高校虛擬化桌面實施研究

劉 永,吳 杰,寧玉富,姜 偉

(1.山東青年政治學(xué)院 實驗設(shè)備管理處,山東 濟(jì)南 250103;2.山東省高校信息安全與智能控制重點實驗室,山東 濟(jì)南 250103)

高校虛擬化桌面實施研究

劉 永1,吳 杰1,寧玉富2,姜 偉1

(1.山東青年政治學(xué)院 實驗設(shè)備管理處,山東 濟(jì)南 250103;2.山東省高校信息安全與智能控制重點實驗室,山東 濟(jì)南 250103)

隨著云計算技術(shù)及其應(yīng)用研究的日益成熟，虛擬化桌面技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展,并受到了政府、企業(yè)以及其他各行業(yè)的廣泛青睞，在社會各個領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用。采用虛擬化桌面技術(shù)不僅打破了傳統(tǒng)IT行業(yè)的運營管理模式，還可以不斷提高IT資源利用率、降低IT成本，使得IT管理更加簡便。目前虛擬化桌面技術(shù)已經(jīng)被高校教育領(lǐng)域所采用，不但降低了IT教育成本，還使得實驗室管理人員可以從繁重的日常管理工作中解脫出來，集中精力做其他方面的工作。文中從高校實驗室管理角度出發(fā)，介紹了虛擬化桌面的概念及其優(yōu)缺點，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，虛擬化桌面的技術(shù)架構(gòu)以及一種云虛擬化桌面解決方案，希望能夠為高校使用虛擬化桌面技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)代信息化建設(shè)提供借鑒。

云計算；桌面虛擬化；高校;虛擬化解決方案

0 引 言

近年來隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，個人計算機的使用相當(dāng)普及，并且已經(jīng)成為高校管理、教學(xué)科研不可缺少的工具。但是高校在使用個人計算機過程中也存在著各種問題，主要體現(xiàn)在以下方面：

(1)計算機老化迅速[1]。隨著計算機硬件和軟件的快速發(fā)展，大約每隔5年，計算機性能就已經(jīng)跟不上操作系統(tǒng)和軟件的要求。如果重新購置，需要投入大量資金，并且將來還要面臨同樣的問題。

(2)維護(hù)困難。多媒體教室、實驗室機房是主要的教學(xué)場所，經(jīng)常需要安裝各種軟件。管理人員經(jīng)常要根據(jù)教學(xué)需求安裝教學(xué)軟件，并利用還原卡進(jìn)行同傳，有的保護(hù)卡不支持異構(gòu)計算機的軟件同傳，增加了安裝軟件的難度，不支持異構(gòu)計算機機房的聯(lián)網(wǎng)管理，維護(hù)起來不是很方便[2]。

(3)計算機病毒難以預(yù)防。雖然目前多媒體教室、實驗室機房都安裝了還原卡，但是對于某些病毒還是不能做到徹底預(yù)防。對于有些作為考試的機房，一旦中了病毒，將會影響考試軟件的安裝以及正?？荚嚨?。

隨著云計算技術(shù)的不斷發(fā)展，高校信息化建設(shè)也在不斷推進(jìn)中，虛擬化桌面引起了高校的興趣和關(guān)注[3-5]。

1 虛擬化桌面介紹

1.1 什么是虛擬化桌面

虛擬化技術(shù)是云計算采用的關(guān)鍵技術(shù)之一[6]。虛擬化桌面是在虛擬化技術(shù)的基礎(chǔ)上應(yīng)運而生的。所謂虛擬化桌面就是將計算機的終端系統(tǒng)(也稱作桌面)進(jìn)行虛擬化，以達(dá)到桌面使用的安全性和靈活性。可以借助任何設(shè)備，在任何地點、任何時間通過網(wǎng)絡(luò)訪問屬于個人的桌面系統(tǒng)[7]。

