虛擬化桌面技術在自控基礎架構中的運用展望

胡嘉瑋，呂玉龍，王 彥

(1．上海自來水市北有限公司泰和水廠，上海 201906;2．上海交通大學，上海 200030)

近年來，虛擬化技術在各行各業得到越來越廣泛的使用。虛擬化桌面是指依賴于服務器硬件和軟件的虛擬化，在機房服務器上按需進行，產生的獨立的桌面操作系統(虛擬機或者虛擬桌面)，用戶使用終端設備并通過網絡進行訪問，從而實現各種應用［1］。

自動化控制系統的基礎架構對于保障生產設備的良好穩定運行，保證水廠制水和居民企業的正常用水有著非常重要的作用。由于現有架構在成本、管理以及安全可靠性等多方面存在不足，不能滿足日益增長的對降低各類成本、提高管理效率和穩定容災等方面的需求。

從傳統基礎架構存在高成本、分散管理、低可靠性而虛擬化架構在低成本、集中管理、高安全冗余性等3個方面進行較為詳細的闡述。結合實際情況進行了分析，分別將兩種不同的技術進行了對比。依此說明虛擬化架構比傳統架構所具有的綜合優勢［2］。

1 對比分析

1．1 采購成本分析

目前傳統架構使用的終端是誕生于1981年IBM公司的個人電腦。一臺PC機的性能優劣，可靠性與否，主要取決于主機內部所采用的零件。以DELL Optiplex 3010主機為例，目前市場售價約為3 000元，質保為3年。能滿足日常辦公軟件使用。以12臺計算，采購總價為36 000元。

虛擬化桌面的硬件載體使用的是瘦客戶端，由于操作系統和軟件的運行都交給了更強大的服務器進行計算，因此客戶端主要接收服務器提供的圖像以及終端用戶進行操作的反饋。這樣就決定了瘦客戶端無需像PC主機那樣需要高計算能力與高能耗的設備，因此在設計上可以使用高度集成的計算機芯片與電路，使得各種成本有效地降了下來。以HP瘦客戶機 T510-H2P21AA為例，一般市場售價為1 900元左右，質保3年。若將12臺車間用主機替換為次類設備的話，采購成本僅需22 800元，直接采購成本下降36．6%。比價如表1所示。

表1 PC主機與瘦客戶端采購比價Tab．1 Price Comparison of PC Host and Thin Client

1．2 使用成本分析

由于PC主機的固有的架構設計，考慮到中央處理器、硬盤、散熱系統的消耗。一般商用主機功耗為300 W左右。以DELL Optiplex 3010的典型功耗265 W/h為例，根據車間24 h不間斷開機使用的要求，結合企業平均用電費用計算，12臺主機，一年的用電費用為22 285．4元。

瘦客戶端采用的低功耗高效能芯片和電路直接使得電力功耗得到降低。以T510-H2P21AA瘦客戶機為例，典型功耗為65 W/h。若以12臺計算，一年365天不停運作，電費按均價0．8元計算。一年的電費為5 466．24元。直接電費成本下降75．5%，如表2所示。

表2 使用電費對比Tab．2 Comparison of Electricity Cost

1．3 管理效率分析

首先，傳統架構的PC主機，基于硬件之上的是操作系統和各類軟件。操作系統和各類軟件往往因為各種原因，需要重新安裝或者升級補丁安裝新版本。在目前的管理方式下，往往先安裝一次操作系統及其有關軟件，然后做成硬盤鏡像，分別再拷貝到其余主機上。但這種方法比較適合所有的設備都具有一樣的型號和一致的零件配置。一旦有不同的型號，就需要進行個別的安裝工作。同時，這兩種方法，都需要技術人員至少準備一臺備用機，在現場進行輪換作業。當硬件發生故障時，一般需要技術人員去現場進行排查，然后按企業流程提供備用機或零件，若一時零件稀缺，或者人員夜間無法及時響應時，還必須進行等待，期間對于生產服務則還可能需要中斷［3］。

其次，當緊急情況下，需要對操作系統安裝重要補丁的操作，就可能需要技術支持人員逐次逐臺的進行操作，這對于希望能快速部署并提供不間斷服務的企業來說，時間、人力和物力的消耗是比較高的。

在瘦客戶機上運行的操作系統界面是由服務器提供給客戶端的圖像映射。實際上所有的運算處理，軟件運行都是由服務器完成的，操作系統的文件也都儲存在服務器上［4］。當技術人員需要對操作系統安裝補丁或者升級軟件版本時，可先部署在一臺虛擬操作系統上進行測試。當測試通過需要批量部署時，技術人員只需要坐在電腦前通過幾個簡單操作，在較短時間內就可以完成批量的部署。而用戶要做的可能僅僅是關閉瘦客戶端，然后重啟即可進入新部署的系統中。當然，現在的技術也允許維護人員對單個或者多個操作系統在某個備份點實時進行還原操作，避免因部署操作系統補丁本身的原因或者其他原因，而造成系統問題。

