應(yīng)用型本科院校云機房建設(shè)的應(yīng)用研究

李輝 涂勝倩 楊靜

摘要：應(yīng)用型本科院校招生規(guī)模增加、計算機相關(guān)課程增多，但現(xiàn)有機房的日常建設(shè)與管理模式均存在諸多問題，很難滿足當前教學及相關(guān)實訓(xùn)的需求。隨著云計算和虛擬化技術(shù)的普及，機房數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)集中化管理，便于集中部署與教學相關(guān)的桌面環(huán)境，為應(yīng)用型本科院校機房帶來新的技術(shù)架構(gòu)和管理模式。通過研究傳統(tǒng)機房建設(shè)和運維管理現(xiàn)狀，結(jié)合學校的實際應(yīng)用需求，設(shè)計并建立不同架構(gòu)融合的新虛擬桌面云平臺，達到對應(yīng)用型本科院校云機房統(tǒng)一管理的目的。

關(guān)鍵詞：云計算;虛擬化;云桌面;云機房

中圖分類號：TP391? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）33-0034-02

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

作為承擔應(yīng)用型本科院校不同專業(yè)實驗和實訓(xùn)課程的重要場所，計算機機房對資源共享、資源分配、數(shù)據(jù)安全、軟硬件更新等提出更高的要求。而傳統(tǒng)機房主要存在不同批次電腦間硬件不統(tǒng)一、系統(tǒng)升級與更新頻繁、后期硬件擴容成本高等問題[1-2]。云機房，其技術(shù)支撐為桌面虛擬化技術(shù)，該項技術(shù)是以云計算為中心加以虛擬化技術(shù)融合搭建而成，通過資源的統(tǒng)一集中部署，改變了過去獨立、冗散的系統(tǒng)環(huán)境[3-5]。利用集群式服務(wù)器的優(yōu)化架構(gòu)，實現(xiàn)了實體硬件或操作系統(tǒng)的虛擬化，節(jié)省物理空間，并將硬件資源進行有效資源分配與共享，即可實現(xiàn)統(tǒng)一高效管理[6-7]。從現(xiàn)有的運行情況來看，虛擬桌面云平臺能夠提高機房軟硬件資源的利用率與系統(tǒng)的可靠性、可擴展性[8]。如何建立優(yōu)化的虛擬桌面云平臺架構(gòu)、提高資源利用率及減輕維護工作任務(wù)量，并保障云機房運行的穩(wěn)定性，已成為應(yīng)用型本科院校云機房普遍面臨的難題。

1 應(yīng)用型本科院校機房建設(shè)與管理的現(xiàn)狀分析

20世紀80年代末，隨著計算機專業(yè)的普及，各大高校開始配置機房，早期的機房通常由十多臺獨立運行的計算機組成，大部分機房管理缺少專業(yè)的計算機機房維護人員，機房運行故障率高。到了二十一世紀初，維護管理制度趨于完善，加之高性能的中央服務(wù)器大量應(yīng)用，星型拓撲結(jié)構(gòu)或網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)的中心機房開始在高校中普及[9]。此時，機房的建設(shè)與管理仍然存在諸多問題：（1）硬件建設(shè)與管理方面：由于日常消耗帶來機房的擴建和維修，不同批次的硬件設(shè)備之間品牌、型號和性能差異很大，造成了硬件配置標準不統(tǒng)一，管理維護困難;每臺計算機都包含CPU、內(nèi)存、硬盤、顯卡等設(shè)備，整體電源能耗大，還需額外配備專業(yè)電源管理人員，加重管理負擔。（2）機房軟件建設(shè)與管理方面：大部分專業(yè)軟件授權(quán)費用高，且需要綁定終端硬件，需要逐臺激活，增加管理人員的負擔;校園計算機病毒泛濫，并可借助校園網(wǎng)大面積擴散，短時間內(nèi)很難進行保障教學正常;現(xiàn)有的機房管理軟件一般只能通過廣播的方式實現(xiàn)教學演示，教學方式單一、教學效果差，無法有效實現(xiàn)課堂上師生互動。

總的來說，相對于機房建設(shè)，機房管理的重要性逐漸凸顯出來，計算機通識教學成為幾乎所有專業(yè)的必修課程，致使機房每天的使用頻率非常高，如何有效部署應(yīng)用軟件的批量升級及學生端的遠程控制以減輕機房維護人員的工作任務(wù)量，同時如何有效隔絕計算機病毒或網(wǎng)絡(luò)攻擊以防止重要數(shù)據(jù)的損失。系統(tǒng)還原軟硬件與遠程控制軟件應(yīng)運而生，使得機房建設(shè)與管理走向正規(guī)化、專業(yè)化及規(guī)范化。移植于網(wǎng)吧機房的無盤系統(tǒng)實現(xiàn)服務(wù)器端的統(tǒng)一部署和管理，計算機每次重啟后即可恢復(fù)到初始狀態(tài)。但無盤系統(tǒng)的終端計算機僅是無須安裝硬盤，并且限于同一個局域網(wǎng)內(nèi)進行部署，仍存在安裝方法復(fù)雜、系統(tǒng)穩(wěn)定性差、不支持透過Internet遠程控制啟動、客戶端無法保存數(shù)據(jù)等問題[10]。

