基于VDI的虛擬桌面云方案的容量規(guī)劃研究

中國(guó)通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司第一分公司 周麗娜

隨著云計(jì)算業(yè)務(wù)的開(kāi)展，傳統(tǒng)本地桌面逐步向云桌面轉(zhuǎn)型，如何根據(jù)現(xiàn)有系統(tǒng)使用配置云桌面系統(tǒng)的CPU容量、內(nèi)存容量、存儲(chǔ)容量，是桌面云規(guī)劃中經(jīng)常面臨的問(wèn)題。本文詳細(xì)說(shuō)明了桌面云方案中的CPU、內(nèi)存及存儲(chǔ)容量的估算方法，并對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能優(yōu)化提出了解決方案，為企業(yè)進(jìn)行桌面云改造進(jìn)行設(shè)備選型提供了依據(jù)。

一、緒論

云計(jì)算作為一種互聯(lián)網(wǎng)上的資源利用新方式，近幾年得到較好的發(fā)展和部署。桌面云是一種典型的云計(jì)算應(yīng)用。它在服務(wù)器端承載用戶(hù)的桌面服務(wù)和桌面應(yīng)用程序，而用戶(hù)可以通過(guò)瘦客戶(hù)端或其他任何聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來(lái)進(jìn)行訪問(wèn)。當(dāng)前桌面云解決方案主要分為VDI和SBC兩大類(lèi)。其中基于VDI的虛擬桌面方案，其原理是在服務(wù)器側(cè)為每個(gè)用戶(hù)所需的操作系統(tǒng)和各種應(yīng)用，然后通過(guò)桌面顯示協(xié)議將完整的虛擬機(jī)桌面交付給遠(yuǎn)程的用戶(hù)，具有與傳統(tǒng)的基于PC的本地桌面十分接近的使用體驗(yàn)，且能夠較好地實(shí)現(xiàn)性能隔離和安全隔離，服務(wù)質(zhì)量容易得到保障，因此成為傳統(tǒng)本地桌面向云桌面轉(zhuǎn)型的主要方式（云終端系統(tǒng)在多媒體教室管理中的應(yīng)用研究[D].王建成.廣東技術(shù)師范學(xué)院,2016）。與本地桌面相比，VDI有如下一些優(yōu)點(diǎn)：可以隨時(shí)隨地訪問(wèn)真實(shí)桌面，集中化的管理方式，IT工程師通過(guò)控制中心管理成百上千的虛擬桌面，大大節(jié)約了管理成本。在桌面云解決方案里，所有的數(shù)據(jù)以及運(yùn)算都在服務(wù)器端進(jìn)行，客戶(hù)端只是顯示其變化的影像而已，安全性高。

二、基于VDI桌面云解決方案工作原理

基于VDI的虛擬桌面解決方案，其原理是在服務(wù)器側(cè)為每個(gè)用戶(hù)準(zhǔn)備專(zhuān)用的虛擬機(jī)并在其中部署用戶(hù)所需的操作系統(tǒng)和各種應(yīng)用，然后通過(guò)桌面顯示協(xié)議將完整的虛擬機(jī)桌面交付給遠(yuǎn)程用戶(hù)使用（基于VDI模式的電網(wǎng)企業(yè)桌面云設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].謝朋宇.廣西電力,2016）。因此，這類(lèi)解決方案的基礎(chǔ)是服務(wù)器虛擬化。服務(wù)器虛擬化主要有完全虛擬化和部分虛擬化兩種方法（一種基于微服務(wù)架構(gòu)的新型云件PaaS平臺(tái)[J].郭棟,王偉,曾國(guó)蓀.信息網(wǎng)絡(luò)安全,2015(11)）,完全虛擬化能夠?yàn)樘摂M機(jī)中的操作系提供一個(gè)與物理硬件完全相同的虛擬硬件環(huán)境，基于VDI的虛擬桌面解決方案通常采用完全虛擬化技術(shù)構(gòu)建用戶(hù)專(zhuān)屬的虛擬機(jī)。

