云桌面技術在計算機實驗教學中的應用研究

張建華，羅應機，肖中正

摘要：隨著云計算技術的成熟，高校計算機實驗室逐漸由傳統的PC實驗室建設模式，轉向基于桌面虛擬化技術的集中云管輕量化客戶端模式。云桌面實施相對容易、管理成本較低、擴展性強、運維成本低。通過云桌面可以實現對機房、計算資源、網絡資源、存儲資源以及用戶的統一集中管理，使實驗室管理高效、便捷。

關鍵詞：計算機實驗室;云桌面;虛擬化

中圖分類號：TP3? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）19-0114-02

1 背景

在傳統的計算機實驗室建設中，存在硬件不統一、管理維護困難的問題。受到建設預算、建設周期、硬件維修更新等因素影響，在后期導致會存在設備品牌，型號和性能的差異，從而增加維護難度[1]。當前計算機硬件更新換代周期越來越短，在設備使用一定年限后需要進行更新換代。這將導致造成較大的資源、財力浪費，極大增加管理成本。此外，實驗室分布在不同區域、不同樓層，有軟件進行安裝與更新需求時，通常需要逐間教室或者逐臺安裝。當教室數量及點位較多，并且軟件更新需求較為頻繁時，需要投入的管理成本巨大。

隨著云計算技術的成熟和應用的普及，高校計算機實驗室逐漸由傳統的PC實驗室建設模式，轉向基于桌面虛擬化技術的集中云管輕量化客戶端模式。相較于傳統實驗室，云桌面計算機實驗室可以實現資源充分利用、按需分配資源、隨時隨地獲取資源;在管理方面具有實施相對容易、管理成本較低、擴展性強、運維成本低等優點。因此，云桌面技術如何基于現有的設備進行升級改造以及后續的迭代擴展，優化計算機實驗室管理能力，是一個值得深入研究的問題。

2 虛擬化與云桌面技術

虛擬化是服務器將一計算機通過虛擬機監視器（Hypervisor） ，將計算機虛擬為多臺邏輯計算機[2]。虛擬機管理器將硬件資源抽象成邏輯資源池。通過虛擬化把計算資源（CPU、內存）、網絡資源、存儲資源抽象成資源池，實現按需、按量分配。在資源池中，可以運行多個獨立的虛擬機，虛擬機可以是不同配置、不同網絡、不同操作系統。這樣有利于計算資源、存儲資源、網絡資源的彈性分配，而不是像傳統的方式，多個程序運行與同一個操作系統，即污染運行環境，也無法實現資源合理利用。虛擬機可以安裝不同的操作系統，部署不同的應用軟件。這樣就實現了不同的計算機實驗環境。通過輕量化的云桌面客戶端連接到虛擬機，即可實現云桌面系統。這樣一來，所有的核心計算資源、存儲資源、網絡資源集中管理起來，相較于傳統的分散式實驗室，顯然極大提高管理效率、降低管理成本。

3 云桌面計算機實驗室平臺

3.1 平臺架構

云桌面計算機實驗室平臺包括以下幾個大塊：

物理主機集群：這是核心虛擬化資源，屬于平臺的計算資源。物理主機集群由物理服務器組成，即是一臺具備CPU、內存的計算設備;當日物理主機具備少量的存儲空間，以運行必要的虛擬化程序。但物理主機通常不直接掛載大量存儲設備作為用戶數據存放設備。因為實際運行的虛擬機實例是浮動的，它可能根據系統狀態熱轉移到其他物理主機運行。因此，虛擬機的存儲設備通常使用外掛的網絡存儲設備作為虛擬機的硬盤。

存儲集群：通常使用磁盤陣列作為高可用、安全的存儲設備;當然也可以根據實際實驗室建設投資預算，選擇廉價存儲設備作為存儲集群，但需要做好副本備份。存儲集群與物理集群之間建議使用萬兆光纖連接，實現物理主機與存儲之間的極低延遲讀寫操作。

虛擬機模板：虛擬機模板是設置、安裝配置好環境的虛擬機。當需要某類云桌面實驗室，只需要基于該類實驗室的模板創建虛擬機即可，而不需要重新安裝配置新環境。虛擬機模板通常由管理人員預先設置好，當然也可以支持普通用戶建立主機的模板。

虛擬機：虛擬機是實際在運行狀態的邏輯服務器，即云桌面系統。一個虛擬機會占用一定的計算資源、存儲資源和網絡資源。虛擬機的資源占用情況是按需分配的，并非在運行之初就占用預設的資源量。例如磁盤空間，假設分配50GB給到虛擬機，實際上虛擬機內的數據只有20GB，那么平臺分配的文件只有20GB。

云管系統：云管系統是整個平臺的管理系統，涵蓋了物理資源、虛擬機資源、用戶以及相關的業務審批等。云管系統使得所有的人、資源、數據都變得可管理，并且管理相當方便[3-4]。

3.2 云管系統

物理主機集群管理：物理主機是云桌面實驗室的核心基礎設施，是計算資源。當部署新的物理主機時，首先需要在物理裸機上安裝虛擬機管理器，實現硬件的虛擬化。然后在云管系統上，配置接管新的物理主機，這樣計算資源就進入了計算池，可以進行計算資源的按需分配了。物理主機通常以集群方式管理，這樣可以實現虛擬機的熱遷移能力。熱遷移可以實現資源的動態調度，當某個物理主機資源不足時，可以實時遷移到其他資源空閑的主機運行。熱遷移的基礎是物理主機組件集群。

存儲管理：存儲分為本地存儲和外部存儲。本地存儲是物理主機本地的存儲設備，這些存儲通常預留給主機運行用。外部存儲是核心存儲設備，存放虛擬機鏡像、模板、用戶數據等。存儲設備在安裝部署后，通過網絡存儲協議接入到云管平臺，例如NFS協議。云管平臺接管存儲之后，就可以進行存儲劃分。如果存儲設備有多個，則組建集群，根據需求可以實現多副本備份。當創建虛擬機或虛擬機模板的時候，鏡像文件會存儲到外部存儲中，并且會有多個副本。而一些用戶上傳的對象文件，則以對象存儲系統方式存儲，例如Ceph。

網絡管理：網絡也是可虛擬化的資源之一。云桌面實驗室以虛擬機私有網絡為主。在云管平臺可以建立多個不同的私有網絡;不同的虛擬機可以接入到多個不同的私有網絡。不同的私有網絡之間是隔離的。假如兩個虛擬機需要通信，則要保證它們處于同一個私有網絡中。當然，如果需要訪問互聯網，就需要虛擬主機提供互聯網訪問權限。