探索桌面虛擬化在全國計算機等級考試中的應(yīng)用

黃 健，阮燦華，舒兆港

(福建農(nóng)林大學(xué) 計算機與信息學(xué)院，福建 福州 350001)

1 問題的提出

福建農(nóng)林大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)中心為全校計算機公共基礎(chǔ)課提供教學(xué)服務(wù)，目前該中心所屬計算機基礎(chǔ)實驗室有機房12間，計算機約有1 300臺。中心于2013年上半年新增了一間能容納100臺左右的計算機實驗室，其余均為2006—2007年期間建設(shè)完成的。這部分計算機的基本配置情況為：CPU為Intel E2140 ；主板為Intel 945 GZ，1 G DDRII 533，80 G SATA2硬盤及100 MB網(wǎng)卡。中心每年承擔(dān)全國計算機等級考試(以下簡稱國考)和福建省計算機考級考試(以下簡稱省考)各2次，依照近年的考試，國考考生的規(guī)模為2 500～3 000人左右，省考考生的規(guī)模8 000～10 000人左右。從2013年9月起，國考將啟用新的軟件硬件平臺，其中的硬件要求為：(1)考試機：CPU主頻單核必須達到2.8 GHz以上；雙核必須達到2.1 GHz；若為四核，則無限制；內(nèi)存要求至少配備2 GB，特別是配備單核CPU的電腦，務(wù)必配備2 GB以上的內(nèi)存。(2)服務(wù)器：CPU參考考試機配置，內(nèi)存要求達到4 GB。盡管單臺計算機設(shè)備并不昂貴，但是為了在較短的時間內(nèi)滿足考試規(guī)模的要求，建設(shè)新實驗室的價格不菲。另外，一般高校設(shè)備的淘汰周期為4～6年，因此如何保護投資，盡可能延長設(shè)備的使用年限，提高資源的利用率是個問題。

目前，在實驗室的日常維護和考試系統(tǒng)的準(zhǔn)備過程中，我們以每間機房為單位，配備了獨立的服務(wù)器。用品牌機自帶的網(wǎng)絡(luò)同傳系統(tǒng)來完成軟件的統(tǒng)一安裝，使軟件的安裝和安全補丁的處理簡化許多，但也仍然存在一定問題。例如：某些軟件在同傳完后仍然需要單獨運行搜集硬件相關(guān)信息以完成安裝過程；某些軟件的激活操作必須在每臺計算機上單獨進行；由于硬件的淘汰更新，同傳系統(tǒng)無法處理甚至細微的硬件差別。這些問題讓管理人員迫切需要有效的解決方案來完成資源的集中管理和分散的應(yīng)用。

2 云計算和虛擬化技術(shù)分析

云計算是分布式處理、并行計算和網(wǎng)格計算等概念的發(fā)展和實現(xiàn)，其技術(shù)實質(zhì)就是計算、存儲、服務(wù)器、應(yīng)用軟件等IT軟件硬件資源的虛擬化。目前，普遍認為云計算的服務(wù)模式可以分為基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)、平臺即服務(wù)(PaaS)和軟件即服務(wù)(SaaS)3類[1]，而在IaaS層次上的主要技術(shù)就是虛擬化。云計算可以通過用虛擬化技術(shù)建造的數(shù)據(jù)中心或“超級計算機”，以免費或按需租用的方式把計算和存儲資源提供給用戶，同時提供的還有軟件運行的應(yīng)用容器環(huán)境[2]。這些計算和存儲資源可以動態(tài)部署、動態(tài)調(diào)優(yōu)、動態(tài)回收。云計算的優(yōu)點主要在于幾個方面：用戶終端的成本更低，可增強計算能力和存儲容量，方便進行軟件更新，減少了系統(tǒng)運行維護成本等。而這些優(yōu)點恰恰能在為我們解決實驗室設(shè)備的更新方式上提供了新的思路。

從實施的技術(shù)角度上，云計算的功能實現(xiàn)主要與計算能力和存儲容量2個方面相關(guān)[3]。根據(jù)2009年《中國虛擬化技術(shù)及應(yīng)用報告》的數(shù)據(jù)顯示：針對桌面和應(yīng)用虛擬化實現(xiàn)的目標(biāo)，66.09%為簡化IT資產(chǎn)管理；63.5%希望通過集中的桌面部署降低管理經(jīng)營成本；60.42%希望通過集中管理增強應(yīng)用和數(shù)據(jù)的安全性。對于計劃實現(xiàn)桌面與應(yīng)用虛擬化的形式，60.54%選擇基于PC的本地桌面虛擬化；52.65%選擇基于PC的應(yīng)用程序虛擬化；38.72%選擇托管方式的微軟Windows桌面。根據(jù)2011年《虛擬化暨云計算技術(shù)網(wǎng)絡(luò)大會》報告：針對用戶認可云計算的好處，77.78%的用戶選擇“存儲容量和計算能力可調(diào)配”；71.57%的用戶選擇“IT架構(gòu)的靈活與擴展性”；67.32%的用戶選擇“減少IT人員與管理成本”。針對云計算相關(guān)技術(shù)成熟度方面，50%的用戶認為云計算將在3年內(nèi)快速發(fā)展。結(jié)合我們的應(yīng)用目標(biāo)，桌面虛擬化、服務(wù)器虛擬化是當(dāng)前適合我們現(xiàn)狀的應(yīng)用方式。

