桌面云實(shí)驗(yàn)平臺的數(shù)據(jù)模型設(shè)計與應(yīng)用

陳大軍

關(guān)鍵詞：桌面云；數(shù)據(jù)模型；數(shù)據(jù)表設(shè)計；數(shù)據(jù)獲取

桌面云技術(shù)在我國的發(fā)展可追溯到2006年，歷經(jīng)17年的發(fā)展歷程，近年來，隨著新一代信息技術(shù)進(jìn)步的推動，對桌面云的需求節(jié)節(jié)攀升，伴隨著我國桌面云標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的演進(jìn)，桌面云在主流架構(gòu)、部署模式以及解決方案等方面不斷完善，逐步深入應(yīng)用到各行業(yè)，尤其在教育行業(yè)得到快速的發(fā)展[1]。

雖然桌面云技術(shù)的應(yīng)用方案，研究成果豐富，但針對其數(shù)據(jù)模型設(shè)計方面研究較少，同時，在藝術(shù)類教學(xué)實(shí)踐保障中存在軟件更新部署耗時多，教學(xué)環(huán)境與考試環(huán)境不能快速切換，現(xiàn)有桌面云產(chǎn)品對GPU支持存在算力不足問題，無法滿足藝術(shù)教學(xué)的需求。因此，本文從桌面云數(shù)據(jù)模型設(shè)計的視角，研究桌面云的應(yīng)用效果，期望利用桌面云技術(shù)解決教學(xué)中遇到的問題，可以輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上云，集中管理，兼容原有設(shè)備，提高教學(xué)保障的效能。

1 平臺需求分析

1.1 業(yè)務(wù)場景分析

通過虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室終端集中化管理，通過服務(wù)器在CPU、GPU方面的算力，存儲空間優(yōu)勢，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺桌面云，用戶可在多場景中訪問資源，建設(shè)私有云網(wǎng)盤，實(shí)現(xiàn)移動教學(xué)辦公。

1.2 系統(tǒng)角色與用戶組設(shè)計

1） 系統(tǒng)管理員。角色具有管理平臺整體功能，平臺授權(quán)，分級管理的功能。

2） 教師用戶組。具有查看教室情況，終端運(yùn)行情況，安裝鏡像文件等功能。

3） 學(xué)生用戶組。具有查看教室情況，使用系統(tǒng)環(huán)境，資源回看等功能。

4） 維修用戶組。具有查看設(shè)備情況，教室情況，報修情況，部署鏡像文件等權(quán)限。

1.3 功能性需求

1） 平臺軟件建設(shè)內(nèi)容。構(gòu)建桌面云融合管理平臺，滿足多媒體教室教學(xué)辦公場景需求，適應(yīng)VDI、IDV、一體機(jī)、兼容PC等多終端并存現(xiàn)狀桌面架構(gòu)的技術(shù)界限，平臺采用B/S架構(gòu)模式，通過虛擬化技術(shù)為平臺提供統(tǒng)一的資源池支持；實(shí)現(xiàn)對資源、機(jī)房、終端、模板、場景和桌面等諸多業(yè)務(wù)處理邏輯，構(gòu)建統(tǒng)一融合桌面云實(shí)驗(yàn)管理平臺[2]。

2） 平臺硬件建設(shè)內(nèi)容。平臺硬件主要涉及后端服務(wù)器與前端客戶機(jī)，其中后端服務(wù)器分為控制節(jié)點(diǎn)服務(wù)器和計算節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，前端客戶機(jī)為IDV終端。

3） 平臺云盤功能。建立私有云云盤，為教師提供教學(xué)資源的個人存儲空間，無需U盤即可聯(lián)網(wǎng)上傳和下載資源，更高效、便捷、安全地管理個人教學(xué)資源，同時，提供組織工作組功能，便于在工作組內(nèi)共享資料，協(xié)同開展虛擬教研室工作。

1.4 非功能性需求

在進(jìn)行平臺架構(gòu)規(guī)劃時，采用成熟先進(jìn)的技術(shù)架構(gòu)，在充分考慮應(yīng)用性能的基礎(chǔ)上，保護(hù)原有資源。實(shí)現(xiàn)終端與數(shù)據(jù)的分離，終端通過網(wǎng)絡(luò)訪問云端資源，適應(yīng)教育行業(yè)發(fā)展趨勢。

