一種簡易云桌面實驗平臺設計

溫云輝

(黎明職業(yè)大學 信息與電子工程學院，福建 泉州 362000)

一種簡易云桌面實驗平臺設計

溫云輝

(黎明職業(yè)大學 信息與電子工程學院，福建 泉州 362000)

設計并實現一種使用微軟RDP(遠程桌面協(xié)議)訪問的簡易云桌面平臺。整個設計盡量利用現有閑置資源，服務器使用安裝Windows Server 2008標準版的Dell T320服務器，虛擬化工具使用VirtualBox 5.x，遠程管理工具采用開源項目php Virtualbox,客戶端使用IE瀏覽器通過微軟RDP和云桌面平臺連接，鏡像的創(chuàng)建、銷毀等管理采用VBS腳本。整個系統(tǒng)基本實現管理員快速分發(fā)鏡像、學生隨時隨地完成實驗、教師實時觀察或參與學生學習過程的教學需求。

私有云；RDP協(xié)議；快速分發(fā)；終端

機房管理人員出于安全和維護的需要，通常使用還原技術或權限控制技術限制師生對實驗室的電腦配置進行更改。但這種限制會影響一些特殊實驗項目的開展，如信息安全實驗、網絡操作系統(tǒng)實驗等需要重新啟動或臨時改變操作參數的實驗，又如MOOC(大規(guī)模在線開放課程)教改項目在實施過程中需要升級或變換播放插件的課程。另外，傳統(tǒng)的機房管理模式難以實現教師輔導和協(xié)作學習活動的開展。私有云桌面能提供一種相對獨立的工作或實驗環(huán)境，將管理和運行隔離，是取代傳統(tǒng)虛擬機的一種前沿技術。因此，如何構建私有云桌面平臺以滿足不同的實驗教學需求成為當下比較熱門的研究課題。國內外已經有很多學者對云桌面的構建和應用提出了不同的見解。周國軍等[1]利用虛擬實驗平臺進行云計算和大數據相關實驗的研究；鄢濤等[2]通過對xen虛擬環(huán)境構建云桌面系統(tǒng)的研究，在應用軟件的跨平臺使用和集中管理方面進行大膽的嘗試；陳運財等[3]比較深入地論述高校辦公桌面的虛擬化流程和工作機制；AGRAWAL S等[4]認為推廣云桌面在教育中的應用有利于節(jié)能和綠色計算。由于多數的云桌面解決方案關注單一產品的部署和專用協(xié)議的應用，因此需要對大部分設備進行定制或更新，其工程量大、建設周期長，在改造升級傳統(tǒng)機房時很難利用現有設備。經過摸索實踐，本課題組利用開源軟件Oracle VM VirtualBox(以下簡稱VirtualBox)和php VirtualBox，結合微軟的遠程應用虛擬化技術構建一套簡易云桌面實驗平臺。整個系統(tǒng)基本滿足目前一些特殊的實驗需求，教師可以隨時切入到學生的遠程桌面進行指導或跟蹤實驗進度；學生能隨時隨地使用遠程應用訪問MOOC，一些特殊的實驗環(huán)境(如安全攻防類或操作系統(tǒng)應用類)使用VRDP(VirtualBox遠程桌面連接協(xié)議)也能自由創(chuàng)建，不限時間完成。

1 云桌面原理及其主要架構類型

1.1云桌面原理

云桌面平臺也簡稱為云桌面，指的是將計算機的桌面進行虛擬化。服務器負責實現桌面環(huán)境的生成、存放、銷毀，客戶端負責桌面環(huán)境的顯示和交互。由于桌面虛擬化將終端的資源集中到后臺的數據中心統(tǒng)一處理，管理員則可以在服務端統(tǒng)一對客戶端進行授權認證管理、資源調配和系統(tǒng)維護，極大地提高管理效率?？蛻舳酥饕撠熥烂娴娘@示和交互，大多數情況下不再承擔數據業(yè)務處理，可以根據不同的應用場景選擇普通個人電腦或專門的瘦客戶端?；谔摂M化的云桌面建設方案，不僅可以解決PC桌面面臨的各種難題，還能優(yōu)化可用性、可管理性和靈活性。桌面虛擬化是一種將桌面環(huán)境和運行其上的應用軟件同訪問客戶端相互隔離的技術。桌面虛擬化能夠將應用虛擬化和用戶信息管理系統(tǒng)(也稱用戶虛擬化)整合，提供一個完整的桌面環(huán)境管理系統(tǒng)。在這種模式中，所有的桌面組件都實現了虛擬化，從而實現高伸縮、更安全的桌面分發(fā)模型。