桌面虛擬化系統(tǒng)軟件利用虛擬化技術(shù)，在數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器上按需可生成大量的虛擬機，這些虛擬機具備PC機一樣的計算處理能力。終端用戶通過瘦客戶機、PC機或者平板電腦等其他終端設(shè)備連接到數(shù)據(jù)中心，并使用這些虛擬機，和使用傳統(tǒng)的PC機一樣[4]。通過使用桌面虛擬化系統(tǒng)軟件，可直接從數(shù)據(jù)中心以更安全、更可靠、低成本的方式交付虛擬桌面，有效降低數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險，并減少分布式PC管理的重復(fù)性，提高終端擴展的靈活性，同時降低了總的擁有成本[5]。但桌面虛擬化也存在不足之處：(1)建設(shè)初期投入較高，除了架構(gòu)上的改變需要購買相應(yīng)的服務(wù)器外，還隨著客戶端數(shù)量的增加面臨著軟件許可上的開銷；(2)虛擬化桌面的計算能力不僅僅取決于虛擬機所在服務(wù)器的運算能力，也有賴于高速的網(wǎng)絡(luò)傳輸，如果涉及到大數(shù)據(jù)處理，如3D圖像或高清視頻等應(yīng)用，其性能可能大打折扣[6]。

3 考試系統(tǒng)下的桌面虛擬化應(yīng)用

在解決硬件條件達不到考試要求的過程中，我們曾嘗試通過Windows7的遠程桌面的方法[7]，即多臺學(xué)生機通過遠程桌面的方式，使用不同的用戶名遠程登錄到安裝了Windows7的機器上，利用操作系統(tǒng)對多用戶、多任務(wù)的支持來運行考試軟件的客戶端。但是實驗證明，考試軟件的客戶端目前并不支持多用戶運行同一個考試客戶端軟件進程的工作方式。

基于目前我們實驗室在日常教學(xué)及等級考試中的處理方式，并且考慮到大規(guī)模軟件硬件升級上的困難，我們準(zhǔn)備分2個階段完成整個架構(gòu)遷移到云計算平臺[8]：首先，實現(xiàn)桌面的虛擬化，即仍然保留目前硬件配置較低的PC作為用戶終端，通過為每間實驗室增加服務(wù)器，在該服務(wù)器上為每個終端分配一個能滿足條件的虛擬機；再通過這些虛擬機與考試服務(wù)器的連接來完成考試平臺的搭建。通過這種方式，一方面保留了原有的設(shè)備投資，另一方面將有限的資金用在提供虛擬化桌面的服務(wù)器上，當(dāng)再次需要升級系統(tǒng)軟件或硬件時，只需升級這些服務(wù)器即可。第2個階段，可以將目前分布在各個實驗室中的考試服務(wù)器集中配置、管理，即以服務(wù)器虛擬化的方式，在統(tǒng)一的硬件平臺上針對不同實驗室的用戶終端以虛擬服務(wù)器的方式進行響應(yīng)。

針對上述的第1階段遷移目標(biāo)，我們在學(xué)院所屬云計算實驗室搭建考試環(huán)境的測試平臺[9]。該實驗平臺由以下部分組成(硬件部署見圖1)：(1)用于連接內(nèi)部局域網(wǎng)的管理服務(wù)器、計算服務(wù)器等的千兆交換機1臺，含有24個千兆電口，其中4個光電復(fù)用口，支持3層交換；(2)管理服務(wù)器1臺，用于整個系統(tǒng)的管理工作，含有2顆四核Intel Xeon E5-2609處理器，8 GB內(nèi)存，3TB硬盤；(3)用于創(chuàng)建虛擬桌面的計算服務(wù)器3臺，分別含有4個八核Intel Xeon E7-4820處理器，16 GB內(nèi)存(可擴充)；(4)用于大數(shù)據(jù)存儲、虛擬機遷移的存儲系統(tǒng)1套(30TB)，含有雙控制器8 GB的FC光纖口連接、支持RAID；(5)用于組建存儲系統(tǒng)與計算服務(wù)器的存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(SAN)的光纖交換機1臺，含有24個8GBFC光纖口；(6)能夠持續(xù)供電30～60 min，容量約10 kVA的UPS電源1臺。

結(jié)合當(dāng)前計算服務(wù)器的硬件指標(biāo)及新的考試系統(tǒng)下考試機的硬件要求，在測試過程中，在每一臺計算服務(wù)器上安裝8臺操作系統(tǒng)為Windows7的虛擬機，并按考試軟件要求安裝相關(guān)軟件，為這8臺虛擬機指派遷移到同一個計算服務(wù)器(如果每臺計算服務(wù)器的內(nèi)存為64 GB，理論上應(yīng)該可以在單臺計算服務(wù)器上安裝32臺虛擬機)上。與所創(chuàng)建的虛擬機數(shù)目對應(yīng)的低配置物理機(甚至可以是只具備輸入輸出設(shè)備的終端)分別連接到虛擬機上，形成一個以桌面虛擬化為中間層的3層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖1 測試環(huán)境

