基于桌面虛擬化的高校機房設計和建設

李力LI Li

（重慶電子工程職業學院，重慶 401331）

（Chongqing College of Electronic Engineering，Chongqing 401331，China）

0 引言

高等院校的數字化建設經歷了突飛猛進的十年，如今高校機房已經成為教學實踐最重要的設施，但傳統IT 架構下的機房存在著諸多問題：

①資源利用率低：隨著機房建設的陸續進行，必然會有配置上的高低之分。而根據課程不同，教學對機房設備的性能需求也是有高有低，這就容易造成硬件性能上供需失衡。②資源浪費：計算機的更新換代非?？?，往往在兩三年之內就會產生明顯的功能性貶值。如果為了使性能保持主流水平，就必須頻繁地報廢、采購，造成嚴重浪費。③維護困難：傳統的機房，通常依靠系統保護卡和網絡同傳進行批量管理，但機房成批次的更新換代，帶來了大量不同型號、不同操作規范的軟硬件系統，使管理和維護的成本增大，對人力資源也是一種浪費。④能效低下：一臺普通的臺式電腦通常需要最大輸出為180W-350W 的ATX 電源適配器，按一個機房40 臺計算機來計算，就會有7200W-14000W 的峰值能耗，既增大了運行成本，也不符合低碳的政策。

實際上，這些情況在其它行業也普遍存在。近年來越來越多的單位，如大型企業、政府機構等，已經開始嘗試使用云計算來應對挑戰，改善問題。在云計算的理念下，“硬件和軟件都是資源并被封裝為服務，用戶可以通過網絡按需地訪問和使用?！盵1]由于國內的廣域網環境仍然存在著傳輸速率、通信容量等瓶頸，因此國人在云計算領域的嘗試主要以私有云為主。從體系結構的角度來看，云的底層是由虛擬化技術實現。簡單說，要實現私有云，其核心內容就是在內部網絡環境里部署虛擬化解決方案。根據虛擬化技術的應用現狀，本文認為，如果在高校現有的IT 環境下增加云計算基礎設施，可以有效地改善問題。

1 虛擬化技術概述

虛擬化技術起源于大型機時代，在x86 硬件性能過剩的今天煥發了“第二春”。直觀地說，虛擬化技術可以將單個物理資源抽象為多個邏輯資源，供多個用戶分區復用或分時復用，從而節省資源、改善管理并提高利用率。[2]

最底層的虛擬化是服務器虛擬化，其核心內容是CPU虛擬化、內存虛擬化、存儲虛擬化和I/O 虛擬化。目前較為成功的虛擬化產品均采用hypervisor 對虛擬機進行管理，其代碼非常精簡，且直接運行在硬件之上，無論是從性能還是安全角度來看，都比寄居于操作系統下的傳統的虛擬機管理軟件要強得多。[3]

桌面虛擬化則是在服務器虛擬化的基礎上，將虛擬機及其操作系統整體提供給局域網或廣域網用戶。圖1 展示了服務器虛擬化和桌面虛擬化的總體架構。

圖1 服務器虛擬化和桌面虛擬化的構架

由圖1 可見，服務器虛擬化能把有限的物理主機虛擬為若干臺客戶機，使不同的用戶使用。桌面虛擬化則可以把虛擬機和其它虛擬資源進一步整合、優化，然后提供給遠程桌面用戶，并保證良好的用戶體驗。

2 高校機房桌面虛擬化系統設計和實施

2.1 系統設計 高校機房通常由普通的臺式機構成，其最終用戶以上機實踐的學生為主，且多數是在課內使用。目前主流的桌面虛擬化整體解決方案中，VMware View 和Citrix Xendesktop 占了絕大部分市場份額。文獻[4]對兩種產品進行了綜合的性能測試和評價，主要結論是：由于有更優秀的HDX 協議，在廣域網環境下Xendesktop搭配VMware vSphere 是最佳選擇；但對于局域網下的性能則是View 更好，部署也更簡單。考慮到高校機房本質上是建立在局域網之上，因此選用View。

多數高校都將各個院系分布在不同的教學樓，如果每個建筑都有若干機房，可以在每個樓層或每個機房部署一個小型的服務器集群，分別實現單個機房的桌面虛擬化。采用這種方案，在管理上仍然是分散的，不同數據中心之間難以實現資源共享和負載均衡（或者能實現但開銷過大），因此意義不大。

如果集中化建設，將所有用于虛擬化的服務器都放入同一個數據中心，再通過網絡讓其他樓宇共享，則可以擁有最好的資源利用率，最好的硬件整合效果。但同時也有兩個問題，其一是吞吐量巨大，對校園主干網絡的要求非常高；其二是當前的高校提倡各院系獨立自主，集中化可能引起后期管理上的矛盾。