1.2桌面虛擬化的主要架構類型及其應用場景

根據云桌面的實現邏輯和網絡拓撲，云桌面主要有如下架構類型：

(1) 遠程桌面虛擬化：不同用戶遠程登陸到虛擬化服務器，每個用戶根據各自擁有的權限使用遠程系統(tǒng)的各種應用。如Windows Server 2008等服務器添加了遠程桌面組件后，就可以通過組策略工具允許多用戶同時遠程登錄，各用戶可以通過一定策略實現資源配額。

(2) 展示虛擬化：應用程序由服務器托管運行，客戶端只需要負責輸入輸出。托管的應用程序可以通過瀏覽器訪問打開，也可以在服務器端生成遠程應用程序安裝包分發(fā)到客戶端安裝或調用。這種架構的優(yōu)勢是客戶端幾乎可以使用任何一種支持遠程桌面訪問協(xié)議的設備，如手機、平板、瘦客戶端都有可能配置為訪問客戶端。

(3) 應用程序虛擬化：為了消除不同應用程序對運行環(huán)境的差異，將應用程序在服務器上進行虛擬化，然后序列化到客戶端運行。這種架構減輕了服務器的運行壓力，消除客戶端的運行環(huán)境差異，但是對客戶端的硬件配置有一定的要求。比如，將高版本的Photoshop應用程序虛擬化后，在低配置的客戶端上就可能無法正常運行。

(4) 用戶狀態(tài)虛擬化：漫游用戶個性化信息，如用戶擁有的應用程序的個性化配置、網絡資源等。

(5) 桌面即服務：虛擬桌面通過云計算技術以服務的形式交付。這種架構能實現真正的多租戶權限管理和資源調度。用戶根據需要定制虛擬桌面的性能和應用軟件。

圖1 云桌面實驗系統(tǒng)架構

2 簡易云桌面實驗平臺設計

2.1系統(tǒng)架構方案

虛擬化云桌面實驗系統(tǒng)架構如圖1所示。虛擬服務器型號是Dell T320，E5-2407 CPU，16 G內存，可根據教學需要升級至80 G內存，1 T硬盤，添加Windows Server 2008 R2提供供路由和遠程訪問服務、端口映射服務，同時作為提供虛擬化服務的VirtualBox的宿主主機；VirtualBox上的一臺永久虛擬機作為Remote APP服務器，其余虛擬機根據實驗要求制作好模板，編寫好腳本快速批量生成或銷毀；Web服務器配置為1顆Xeron(R)E5620/2.4G CPU，8 G內存，CentOS 6.5操作系統(tǒng)，其上配置php VirtualBox用于遠程在線管理VirtualBox，同時部署rdp網站程序用于提供遠程桌面訪問入口；客戶端使用微軟的遠程終端程序或加載了RDP控件的瀏覽器遠程訪問云主機。

2.2遠程桌面虛擬化服務構建

考慮到不同課程對實驗環(huán)境的差異，遠程桌面虛擬化服務主要為學生提供獨立的虛擬主機服務。虛擬化服務功能和管理接口由VirtualBox提供，遠程主機管理由php VirtualBox實現，路由和遠程訪問由Windows Server提供，快速主機分發(fā)由VBS腳本完成。

