基于VDI 的云桌面技術(shù)在高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用

馬文杰

（連云港師范高等?？茖W(xué)校信息中心，江蘇連云港 222006）

近年來，信息技術(shù)飛速發(fā)展，特別是隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的普及運(yùn)用，各類熱點(diǎn)技術(shù)層出不窮。技術(shù)的進(jìn)步為高校人才培養(yǎng)提供了有力支持，也提出了更高的要求。計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室作為高校信息技術(shù)類課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)陣地，承擔(dān)著學(xué)生計(jì)算機(jī)課程學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。面對(duì)各類紛繁復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和迅速擴(kuò)大的學(xué)生規(guī)模，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理模式已經(jīng)無法滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要[1]。云桌面技術(shù)作為云計(jì)算技術(shù)中的一個(gè)重要應(yīng)用，通過對(duì)各類硬件資源的虛擬化，提供集中管理和部署的虛擬化桌面，可以構(gòu)建高校新型計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室。

一、傳統(tǒng)高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室存在的問題

高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室除了承擔(dān)計(jì)算機(jī)公共課教學(xué)、專業(yè)課教學(xué)等常規(guī)教學(xué)任務(wù)，還經(jīng)常承擔(dān)專業(yè)技能培訓(xùn)、比賽和考試等工作。隨著高校辦學(xué)規(guī)模的擴(kuò)大，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的任務(wù)越來越重，業(yè)務(wù)也更加復(fù)雜，傳統(tǒng)的建設(shè)和管理模式在建設(shè)成本、管理效率、數(shù)據(jù)安全等方面的不足日益凸顯。

（一）教學(xué)環(huán)境部署困難

隨著計(jì)算機(jī)課程類別的增多，高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室需要頻繁進(jìn)行教學(xué)軟件環(huán)境的部署、升級(jí)和切換，在桌面部署和系統(tǒng)更新方面占用了管理人員大量的時(shí)間和精力，甚至還會(huì)因?yàn)閷?shí)驗(yàn)環(huán)境無法及時(shí)滿足需求而影響正常的教學(xué)工作。

（二）故障率高，維護(hù)難度大

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的PC 屬于公用設(shè)備，學(xué)生在使用過程中往往會(huì)不經(jīng)意損壞實(shí)驗(yàn)室的某些終端系統(tǒng)，造成設(shè)備故障。同時(shí)，PC 運(yùn)行時(shí)間久了也會(huì)逐漸老化，運(yùn)行速度變慢，不僅影響教學(xué)效果，而且導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室設(shè)備維護(hù)工作量劇增。

（三）設(shè)備利用率差，投入成本高

據(jù)統(tǒng)計(jì)，高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室PC 整體性能的平均利用率不到15%，不僅存在資源嚴(yán)重浪費(fèi)的現(xiàn)象，而且導(dǎo)致運(yùn)行成本居高不下。此外，當(dāng)設(shè)備老化或者教學(xué)需求發(fā)生變化時(shí)，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室就必須全部更換所有PC，大大增加了教育資源的投入成本。據(jù)統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室需要投入大量資金用于獨(dú)立計(jì)算機(jī)的購置，而且每隔3—5 年就要對(duì)性能落后的計(jì)算機(jī)進(jìn)行升級(jí)或淘汰。此外，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)噪音干擾和機(jī)體輻射較為嚴(yán)重，平均每臺(tái)功耗為200 W，用電成本高。

（四）桌面可控性差，數(shù)據(jù)安全無法保障

傳統(tǒng)PC 無法實(shí)施任何管控措施，學(xué)生在課上偷偷打游戲或看視頻，教師無法及時(shí)管控，既影響課堂秩序又影響教學(xué)效果。同時(shí)，學(xué)生隨意使用U 盤、移動(dòng)硬盤等設(shè)備，使得PC 感染病毒的幾率增大，PC 一旦中毒就會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室主機(jī)癱瘓，數(shù)據(jù)丟失，給實(shí)驗(yàn)室管理帶來很大的風(fēng)險(xiǎn)。

二、云桌面技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

云桌面技術(shù)是虛擬化技術(shù)的具體運(yùn)用，其核心是運(yùn)用虛擬化技術(shù)對(duì)原有的物理設(shè)備進(jìn)行處理，使終端桌面在服務(wù)器上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了桌面的虛擬化。用戶通過在各類終端（傳統(tǒng)電腦、瘦客戶端、移動(dòng)終端）上運(yùn)行的遠(yuǎn)程顯示協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行連接，可以像訪問本地安裝的桌面一樣訪問運(yùn)行在服務(wù)器上的桌面，從而實(shí)現(xiàn)了桌面的集中化部署和管理。

