超融合多功能桌面云機房建設研究

楊會偉　陳玨　姚學軍

摘要：針對傳統機房建設成本高和管理維護困難，提出一種超融合多功能桌面云機房建設方案，先通過千兆網絡將服務器連接起來，利用超融合技術軟件將多服務器資源虛擬化，形成統一資源池作為云系統平臺;再通過云資源管理平臺有效管理各種云硬件資源，安裝虛擬化平臺生成應用服務器虛擬機以及用戶虛擬機。根據實際需要產生多個基礎鏡像，學生通過登錄不同的賬戶連接到自己專業所屬的鏡像系統即可，最終實現桌面云的多功能用途。該建設方案可大大降低建設成本、管理和維護成本，且能大幅度降低耗電量。

關鍵詞：超融合;云計算;桌面云;資源池

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）26-0060-03

計算機從早期的晶體管模式發展到今天的大規模集成電路時代，目前正向第五代計算機過渡，計算機的應用越來越廣泛，無論是任何行業、任何領域，計算機的應用已經成為必不可少的一部分。對高校而言，無論任何專業都會涉及計算機的應用，因而高校計算機機房的建設是專業培養學習的重要一環。傳統的機房建設由于受到硬件資源、軟件資源、網絡帶寬的限制，建設中面臨許多困難與問題，常常要耗去大量的人力，做大量重復性工作;另外基于計算機的學習軟件越來越多且升級速度越來越快，機房每隔一段時間都要進行新的軟件更新和系統更新，傳統機房軟件的更新任務量巨大，哪怕是添加一個簡單的軟件，工作量都很大。計算機硬件性能密度的大幅提升、互聯網技術的飛速發展以及軟件智能逐步走向成熟，超融合以及云計算的出現完全打破了傳統機房建設架構，多個計算機之間以及各個計算機的處理器、存儲器、網絡以及其他資源之間不再各自獨立，都通過超融合軟件進行了虛擬化融合，通過虛擬化管理軟件的合理配置，打造出多服務器超融合多功能云桌面。將從根本上解決傳統機房實驗室建設管理的缺點，從根本上解決建設成本，提高管理效率。緊跟科技發展潮流，結合我校機房的特點，提出了一種超融合多功能桌面云機房建設方案[1-3]。

1 傳統機房建設方案

傳統通常由服務器、交換機、學生機、路由器通過網線連接而成。機房里有多臺學生機，這些學生機通過交換機和服務器相連，根據服務器的不同的應用需求，服務器有多種類型。平時上機課，教師利用FTP服務器給學生布置任務以及提供資料，并在上機課堂結束時讓學生提交上機操作結果;Web服務器和數據庫服務器主要用于學期末學生的上機考試和各種國家或者省級的上機考試，Web服務器主要用于網頁形式的考試，數據庫服務器主要用于C/S模式的上機考試。通常情況下，為了避免各種類型服務器程序應用沖突，減少服務器的安裝和調試時間，高校機房大都配備多臺服務器，每臺服務器專用于某一特定功能。如果上機課需要學生聯網查找相關資料，可以將交換機連接與外網連接的路由器即可。具體結構如圖1所示。

傳統機房建設方案的特點：傳統機房的建設受限于當時的計算機軟硬件特性和網絡特性，在機房管理中存在很多問題無法解決：（1）高校的機房尤其是公共機房通常涉及很多不同專業的上機課程，并且每學期的課程都不同，涉及上機環境不同，這樣就需要每學期都要重新安裝新的上機環境。傳統的機房建設雖然服務器和學生機都可以通過交換機和網線連接一起來，但是對每臺學生機和服務器來說又都是一個個獨立的個體，運行環境都是在本地安裝的，這就需要對上機環境的更新需要將每臺電腦都要安裝更新，這種任務量是相當巨大的，雖然現在可以通過磁盤映射來完成，但是每映射一次需要花費很長時間，并且需要保證映射過程中不會出現異常。（2）計算機軟件的升級速度很快，這對硬件的要求也越來越高，導致對于硬件資源每隔幾年就要進行更新換代，每臺服務器之間沒有聯系，資源不能整合，單個服務器的性能隨著軟件的升級也面臨淘汰，造成資源的浪費，機房建設費用年年大幅提高。

