基于VDI的虛擬桌面云方案的容量規(guī)劃研究

中國通信建設(shè)集團設(shè)計院有限公司第一分公司 周麗娜

隨著云計算業(yè)務(wù)的開展，傳統(tǒng)本地桌面逐步向云桌面轉(zhuǎn)型，如何根據(jù)現(xiàn)有系統(tǒng)使用配置云桌面系統(tǒng)的CPU容量、內(nèi)存容量、存儲容量，是桌面云規(guī)劃中經(jīng)常面臨的問題。本文詳細說明了桌面云方案中的CPU、內(nèi)存及存儲容量的估算方法，并對存儲系統(tǒng)的性能優(yōu)化提出了解決方案，為企業(yè)進行桌面云改造進行設(shè)備選型提供了依據(jù)。

一、緒論

云計算作為一種互聯(lián)網(wǎng)上的資源利用新方式，近幾年得到較好的發(fā)展和部署。桌面云是一種典型的云計算應(yīng)用。它在服務(wù)器端承載用戶的桌面服務(wù)和桌面應(yīng)用程序，而用戶可以通過瘦客戶端或其他任何聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來進行訪問。當前桌面云解決方案主要分為VDI和SBC兩大類。其中基于VDI的虛擬桌面方案，其原理是在服務(wù)器側(cè)為每個用戶所需的操作系統(tǒng)和各種應(yīng)用，然后通過桌面顯示協(xié)議將完整的虛擬機桌面交付給遠程的用戶，具有與傳統(tǒng)的基于PC的本地桌面十分接近的使用體驗，且能夠較好地實現(xiàn)性能隔離和安全隔離，服務(wù)質(zhì)量容易得到保障，因此成為傳統(tǒng)本地桌面向云桌面轉(zhuǎn)型的主要方式（云終端系統(tǒng)在多媒體教室管理中的應(yīng)用研究[D].王建成.廣東技術(shù)師范學院,2016）。與本地桌面相比，VDI有如下一些優(yōu)點：可以隨時隨地訪問真實桌面，集中化的管理方式，IT工程師通過控制中心管理成百上千的虛擬桌面，大大節(jié)約了管理成本。在桌面云解決方案里，所有的數(shù)據(jù)以及運算都在服務(wù)器端進行，客戶端只是顯示其變化的影像而已，安全性高。

二、基于VDI桌面云解決方案工作原理

基于VDI的虛擬桌面解決方案，其原理是在服務(wù)器側(cè)為每個用戶準備專用的虛擬機并在其中部署用戶所需的操作系統(tǒng)和各種應(yīng)用，然后通過桌面顯示協(xié)議將完整的虛擬機桌面交付給遠程用戶使用（基于VDI模式的電網(wǎng)企業(yè)桌面云設(shè)計與實現(xiàn)[J].謝朋宇.廣西電力,2016）。因此，這類解決方案的基礎(chǔ)是服務(wù)器虛擬化。服務(wù)器虛擬化主要有完全虛擬化和部分虛擬化兩種方法（一種基于微服務(wù)架構(gòu)的新型云件PaaS平臺[J].郭棟,王偉,曾國蓀.信息網(wǎng)絡(luò)安全,2015(11)）,完全虛擬化能夠為虛擬機中的操作系提供一個與物理硬件完全相同的虛擬硬件環(huán)境，基于VDI的虛擬桌面解決方案通常采用完全虛擬化技術(shù)構(gòu)建用戶專屬的虛擬機。

VDI桌面虛擬化的優(yōu)勢在于運算集中在服務(wù)器端，特別適合在極小的廣域網(wǎng)帶寬環(huán)境下使用，用戶可以使用平板電腦或者手機接入，訪問自己的桌面環(huán)境，實現(xiàn)隨時隨地辦公（基于VDI模式的桌面云管理平臺設(shè)計與實現(xiàn)[J].羅南林.計算機科學,2015）。可以提升企業(yè)IT安全管理水平和信息治理效率。

三、基于VDI桌面云方案容量規(guī)劃

桌面云的容量規(guī)劃實際上就是要模擬大量PC操作系統(tǒng)中的運算、存儲、傳輸需求統(tǒng)一到一個桌面虛擬化架構(gòu)后，如何科學統(tǒng)計原來分散在大量PC中的運算、存儲需求，并做到精確定量。

