虛擬化桌面技術(shù)在自控基礎(chǔ)架構(gòu)中的運(yùn)用展望

胡嘉瑋，呂玉龍，王 彥

(1．上海自來(lái)水市北有限公司泰和水廠，上海 201906;2．上海交通大學(xué)，上海 200030)

近年來(lái)，虛擬化技術(shù)在各行各業(yè)得到越來(lái)越廣泛的使用。虛擬化桌面是指依賴于服務(wù)器硬件和軟件的虛擬化，在機(jī)房服務(wù)器上按需進(jìn)行，產(chǎn)生的獨(dú)立的桌面操作系統(tǒng)(虛擬機(jī)或者虛擬桌面)，用戶使用終端設(shè)備并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問(wèn)，從而實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用［1］。

自動(dòng)化控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)對(duì)于保障生產(chǎn)設(shè)備的良好穩(wěn)定運(yùn)行，保證水廠制水和居民企業(yè)的正常用水有著非常重要的作用。由于現(xiàn)有架構(gòu)在成本、管理以及安全可靠性等多方面存在不足，不能滿足日益增長(zhǎng)的對(duì)降低各類(lèi)成本、提高管理效率和穩(wěn)定容災(zāi)等方面的需求。

從傳統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)存在高成本、分散管理、低可靠性而虛擬化架構(gòu)在低成本、集中管理、高安全冗余性等3個(gè)方面進(jìn)行較為詳細(xì)的闡述。結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行了分析，分別將兩種不同的技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比。依此說(shuō)明虛擬化架構(gòu)比傳統(tǒng)架構(gòu)所具有的綜合優(yōu)勢(shì)［2］。

1 對(duì)比分析

1．1 采購(gòu)成本分析

目前傳統(tǒng)架構(gòu)使用的終端是誕生于1981年IBM公司的個(gè)人電腦。一臺(tái)PC機(jī)的性能優(yōu)劣，可靠性與否，主要取決于主機(jī)內(nèi)部所采用的零件。以DELL Optiplex 3010主機(jī)為例，目前市場(chǎng)售價(jià)約為3 000元，質(zhì)保為3年。能滿足日常辦公軟件使用。以12臺(tái)計(jì)算，采購(gòu)總價(jià)為36 000元。

虛擬化桌面的硬件載體使用的是瘦客戶端，由于操作系統(tǒng)和軟件的運(yùn)行都交給了更強(qiáng)大的服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算，因此客戶端主要接收服務(wù)器提供的圖像以及終端用戶進(jìn)行操作的反饋。這樣就決定了瘦客戶端無(wú)需像PC主機(jī)那樣需要高計(jì)算能力與高能耗的設(shè)備，因此在設(shè)計(jì)上可以使用高度集成的計(jì)算機(jī)芯片與電路，使得各種成本有效地降了下來(lái)。以HP瘦客戶機(jī) T510-H2P21AA為例，一般市場(chǎng)售價(jià)為1 900元左右，質(zhì)保3年。若將12臺(tái)車(chē)間用主機(jī)替換為次類(lèi)設(shè)備的話，采購(gòu)成本僅需22 800元，直接采購(gòu)成本下降36．6%。比價(jià)如表1所示。

表1 PC主機(jī)與瘦客戶端采購(gòu)比價(jià)Tab．1 Price Comparison of PC Host and Thin Client

1．2 使用成本分析

由于PC主機(jī)的固有的架構(gòu)設(shè)計(jì)，考慮到中央處理器、硬盤(pán)、散熱系統(tǒng)的消耗。一般商用主機(jī)功耗為300 W左右。以DELL Optiplex 3010的典型功耗265 W/h為例，根據(jù)車(chē)間24 h不間斷開(kāi)機(jī)使用的要求，結(jié)合企業(yè)平均用電費(fèi)用計(jì)算，12臺(tái)主機(jī)，一年的用電費(fèi)用為22 285．4元。

瘦客戶端采用的低功耗高效能芯片和電路直接使得電力功耗得到降低。以T510-H2P21AA瘦客戶機(jī)為例，典型功耗為65 W/h。若以12臺(tái)計(jì)算，一年365天不停運(yùn)作，電費(fèi)按均價(jià)0．8元計(jì)算。一年的電費(fèi)為5 466．24元。直接電費(fèi)成本下降75．5%，如表2所示。