2.2.1 虛擬化服務設計

蘭雨晴等[5]認為VirtualBox在網絡基準測試和文件處理方面性能接近于物理機，在數學運算、進程間通信、管道吞吐率、shell程序效率方面甚至超過物理機性能的60%。作為一款出色的開源軟件，極為適合在小規(guī)模的網絡中作為虛擬化服務器。VirtualBox內置VRDP服務器，允許任何標準的遠程桌面連接程序連接，如Linux平臺上運行的rdesktop程序、Windows系統(tǒng)的遠程連接管理器，使用這種特性，可以從任何電腦上通過服務器的IP和端口號直接控制虛擬機。基于以上這些特性考慮，在構建簡易云桌面實驗系統(tǒng)時，選擇VirtualBox作為虛擬化工具。各虛擬機設置顯示時，需要啟用遠程桌面服務器；出于教學遠程輔導、演示和教學過程監(jiān)控的需要，也需要允許多用戶桌面連接；網絡使用僅主機網絡，目的是將所有虛擬機構建成一個局域網，通過Windows Server的NAT網絡連接外網，這樣不僅避免與教室中的其他電腦IP地址沖突，同時也節(jié)省IP資源。每個班級的虛擬機根據班級名稱分類管理。另需要額外啟動VBoxWebSrv服務以提供遠程接口調用服務。

2.2.2 路由和遠程訪問設計

由Windows Server 2008 R2為虛擬機提供網絡服務和存儲服務。一是通過路由和遠程訪問服務的NAT功能為虛擬機提供網絡訪問服務；二是通過網絡接口上的服務和端口功能提供虛擬機服務的訪問，如將傳入端口4480端口映射到虛擬機的傳出端口80，那么就可以通過服務器的4480端口訪問虛擬機的web服務，每一臺虛擬機的服務端口都需要一個對應的傳入端口。

2.2.3 遠程管理設計

Php VirtualBox是VirtualBox的開源合作項目，以PHP+Ajax技術提供遠程Web云主機管理功能，可以部署在一臺虛擬機上，也能部署在校園網的其他服務器上，進行權限控制和虛擬機的各種復雜操作。為避免云服務器上開啟的虛擬機過多導致管理功能失效，因此將php VirtualBox部署在一臺獨立的web服務器上。

2.2.4 遠程桌面訪問設計

通過網頁來呈現友好的虛擬機列表，使用MSRDPClient(微軟遠程桌面訪問控件)來實現Web遠程桌面訪問。

2.2.5 虛擬機快速管理設計

由于VirtualBox和php VirtualBox無法提供批量虛擬機生成和修改功能，在實踐中還需要使用命令行的批處理來管理虛擬機。其中，比較關鍵的批處理命令是批量生成虛擬機和建立端口映射。

(1)批量生成虛擬機：制作好主機模板(vm_template)和公用系統(tǒng)盤鏡像(multibootvdi)，以下語句獨立執(zhí)行可以增補新的虛擬機，循環(huán)執(zhí)行能快速生成一批虛擬機。

vboxmanage clonevm "!vm_template!" --mode machine --name !name! --register

--basefolder !basefolder!

vboxmanage modifyvm !name! --vrdeport !vrdeport! --groups !group!

vboxmanage storageattach !name! --storagectl "SATA" --port 0 --device 0

--medium !multibootvdi! --mtype multiattach --type hdd --mtype multiattach

vboxmanage snapshot!name!take!name!snapshot

(2)批量創(chuàng)建端口映射：為了讓使用者能夠訪問虛擬機的服務，還需要在云主機服務器上創(chuàng)建服務端口映射。Windows Server 2008 R2提供了友好的界面來幫助管理人員創(chuàng)建服務端口映射，如果需要大批量創(chuàng)建的話，在命令行下使用netsh命令可以快速生成端口映射：

netsh routing ip nat add portmapping !publicif! !proto! !publicip! !publicport! !privatenetwork!.!privatehost! !privateport!