采用主流的技術(shù)和平臺框架，滿足IT信息化建設(shè)的擴(kuò)展性需求，能支撐未來校園應(yīng)用服務(wù)化，并實(shí)現(xiàn)斷網(wǎng)不影響教學(xué)使用的功能，保持教學(xué)業(yè)務(wù)連續(xù)性，支持主監(jiān)控服務(wù)、支持虛實(shí)雙系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全可靠。

采用市場上成熟先進(jìn)的高性能硬件配置，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行與數(shù)據(jù)處理的高效性、穩(wěn)定性和安全性，為用戶提供自由、靈活、快速、穩(wěn)定的信息服務(wù)硬件保障。采用針對教育行業(yè)的專業(yè)解決方案系統(tǒng)，有豐富的本地化案例和售后服務(wù)團(tuán)隊。

2 數(shù)據(jù)模型設(shè)計

2.1 設(shè)計思想

1） 數(shù)據(jù)庫設(shè)計原則。數(shù)據(jù)庫設(shè)計適當(dāng)冗余，數(shù)據(jù)表字段設(shè)置豐富的標(biāo)簽，字符類型設(shè)計充足的字長，數(shù)據(jù)設(shè)計遵守范式要求。

2） 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計。邏輯設(shè)計規(guī)范，設(shè)計清晰的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)，規(guī)劃元數(shù)據(jù)設(shè)計體系和多源異構(gòu)數(shù)據(jù)設(shè)計，做好自身數(shù)據(jù)、集成數(shù)據(jù)、推送數(shù)據(jù)的設(shè)計。

3） 數(shù)據(jù)庫安全設(shè)計。數(shù)據(jù)設(shè)計遵循安全性、完整性、可維護(hù)性原則，確保數(shù)據(jù)庫安全可靠[3]。

2.2 數(shù)據(jù)庫表設(shè)計

桌面云實(shí)驗(yàn)平臺的數(shù)據(jù)模型設(shè)計的主要內(nèi)容對桌面云鏡像的結(jié)構(gòu)信息設(shè)計及優(yōu)化，包括每個鏡像文件對應(yīng)路徑、類型、格式、容量及CPU和內(nèi)存的資源分配相關(guān)數(shù)據(jù)[4]。本文將桌面云鏡像的信息及所涉及的各類實(shí)體對象進(jìn)行抽象、歸納，建立各類實(shí)體在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的映射，由此在數(shù)據(jù)模型中設(shè)計、定義了30 張數(shù)據(jù)表，以鏡像文件名稱為主鍵，通過鏡像名稱、用戶編號形成兩級索引，從而關(guān)聯(lián)各個數(shù)據(jù)表。主要由用戶組、教學(xué)組、存儲組、桌面組、網(wǎng)絡(luò)組5部分構(gòu)成。

1） 用戶組

用戶表（Users） ：存儲用戶的基本數(shù)據(jù)，包括用戶賬號、復(fù)雜密碼、個人郵箱等。

教師表（Teachers） ：存儲教師賬號的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括教師ID、是否在線、登錄時間等。

管理員（Admins） ：存儲用戶在云桌面中的管理員及授權(quán)信息，包括用戶ID、虛擬機(jī)/虛擬桌面ID、權(quán)限級別等。

2） 教學(xué)組

課程表（Lessons） ：存儲課程數(shù)據(jù)。包括課程ID、課程名、模板鏡像名等。

班級表（Classes） ：存儲班級數(shù)據(jù)。包括班級ID、班級、學(xué)院、入學(xué)年月等。

班級學(xué)生表（Class_Students） ：存儲班級與學(xué)生對應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)。包括班級ID、學(xué)生ID等。

課程班級表（Lession_Classes） ：如果需要對用戶進(jìn)行分組管理，可以設(shè)計一個用戶組表來記錄用戶組的信息和所屬用戶。

3） 存儲組

存儲池表（Pools） ：如果存在多個物理服務(wù)器或資源池，可以存儲資源池的信息，例如資源池ID、物理服務(wù)器名稱、IP地址等。

模板鏡像表（Bases） ：存儲模板鏡像的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括鏡像ID、鏡像名稱、存儲路徑、鏡像類型、鏡像方式、容量、訪問時間等。

