基于SDN的高校實驗室機房VDI云桌面設計

黃國富, 王 海

(青島農業大學 網絡管理中心, 山東 青島 266109)

1 設計背景與技術手段

當前,高校實驗室機房數量越來越多,終端服務應用越來越廣泛,隨著機房規模的不斷擴大,對校園實驗室機房日常的管理和維護也變得日益繁雜和日趨困難。機房管理人員也常常面臨很大的管理壓力。如實驗室機房終端操作系統的定期重裝與更新、應用軟件的安裝和維護、師生對系統和軟件環境的個性化需求及機房網絡設備的監測管理等工作,工作量大、維護業務繁瑣,加大了實驗室機房管理人員的壓力,如何來減輕機房人員的管理工作量,提高其日常管理維修效率,更好地為高校師生提供機房上機服務是亟待解決的問題。

為解決上述問題,本文提出了基于SDN[1]的網絡架構,結合VDI[2]云桌面技術來設計高校實驗室機房方案。SDN網絡采用統一控制器對整個網絡進行集中控制,可以根據校園實驗室網絡實際運行需要來修改流表[3],靈活改變網絡數據包轉發規則和動作,可以實現多路徑轉發和負載均衡,從而提高實驗機房網絡使用的穩定性和帶寬利用率；VDI云桌面技術采用桌面虛擬化技術,實驗室機房所有桌面終端均為DELL WYSE專用瘦客戶端[4]并安裝VMware HorizonClient軟件,桌面虛擬機在數據中心云端作托管,統一生成、統一維護、多重模板,用戶經過授權登錄后即可使用個性化桌面服務,從而大大減輕了機房人員的管理負擔,也提高了學生上機使用效率。

1.1 SDN網絡技術

SDN軟件定義網絡是一種新型架構網絡[5],其設計思想是將網絡的控制平面和數據轉發平面進行分離,實現二者的解耦合[6]。SDN技術一改傳統網絡分布式控制模式,采用集中控制模式來整體和全局管理網絡。網絡控制器可以是一個或多個集群方式,實現編程化控制底層硬件設備,對網絡資源可以按需進行動態調配,集中控制器[7]獲取整個網絡的拓撲圖,并根據控制策略來實現對全網的動態、靈活、優化控制。相對于傳統網絡,SDN網絡可以實現基于細粒度的帶寬質量保證,對于特殊的課堂教學,如遠程視頻教學或網絡帶寬要求較高的課堂教學均可保證網絡連通、帶寬利用率及用戶使用體驗,從而提高教學效果。

1.2 VDI云桌面技術

VDI(virtual desktop infrastructure)是一個桌面交付模型,支持客戶端桌面工作負載托管在數據中心的服務器上并執行,用戶使用終端通過遠程協議(如：RDP、ICA、PCoIP、Blast)進行訪問。VDI云桌面技術采用集中管理、云端計算、云端存儲、終端顯示,將所有桌面虛擬機在數據中心云端進行托管,后臺構建虛擬機池,用戶使用瘦客戶端或PC型瘦客戶端,通過VDI客戶端程序即可訪問云桌面,且可以提供給師生個性化系統桌面。VDI云桌面模式設備簡單靈活、故障率低,無需管理員頻繁安裝系統和應用軟件,這就很大程度上減輕了實驗室機房人員的管理和維護的工作量。

2 系統設計

2.1 SDN網絡設計

高校校園內網絡鏈路具有流量大、突變性、周期性等特點,如實驗室機房網絡流量一般在上午、下午及晚上上課時間呈現大幅度增長,而且在每次上課開始5～10 min的集中時間段,用戶在機房使用終端或瘦客戶端登錄VDI桌面；另外實驗機房平時在使用遠程視頻教學時,個別樓層實驗機房有大帶寬需求,且要保證網絡的穩定性、可靠性以及帶寬的利用率,這就要求校園區域網絡需要具備多路徑轉發、負載均衡、帶寬按需調配、傳輸路徑優化等功能。

為滿足校園實驗機房區域用戶的多樣化需求,現結合SDN網絡技術,采用集中統一部署的控制器來獲取校園網絡拓撲、鏈路流量信息,從而根據各區域實驗室機房用戶不同業務需求來統一計算、靈活調度,采用靈活多樣的策略來優化校園網內數據的傳輸。圖1是SDN網絡設計架構圖,其中C0為集中控制器,控制和管理整個SDN校園網絡拓撲,s1—s19為網絡拓撲中openflow交換機,h1—h12為實驗室機房VDI云桌面接入終端。設計架構圖中藍色實線表示網絡數據傳輸鏈路,紅色虛線表示網絡控制鏈路。設備配置信息如表1所示。