實現(xiàn)桌面虛擬化就要將服務(wù)器虛擬化，通過將數(shù)據(jù)中心服務(wù)器虛擬化，從而生成大量的獨立桌面操作系統(tǒng)(虛擬桌面)，并將虛擬桌面協(xié)議發(fā)送給終端。終端通過以太網(wǎng)連接到虛擬服務(wù)器上。用戶只需要記住用戶名和密碼及網(wǎng)管信息，就可以通過網(wǎng)絡(luò)登錄到自己的桌面系統(tǒng)進(jìn)行隨時隨地的操作。因此高校如果使用桌面虛擬化技術(shù)會使實驗室機房、多媒體教室等變得更易于集中管理[8]，從而減輕了管理人員的工作負(fù)擔(dān)，使得管理人員有更多的精力從事其他方面的工作。

1.2 使用虛擬化桌面的優(yōu)缺點

由于實驗室機房是教學(xué)的主要場所，因此這里主要針對高校實驗室機房來具體分析使用虛擬化桌面的優(yōu)點和缺點。

1.2.1 優(yōu) 點

(1)終端配置簡單。虛擬化數(shù)據(jù)中心建成后，在實驗室機房、多媒體實驗室等不再使用主機，而是只需要一個顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、瘦終端就可以進(jìn)行教學(xué)。

(2)升級方便。如果實驗室計算機配置過時，不能滿足當(dāng)前教學(xué)需求，也無需購置新的計算機，只需要升級數(shù)據(jù)中心里的服務(wù)器硬件或增加服務(wù)器數(shù)量就可以了。

(3)便于維護(hù)。管理人員只需維護(hù)數(shù)據(jù)中心里的服務(wù)器，保證其良好運行就可以了。負(fù)責(zé)每個實驗室機房的老師工作量會減少很多，可以把精力用到其他方面。

(4)節(jié)約成本?，F(xiàn)在計算機硬件發(fā)展迅速，實驗室機房的計算機用不了幾年，就會面臨淘汰。如果高校再花錢購買一批新的，勢必造成資金上的浪費。如果采用虛擬化桌面模式，當(dāng)實驗室機房面臨計算機硬件升級時，只需要升級服務(wù)器就可以了，資金上得到節(jié)約。在使用成本上，服務(wù)器因為采用虛擬化技術(shù)，一些不用的虛擬機會關(guān)閉，只運行需要的虛擬機，服務(wù)器運行上會省電，從而也會減少使用成本。在用人成本上[9]，桌面虛擬化模式使實驗室不需要太多管理，給實驗室管理人員減輕了不少壓力，學(xué)?？梢詼p少管理人員的數(shù)量，節(jié)約用人成本。

1.2.2 缺 點

(1)不適合使用專業(yè)軟件和特殊軟件(這里主要是針對VDI(虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu))而言的)。因為采用虛擬化桌面的云計算主要是用來計算和存儲服務(wù)，因此云計算數(shù)據(jù)中心里的服務(wù)器顯卡的配置要低一些，不適合運行像Photoshop、3D Max這樣的專業(yè)軟件。只適合運行像MS Office(Microsoft Office，微軟辦公軟件)等對顯卡要求不高的軟件。因此使用桌面虛擬化，比較適合學(xué)校公共課的教學(xué)。對于有特殊軟件需求的專業(yè)，還要再建設(shè)專門的實驗室機房，用于教學(xué)。

(2)不適合某些特殊考試的要求。虛擬化桌面這種模式不適用于如全國計算機等級考試、計算機文化基礎(chǔ)考試等的要求，必須要建立單獨的實驗室PC機房才可以滿足考試要求。

(3)其他要解決的問題[10]。例如，遠(yuǎn)程桌面托管、遠(yuǎn)程托管專用虛擬桌面、遠(yuǎn)程虛擬應(yīng)用程序、本地虛擬應(yīng)用程序及本地虛擬操作系統(tǒng)等虛擬化桌面存在著各種問題；另外還有對虛擬化桌面終端硬件的支持問題，對服務(wù)器硬件、計算機網(wǎng)絡(luò)過度依賴的問題以及數(shù)據(jù)的安全性問題等。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前桌面虛擬化廠商，國外主要有：VMware、思杰(Citrix)、微軟。國內(nèi)主要有：華三[11]、和信[12]。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