表2 使用電費(fèi)對(duì)比Tab．2 Comparison of Electricity Cost

1．3 管理效率分析

首先，傳統(tǒng)架構(gòu)的PC主機(jī)，基于硬件之上的是操作系統(tǒng)和各類(lèi)軟件。操作系統(tǒng)和各類(lèi)軟件往往因?yàn)楦鞣N原因，需要重新安裝或者升級(jí)補(bǔ)丁安裝新版本。在目前的管理方式下，往往先安裝一次操作系統(tǒng)及其有關(guān)軟件，然后做成硬盤(pán)鏡像，分別再拷貝到其余主機(jī)上。但這種方法比較適合所有的設(shè)備都具有一樣的型號(hào)和一致的零件配置。一旦有不同的型號(hào)，就需要進(jìn)行個(gè)別的安裝工作。同時(shí)，這兩種方法，都需要技術(shù)人員至少準(zhǔn)備一臺(tái)備用機(jī)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行輪換作業(yè)。當(dāng)硬件發(fā)生故障時(shí)，一般需要技術(shù)人員去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行排查，然后按企業(yè)流程提供備用機(jī)或零件，若一時(shí)零件稀缺，或者人員夜間無(wú)法及時(shí)響應(yīng)時(shí)，還必須進(jìn)行等待，期間對(duì)于生產(chǎn)服務(wù)則還可能需要中斷［3］。

其次，當(dāng)緊急情況下，需要對(duì)操作系統(tǒng)安裝重要補(bǔ)丁的操作，就可能需要技術(shù)支持人員逐次逐臺(tái)的進(jìn)行操作，這對(duì)于希望能快速部署并提供不間斷服務(wù)的企業(yè)來(lái)說(shuō)，時(shí)間、人力和物力的消耗是比較高的。

在瘦客戶機(jī)上運(yùn)行的操作系統(tǒng)界面是由服務(wù)器提供給客戶端的圖像映射。實(shí)際上所有的運(yùn)算處理，軟件運(yùn)行都是由服務(wù)器完成的，操作系統(tǒng)的文件也都儲(chǔ)存在服務(wù)器上［4］。當(dāng)技術(shù)人員需要對(duì)操作系統(tǒng)安裝補(bǔ)丁或者升級(jí)軟件版本時(shí)，可先部署在一臺(tái)虛擬操作系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)測(cè)試通過(guò)需要批量部署時(shí)，技術(shù)人員只需要坐在電腦前通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)單操作，在較短時(shí)間內(nèi)就可以完成批量的部署。而用戶要做的可能僅僅是關(guān)閉瘦客戶端，然后重啟即可進(jìn)入新部署的系統(tǒng)中。當(dāng)然，現(xiàn)在的技術(shù)也允許維護(hù)人員對(duì)單個(gè)或者多個(gè)操作系統(tǒng)在某個(gè)備份點(diǎn)實(shí)時(shí)進(jìn)行還原操作，避免因部署操作系統(tǒng)補(bǔ)丁本身的原因或者其他原因，而造成系統(tǒng)問(wèn)題。

虛擬機(jī)運(yùn)行在服務(wù)器上，虛擬的操作系統(tǒng)使用的CPU、內(nèi)存、硬盤(pán)都源自服務(wù)器的硬件?，F(xiàn)實(shí)中要對(duì)PC主機(jī)增加內(nèi)存和硬盤(pán)，必須關(guān)閉主機(jī)，進(jìn)行物理安裝，特別是當(dāng)操作系統(tǒng)的分區(qū)空間不夠而需要進(jìn)行擴(kuò)容時(shí)，所要做的操作將更為復(fù)雜一些。虛擬操作系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)增加CPU、內(nèi)存，甚至是硬盤(pán)空間的實(shí)時(shí)增大，而用戶在此時(shí)的操作不會(huì)有任何的影響［5］。因此，在一臺(tái)服務(wù)器上運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)，能高度集中和利用服務(wù)器資源。做到穩(wěn)定、靈活、安全的資源分配［6］。

1．4 可靠性分析

PC主機(jī)內(nèi)部，由各個(gè)零件組合而成。如主板、內(nèi)存、硬盤(pán)、電源、風(fēng)扇、中央處理器等。且一般商業(yè)臺(tái)式機(jī)都按照7 d·8 h使用壽命設(shè)計(jì)。生產(chǎn)環(huán)境的24 h不間斷使用對(duì)硬件的可靠性提出了極大的挑戰(zhàn)。含有機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的硬盤(pán)、風(fēng)扇以及發(fā)熱耗能的電源都是高故障點(diǎn)。檢修和替換這些部件，往往需要中斷用戶使用。同時(shí)，臺(tái)式主機(jī)的體積和重量往往較大較重，對(duì)于需要快速替換的作業(yè)是不利的，增加了維護(hù)的難度和成本。

首先，PC主機(jī)的操作系統(tǒng)因主機(jī)零件的配置不同而不同，不同的硬件平臺(tái)需要為操作系統(tǒng)進(jìn)行不同的安裝和配置。同時(shí)，在后期對(duì)軟硬的維護(hù)上也增加了成本。虛擬操作系統(tǒng)立足于服務(wù)器硬件，服務(wù)器的硬件相對(duì)于PC主機(jī)將會(huì)是長(zhǎng)期使用的，不太容易更換的。因此虛擬技術(shù)可以為部署于服務(wù)器上的操作系統(tǒng)提供統(tǒng)一穩(wěn)定的硬件平臺(tái)。這個(gè)平臺(tái)不因瘦客戶端配置不同而不同，在一個(gè)部署良好的虛擬環(huán)境，所有的虛擬操作系統(tǒng)的硬件都是一致的，這就加強(qiáng)了操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護(hù)性。

