桌面虛擬化與計算機實驗室管理

金 彪， 鄭小建， 姚志強， 林 劼

(福建師范大學 軟件學院， 福建 福州 350108)

當前，高校的教育教學過程對計算機的依賴程度日益增強。然而，計算機在給教育教學帶來方便的同時，也帶來了不少管理方面的問題，因計算機故障而造成的教學事故也有所增多。

實踐教學是高等教育教學的一個重要環節，計算機實驗室則是開展實踐教學的重要場所(尤其是理工科院校)。計算機實驗室內計算機數量多、管理工作量大，為了保證實踐教學的正常、有序進行，必須提高管理效率。然而現有實驗室管理模式的缺陷以及實驗技術人員配備不足等諸多因素，導致計算機實驗室管理效率低，因設備故障得不到及時維修而造成的事故時有發生。

為了提高管理效率，降低設備故障發生次數，本文將探討桌面虛擬化技術用于計算機實驗室管理的可行性和有效性，針對福建師范大學軟件學院的實際情況，提出利用Citrix公司產品Citrix XenDesktop 搭建實驗教學環境的方案。

1 計算機實驗室管理工作內容和難點

計算機實驗室是學生開展實驗、消化吸收理論知識的主要場所。但計算機數量多、設備型號不一以及實驗所需軟件多樣性等原因，使得計算機實驗室的管理工作量大且繁雜。

1.1 管理工作主要內容

日常的管理工作主要包括軟件的部署和更新、計算機安全防護、硬件更換和報修、網絡管理和維護等4類。

(1) 軟件部署和更新。部署計算機操作系統和實驗教學所需應用軟件；備份操作系統和應用軟件的硬盤鏡像。

(2) 計算機安全防護。安裝殺毒軟件；更新病毒庫和木馬庫；修補系統漏洞。

(3) 硬件更換和報修。對于計算機的普通硬件設備(如鼠標、鍵盤、VGA線等)故障，管理人員可直接更換；對于內部核心硬件故障，如內存條、顯卡、硬盤等，通知計算機供應商進行維修或更換。

(4) 網絡管理和維護。上網用戶賬號管理；網絡故障診斷和修復。

1.2 管理工作的困難

計算機實驗室管理工作存在不少困難，主要原因包括：

(1) 計算機數量多，硬件種類多樣化，給管理工作帶來很多麻煩；

(2) 實驗教學所需的應用軟件種類繁多，為滿足教師教學和學生學習應用的差異化要求，導致計算機上安裝的軟件過多，啟動速度太慢，而且容易引起應用沖突；

(3) 為了在計算機出現軟件故障后能快速恢復操作系統和應用程序，實驗室的計算機一般安裝有還原卡，這卻導致計算機每作一次改動，如增加軟件、卸載軟件以及漏洞修復等，都需要把改動后的計算機作為“母機”同傳給其他計算機，或者在每臺計算機上逐一改動后再逐一手動保存，都很費時、費力；

(4) 學校配備的專業技術人員數量少，難以滿足大規模運維服務的即時響應。

1.3 計算機故障產生原因

為了保證實踐教學的正常開展，必須保證實驗室內計算機正常工作，及時解決計算機故障。調查表明，在一系列計算機故障中，軟件故障發生的概率遠高于硬件故障和網絡故障。造成軟件故障多發的原因復雜且難以避免，常見的原因主要有：