2 超融合多功能桌面云機房建設方案

隨著計算機軟硬件資源的飛速發展，網絡速度的飛速提升，結合當今最新技術，打破傳統機房建設理念，提出一種新的超融合多功能桌面云實驗室方案，從根本上克服且降低傳統機房建設存在的問題。具體方案框圖如圖所示：通過超融合技術，從底層硬件利用10G以太網交換機將多臺服務器設備資源聚合起來，形成統一的、特性更強的服務器資源池和存儲資源池，實現多服務器平臺的無縫融合和橫向擴展。在共享資源平臺上利用虛擬技術構建多個用戶虛擬機，從資源池中為其分配相應的滿足特定要求的資源，用于部署虛擬桌面和應用服務器。部署的虛擬桌面和服務器通過千兆網絡連接映射到終端，終端摒棄了傳統主機加顯示器的模式，而是采用專用云終端控制器加顯示器的模式，桌面云終端通過賬號登錄即可訪問特定的應用桌面，同一個云終端可通過輸入不同的賬號來訪問不同應用的云桌面，從而實現多功能桌面[4-5]。

2.1 多服務器超融合架構技術

超融合技術是利用網絡整合多模塊硬件資源的軟件系統。超融合軟件是介于底層硬件平臺和操作系統之間的軟件資源。多服務器超融合架構就是通過統一的超融合軟件（中間件）將多個位于同一網絡中的服務器節點資源聚合起來，形成統一的共享資源池，將各個節點的各部分性能進行疊加，提升整體運算和存儲能力，還可根據實際應用需求無縫添加新的服務器節點，進一步功能擴充和性能提升。

超融合架構因素：（1）超融合架構是在服務器上以構建虛擬機為中心，以讓虛擬機運行得更有效率為目標，自頂向下進行系統設計。在超融合架構中，與虛擬機相關的數據存儲、復制、快照等操作都是圍繞虛擬機進行。（2）考慮兼容性Hypervisor支持。（3）效率I/O優化和數據效率。多服務器超融合架構如圖2所示：

如圖所示：根據需要將多臺X86服務器硬件資源通過網絡連接在一起，為了提高整體融合性能，網絡采用高速的10G以太網交換機進行連接;每一臺服務器通過軟件定義的方式，緊密融合計算、存儲、網絡和虛擬化等資源，既形成一個超融合節點，多臺超融合節點在同一網絡中利用專用的超融合軟件實現硬件資源的虛擬化，形成虛擬處理器資源池、分布式存儲資源池、網絡資源池以及其他資源，進行統一管理。

超融合架構將服務器+軟件定義的方式替代了傳統的專用硬件設備方式，從根本上降低了架構的復雜性，實現整體架構的按需擴展，減少了運行維護設備的種類，通過統一界面進行管理，維護和管理起來相對傳統設備成本和任務量大大降低[6-7]。

2.2 多功能桌面云技術

云桌面是一種運用云計算方式，提供虛擬操作系統桌面及應用的服務，用戶可以通過各種特定的終端設備通過網絡隨時隨地遠程接入到云桌面使用。桌面云技術是通過控制中心管理多個虛擬桌面，所有的終端設備不需安裝任何操作系統和任何軟件。所有軟件的更新都在控制管理中心進行，且只需要更新一個基礎鏡像就可以了。對高校學生機房建設來說，管理維護任務量大大降低，針對每個專業配置專門的基礎鏡像系統，安裝相應的專業軟件，多個不同專業形成多個不同的基礎鏡像，學生在上機時只需要登錄不同的賬戶連接到自己專業所屬的鏡像系統即可，最終實現桌面云的多功能用途。我們如果需要增添一些軟件或者更新一些軟件，只需要在相應的基礎鏡像上進行更新，然后重啟虛擬桌面就可以了。所有的管理都是集中化的，大大節約了管理成本[8-9]。

云桌面系統架構分為桌面云終端設備、網絡接入控制、虛擬桌面會話管理、云軟件虛擬組件、云資源管理平臺、桌面資源池。其中，云終端是一種特定的終端設備，通過網絡與云服務器相連，用于訪問桌面云中虛擬桌面，在學校機房建設中終端設備主要采用瘦客戶機;網絡接入設備主要包括光纖交換機、網關、防火墻等，通過相應的參數設置來進行接入控制。此控制部分可根據實際應用需要進行裁剪;虛擬桌面會話管理的主要目的是保證虛擬桌面的安全訪問，通過對客戶端用戶的權限認證，并管理系統中所有虛擬桌面的會話，最終完成終端用戶的連接請求與會話管理功能。包含桌面數據傳輸控制部件、Web接入輔助部件、桌面許可服務器部件、IT系統適配部件，所有這些部件都部署在虛擬機上。云資源管理平臺是對各種云硬件資源（包括各種服務器資源）進行有效管理，通過在處理服務器上安裝虛擬化平臺來生成用戶虛擬機，并根據實際需要為虛擬機分配一定大小的虛擬資源（主要包括處理器資源的分配和存儲資源的分配），根據不同虛擬機的特點分別用作應用服務器以及虛擬桌面。