2.1.1 VMware

VMware桌面虛擬化產(chǎn)品主要面向個人用戶和企業(yè)桌面。包括VMware View，VMware Fusion,VM-ware Workstation等。VMware View在數(shù)據(jù)中心集中保存了所有用戶的個性化桌面，通過網(wǎng)絡(luò)終端提供虛擬化桌面[13]。目前，VMware最新產(chǎn)品是VMware View 5。VMware View 5無需專門的顯卡或客戶端設(shè)備就可以在虛擬桌面中支持基本3D應(yīng)用程序，例如Office 2010或者需要Direct X的應(yīng)用程序。并且采用PCoIP遠(yuǎn)程傳輸協(xié)議，可以通過LAN(Local Area Network，局域網(wǎng))或WAN(Wide Area Network，廣域網(wǎng))為用戶提供高可靠性、高可用性、高安全性、高可擴展性的虛擬桌面體驗。

2.1.2 思 杰

思杰的主要虛擬化桌面產(chǎn)品是Xen Desktop。用戶只要通過Xen Desktop的終端設(shè)備就可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器端的個性化桌面系統(tǒng)，就如同在本地使用物理機一樣。目前Xen Desktop最新版本是Xen Desktop 3。Xen Desktop采用ICA(Independent Computing Architecture，獨立計算體系架構(gòu))網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并且采用開放式架構(gòu)，能夠支持各種虛擬化平臺和終端設(shè)備。不同于其他桌面解決方案，Xen Desktop可以使用單個鏡像在數(shù)據(jù)中心或通過終端設(shè)備將個性化桌面交付給虛擬設(shè)備和物理設(shè)備，通過內(nèi)置的性能監(jiān)控工具進(jìn)行更換的IT(Information Technology，信息技術(shù))服務(wù)管理。

2.1.3 微 軟

微軟的主要產(chǎn)品是客戶端Virtual PC和服務(wù)器端Virtual Desktop兩類產(chǎn)品，采用RDP桌面虛擬化傳輸協(xié)議。虛擬桌面的客戶OS操作系統(tǒng)運行在一個基于服務(wù)器的虛擬機環(huán)境中，通過網(wǎng)絡(luò)與用戶交互。微軟虛擬化桌面后端服務(wù)器采用Hyper-V架構(gòu)，用來提供單個虛擬機或虛擬計算機池，前端的PC機更多的是采用基于會話的桌面形式呈現(xiàn)給用戶，并且為用戶提供能夠使用的遠(yuǎn)程應(yīng)用程序[14]。微軟以其優(yōu)越的Windows操作系統(tǒng)和Windows server服務(wù)器在桌面虛擬化領(lǐng)域中占有一席之地。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2.2.1 華 三

華三的桌面虛擬化解決方案主要是H3C零存儲解決方案。它最大的特色是將計算服務(wù)器上的硬盤作為云存儲設(shè)備，不需要用戶再單獨購買云存儲設(shè)備，為用戶節(jié)省了成本。

2.2.2 和 信

和信公司在虛擬化桌面產(chǎn)品方面主要推出了“和信虛擬終端管理系統(tǒng)VEsystem”。與傳統(tǒng)的虛擬化桌面設(shè)計不同，該管理系統(tǒng)的終端對底層計算機硬件資源的利用不再依賴GPU虛擬化和CPU虛擬化技術(shù)，而是直接在I/O層實現(xiàn)對物理存儲介質(zhì)的重定向，從而使得虛擬化OS完全工作于硬件之上。當(dāng)終端需要更新軟件時，僅需在任意一臺終端上操作就可以完成自動同步。并且斷網(wǎng)或硬盤出現(xiàn)故障，終端也能繼續(xù)使用虛擬桌面。該管理系統(tǒng)具有良好的兼容性，可以兼容不同配置的終端計算機，能夠創(chuàng)建多平臺系統(tǒng)環(huán)境，滿足教學(xué)多樣化的需求[15]。