VDI桌面虛擬化的優(yōu)勢(shì)在于運(yùn)算集中在服務(wù)器端，特別適合在極小的廣域網(wǎng)帶寬環(huán)境下使用，用戶(hù)可以使用平板電腦或者手機(jī)接入，訪問(wèn)自己的桌面環(huán)境，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地辦公（基于VDI模式的桌面云管理平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].羅南林.計(jì)算機(jī)科學(xué),2015）?？梢蕴嵘髽I(yè)IT安全管理水平和信息治理效率。

三、基于VDI桌面云方案容量規(guī)劃

桌面云的容量規(guī)劃實(shí)際上就是要模擬大量PC操作系統(tǒng)中的運(yùn)算、存儲(chǔ)、傳輸需求統(tǒng)一到一個(gè)桌面虛擬化架構(gòu)后，如何科學(xué)統(tǒng)計(jì)原來(lái)分散在大量PC中的運(yùn)算、存儲(chǔ)需求，并做到精確定量。

（1）CPU的容量規(guī)劃

CPU的容量規(guī)劃主要涉及到服務(wù)器的整合。由于被整合的服務(wù)的配置差異較大，在桌面云方案中，CPU的容量核心需求是批量生產(chǎn)和分發(fā)一種或幾種容量的虛擬機(jī)，因此通常先設(shè)計(jì)每個(gè)目標(biāo)CPU(內(nèi)核)承載的虛擬CPU(以下稱(chēng)vCPU)個(gè)數(shù)（每?jī)?nèi)核vCPU數(shù)），再為相應(yīng)規(guī)格的虛擬桌面分配合適數(shù)量的vCPU。每?jī)?nèi)核vCPU數(shù)應(yīng)根據(jù)物理CPU和vCPU的目標(biāo)性能、目標(biāo)占用率進(jìn)行計(jì)算。

CPU的容量一般按如下方式計(jì)算：

被整合CPU容量×被整合服務(wù)器CPU占用率=新CPU容量×目標(biāo)服務(wù)器CPU占用率的原則進(jìn)行。

X86平臺(tái)系統(tǒng)CPU占用率超過(guò)80%-85%后，CPU性能效率將開(kāi)始下降，因此服務(wù)器的目標(biāo)CPU占用率取為80%。

不同微架構(gòu)的CPU，性能換算可根據(jù)一些第三方測(cè)試機(jī)構(gòu)發(fā)布的典型CPU性能測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行估算，也可以使用這些測(cè)試機(jī)構(gòu)發(fā)布的測(cè)試工具進(jìn)行自行測(cè)試。

（2）內(nèi)存容量規(guī)劃

虛擬化技術(shù)的實(shí)質(zhì)是CPU分時(shí)復(fù)用，在運(yùn)行時(shí)，物理服務(wù)器承載的全部活動(dòng)虛擬機(jī)都將裝入內(nèi)存。內(nèi)存的容量規(guī)劃包括分配給VM的內(nèi)存、vCPU內(nèi)容的開(kāi)銷(xiāo)、顯示內(nèi)存的開(kāi)銷(xiāo)。RAMguset為分配給VM的內(nèi)存；RAMvCPU為每個(gè)vCPU內(nèi)存的開(kāi)銷(xiāo)，一般取0.09～0.1GB；NUM vCPU為每臺(tái)VM的vCPU個(gè)數(shù)；RAMgm為每臺(tái)VM顯示內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)，當(dāng)每臺(tái)VM配1臺(tái)顯示器，顯示分辨率1920×1080時(shí)，一般取0.01～0.03GB。

