對比。

2．Halsign+NComputing 方案[6]

該方案充分發揮服務器的計算能力，可以在一臺服務器之上，同時讓多用戶操作，并且有著獨立的操作環境。其工作原理是使用基于服務器的虛擬化軟件和桌面虛擬化軟件實現，服務器虛擬化軟件能夠在一個服務器上運行多個異構的操作系統，在每個操作系統下又可將資源劃分為不同的區塊提供給不同的用戶，再通過vSpace虛擬桌面軟件完成。NComputing技術讓多用戶去分享使用PC計算機操作系統，整合比例可達30∶1，而服務器虛擬化技術可將多臺PC計算機整合到一臺服務器上，整合比例按服務器性能可達20∶1。通過上述兩項技術的結合，實現的將是一種乘積效應，極大地簡化桌面管理的難度。

表1標準PC模式與NComputing模式對比

服務器虛擬化軟件可使用VMware Workstation或Halsign TurboGate。VMware是VMware公司設計的專業虛擬機軟件，可以虛擬現有任何操作系統，是全球桌面到數據中心虛擬化解決方案的領導廠商，全球不同規模的客戶依靠VMware來降低成本和運營費用、確保業務持續性、加強安全性并走向綠色。TurboGate是一款由紅山公司開發的PC虛擬化（桌面虛擬化）軟件產品，是當前PC虛擬化的主要產品之一。它獨立于Windows系統，能更加安全可靠地管理計算機。TurboGate通過PC虛擬化技術來改善用戶使用Windows時的體驗。它能有效地管理Windows，通過控制Windows的運行來提供更穩定、安全以及快速的系統災難恢復以及數據加密等功能。[7]

3．建設方案對比

通過上述分析，在高校計算機房的建設中，一般采用的是Halsign+NComputing方案，為了使投資效益最大化，除了在管理制度上計算機中心化以外，可以采用云計算模式下使用虛擬化技術來作為計算機房的建設方案。下面通過一個實際案例，來分析采用服務器虛擬化架構的優越性。某實驗中心需要建100個終端的計算機教學實驗室，考慮基于傳統的PC模式和服務器虛擬化的NComputing模式。（未考慮兩種方案均需要的設備）通過對比這個案例，我們可以發現后者有以下優勢：

一次投入成本低：基于服務器的虛擬化架構，只需要傳統方案65%價格。

表2兩種模式的對比

電力消耗：普通電腦PC消耗200瓦左右電力，100臺 PC將 消耗 100PC×200W=20,000瓦/小 時，NComputing終端一共使用（100臺×5W）+（2臺×500W）=1500瓦/小時，節省90%以上的電力。

設備更新費用低：三年后，使用傳統模式的PC模式，更新則需要100臺PC的價格約40萬元，而使用NComputing則只需更新兩臺服務器的價格4萬元，節省90%的費用。

經過上述分析我們看到，虛擬化桌面終端僅需要極低的成本，就可以實現多名用戶同時共享一臺虛擬化服務器資源。其基于vSpace技術架構的NComputing產品方案通過將桌面環境自物理主機端的創建分發后構成各個虛擬桌面客戶端，并實現操作系統、應用程序和存儲空間的同步共享。

四、結語

在云計算環境下，使用服務器虛擬化技術、桌面虛擬化技術和NComputing的終端為學校計算機房的建設提供了一種新模式，這種模式對于學校來說是一個性價比非常好的選擇，NComputing能夠充分利用PC的性能，讓多位用戶同時享受豐富的個人電腦使用體驗，每位用戶仿佛都擁有自己的個人電腦。使用NComputing虛擬桌面終端方案能夠最大限度地實現集中管理、資源共享，而且NComputing虛擬桌面終端本身是免維護、免升級的，一切軟硬件的維護和升級都只需在服務器端進行。另外，云計算的模式告訴我們，在云計算模式下計算機房的建設成本、使用成本更低，是云時代值得選擇的建設方案。

[1]鄭澤.計算機房建設中的節能應用[J].電腦知識與技術,2010,8(6).

[2]劉竹蓉.基于產業結構的陜西固定資產投資效率研究[D],西北農林科技大學碩士論文,2010.

[3]朱近之.智慧的云計算[M].北京:電子工業出版社,2010.

[4]深圳市寶通志遠科技有限公司.虛擬桌面技術解決方案[EB/OL].http://www.ex-channel.com/.

[5]無錫三革科技有限公司.NComputing企業架構建議書[Z].

[6]北京世紀紅山科技有限公司.基于服務器虛擬化的多用戶計算整體解決方案[Z].

[7]張玉昆.虛擬化對云計算的基礎支撐作用[Z].

[8]陳建新.云計算在數字化微格實驗室建設中的應用探究[J].中國教育信息化，2010(12):19-22.

G482

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1673-8454(2011)17-0068-03

（編輯：金冉）