圖1 SDN網絡設計架構圖表1 SDN網絡設備配置信息表

序號交換機交換機IP接入終端終端IP1S4-信息樓10.11.12.254h110.11.12.2h210.11.12.32S5-化學樓10.11.13.254h310.11.13.2h410.11.13.33S9-辦公樓10.12.12.254h510.12.12.2h610.12.12.34S10-教學樓10.12.13.254h710.12.13.2h810.12.13.35S14-文經樓10.13.12.254h910.13.12.2h1010.13.12.36S15-報告廳10.13.13.254h1110.13.13.2h1210.13.13.3

2.2 VDI云桌面架構及網絡接入

圖2是VDI云桌面邏輯拓撲架構,16臺桌面云服務器組成桌面集群,服務器集群通過虛擬化技術[8]生成大量的虛擬機或虛擬桌面,并存在一個或多個桌面池中,并通過網絡將虛擬桌面分發到終端用戶。用戶可以隨時隨地使用各種終端設備(如PC,Pad或瘦客戶端)授權登錄訪問屬于自己的個人桌面系統。實驗室機房瘦終端通過SDN網絡連接到校園核心交換機S6,訪問數據中心網絡下的桌面服務器集群提供的VDI云桌面服務[9],使終端用戶可以在低性能的本地計算和存儲資源環境下實現計算機桌面的體驗。

圖2 VDI云桌面架構圖及網絡接入圖

3 實驗與結果

本文在Mininet網絡仿真平臺上快速構建校園內SDN網絡架構,Opendaylight(C0)[10]是整個校園SDN網絡全局控制器Controller,s1—s19為校園各個樓座SDN網絡Openflow交換機,h1—h12為各個實驗室機房網絡接入瘦客戶端,外加h13—h30為普通個人電腦。實驗主要測試實驗室機房各瘦終端以及普通個人電腦在SDN網絡環境下登錄和訪問數據中心云桌面集群[11]平臺的速度和性能,并與傳統非SDN網絡環境下的訪問速度和性能作比較。圖3是兩種網絡環境下主機h1—h12登錄VDI云平臺的響應速度和傳輸延時的比較數據。

圖3 兩種網絡環境下瘦終端登錄云桌面延時比較

通過測試數據可以看到,在SDN網絡架構下與傳統非SDN網絡環境下相比,實驗機房終端登錄云桌面端到端的延時更小(VDI云桌面登錄時間是指瘦客戶端運行云桌面登錄程序并成功進入云桌面的時間,不包含瘦客戶端本身開機啟動時間)。

圖4是VDI瘦客戶端以及PC段在兩種不同網絡環境下,連接云桌面集群后在VDI桌面服務中打開不同應用程序響應時間的比較圖。

圖4兩種網絡環境下登錄云桌面應用延時比較

在SDN網絡架構下,部署校園實驗室機房VDI云桌面模式是可行的,而且在瘦終端和PC上登錄云桌面訪問不同應用程序服務或網站平臺響應時間更短,可改善用戶上機體驗,提高實驗機房教學服務和效率。在SDN網絡中,VDI云桌面數據流轉發時都必須在路徑轉發策略優化后由控制器做出轉發決定。在校園上層匯聚設備到實驗室機房接入帶寬一定的條件下,如果某個時段機房云桌面瘦終端有視頻流媒體業務需求且要求較高帶寬和流量時,SDN網絡下可以將流量做整形、規整[12],臨時讓流媒體視頻教學流量的通道帶寬更大一些,甚至可以臨時關閉其他SIP、FTP或BT等通道,滿足實驗室機房VDI云桌面服務的靈活實驗教學需要。

4 結語

本文設計了基于SDN的校園網絡架構,利用SDN技術來承載實驗室機房VDI云桌面服務網絡,使用Mininet工具建立校園SDN網絡模型仿真平臺。文中實驗數據說明,在SDN網絡環境下構建VDI云桌面服務,一方面實驗機房瘦終端訪問云桌面服務的延時更少,打開云桌面各個應用服務程序有更快的響應速度,改善了用戶上機使用體驗,也提高了教學效率；另一方面能夠實現機房終端集中管理,減少管理員日常維護量；最后SDN架構網絡在集中控制器下能夠靈活自定義任何網絡路由和傳輸規則策略,靈活智能并能滿足不同用戶業務需求,為下一步校園網大范圍設計和部署SDN網絡提供有力的參考。后續研究過程中將進一步考慮SDN多控制器的實現以及VDI云桌面提供大型計算或圖形密集型應用服務等問題。