實(shí)例鏡像表（Images） ：實(shí)例鏡像，如果需要提供不同的操作系統(tǒng)鏡像供用戶選擇，包括鏡像ID、名稱、版本、容量大小等。

數(shù)據(jù)表（Data） ：模板鏡像，如果需要提供事先配置好的桌面環(huán)境作為模板給用戶使用，可以設(shè)計一個模板表來存儲模板的信息，例如模板ID、名稱、配置信息等。

鏡像表（Isos） ：存儲安裝鏡像的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括鏡像名、鏡像路徑、鏡像類型、鏡像格式、容量等。

存儲表（Storage） ：如果需要存儲用戶的文件和數(shù)據(jù)，可以設(shè)計一個存儲表來管理用戶文件的存儲路徑、大小等信息。

容器表（Container） ：如果云桌面支持容器化技術(shù)，可以設(shè)計一個容器表來存儲容器的信息，如容器ID、名稱、鏡像等。

分布式存儲表（Distributed Storage） ：如果需要使用分布式存儲來提供高可用性和可擴(kuò)展性，可以設(shè)計一個存儲表來記錄各個存儲節(jié)點(diǎn)的信息和狀態(tài)。

集群表（Cluster） ：如果云桌面采用集群架構(gòu)，可以設(shè)計一個集群表來存儲集群節(jié)點(diǎn)的信息、狀態(tài)和負(fù)載等。

備份表（Backup） ：如果需要對用戶的虛擬機(jī)或桌面進(jìn)行定期備份，可以設(shè)計一個備份表來記錄備份任務(wù)的信息，包括備份ID、備份時間、備份文件路徑等。

文件系統(tǒng)表（File System） ：如果需要提供文件共享和存儲功能，可以設(shè)計一個文件系統(tǒng)表來存儲用戶文件的信息、路徑和訪問權(quán)限。

4） 桌面組

域表（Domains） ：存儲桌面云配置基本信息，包括云桌面ID、云桌面名、操作系統(tǒng)、鏡像數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)地址、CPU、內(nèi)存及用戶組相關(guān)數(shù)據(jù)。

虛擬機(jī)表（Local_vms） ： 存儲基于本地的虛擬機(jī)數(shù)據(jù)，包括虛擬桌面ID、虛擬機(jī)狀態(tài)、所屬用戶、所屬課程、對應(yīng)模板鏡像和實(shí)例鏡像。

應(yīng)用程序表（Application） ：存儲各種可用的應(yīng)用程序信息，包括應(yīng)用程序ID、名稱、版本、描述等。

定時任務(wù)表（Scheduled Task） ：如果需要執(zhí)行定時任務(wù)，如定時清理過期數(shù)據(jù)或執(zhí)行系統(tǒng)維護(hù)操作，可以設(shè)計一個定時任務(wù)表來存儲任務(wù)的信息，包括任務(wù)ID、執(zhí)行時間、任務(wù)類型等。

消息隊列表（Message Queue） ：如果需要實(shí)現(xiàn)異步消息處理和任務(wù)調(diào)度，可以設(shè)計一個消息隊列表來存儲消息的內(nèi)容、狀態(tài)和處理結(jié)果。

統(tǒng)計表（Statistics） ：如果需要統(tǒng)計和分析系統(tǒng)的使用情況和資源消耗，可以設(shè)計一個統(tǒng)計表來記錄各種指標(biāo)，如用戶登錄次數(shù)、虛擬機(jī)使用率、網(wǎng)絡(luò)流量等。

日志表（Log） ：記錄系統(tǒng)的操作日志、錯誤日志和審計日志等，以便進(jìn)行故障排查、安全審計和性能優(yōu)化。

5） 網(wǎng)絡(luò)組

虛擬網(wǎng)絡(luò)表（V Nets） ：如果需要管理虛擬網(wǎng)絡(luò)的配置，可以設(shè)計一個網(wǎng)絡(luò)表來存儲虛擬網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)信息，如網(wǎng)絡(luò)ID、子網(wǎng)、IP地址范圍等。

安全表（Security） ：如果需要記錄用戶權(quán)限、安全策略等信息，可以設(shè)計一個安全表來管理這些信息，以提供安全性管理和訪問控制。

事件表（Event） ：記錄系統(tǒng)的事件和警報信息，例如虛擬機(jī)啟動/關(guān)閉、資源使用超過閾值等。

告警表（Alert） ：如果需要監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)并生成告警，可以設(shè)計一個告警表來存儲告警的信息，包括告警ID、告警級別、觸發(fā)條件等。