虛擬機運行在服務器上，虛擬的操作系統使用的CPU、內存、硬盤都源自服務器的硬件。現實中要對PC主機增加內存和硬盤，必須關閉主機，進行物理安裝，特別是當操作系統的分區空間不夠而需要進行擴容時，所要做的操作將更為復雜一些。虛擬操作系統可以實時增加CPU、內存，甚至是硬盤空間的實時增大，而用戶在此時的操作不會有任何的影響［5］。因此，在一臺服務器上運行多個操作系統，能高度集中和利用服務器資源。做到穩定、靈活、安全的資源分配［6］。

1．4 可靠性分析

PC主機內部，由各個零件組合而成。如主板、內存、硬盤、電源、風扇、中央處理器等。且一般商業臺式機都按照7 d·8 h使用壽命設計。生產環境的24 h不間斷使用對硬件的可靠性提出了極大的挑戰。含有機械運動結構的硬盤、風扇以及發熱耗能的電源都是高故障點。檢修和替換這些部件，往往需要中斷用戶使用。同時，臺式主機的體積和重量往往較大較重，對于需要快速替換的作業是不利的，增加了維護的難度和成本。

首先，PC主機的操作系統因主機零件的配置不同而不同，不同的硬件平臺需要為操作系統進行不同的安裝和配置。同時，在后期對軟硬的維護上也增加了成本。虛擬操作系統立足于服務器硬件，服務器的硬件相對于PC主機將會是長期使用的，不太容易更換的。因此虛擬技術可以為部署于服務器上的操作系統提供統一穩定的硬件平臺。這個平臺不因瘦客戶端配置不同而不同，在一個部署良好的虛擬環境，所有的虛擬操作系統的硬件都是一致的，這就加強了操作系統的穩定性和可維護性。

其次，PC主機是根據7 d·8 h工作壽命設計的，而泰和水廠車間是需要24 h不間斷的運行，因此對設備的可靠性和后勤保障提出了更高的要求。眾所周知，服務器完全根據7 d·24 h的運行壽命而進行設計和生產，基于這些硬件上的虛擬技術也具備了高可靠性和業務連續性［7］。同時，虛擬操作系統對于各種USB設備、存儲設備、光驅設備都有完整的控制方式和方法，可以根據企業管理的需要進行自定義操作，可以開放或者阻止受控設備的識別和使用，保障自控內網的安全性。

最后，一個良好的虛擬桌面也包括了后臺服務器端的冗余設計。冗余設計包括服務器與服務器之間的、多個網卡端口之間的、供電器及插座之間的、網絡交換機之間的、硬盤存儲陣列之間的等［8］。

2 架構實施設計方案

2．1 系統規劃

虛擬化前端部分使用HP T510-H2P21A型瘦客戶端為終端。配置如表3所示。該主機物理接口完全兼容于現有PC主機，無需更換其他輸入輸出設備，如圖1所示。

表3 HP瘦客戶端配置Tab．3 Configuration of HP Thin Client

續 表

圖1 PC主機與瘦客戶端物理接口Fig．1 Physical Interface of PC Host and Thin Client

后端使用HP ProLiant DL380e Gen8型服務器。配置如表4所示。

表4 HP服務器配置Tab．4 Configuration of HP Server

因瘦客戶端的物理接口及網絡協議完全兼容于現有網絡，因此原網絡拓撲結構不變，如圖2所示。

虛級化技術，選用 VMware公司的 VSphere server配合Fusion技術實現虛擬桌面化技術，清單如表5所示。

圖2 網絡拓撲結構Fig．2 Network Topology

表5 虛擬化軟件清單Tab．5 List of Virtualization Software

2．2 系統實施

實施步驟［1］如表6所示。

表6 具體實施步驟Tab．6 Implementation Step

續 表

3 結論

以PC主機為終端的傳統基礎架構占據著泰和水廠自控終端的主導地位，隨著現代企業管理的要求不斷提高，以及計算機技術的不斷更新換代，改變了傳統架構主導的局面。其主要原因表現在:總體擁有成本高，分散管理效率低，使用可靠性低。在這樣幾種不利因素的情況下，泰和水廠計算機專業人員開始尋求解決問題的道路，向虛擬化架構的轉型成為一個重要的選擇。

通過對比分析，得出結論:在傳統基礎架構與虛擬化桌面架構之間的比較中，以PC主機為終端的傳統基礎架構，無論在成本、管理還是可靠性三個方面要獲得提升，就必須向虛擬化桌面技術架構進行轉型。

［1］胡嘉璽．虛擬智慧:VMware vSphere運維實錄［M］．北京:清華大學出版社，2011．

［2］馬博峰．VMware，Citrix和Microsoft虛擬化技術詳解與應用實踐［M］．北京:機械工業出版社，2012．

［3］王春海，高紅瑋．VMware Workstation與ESX Server典型應用指南［M］．北京:中國鐵道出版社，2012．

［4］ Eric Maillé René-Franois Mennec．VMware vSphere 5 虛擬數據中心構建指南［M］．北京:機械工業出版社，2013．

［5］ Haletky E．Vmware Esx and Esxi in the Enterprise:Planning［M］．USA:Prentice Hall，2011．

［6］ Kusek C．Vmware Vsphere 5 Administration Instant Reference［M］．USA:Wiley，2011．

［7］ Musumeci G．Getting Started with Citrix Xenapp 6．5［M］．USA:Packt PublishingLimited，2012．

［8］俞席忠．無盤工作站組建及應用［M］．北京:人民郵電出版社，2001．