2.3展示虛擬化服務構建

展示虛擬化實現應用程序的統(tǒng)一部署。使用一臺虛擬機安裝Windows Server，添加遠程桌面服務和應用程序，通過遠程應用管理工具將這臺虛擬機上安裝的應用程序生成RDP文件進行分發(fā)。

在公共英語課中，由于在線課程的學習需要用到各種插件和特殊播放器，而學校公用機房無法都安裝，因此，通過在遠程桌面服務器上安裝集成所需要插件的特殊瀏覽器和播放器，生成RDP文件分發(fā)到共享文件夾中，學生在教室或校園WiFi覆蓋的區(qū)域使用電腦、平板或手機打開對應的RDP文件就可以無障礙參與在線課程的學習。

2.4虛擬內存管理設計

由于需要同時運行40臺甚至更多虛擬主機，虛擬內存管理就變得十分重要。根據不同應用場景來配置云桌面的內存管理服務，可以使多臺虛擬機的運行性能得到較高提升。VirtualBox在安裝了增強功能包的64位Windows操作系統(tǒng)虛擬機上支持內存膨脹和頁融合兩種虛擬內存管理機制。內存膨脹技術可以手動或自動移出部分虛擬機的一些空閑內存供特殊需要的虛擬機使用，頁融合技術則能快速識別出虛擬機之間相似的內存單元進行實時共享。

2.4.1 內存膨脹

當教師需要進行課堂演示時，為保證廣播的流暢性，需要使用內存膨脹技術臨時或自動更改虛擬機的內存分配。比如，需要從空閑的虛擬機轉移1 024 M內存給教師機，那么可以通過以下指令完成：

Vboxmanage controlvm "teacher" guestmemoryballoon 1024

實際教學中為了簡單起見，需要在創(chuàng)建虛擬機實例完成后進行配置，以實現自動內存膨脹，其方法是：

Vboxmanage modifyvm "teacher" guestmemoryballoon 1024

這樣在教學中，如果教師演示需要用到比較大的內存，那么VirtualBox的增強功能包驅動就會自動將空閑虛擬內存轉移部分到教師機上，以保證教學演示的順利進行。

2.4.2 頁融合

VirtualBox的內存頁融合技術和其他虛擬機管理程序的內存共享技術有很大差異。VirtualBox能快速掃描識別多個虛擬機相同的內存單元。如果所有的虛擬機都加載了相同的內存頁，那么，多臺虛擬機可以共享相同的內存，從而整體優(yōu)化宿主主機的內存分配。創(chuàng)建完虛擬機后，需要使用批處理對每一臺虛擬機啟用頁融合功能，方法是先關閉大頁面交換功能，再開啟頁融合功能：

Vboxmanage modifyvm "虛擬機名稱" --largepages off

Vboxmanage modifyvm "虛擬機名稱" --pagefusion on

2.5平臺安全設計

簡易實驗型云桌面主要考慮實驗環(huán)境快速恢復、遠程應用權限控制、實驗數據隔離問題：

(1) 對于桌面獨享的情形，每位用戶獨立使用一臺虛擬機，為方便實驗項目的順利完成，其安全性由學生自行控制，管理員只需隔離虛擬機創(chuàng)建模板，當學生需要重置虛擬機時可以快速生成一臺全新的虛擬機；

(2) 對于共享應用軟件的情形，如MOOC教學上需要用到的公共播放器等，部署遠程應用的服務器上的每位用戶僅以訪客身份訪問遠程應用；

(3) 學生的實驗數據集中保存到學校公共FTP服務器上，其安全控制由FTP服務器上的用戶隔離模式進行保障。

圖2 使用RDP協(xié)議訪問云桌面

2.6終端訪問設計

VirtualBox 的增強擴展包實現了遠程顯示接口，提供了對VRDP的支持。由于VRDP向后兼容微軟的RDP，因此可以使用微軟的桌面管理工具直接連接到VirtualBox上運行的虛擬機。考慮到各個機房都默認安裝IE瀏覽器，則客戶端訪問工具以IE瀏覽器為主。為了方便使用者直接連接到分配給自己的遠程主機，本課題組參考了微軟公司提供的遠程連接控件案例，重新開發(fā)一套網站程序，只需通過IE瀏覽器加載微軟遠程控件后就能直接訪問遠程主機。網站首頁訪問效果如圖2所示。