圖2 桌面虛擬化的3層結(jié)構(gòu)

4 測試結(jié)果及分析

為了評測計算服務(wù)器在同時運行多個虛擬桌面時的性能，我們也對其進行了監(jiān)測?？紤]到影響考試系統(tǒng)運行的主要硬件性能指標(biāo)，我們選擇針對虛擬機所在計算服務(wù)器的CPU使用率、內(nèi)存使用率及網(wǎng)絡(luò)通信情況等做了實時的數(shù)據(jù)采據(jù)，并且結(jié)合實際情況對數(shù)據(jù)進行了分析(見圖3)。針對所采集到的CPU使用率實時數(shù)據(jù)，其橫坐標(biāo)表示采集時間，縱坐標(biāo)表示利用率的百分比值；對于內(nèi)存的使用情況的采集數(shù)據(jù)中，其橫坐標(biāo)也用采集時間表示，縱坐標(biāo)表示內(nèi)存用量(單位MB)。在被監(jiān)測的計算服務(wù)器上，CPU總數(shù)為4個八核Intel Xeon E7-4820處理器，16 GB內(nèi)存，在運行了8臺虛擬機的情況下，當(dāng)虛擬機上的考試客戶端程序運行時會出現(xiàn)CPU利用率提高的波峰(7%)，但持續(xù)時間較短；與其相對應(yīng)的內(nèi)存占用情況上，其波峰值(6 GB)也出現(xiàn)在幾乎相同的時刻，而后呈下降且逐漸穩(wěn)定在較低的數(shù)值范圍。

圖3 實時監(jiān)測數(shù)據(jù)

從圖4中我們可以進一步監(jiān)測到CPU和內(nèi)存在8臺虛擬機穩(wěn)定運行考試客戶端軟件后的一段時間內(nèi)的實驗數(shù)據(jù)。由于該CPU調(diào)度程序可以獨立將每個處理器內(nèi)核的每個邏輯處理器用于執(zhí)行虛擬機，從而提供與對稱多處理器(SMP)系統(tǒng)類似的功能。例如，兩路虛擬機可以讓虛擬處理器運行在屬于相同內(nèi)核的邏輯處理器上，或運行在不同物理內(nèi)核的邏輯處理器上。在當(dāng)前的計算服務(wù)器上可以提供32個處理器，每個處理器都可以有2個獨立的計數(shù)器進行監(jiān)控，所以共有從編號為0～63的64個計數(shù)器。監(jiān)控程序針對每個對象的實時值、最高值、最低值及平均值進行記錄。從圖4中顯示的數(shù)據(jù)來看，CPU使用率只是偶爾出現(xiàn)較高的峰值，其均值都比較低。

圖4 CPU性能實時監(jiān)測數(shù)據(jù)

在圖5顯示的數(shù)據(jù)中，活動內(nèi)存的使用量最高為6 GB，最低為47 MB，均值在2.4 GB，并且逐步穩(wěn)定在2 GB的范圍。

圖5 內(nèi)存性能實時監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

用虛擬化技術(shù)對于計算機等級考試的環(huán)境提供了新的解決方案。與傳統(tǒng)的建設(shè)方式相比，一方面它能夠更加有效地保護用戶早期的投資，用戶原先低配置的機器在考試過程中可以以瘦客戶端的形式加入；考試環(huán)境的搭建更加集中、高效，管理員可以在單一的位置完成整個考試環(huán)境的安裝及維護。隨著虛擬化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的深入，可以將多臺考試服務(wù)器也進行虛擬化，進一步提高工作效率。從我們搭建的考試平臺測試系統(tǒng)所獲取的實時數(shù)據(jù)來分析，虛擬化架構(gòu)是可以滿足考試要求的；從我們根據(jù)傳統(tǒng)升級學(xué)生機硬件和轉(zhuǎn)變架構(gòu)所需購置新的設(shè)備所需資金來比較，后者也具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。但在實施過程中，也給系統(tǒng)管理工作提出了新的任務(wù)：(1)對系統(tǒng)管理員在虛擬平臺上的操作和虛擬化技術(shù)的理解提出了更高的要求；(2)在考試過程中的硬件性能必須考慮足夠的冗余，在考試過程中的實際應(yīng)用必須謹(jǐn)慎，尤其是轉(zhuǎn)型初期對試運行的考試范圍和規(guī)模的控制；(3)必須考慮到學(xué)生對虛擬化桌面操作的適應(yīng)程度，分階段地展開虛擬化的應(yīng)用；(4)隨著虛擬化技術(shù)的發(fā)展，其互操作性也需要進一步關(guān)注[10-12]。

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