（1）CPU的容量規(guī)劃

CPU的容量規(guī)劃主要涉及到服務(wù)器的整合。由于被整合的服務(wù)的配置差異較大，在桌面云方案中，CPU的容量核心需求是批量生產(chǎn)和分發(fā)一種或幾種容量的虛擬機，因此通常先設(shè)計每個目標CPU(內(nèi)核)承載的虛擬CPU(以下稱vCPU)個數(shù)（每內(nèi)核vCPU數(shù)），再為相應(yīng)規(guī)格的虛擬桌面分配合適數(shù)量的vCPU。每內(nèi)核vCPU數(shù)應(yīng)根據(jù)物理CPU和vCPU的目標性能、目標占用率進行計算。

CPU的容量一般按如下方式計算：

被整合CPU容量×被整合服務(wù)器CPU占用率=新CPU容量×目標服務(wù)器CPU占用率的原則進行。

X86平臺系統(tǒng)CPU占用率超過80%-85%后，CPU性能效率將開始下降，因此服務(wù)器的目標CPU占用率取為80%。

不同微架構(gòu)的CPU，性能換算可根據(jù)一些第三方測試機構(gòu)發(fā)布的典型CPU性能測試數(shù)據(jù)來進行估算，也可以使用這些測試機構(gòu)發(fā)布的測試工具進行自行測試。

（2）內(nèi)存容量規(guī)劃

虛擬化技術(shù)的實質(zhì)是CPU分時復用，在運行時，物理服務(wù)器承載的全部活動虛擬機都將裝入內(nèi)存。內(nèi)存的容量規(guī)劃包括分配給VM的內(nèi)存、vCPU內(nèi)容的開銷、顯示內(nèi)存的開銷。RAMguset為分配給VM的內(nèi)存；RAMvCPU為每個vCPU內(nèi)存的開銷，一般取0.09～0.1GB；NUM vCPU為每臺VM的vCPU個數(shù)；RAMgm為每臺VM顯示內(nèi)存開銷，當每臺VM配1臺顯示器，顯示分辨率1920×1080時，一般取0.01～0.03GB。

要基于內(nèi)存計算每個服務(wù)器承載的虛擬機數(shù)量NUM vm，可使用以下公式：

式中：RAMps為物理服務(wù)器的內(nèi)存容量；Rmmu為物理服務(wù)器的內(nèi)存最大使用率，一般可取80%。

（3）存儲規(guī)劃

存儲系統(tǒng)作為桌面虛擬化的核心構(gòu)成部分，其設(shè)計規(guī)劃是桌面云項目中的重點內(nèi)容。一方面是由于存儲系統(tǒng)成本占桌面云項目設(shè)備成本的20%以上，另一方面存儲系統(tǒng)的性能直接影響到虛擬桌面的用戶體驗。

存儲系統(tǒng)規(guī)劃主要包括存儲空間規(guī)劃與存儲性能（主要是IOPS）規(guī)劃。其中存儲空間規(guī)劃較為簡單。存儲空間規(guī)劃一般包含操作系統(tǒng)存儲空間、內(nèi)存映像文件、用戶數(shù)據(jù)存儲空間以及必須的應(yīng)用軟件。以日常辦公型Windows 7虛擬桌面為例，其客戶操作系統(tǒng)盤一般分配30GB空間即已足夠，再加上Hypervisor的內(nèi)存映像文件、日志文件等空間，以及Hypervisor文件系統(tǒng)開銷，并留出一定的用戶數(shù)據(jù)存儲空間，以及統(tǒng)一安裝必需的應(yīng)用軟件，每個虛擬桌面空間占用按40～50GB計算。如再使用鏡像方式提高虛擬桌面的可用性，則每個用戶的存儲空間可按80～100GB計算。