隨著計算機寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和桌面虛擬化相關(guān)開源技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，國內(nèi)很多高校紛紛采用虛擬桌面云平臺來組建云機房。在虛擬桌面云平臺中，云計算實質(zhì)上為利用分布式計算的分配與共享特性，完美結(jié)合進程式的虛擬化技術(shù)，并依托于網(wǎng)絡(luò)匯聚交換后的計算機資源池，在后臺服務(wù)器將實體硬件的資源抽象化處理，從而得到多個本地化的相互獨立虛擬資源，實現(xiàn)處理器、顯卡、內(nèi)存、硬盤等實體硬件的虛擬化，滿足本地使用時大量數(shù)據(jù)高并發(fā)交互環(huán)境的需求。虛擬桌面云平臺使云機房具有較好的優(yōu)勢：（1）云桌面全部放置于后臺服務(wù)器中，前端不占用任何性能資源，如：統(tǒng)一配置網(wǎng)絡(luò)地址、配置云桌面參數(shù)、更新等，且只需要對后臺服務(wù)器進行維護即可，有效解決管理維護問題;（2）云桌面的鏡像之間相互隔離，各個獨立鏡像的配置之間實時進行動態(tài)調(diào)度，只需利用后臺服務(wù)器即可完成，且后臺服務(wù)器可通過統(tǒng)一終端進行升級管理;（3）云桌面終端投入成本低，功耗低，整體設(shè)備更新周期為8-10年，有效降低了整體擁有成本;（4）云桌面可將遺存在本地的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一加密存儲，利用終端接口的權(quán)限來進行訪問認證。

主流的虛擬桌面云平臺的框架有四種，包括RDS、IDV、VOI及VDI等，但均存在諸多問題：前兩者雖可離線使用，但軟件支持力度差，需針對數(shù)據(jù)庫資源進行獨立安全性防護，且造價成本高;后兩者則比較耗網(wǎng)絡(luò)資源，傳輸文件過大容易造成網(wǎng)絡(luò)堵塞，極易致使服務(wù)器負載太大而出現(xiàn)故障，最終導(dǎo)致所有學生端癱瘓無法使用。此外，部分虛擬桌面云平臺由于集中在后端服務(wù)器進行計算，致使終端無法流暢運行大型3D軟件及播放高清影像。

2 基于VOI和VDI框架融合的云機房建設(shè)

當前，雖有利用四種框架進行融合設(shè)計的案例，但效果均不理想，體現(xiàn)在無法有效利用現(xiàn)有機房的硬件資源進行部署。因此，結(jié)合VOI和VDI框架的技術(shù)特點，探索兩者之間優(yōu)勢的互補方案，設(shè)計融合方案及其系統(tǒng)架構(gòu)。

根據(jù)前述需求和技術(shù)特點，確定VOI和VDI框架融合的虛擬桌面云方案，具體如下：

利用集群式架構(gòu)的原理，通過設(shè)置控制節(jié)點和計算節(jié)點兩大部分來綜合部署瘦客戶端，便于統(tǒng)一管理。具體來說，控制節(jié)點用于在VDI服務(wù)器中存儲操作鏡像文件，計算節(jié)點用于在GPU服務(wù)器集群內(nèi)平衡可動態(tài)擴展的桌面虛擬機資源，可滿足瘦客戶端內(nèi)三維建模、影片剪輯及VR模擬等實際教學需求，同時可通過交換機的遠程登錄，提供虛擬個人桌面，進而實現(xiàn)實時的軟件數(shù)據(jù)交互處理。

設(shè)計的系統(tǒng)架構(gòu)涉及如下，采用現(xiàn)有機房內(nèi)臺式電腦，并設(shè)置基于win系統(tǒng)的版本鏡像的存儲，隨后結(jié)合云桌面的遠程注冊和申請?zhí)攸c，將存儲版本鏡像的臺式電腦與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端進行相連，滿足不同版本鏡像在軟件維持周期內(nèi)的實時更新。此外，學生或教師用戶可通過本地瘦客戶端的安裝操作，只需以密鑰方式登錄，即可實現(xiàn)對遠程云桌面的有效訪問。

結(jié)合圖1來看，臺式電腦和筆記本電腦上設(shè)置有瘦而客戶端，同時每個瘦客戶端獨立連接VOI服務(wù)器和VDI服務(wù)器，利用云端vGPU+VDI服務(wù)器的部署功能，有效將現(xiàn)有機房的臺式電腦進行增霸卡式的統(tǒng)一管理。經(jīng)測試，上述設(shè)計方案可應(yīng)用大學物理實驗、電工電子技術(shù)、AUTOCAD建筑設(shè)計等仿真虛擬實驗環(huán)境中。

3 總結(jié)

本文結(jié)合現(xiàn)有虛擬桌面云平臺的優(yōu)劣勢，提出一種新式的融合的架構(gòu)設(shè)計方案，其結(jié)合了VOI服務(wù)器、VDI服務(wù)器及GPU服務(wù)器的優(yōu)勢。該方案按照不同的實驗課程要求和終端的特點，部署相應(yīng)的云桌面服務(wù)，與傳統(tǒng)機房相比，云機房在建設(shè)成本、管理、運維、節(jié)能及資源利用率上具有非常好的優(yōu)勢，VDI+VOI融合實現(xiàn)了兩種虛擬云桌面平臺的統(tǒng)一管理，節(jié)省了大量部署教學環(huán)境的準備時間和教學空間，滿足教師個性化桌面需求，保障了數(shù)據(jù)的安全性和私密性，為高校云機房的建設(shè)和管理提供了新思路。

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【通聯(lián)編輯：梁書】