其次，PC主機(jī)是根據(jù)7 d·8 h工作壽命設(shè)計(jì)的，而泰和水廠車(chē)間是需要24 h不間斷的運(yùn)行，因此對(duì)設(shè)備的可靠性和后勤保障提出了更高的要求。眾所周知，服務(wù)器完全根據(jù)7 d·24 h的運(yùn)行壽命而進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，基于這些硬件上的虛擬技術(shù)也具備了高可靠性和業(yè)務(wù)連續(xù)性［7］。同時(shí)，虛擬操作系統(tǒng)對(duì)于各種USB設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、光驅(qū)設(shè)備都有完整的控制方式和方法，可以根據(jù)企業(yè)管理的需要進(jìn)行自定義操作，可以開(kāi)放或者阻止受控設(shè)備的識(shí)別和使用，保障自控內(nèi)網(wǎng)的安全性。

最后，一個(gè)良好的虛擬桌面也包括了后臺(tái)服務(wù)器端的冗余設(shè)計(jì)。冗余設(shè)計(jì)包括服務(wù)器與服務(wù)器之間的、多個(gè)網(wǎng)卡端口之間的、供電器及插座之間的、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)之間的、硬盤(pán)存儲(chǔ)陣列之間的等［8］。

2 架構(gòu)實(shí)施設(shè)計(jì)方案

2．1 系統(tǒng)規(guī)劃

虛擬化前端部分使用HP T510-H2P21A型瘦客戶端為終端。配置如表3所示。該主機(jī)物理接口完全兼容于現(xiàn)有PC主機(jī)，無(wú)需更換其他輸入輸出設(shè)備，如圖1所示。

表3 HP瘦客戶端配置Tab．3 Configuration of HP Thin Client

續(xù) 表

圖1 PC主機(jī)與瘦客戶端物理接口Fig．1 Physical Interface of PC Host and Thin Client

后端使用HP ProLiant DL380e Gen8型服務(wù)器。配置如表4所示。

表4 HP服務(wù)器配置Tab．4 Configuration of HP Server

因瘦客戶端的物理接口及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議完全兼容于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，因此原網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變，如圖2所示。

虛級(jí)化技術(shù)，選用 VMware公司的 VSphere server配合Fusion技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬桌面化技術(shù)，清單如表5所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig．2 Network Topology

表5 虛擬化軟件清單Tab．5 List of Virtualization Software

2．2 系統(tǒng)實(shí)施

實(shí)施步驟［1］如表6所示。

表6 具體實(shí)施步驟Tab．6 Implementation Step

續(xù) 表

3 結(jié)論

以PC主機(jī)為終端的傳統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)占據(jù)著泰和水廠自控終端的主導(dǎo)地位，隨著現(xiàn)代企業(yè)管理的要求不斷提高，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷更新?lián)Q代，改變了傳統(tǒng)架構(gòu)主導(dǎo)的局面。其主要原因表現(xiàn)在:總體擁有成本高，分散管理效率低，使用可靠性低。在這樣幾種不利因素的情況下，泰和水廠計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人員開(kāi)始尋求解決問(wèn)題的道路，向虛擬化架構(gòu)的轉(zhuǎn)型成為一個(gè)重要的選擇。

通過(guò)對(duì)比分析，得出結(jié)論:在傳統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)與虛擬化桌面架構(gòu)之間的比較中，以PC主機(jī)為終端的傳統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)，無(wú)論在成本、管理還是可靠性三個(gè)方面要獲得提升，就必須向虛擬化桌面技術(shù)架構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)型。

［1］胡嘉璽．虛擬智慧:VMware vSphere運(yùn)維實(shí)錄［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2011．

［2］馬博峰．VMware，Citrix和Microsoft虛擬化技術(shù)詳解與應(yīng)用實(shí)踐［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

［3］王春海，高紅瑋．VMware Workstation與ESX Server典型應(yīng)用指南［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2012．

［4］ Eric Maillé René-Franois Mennec．VMware vSphere 5 虛擬數(shù)據(jù)中心構(gòu)建指南［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013．

［5］ Haletky E．Vmware Esx and Esxi in the Enterprise:Planning［M］．USA:Prentice Hall，2011．

［6］ Kusek C．Vmware Vsphere 5 Administration Instant Reference［M］．USA:Wiley，2011．

［7］ Musumeci G．Getting Started with Citrix Xenapp 6．5［M］．USA:Packt PublishingLimited，2012．

［8］俞席忠．無(wú)盤(pán)工作站組建及應(yīng)用［M］．北京:人民郵電出版社，2001．