各表之間存在廣泛的依存關(guān)系，數(shù)據(jù)表關(guān)聯(lián)可以使得不同表之間相關(guān)數(shù)據(jù)連接在一起，提供更全面的數(shù)據(jù)信息，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。在設(shè)計數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)時，需要注意關(guān)聯(lián)字段的屬性類型和值的準(zhǔn)確性。主要數(shù)據(jù)表關(guān)系如圖1所示。

2.3 數(shù)據(jù)獲取與處理

1） 數(shù)據(jù)類型及特點(diǎn)。云桌面的數(shù)據(jù)類型特點(diǎn)包括虛擬機(jī)鏡像格式、遠(yuǎn)程顯示協(xié)議格式、用戶數(shù)據(jù)文件格式以及配置信息文件格式、日志文件格式、元數(shù)據(jù)文件格式以及鏡像文件格式等。這些數(shù)據(jù)類型共同組成了云桌面的數(shù)據(jù)存儲和交互方式。云桌面的數(shù)據(jù)可以按照不同的分類編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組織和管理。以下是一些常見的分類編碼標(biāo)準(zhǔn)：

文件類型： 根據(jù)文件的擴(kuò)展名或MIME類型進(jìn)行分類編碼，例如文本文件（TXT、DOCX、PDF） 、圖片文件（JPG、GIF、PNG） 、音頻文件（MP3、WMA、WAV、視頻文件（MP4、H.265、AVI） 等。

數(shù)據(jù)格式：根據(jù)數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行分類編碼，例如JSON、XML、CSV等。這些編碼標(biāo)準(zhǔn)可以幫助快速識別和解析數(shù)據(jù)。

日期時間：根據(jù)數(shù)據(jù)的創(chuàng)建時間、修改時間或者歸檔時間進(jìn)行分類編碼，例如按年份、月份、周數(shù)等進(jìn)行分類。

用戶身份及權(quán)限：根據(jù)用戶的身份或權(quán)限進(jìn)行分類編碼，例如按照不同部門、崗位或者項(xiàng)目組劃分。

數(shù)據(jù)敏感性級別：根據(jù)數(shù)據(jù)的敏感性級別進(jìn)行分類編碼，例如公開數(shù)據(jù)、內(nèi)部數(shù)據(jù)、機(jī)密數(shù)據(jù)等。這有助于控制數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限和安全性。

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性：根據(jù)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行分類編碼，例如按照相關(guān)項(xiàng)目、任務(wù)或者文件夾進(jìn)行分類，以便于快速查找和管理相關(guān)數(shù)據(jù)。

2） 數(shù)據(jù)獲取的規(guī)劃與實(shí)施。用戶組與教學(xué)組數(shù)據(jù)一般通過與數(shù)據(jù)交換平臺建立的中間庫或視圖方式來獲取，數(shù)據(jù)交換平臺通過統(tǒng)一身份認(rèn)證獲取一數(shù)一源的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，為各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供良好數(shù)據(jù)來源。學(xué)生數(shù)據(jù)源頭一般由教務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生，學(xué)號是主鍵，唯一標(biāo)識學(xué)生信息。教工數(shù)據(jù)源頭一般由人事系統(tǒng)產(chǎn)生，教工號是主鍵，唯一標(biāo)識教工信息。教學(xué)相關(guān)班級和課程數(shù)據(jù)一般由教務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生，以上信息推送至數(shù)據(jù)交換平臺，實(shí)現(xiàn)與各業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享。

存儲類鏡像數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫管理員完成設(shè)計后，由系統(tǒng)管理員將鏡像文件上傳至系統(tǒng)，存儲到服務(wù)器或存儲中，供系統(tǒng)調(diào)用，服務(wù)器端負(fù)責(zé)鏡像模板的編輯、管理、下發(fā)、終端策略的管理等[5]。在鏡像文件上傳過程中，需添加充足的數(shù)據(jù)標(biāo)簽，為檢索提供依據(jù)，并在鏡像文件命名時，遵循數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，讓命名有意義易識別。

為了方便用戶操作和使用，本平臺設(shè)計了對教學(xué)視頻數(shù)據(jù)的處理。云桌面播放高清視頻時占用大量帶寬資源，容易卡頓等問題，采用H.265 視頻壓縮編碼，更適合終端播放視頻的應(yīng)用場景，具有一定的應(yīng)用參考價值。