然而存儲性能規(guī)劃則非常關(guān)鍵。由于Hypervisor的引入，使得虛擬機內(nèi)部的磁盤訪問請求需要經(jīng)歷更長的I/0路徑，增加了額外的CPU開銷；Hypervisor的引入也使得虛擬機內(nèi)部的相關(guān)塊設(shè)備驅(qū)動程序很難獲取準確的存儲設(shè)備相關(guān)信息，影響了一些磁盤訪問優(yōu)化技術(shù)（如交錯讀寫）的使用；由于整合了大量的虛擬桌面，使得共享存儲設(shè)備需要面對和處理成倍增加的并發(fā)訪問請求，進一步加劇了其性能瓶頸。這使得VDI桌面云對存儲的性能有非常高的要求。

影響存儲性能的因素主要包括存儲（連續(xù)讀寫）帶寬和數(shù)據(jù)訪問IOPS。由于辦公環(huán)境中很少出現(xiàn)大量用戶同時進行連續(xù)讀寫的場景，在VDI桌面云中，對存儲帶寬要求并不高，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，每個Windows 7虛擬桌面的平均存儲帶寬需求在110～230KB/s之間，而單塊300/600GB服務(wù)器硬盤持續(xù)傳輸帶寬在110～170MB/s之間，單條8GB FC/10GbE IPSan鏈路可提供800MB/s的存儲訪問帶寬，存儲帶寬不會成為系統(tǒng)性能瓶頸。桌面云系統(tǒng)進行存儲訪問的特點是小塊數(shù)據(jù)隨機讀寫，因而對存儲系統(tǒng)IOPS，每秒讀寫操作次數(shù)）要求特別高。如果磁盤組成Raid陣列，對磁盤的寫IOPS性能可能有較大影響，如組成Raid 1或Raid 10，則平均單盤寫IOPS性能下降一半；組成Raid 5，平均單盤寫IOPS性能下降75%。

（4）存儲系統(tǒng)優(yōu)化

在大型桌面云系統(tǒng)中，如何有效預(yù)防“啟動風暴”，是考驗存儲系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。尤其是工作日剛上班的時間段內(nèi)，會面臨大量的用戶同時啟動虛擬桌面，引起大量存儲I/O操作超過存儲系統(tǒng)的IOPS能力，從而令桌面啟動和登錄時間延長。通常采用兩種方式應(yīng)付“啟動風暴”。一是增加足夠多的硬盤提供更多的IOPS。二是為存儲服務(wù)器配置大容量的Cache（混合型桌面云高可用性研究與實現(xiàn)[D].王建一.華南理工大學,2015）。這兩種方式均會帶來存儲系統(tǒng)成本的激增。要解決上述問題，可以采用以下一些措施：分批啟動虛擬桌面，將同一部門的虛擬桌面分配到不同的LUN上，降低存儲訪問需求的時間相關(guān)性。根據(jù)不同的存儲要求，將相關(guān)文件放置到不同性能特點的LUN上，建立分級存儲系統(tǒng)。使用虛擬桌面服務(wù)器的本地存儲來緩存減少對共享存儲的訪問。引入Server SAN/軟件定義存儲等新技術(shù)，用虛擬桌面服務(wù)器的本地存儲或直連存儲，通過管理軟件組成一個分布式存儲資源池，解決集中式共享存儲適應(yīng)不了云計算的彈性橫向擴展的問題。

四、結(jié)論

桌面云方案的改造涉及到CPU、內(nèi)存及存儲容量的規(guī)劃，如何選擇合適的設(shè)備型號，是企業(yè)在改造過程中要解決的首要問題。在CPU容量估算時，通常先設(shè)計每個目標CPU(內(nèi)核)承載的虛擬CPU個數(shù)，再為相應(yīng)規(guī)格的虛擬桌面分配合適數(shù)量的vCPU。內(nèi)存容量的規(guī)劃通常需要考慮VM的內(nèi)存、vCPU內(nèi)容的開銷、顯示內(nèi)存的開銷等，隨著虛擬化技術(shù)的流行，近年來服務(wù)器廠商對內(nèi)存配置進行了優(yōu)化，為物理服務(wù)器增加內(nèi)存也很方便，在進行內(nèi)存容量規(guī)劃時，一般不考慮內(nèi)存復用，視情況考慮是否進行“內(nèi)存超配”。存儲容量的規(guī)劃主要涉及到存儲性能的優(yōu)化，分級的存儲系統(tǒng)能為用戶帶來較好的體驗，基于Server SAN/軟件定義存儲是未來存儲性能優(yōu)化的主要方向。