要基于內(nèi)存計(jì)算每個(gè)服務(wù)器承載的虛擬機(jī)數(shù)量NUM vm，可使用以下公式：

式中：RAMps為物理服務(wù)器的內(nèi)存容量；Rmmu為物理服務(wù)器的內(nèi)存最大使用率，一般可取80%。

（3）存儲(chǔ)規(guī)劃

存儲(chǔ)系統(tǒng)作為桌面虛擬化的核心構(gòu)成部分，其設(shè)計(jì)規(guī)劃是桌面云項(xiàng)目中的重點(diǎn)內(nèi)容。一方面是由于存儲(chǔ)系統(tǒng)成本占桌面云項(xiàng)目設(shè)備成本的20%以上，另一方面存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能直接影響到虛擬桌面的用戶(hù)體驗(yàn)。

存儲(chǔ)系統(tǒng)規(guī)劃主要包括存儲(chǔ)空間規(guī)劃與存儲(chǔ)性能（主要是IOPS）規(guī)劃。其中存儲(chǔ)空間規(guī)劃較為簡(jiǎn)單。存儲(chǔ)空間規(guī)劃一般包含操作系統(tǒng)存儲(chǔ)空間、內(nèi)存映像文件、用戶(hù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間以及必須的應(yīng)用軟件。以日常辦公型Windows 7虛擬桌面為例，其客戶(hù)操作系統(tǒng)盤(pán)一般分配30GB空間即已足夠，再加上Hypervisor的內(nèi)存映像文件、日志文件等空間，以及Hypervisor文件系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，并留出一定的用戶(hù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，以及統(tǒng)一安裝必需的應(yīng)用軟件，每個(gè)虛擬桌面空間占用按40～50GB計(jì)算。如再使用鏡像方式提高虛擬桌面的可用性，則每個(gè)用戶(hù)的存儲(chǔ)空間可按80～100GB計(jì)算。

然而存儲(chǔ)性能規(guī)劃則非常關(guān)鍵。由于Hypervisor的引入，使得虛擬機(jī)內(nèi)部的磁盤(pán)訪問(wèn)請(qǐng)求需要經(jīng)歷更長(zhǎng)的I/0路徑，增加了額外的CPU開(kāi)銷(xiāo)；Hypervisor的引入也使得虛擬機(jī)內(nèi)部的相關(guān)塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序很難獲取準(zhǔn)確的存儲(chǔ)設(shè)備相關(guān)信息，影響了一些磁盤(pán)訪問(wèn)優(yōu)化技術(shù)（如交錯(cuò)讀寫(xiě)）的使用；由于整合了大量的虛擬桌面，使得共享存儲(chǔ)設(shè)備需要面對(duì)和處理成倍增加的并發(fā)訪問(wèn)請(qǐng)求，進(jìn)一步加劇了其性能瓶頸。這使得VDI桌面云對(duì)存儲(chǔ)的性能有非常高的要求。

影響存儲(chǔ)性能的因素主要包括存儲(chǔ)（連續(xù)讀寫(xiě)）帶寬和數(shù)據(jù)訪問(wèn)IOPS。由于辦公環(huán)境中很少出現(xiàn)大量用戶(hù)同時(shí)進(jìn)行連續(xù)讀寫(xiě)的場(chǎng)景，在VDI桌面云中，對(duì)存儲(chǔ)帶寬要求并不高，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，每個(gè)Windows 7虛擬桌面的平均存儲(chǔ)帶寬需求在110～230KB/s之間，而單塊300/600GB服務(wù)器硬盤(pán)持續(xù)傳輸帶寬在110～170MB/s之間，單條8GB FC/10GbE IPSan鏈路可提供800MB/s的存儲(chǔ)訪問(wèn)帶寬，存儲(chǔ)帶寬不會(huì)成為系統(tǒng)性能瓶頸。桌面云系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)訪問(wèn)的特點(diǎn)是小塊數(shù)據(jù)隨機(jī)讀寫(xiě)，因而對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)IOPS，每秒讀寫(xiě)操作次數(shù)）要求特別高。如果磁盤(pán)組成Raid陣列，對(duì)磁盤(pán)的寫(xiě)IOPS性能可能有較大影響，如組成Raid 1或Raid 10，則平均單盤(pán)寫(xiě)IOPS性能下降一半；組成Raid 5，平均單盤(pán)寫(xiě)IOPS性能下降75%。