折中的方案是給每個院系（通常也是每棟教學樓）配置一個中等規模的數據中心，如圖2 所示，采用這種方案，設備不會過度分散，也不會在管理維護上涉及跨部門事務。

圖2 以樓宇為單位分別部署桌面虛擬化的網絡環境圖

2.2 系統實施 在虛擬化環境下，后臺所依靠的基礎構架組件均可以由虛擬機擔任，因此首先在物理機上安裝EXSi，即前文所提到的hypervisor，隨后通過控制臺在該服務器上建立虛擬機。為創建桌面虛擬化的基礎架構組件，需要多臺虛擬服務器，清單如表1 所示。

表1

組件部署完畢之后服務器上剩余的硬件資源就是可以分配給機房的計算資源，由于桌面虛擬化的整合率通?？梢赃_到1:16，因此可以大致算出在中等工作負載下，一臺服務器的資源可以提供16 個虛擬桌面，以取代傳統的16 臺PC 機。根據不同的教學需求，可能有更輕量化的工作負載，整合率甚至可以達到1:50。

對于不同的課程，可定制不同的桌面模板，分別安裝所不同的軟件。制作好模板之后生成非永久桌面池，使桌面可以回滾到初始狀態，這樣就相當于實現了硬盤保護卡的功能。此外，一旦機房的課程內容發生變化，只需要簡單的切換桌面池即可。

2.3 網絡和存儲的優化 為了使虛擬桌面能夠有良好的用戶體驗，需要穩定的連接。機房內的網絡環境至少需要千兆以太網，而在匯聚層的層面上則需要更高、更穩定的速度。

在存儲方面，如果單個數據中心提供的虛擬桌面數量少于5 個機房的終端數，可以采用廉價的iSCSI 磁盤陣列；而在更大規模的應用環境下，應當使用FC-SAN。[5]磁盤陣列最好是采用RAID 10，這是由于機械硬盤容量大，價格低，因此即使空間利用率較低也可以接受，而RAID 10 的IOPS 較高，更能保障虛擬桌面的流暢。另外在虛擬桌面啟動時，I/O 的存儲負載會大大加重，特別是剛上課時，大量的虛擬桌面同時啟動，必然造成性能急劇下降。因此可采用一個有SSD 構成的存儲池，用于存放虛擬桌面的原始鏡像。由于有著優秀的響應速度，使其即使是單個SSD 也足以滿足整個課堂的IOPS。[6]

3 結束語

在機房部署桌面虛擬化之后，可以得到多方面的收益。概括說來有以下幾點：

①簡化管理：傳統模式下的機房，通常需要大量的管理員。機房數量的和管理員的比例通常在4:1 左右：而部署了桌面虛擬化之后，管理員的數量可以減少一半以上。②資源利用率：虛擬桌面可以迅速地切換桌面池，使對應的計算資源能夠被合理地分配到需要的用戶，避免了“高需求用戶使用低配機房，低需求用戶使用高配機房”的現象。③設備利用率：傳統機房在投入使用兩三年之后，就開始出現性能下降的趨勢（當然這個下降主要是由于需求升高引起的），如果縮短使用年限，則必須重新采購，這就造成了資源浪費。桌面虛擬化可以將更舊的機型作為瘦客戶端使用，發揮余熱。④更好的擴展性：一旦性能出現瓶頸，不必大量地重新采購PC 機，只需單純地擴充數據中心的少量服務器即可。⑤硬件經濟性：大量瘦客戶端搭配少量服務器的價格遠低于同樣數目的PC 機。⑥軟件經濟性：采用虛擬化，軟件成本將會根據實際的使用量而支付，而并非預先購買許可。⑦能效經濟性：標準瘦客戶端的能耗通常只有25W。即使采用舊PC 充當客戶端，由于不涉及本地存儲，且CPU 僅提供遠程連接所需的基本運算，能耗也遠低于正常的工作負載。雖然數據中心會集中產生更多的能耗，但相比滿載運作的數百臺PC 機仍然具有能效上的優勢。⑧防盜壓力減?。河捎赑C 機的內部硬件都符合IBM 兼容機規范，拔之即得，插之即用，因此機房里PC 機的配件失竊向來是安全管理的難題。瘦客戶端的配件不具兼容性，若采用舊有PC 機擔任瘦客戶端，也會因為其硬件太過古老，和當前主流配件存在代差，無法兼容，沒有竊取意義。

值得強調的是，虛擬化具有規模效應，規模越大，上述優勢就愈加突出。在高校機房里實現桌面虛擬化，既能在教學運行、維護管理和經濟效益等方面帶來實際的好處，又能使高校的信息化建設更符合云時代的發展方向。

[1]虛擬化與云計算小組.云計算寶典:技術與實踐[M].北京：電子工業出版社，2011：9.

[2]張耀祥.云計算和虛擬化技術[J].計算機安全,2011（05）：80.

[3]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,2012：11-12.

[4]Schultz Keith.VDI shoot -out:Citrix XenDesktop vs.VMware View[J].InfoWorld.com，2011 ProQuest.

[5]吳婷.SAN 網絡數據存儲在數字化校園網中的設計和應用[J].電腦知識與技術,2012，08(5)：999-1000.

[6][EB/OL].IOPS and Virtual Desktops.http://whiptail.com/blog/iops-and-virtual-desktops/.