(1) 網絡訪問或使用U盤不慎導致計算機感染木馬等病毒；

(2) 使用計算機的師生多，操作技能參差不齊，有些誤操作會刪除重要系統文件；

(3) 設備驅動沖突，應用程序沖突；

(4) 注冊表錯誤，垃圾文件過多；

(5) 操作系統漏洞，不完整的程序安裝或卸載信息；

(6) 不同軟件之間，甚至不同版本的同款軟件之間都可能因為運行環境、配置信息等相互沖突而導致無法正常運行。

2 桌面虛擬化技術

計算機操作技能培訓雖然可以降低某些計算機故障發生的概率，但見效慢且需耗費大量的時間和人力。采用硬盤保護(還原)卡和網絡同傳等方法，如比較知名的聯想公司的硬盤保護系統/還原卡和Dell公司的增霸卡，雖可在出現軟件故障時快速恢復預裝的操作系統和應用程序，但安裝和更新非常麻煩，耗時耗力，給教學應用帶來諸多不便，甚至嚴重影響正常教學。為了提高計算機實驗室管理效率，在計算機因軟件故障而無法正常工作時得到及時、有效的維護，本文探討將桌面虛擬化技術用于提高管理者對計算機實驗室管理效率的可行性和有效性。

桌面虛擬化(desktop virtualization)又稱為虛擬桌面基礎架構(virtual desktop infrastructure,DVI)，是虛擬化廠商VMware最先提出的一種基于服務器的計算模型。通過該模型可以將個人計算機桌面環境與物理設備分離，所產生的“被虛擬”的桌面不再存儲于遠程客戶端的本地磁盤上，而是存儲在遠端中央服務器上。如圖1所示，桌面虛擬化由存儲層、虛擬化平臺層、桌面和會話管理層以及終端接入層構成，每層分工如下：

圖1 桌面虛擬化構成

(1) 存儲層：為桌面虛擬化平臺提供存儲資源池；

(2) 虛擬化平臺層：采用X86或X64服務器以及虛擬化平臺軟件來提供虛擬機資源池，虛擬化平臺軟件主要包括VMvarevSphere，Sun VirtualBox，Citrix XenServer，Microsoft Hyper-V以及HuaWei SmartUvp等；

(3) 桌面和會話管理層：負責桌面分配管理和用戶接入會話管理，主要產品包括VMware View，Sun VDI，Citrix XenDesktop以及Microsoft Windows 2008等；

(4) 終端接入層：采用瘦客戶端、軟終端(通過物理PC，采用客戶端方式或Web方式)等實現虛擬桌面的接入(虛擬桌面需采用RDP、ICA、PCOIP等遠程桌面協議來實現接入。

桌面虛擬化技術借助于虛擬機技術實現硬盤(安裝環境)、CPU與內存(運行環境)、外設的物理拆分[1-2]，使用戶可以通過前臺PC或者瘦客戶端遠程訪問虛擬桌面。桌面虛擬化技術與無盤工作站技術結合，可以實現硬盤上的操作系統和應用程序與運行環境中的相關文件、數據、指令等發生分離[3]；使用RDP或ICA協議可以將程序的運行與操作相分離。

引入桌面虛擬化技術之后，實驗室管理人員只需對虛擬桌面進行安裝、發布和維護即可。因此利用桌面虛擬化技術提高管理者對計算機實驗室的管理效率是可行、有效的。

3 益于計算機實驗室管理

在計算機實驗室的管理中引入桌面虛擬化技術，將有助于提高管理效率、縮減采購成本、減少維護成本，還能起到節能作用。

3.1 提高管理效率

桌面虛擬化后，實驗室計算機管理工作可快速執行，并簡化為安裝、升級和漏洞修復、恢復、擴展。這些操作的執行速度遠遠快于物理電腦的安裝和分發(包括網絡同傳)。

(1) 安裝：安裝虛擬桌面的GOLD IMAGE，再發布和部署它的只讀拷貝給用戶使用；

(2) 升級和漏洞修復：升級和修復虛擬桌面的GOLD IMAGE，再發布和部署它的只讀拷貝給用戶使用；

(3) 恢復：將虛擬桌面的GOLD IMAGE發布和部署給因某些原因使得原先虛擬桌面不能正常使用的用戶；

(4) 擴展：將已有的虛擬桌面直接部署給新加入的用戶，或根據新用戶的需求，安裝新的虛擬桌面后再發布和部署給他們。

3.2 縮減采購成本

桌面虛擬化后，客戶機采用云終端架構，其采購成本要低于傳統PC機。同檔次的云終端單價約3 000元/套(含顯示器)，而傳統PC的采購成本約為5 000元/套。此外，PC機的使用年限為4～5年，而云終端因其結構設計的特殊性，使得它們的使用年限在6年以上。