（4）存儲(chǔ)系統(tǒng)優(yōu)化

在大型桌面云系統(tǒng)中，如何有效預(yù)防“啟動(dòng)風(fēng)暴”，是考驗(yàn)存儲(chǔ)系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。尤其是工作日剛上班的時(shí)間段內(nèi)，會(huì)面臨大量的用戶(hù)同時(shí)啟動(dòng)虛擬桌面，引起大量存儲(chǔ)I/O操作超過(guò)存儲(chǔ)系統(tǒng)的IOPS能力，從而令桌面啟動(dòng)和登錄時(shí)間延長(zhǎng)。通常采用兩種方式應(yīng)付“啟動(dòng)風(fēng)暴”。一是增加足夠多的硬盤(pán)提供更多的IOPS。二是為存儲(chǔ)服務(wù)器配置大容量的Cache（混合型桌面云高可用性研究與實(shí)現(xiàn)[D].王建一.華南理工大學(xué),2015）。這兩種方式均會(huì)帶來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)成本的激增。要解決上述問(wèn)題，可以采用以下一些措施：分批啟動(dòng)虛擬桌面，將同一部門(mén)的虛擬桌面分配到不同的LUN上，降低存儲(chǔ)訪問(wèn)需求的時(shí)間相關(guān)性。根據(jù)不同的存儲(chǔ)要求，將相關(guān)文件放置到不同性能特點(diǎn)的LUN上，建立分級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)。使用虛擬桌面服務(wù)器的本地存儲(chǔ)來(lái)緩存減少對(duì)共享存儲(chǔ)的訪問(wèn)。引入Server SAN/軟件定義存儲(chǔ)等新技術(shù)，用虛擬桌面服務(wù)器的本地存儲(chǔ)或直連存儲(chǔ)，通過(guò)管理軟件組成一個(gè)分布式存儲(chǔ)資源池，解決集中式共享存儲(chǔ)適應(yīng)不了云計(jì)算的彈性橫向擴(kuò)展的問(wèn)題。

四、結(jié)論

桌面云方案的改造涉及到CPU、內(nèi)存及存儲(chǔ)容量的規(guī)劃，如何選擇合適的設(shè)備型號(hào)，是企業(yè)在改造過(guò)程中要解決的首要問(wèn)題。在CPU容量估算時(shí)，通常先設(shè)計(jì)每個(gè)目標(biāo)CPU(內(nèi)核)承載的虛擬CPU個(gè)數(shù)，再為相應(yīng)規(guī)格的虛擬桌面分配合適數(shù)量的vCPU。內(nèi)存容量的規(guī)劃通常需要考慮VM的內(nèi)存、vCPU內(nèi)容的開(kāi)銷(xiāo)、顯示內(nèi)存的開(kāi)銷(xiāo)等，隨著虛擬化技術(shù)的流行，近年來(lái)服務(wù)器廠商對(duì)內(nèi)存配置進(jìn)行了優(yōu)化，為物理服務(wù)器增加內(nèi)存也很方便，在進(jìn)行內(nèi)存容量規(guī)劃時(shí)，一般不考慮內(nèi)存復(fù)用，視情況考慮是否進(jìn)行“內(nèi)存超配”。存儲(chǔ)容量的規(guī)劃主要涉及到存儲(chǔ)性能的優(yōu)化，分級(jí)的存儲(chǔ)系統(tǒng)能為用戶(hù)帶來(lái)較好的體驗(yàn)，基于Server SAN/軟件定義存儲(chǔ)是未來(lái)存儲(chǔ)性能優(yōu)化的主要方向。