2.4 數(shù)據(jù)存儲設(shè)計

硬盤數(shù)量規(guī)劃設(shè)計：平臺采用超融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)存儲空間以各類鏡像為主。平臺采用容量4TB的硬盤進(jìn)行存儲設(shè)計，考慮到硬盤格式化、分區(qū)等損耗問題，故4TB硬盤的實(shí)際容量為4TB×0.9=3.6TB。所需硬盤數(shù)量：所需存儲空間÷3.6TB=所需硬盤塊數(shù)（向上取整）。

服務(wù)器數(shù)量規(guī)劃設(shè)計：系統(tǒng)設(shè)計采用36盤位存儲服務(wù)器，按每臺設(shè)備做3個RAID5，并配置1塊熱備盤計算，共消耗4塊硬盤，每臺36盤位存儲服務(wù)器可用硬盤數(shù)為36-4=32塊。所需存儲服務(wù)器數(shù)量：所需硬盤塊數(shù)÷32=所需存儲服務(wù)器數(shù)量（向上取整）。

3 實(shí)證分析

3.1 平臺的運(yùn)行環(huán)境

1） 物理環(huán)境。服務(wù)器：采用物理服務(wù)器，中央處理器：2顆8核；內(nèi)存：64GB；存儲容量12T；支持虛擬桌面數(shù)量60臺。

學(xué)生端：采用品牌臺式電腦，中央處理器：英特爾i5 雙核；內(nèi)存：4 GB；硬盤：500 GB / 7200 轉(zhuǎn)/分。顯卡：顯存1GB。

2） 軟件環(huán)境。采用銳捷課堂桌面云虛擬化平臺，平臺有教學(xué)環(huán)境部署、桌面應(yīng)用環(huán)境、實(shí)驗(yàn)互動教學(xué)、在線精細(xì)運(yùn)維及教學(xué)云盤等功能模塊。

3.2 平臺的系統(tǒng)測試

平臺的系統(tǒng)測試通過10學(xué)時的課堂教學(xué)和一次模式考試為樣本，開展了教學(xué)環(huán)境和學(xué)生方面的實(shí)驗(yàn)測試。

1） 教學(xué)環(huán)境測試

測試任務(wù)：通過平臺快速部署日常教學(xué)及考試環(huán)境。

測試內(nèi)容：授課教師申請所需的環(huán)境，管理員制作鏡像，一鍵部署。

測試步驟：授課教師發(fā)起申請，提交所需操作系統(tǒng)環(huán)境和教學(xué)軟件列表，教學(xué)軟件包可一并提交；管理員審核申請通過后，開始制作鏡像文件，將教學(xué)鏡像和考試鏡像上傳至服務(wù)器；通過平臺分發(fā)部署鏡像、調(diào)試環(huán)境、測試效果。

2） 學(xué)生實(shí)驗(yàn)測試

測試任務(wù)：操作桌面云終端的操作系統(tǒng)和教學(xué)軟件，對比桌面云安裝前后體驗(yàn)差異。

測試內(nèi)容：學(xué)生同時開啟測試終端，按對比項(xiàng)目測試效果。

測試步驟：學(xué)生操作系統(tǒng)進(jìn)行體驗(yàn)，通過任務(wù)管理器查看利用率；通過教學(xué)軟件分步操作來測試系統(tǒng)反應(yīng)速度及穩(wěn)定性。

3.3 平臺的性能評估

通過表1的對比項(xiàng)目評估，可以看出在桌面云平臺使用后，CPU、內(nèi)存、硬盤的利用率都有顯著提高。

通過表2的對比項(xiàng)目評估，可以看出在桌面云平臺使用后，除增加服務(wù)器數(shù)量外，資源利用率得到提升，設(shè)備故障率降低，部署時間快，設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理，并降低能耗。

4 結(jié)論

桌面云實(shí)驗(yàn)平臺能夠兼容現(xiàn)有設(shè)備，采用的TCI 模式，解決了網(wǎng)絡(luò)中斷影響正常使用問題，在數(shù)據(jù)庫設(shè)計中增加標(biāo)簽冗余設(shè)計，有利于提高檢索性能，數(shù)據(jù)集成對接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步與共享，在平臺功能方面用戶體驗(yàn)有待進(jìn)一步提高，對數(shù)據(jù)的利用方面需進(jìn)一步規(guī)劃提升。