3.3 減少維護成本

(1) 桌面應用維護成本。我學院在用的實驗室共17間，每間配置50臺學生機和1臺教師機。教師機桌面與學生機桌面不同，教師機獨立安裝，學生機可在安裝1臺后，采用聯想公司提供的同傳功能進行同傳。在PC架構下，管理員需要管理2×17=34個桌面和安裝34個操作系統，再安裝約10×34個應用程序，完成一間實驗室的計算機系統和軟件的部署就需要4～5 h。而采用桌面虛擬化技術后，管理員只需要安裝1臺教師機和1臺學生機，然后直接發布和部署它的只讀拷貝給用戶使用即可，可以省去學生機同傳花費的時間。

(2) 桌面病毒維護成本。傳統PC架構下桌面病毒維護成本是動態的，主要取決于病毒的破壞性以及數據的重要性，但這個維護成本在桌面虛擬化下是沒有的。

3.4 巨大的節能效益

傳統PC的功耗通常在230 W以上，而云終端的功耗一般為23 W，是PC機功耗的1/10。僅以我學院在用的17間實驗室、每間實驗室50臺計算機、平均每天開放3 h計算，每天可節約用電527 kW。

4 桌面虛擬化實施方案

軟件學院實驗教學大樓共有5層：一層為學生創新實驗室，二層為數字媒體創新實驗室，三層為軟件工程基礎實驗室，四層為嵌入式系統實驗室，五層為CDIO(conceive-design-implement-operate)項目實驗室。筆者對VMware和Citrix的虛擬桌面產品進行了綜合比較(見表1)，并最終選用Citrix XenDesktop。

表1 虛擬桌面產品對比分析表

使用學院現有的1臺IBM刀片服務器BladeCenter HS23 7875B1C來構建XenDesktop的架構平臺，利用Citrix XenServer劃分為5臺虛擬服務器。在虛擬服務器上按照Citrix XenDesktop的要求，依據以下流程進行部署和設置：(1)安裝XenServer；(2)安裝配置XenCenter；(3)利用XenCenter在XenServer中創建虛擬機；(4)配置AD(active directory)服務器；(5)安裝配置DDC服務器；(6)安裝配置PVS服務器；(7)安裝配置Windows XP客戶端(虛擬桌面鏡像)操作系統；(8)部署發布虛擬桌面。

詳細設置可參考文獻[4]。圖2為一個樓層的實驗教學環境搭建方案。

圖2 實驗教學環境搭建方案圖

其中，虛擬桌面服務器的虛擬桌面安裝有數字媒體專業學生實驗所需的操作系統(Windows XP/Win 7)以及相關實驗軟件(3DMax、Maya、Adobe Flash CS5等)。學院每間實驗室都有3臺交換機，虛擬桌面通過網絡發布到每間實驗室的學生終端，可以為每一間實驗室準備一份獨立的虛擬桌面。但是，考慮學院的實際情況(二層實驗室均是數字媒體專業實驗室，實驗所需軟件基本相同，服務器性能以及網速等硬指標滿足要求)，為了減少虛擬桌面的數量，方案中我們只為每一層實驗室準備一份虛擬桌面，在該桌面上安裝好該樓層實驗室實驗所需的全部軟件。

5 結束語

桌面虛擬化技術值得進一步研究，桌面虛擬化技術的應用領域應當進一步拓展。文獻[5—7]致力于桌面虛擬化技術的研究，文獻[3]、[8—12]則嘗試將桌面虛擬化技術應用到不同場合、不同的環境中。本文從技術層面說明采用虛擬化桌面技術提高計算機實驗室的管理效率是可行的、有效的，并提出采用Citrix 公司的虛擬化產品Citrix XenDesktop搭建實驗教學環境的方案。該方案已獲得學院領導的重視，后續工作是對方案作進一步完善和全面論證，爭取早日進入實施階段。

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