3 虛擬化桌面采用的技術(shù)架構(gòu)

雖然目前市場上虛擬化產(chǎn)品眾多，但它們采用的虛擬化桌面技術(shù)架構(gòu)主要分為兩種：虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)(Virtual Desktop Infrastructure，VDI)和虛擬操作系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)(Virtual OS Infrastructure，VOI)。

3.1 VDI架構(gòu)

VDI是由早期的RDP協(xié)議(Remote Display Protocol)和瘦客戶機逐漸演變而來的，其利用服務(wù)器為整個桌面提供集中化管理，是目前國外虛擬化廠商VMware、思杰、微軟等極力推薦的模式。但其采用的是瘦終端協(xié)議，因此不適合專業(yè)軟件和特殊軟件的教學(xué)需求。同時VDI對于網(wǎng)絡(luò)的依賴性很強，客戶端必須時刻保持聯(lián)網(wǎng)才可以工作，因此對于網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求很高。

圖1給出了思杰公司的VDI解決方案。

圖1 思杰公司的VDI解決方案

3.2 VOI架構(gòu)

相比VDI，VOI正逐漸成為一個新的桌面虛擬化發(fā)展方向。VOI是使終端和服務(wù)器端共同承擔(dān)計算需求。它是將云虛擬桌面的終端徹底虛擬化，構(gòu)建一個虛擬的容器池，然后在這個容器池上再部署操作系統(tǒng)OS。因為終端已經(jīng)被徹底虛擬化，所以虛擬機既可以在服務(wù)器端運行也可以在終端運行。這就減輕了服務(wù)器端的壓力，使得數(shù)據(jù)中心規(guī)?？梢钥s減。VOI模式成功解決了VDI模式的一些困難。

對于大量的圖形、音頻、視頻等專業(yè)軟件，現(xiàn)在都可以由客戶端來處理。同時客戶端承擔(dān)了很大一部分各類運算負(fù)擔(dān)，因此不需要實時和服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)，只需要在傳輸數(shù)據(jù)時聯(lián)網(wǎng)就可以了，這就大大降低了對于網(wǎng)絡(luò)的依賴性。VOI模式也可以對各種外設(shè)進(jìn)行良好的兼容。

結(jié)合實際的實驗教學(xué)來看，VOI模式很適合專業(yè)軟件的教學(xué)。但缺點就是對實驗室終端計算機的硬件配置要求可能高一些，因此終端的購置成本會高一些。在國內(nèi)，和信公司最早推出了基于VOI的虛擬終端管理系統(tǒng)。圖2給出了和信公司的VOI解決方案。

圖2 和信公司的VOI解決方案

表1給出了目前市場上熱門虛擬化桌面產(chǎn)品的比較。

表1 虛擬化桌面產(chǎn)品比較

4 一種云虛擬化桌面解決方案

在現(xiàn)有的VDI和VOI基礎(chǔ)架構(gòu)上，華三提出了自己的云虛擬化桌面解決方案—H3C零存儲解決方案。

該方案融合了計算虛擬化和存儲虛擬化，將計算和存儲集成到一個硬件平臺上，形成可橫向擴展的云計算基礎(chǔ)架構(gòu)。在這種架構(gòu)上運行的虛擬機不僅能夠支持vMotion、DRS、快照等，而且數(shù)據(jù)不再經(jīng)過復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)傳遞，顯著提高了性能。H3C的最大優(yōu)點是在建立虛擬化數(shù)據(jù)中心的時候，不再需要單獨購買云計算機存儲設(shè)備，只需利用計算服務(wù)器上的硬盤就可以存儲數(shù)據(jù)，從而降低了購置成本。因此高校如果使用該方案可以節(jié)省購置云存儲設(shè)備的成本。H3C零存儲架構(gòu)解決方案邏輯架構(gòu)如圖3所示。