3 應用效果與展望

預先為每一個學生分配一臺遠程虛擬機用于完成復雜的實驗，一個單獨的php VirtualBox賬戶用于遠程管理自己的虛擬機，只有guest權限的匿名賬號通過VirtualBox共享文件分發(fā)的遠程應用RDP文件。在實驗之前，教師使用腳本批量生成好所需要的虛擬機，學生通過web界面訪問自己的實驗系統(tǒng)。在公共英語MOOC中，當虛擬服務器單獨為一個40人規(guī)模的班級服務時，師生使用桌面服務提供的虛擬化瀏覽器和播放器等遠程應用進行學習的整個過程可以順利進行，但無法同時為其他班級提供虛擬云桌面實驗；在計算機專業(yè)課程服務器操作系統(tǒng)(Linux和Windows Server)的教學實踐中，全班40位學生同時使用云桌面實驗系統(tǒng)，能順利完成基于命令行的服務器配置實驗，對于使用Windows或X Windows圖形界面，則需要分為10組才能順利進行實驗。在實際應用中，簡易云桌面實驗系統(tǒng)作為傳統(tǒng)電腦室的一種補充，在教學中發(fā)揮了重大的作用。公共課的學生不需要再指定專門的機房就能完成MOOC的學習；專業(yè)課的學生可以把課堂上來不及完成的實驗在課后繼續(xù)完成；教師在設計訓練項目時，不再受機房時間的限制，可以根據技能培養(yǎng)的需要設計較長時間的實訓項目。

簡易云桌面系統(tǒng)已經在實際教學中投入運行并取得了一定的效果，但云計算技術發(fā)展日新月異，任何一種云桌面解決方案都有其局限性，未來還需要進一步研究和完善，如對網絡帶寬的占用過高等問題還未能得到滿意的解決，RDP的安全性防護措施[6]也需要進一步驗證；另外，基于Gecko、webkit等非IE內核的瀏覽器不能很好兼容微軟RDP控件，如何讓這些瀏覽器連接訪問本系統(tǒng)，還需要進一步探索和研究。

[1] 周國軍, 吳慶軍. 使用VirtualBox和Hadoop搭建云計算虛擬實驗平臺[J]. 玉林師范學院學報, 2014,35(2):113.

[2] 鄢濤, 李丹. 虛擬云桌面技術的研究與實現[J]. 成都大學學報(自然科學版), 2013, 32(2):145.

[3] 陳運財. 基于云架構的高校桌面虛擬化研究[J]. 電腦知識與技術:學術交流, 2015,11(09):30.

[4] AGRAWAL S, BISWAS R, NATH A. Virtual Desktop Infrastructure in Higher Education Institution: Energy Efficiency as an Application of Green Computing[C]// Fourth International Conference on Communication Systems and Network Technologies. IEEE Computer Society, 2014:601.

[5] 蘭雨晴, 宋瀟豫, 馬立克,等. 系統(tǒng)虛擬化技術性能評測[J]. 電信科學, 2010，26(s1):24.

[6] 許瑾, 舒珊, 趙鑫. 基于VDI虛擬桌面的RDP協(xié)議的改進方案[J]. 數字技術與應用, 2015(7):58.

Abstract: A simple private cloud desktop platform, which can be connected by Microsoft RPD protocol, has been designed and achieved. This design has made full use of existing idle resources by adopting T320 Dell server installed with standard version of Windows2008 Server, using VirtualBox5.x as virtualization tools, and open source project phpVirtualbox as remote management tool. The client was connected to cloud desktop platform by IE browser and Microsoft RDP protocol.VBS script is used to manage the creation and destruction of image. Teaching requirements have been basically realized in this system such as fast image distribution from system administrator, conducting experiment for students at all times and places and constant monitor of students’ studying process for teachers.

Keywords: private cloud; RDP protocol; fast distribution; terminal

(責任編輯：黃韡 英文審校：楊德權)

DesignofASimplePrivateCloudDesktopExperimentalPlatform

WEN Yunhui

(College of Information and Electronic Engineering, Liming Vocational University, Quanzhou362000, China)

TP 392

A

2017-01-06

溫云輝(1971-)，男，講師，主要從事現代教育技術研究。

教育部職業(yè)院校外語類專業(yè)教學指導委員會(GZGZ5414-8)

1008-8075(2017)03-0078-05

10.13446/j.cnki.jlvu.20170047