2.3 多功能桌面云機房優勢

相比傳統機房建設，多服務器超融合桌面云機房優勢主要體現在以下幾個方面：第一個方面是節省建設和運行成本。傳統機房都需要采購傳統的PC機，若采用與云桌面方案同等報價的PC配置，硬件性能一般，而且耗電都在250瓦以上，每一臺PC都有一大堆的接插件，極易出現故障。云桌面終端功耗低，若使用 X86 架構也只有 20瓦， 平均每年可較傳統計算機節省 大約95% 的用電成本。傳統的多媒體教室，都是固化的本地性能，而操作系統和軟件的硬件占用率越來越高，為迎合更高版本的操作系統和應用軟件，每隔幾年很多計算機硬件就要重新購買升級，而云桌面機房只需要升級服務器的性能，便能整體提高各學生端的運算能力。從長遠看，云機房的直接投入成本低于傳統計算機機房成本。第二個方面是降低運維成本，提升運行和維護效率。對于傳統機房，學校內的計算機數量往往有數百臺。如果針對幾百臺計算機進行維護和部署新教學應用，運維工作是非常復雜而繁重的。每臺計算機的獨立運行，不僅增加了授課教師及機房管理員的維護工作，同時也帶來了很多的不安全因素。而桌面云機房使用智能客戶端的處理能力，通過統一的界面進行管理，使運維和管理更為簡化，通過智能桌面虛擬化技術，終端的操作系統鏡像以及應用集中在虛擬桌面服務器中，可存儲多個不同子鏡像，服務器可根據不同的工作環境下發所需的虛擬桌面鏡像給終端用戶，可實現多個操作系統并排安裝。在教師端云服務器系統管理平臺中，只要做好可以實現批量快速桌面更新和桌面克隆，一鍵切換不同教學桌面，快速更新桌面系統和軟件，有效提升了機房和終端設備管理和日常維護的效率[10]。

3 超融合多功能桌面云機房應用

3.1 多功能桌面云機房部署方案

將多服務器超融合技術與多功能云桌面技術有機結合，來建設高校機房，既可以充分整合服務器硬件資源，提高資源的共享性和使用效率，大大節約建設成本，又可以滿足多專業多學科的多樣性需求。結合學院開設專業以及課程特點，設計了一種多服務器超融合多功能桌面云機房建設方案如圖3所示：部署步驟：（1）通過10G以太網交換機將已有的多個服務器進行互聯，利用超融合技術軟件將所有硬件資源虛擬化，形成統一的共享資源池，作為機房的桌面云系統平臺;（2）利用虛擬化調度云軟件對資源進行有效分配與管理，建立相應的應用服務器虛擬機和用戶虛擬機，并將桌面云化和應用程序云化，形成基礎鏡像;（3）通過千兆以太網交換機及以太網絡將云終端接入桌面云系統平臺;（4）學生通過本專業分配的賬號登錄相應的基礎鏡像即可上機實驗。

3.2 云機房部署方案實施

結合學生人數，一個專業云機房建設供80名學生使用，需80臺學生機，1臺教師機。本方案采用2臺服務器負載部署， 平均每臺服務器負載40點云桌面，可實現服務器高可用性和高可靠性，具體所需主要設備方案清單如表1所示。

4 結束語

高校機房建設是信息化教學發展中必不可少的環節，為了更好地實現機房的建設管理與維護，方便學生上機學習，必須緊跟科技發展步伐，利用最新技術代替傳統機房建設方案，實現基于超融合技術的多功能桌面云實驗室建設，既有利于與機房建設管理與維護，又方便廣大師生信息化學習和交流，大大提高學校的信息化教學建設以及管理水平。

參考文獻：

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[9] 沈楠.基于云桌面的高校計算機機房建設模式研究[J].淮北師范大學學報（自然科學版），2019，40（4）：67-71.

[10] 張立.虛擬云桌面系統在高校計算機實驗室的應用研究[J].電腦迷，2016（3）：37-38.

【通聯編輯：王力】

收稿日期：2021-11-26

項目基金：安徽省職業與成人教育學會教育教學研究規劃課題（項目編號：Azcj2021216）;安徽省教育廳高校優秀人才支持計劃項目（項目編號：gxyq2020120）;蕪湖職業技術學院校級科研項目（項目編號：wzyzr202112）;安徽省職業與成人教育學會教育研究項目“智慧環境下基于‘三維度的《虛擬儀器技術》課程教學設計與實踐”（azcg52）

作者簡介：楊會偉（1982—），男，河南南陽人，工學碩士，副教授，研究方向為計算機應用和嵌入式儀器儀表。