該架構(gòu)的基本單元是部署了H3C CAS系統(tǒng)的x86標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器。在提供虛擬計算資源的同時，服務(wù)器上的空閑磁盤空間被組織起來形成一個統(tǒng)一的虛擬共享存儲池：分布式存儲系統(tǒng)vStor。vStor在存儲功能上與獨立共享存儲完全一致，從而為用戶提供了云計算的存儲功能，用戶無需再購買云計算存儲設(shè)備。vStor采用無中心架構(gòu)，每個節(jié)點服務(wù)器的角色完全一樣，用戶不需再像傳統(tǒng)分布式存儲系統(tǒng)那樣管理元數(shù)據(jù)服務(wù)器，而是由系統(tǒng)自動管理。

圖3 H3C零存儲解決方案

在計算資源和存儲資源擴展方面，用戶只需以服務(wù)器為單位進(jìn)行擴展，就能實現(xiàn)計算與存儲資源的同步擴展。新加入的節(jié)點服務(wù)器可以在業(yè)務(wù)不被中斷的情況下，自動納入統(tǒng)一虛擬資源池，極大縮短擴容部署時間。H3C具有高可靠、高性能、按需擴展、高性價比、管理簡便等優(yōu)點，這使得高?？梢院芎玫毓芾怼⑹褂锰摂M化桌面。

5 結(jié)束語

高校實施虛擬化桌面可以對實驗室機房、多媒體教室等進(jìn)行更方便的管理，降低傳統(tǒng)計算機機房的運行維護(hù)成本，極大提高了計算機等設(shè)備使用的安全性[16-19]。當(dāng)前虛擬化桌面廠商提供的虛擬化桌面解決方案各式各樣，同時又有新的解決方案不斷被推出，高校在實施虛擬化桌面時一定要根據(jù)自己的實際情況，例如根據(jù)建設(shè)成本、實驗室規(guī)模、實驗室現(xiàn)場環(huán)境等選擇合適的虛擬化桌面廠商，從而為高校的信息化建設(shè)提供更好的服務(wù)。

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Research on Desktop Virtualization Implementation of Colleges and Universities

LIU Yong1,WU Jie1,NING Yu-fu2,JIANG Wei1

(1.Department of Laboratory Equipment Management,Shandong Youth University of Political Science,Jinan 250103,China;2.Key Laboratory of Information Security and Intelligent Control in Universities of Shandong,Jinan 250103,China)

With cloud computing technology and its application research becoming more mature,desktop virtualization technology has been rapid development,which is favored by the government,enterprises and other industries and is widely used in each domain in the society.The application of desktop virtualization technology not only breaks the traditional operation and management mode of IT industry,but also increasingly improves the utilization rate of resources,and reduces the cost of IT and simplifies the management of IT.The current desktop virtualization technology has been adopted by the colleges and universities,which reduces the cost of IT education and makes the laboratory management personnel free from the heavy daily management work and concentrates on other work.Based on the concrete of college laboratory management,firstly introduced the basic concept of desktop virtualization and the advantages and disadvantages of using it.Then it proposed the research status and the technical architecture of desktop virtualization.At last,a virtual desktop solution was introduced.It hopes to provide reference for college information construction by using desktop virtualization technology.

cloud computing;desktop virtualization;colleges and universities;virtualization solutions

2015-05-11

2015-08-14

時間：2016-01-26

山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎勵基金(BS2010DX032)作者簡介：劉 永(1985-)，男，碩士，助理實驗師，CCF會員，研究方向為云計算、網(wǎng)格計算；寧玉富，博士，教授，通信作者，研究方向為智能計算。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160126.1517.030.html

TP391.9

A

1673-629X(2016)02-0140-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.02.032