云桌面技術(shù)為高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室提供了一種更加高效的管理模式。管理人員通過在服務(wù)器端進(jìn)行配置，就能對(duì)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室所有PC 進(jìn)行統(tǒng)一管理，并能對(duì)資源進(jìn)行按需分配。云桌面技術(shù)最突出的特點(diǎn)就是“輕前端，重后臺(tái)”，即管理人員在資源配置管理時(shí)，可對(duì)用戶桌面進(jìn)行統(tǒng)一維護(hù)和管理，縮短設(shè)備維護(hù)時(shí)間，減少維護(hù)工作量，由后臺(tái)服務(wù)器負(fù)責(zé)完成全部數(shù)據(jù)處理，同時(shí)還可以增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性[2]。

目前主流云桌面應(yīng)用較多的是虛擬化技術(shù)VDI（Virtual Desktop Infrastructure）[3]。VDI 是虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)，也稱集中運(yùn)算式架構(gòu)，是一種集管理、云端計(jì)算、云端存儲(chǔ)于一體的技術(shù)架構(gòu)。VDI 依照“集中計(jì)算，分布顯示”的原則，將所有客戶端桌面運(yùn)行在后臺(tái)服務(wù)器上，用戶使用運(yùn)行VDI 客戶端程序的各類終端進(jìn)行訪問。VDI 架構(gòu)應(yīng)用于高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室存在多種優(yōu)勢(shì)。

（一）終端桌面集中管理，教學(xué)環(huán)境快速部署

VDI 采用集中計(jì)算的運(yùn)行模式，所有的桌面都運(yùn)行在服務(wù)器端，桌面管理集中在后端的數(shù)據(jù)中心，實(shí)驗(yàn)室管理員、教師或技術(shù)人員在后臺(tái)即可對(duì)桌面鏡像和相關(guān)應(yīng)用程序進(jìn)行管理和維護(hù)。實(shí)驗(yàn)室管理人員可以制定不同的課程模板，方便不同年級(jí)學(xué)生使用；還可以實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景自由選擇，建構(gòu)更彈性、更靈活的教學(xué)模式。當(dāng)學(xué)校辦學(xué)規(guī)模擴(kuò)大和教學(xué)課程變更時(shí)，實(shí)驗(yàn)室管理人員可通過快速集中桌面部署來實(shí)現(xiàn)教學(xué)環(huán)境的變更和維護(hù)，這不僅能節(jié)省時(shí)間，而且能降低管理成本。此外，集中的桌面管理還可以對(duì)學(xué)生權(quán)限進(jìn)行統(tǒng)一管控，有利于教師管理課堂紀(jì)律，保證教學(xué)質(zhì)量。

（二）數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)，安全保障系數(shù)高

在VDI 框架下，所有終端桌面產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都集中存儲(chǔ)在服務(wù)器上，即便終端發(fā)生故障，各終端桌面的數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。管理員在數(shù)據(jù)中心對(duì)桌面和應(yīng)用進(jìn)行集中維護(hù)，使得普通用戶數(shù)據(jù)也可以獲得高級(jí)別的數(shù)據(jù)安全保障。一句話，采用VDI 架構(gòu)的云桌面，可以確保整個(gè)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（三）瘦客戶端終端設(shè)計(jì)，降低故障率

VDI 框架下的用戶終端可以采用瘦客戶端設(shè)備。瘦客戶端提倡并重視精簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，僅需提供鼠標(biāo)、鍵盤和顯示器等外接設(shè)備，用戶就可以進(jìn)行基本的輸入、輸出，獲得顯示結(jié)果。采用精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)的瘦客戶端設(shè)備，硬件故障率低，無需進(jìn)行本地資源維護(hù)和管理，能夠減少計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理工作量。

（四）軟硬件資源虛擬化，實(shí)現(xiàn)資源共享

VDI 架構(gòu)的核心是服務(wù)器端，服務(wù)器通過對(duì)各類軟硬件資源的虛擬化，提供虛擬的桌面系統(tǒng)。由于采用集中計(jì)算模式，整套計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)除了終端輸入、輸出設(shè)備，其他資源全部集中在后端服務(wù)器上。后端服務(wù)器通過虛擬化技術(shù)按需分配和動(dòng)態(tài)調(diào)整相關(guān)內(nèi)容資源，有效地實(shí)現(xiàn)了資源共享和負(fù)載均衡，避免了資源浪費(fèi)與設(shè)備性能不足導(dǎo)致的矛盾。

（五）綠色環(huán)保，降低運(yùn)營成本

在VDI 架構(gòu)中，終端平臺(tái)無需使用傳統(tǒng)的PC，降低了能源消耗和建設(shè)成本；桌面的運(yùn)行與終端平臺(tái)無關(guān)，所以終端性能不需要追隨操作系統(tǒng)與應(yīng)用的改變而不斷升級(jí)，減少了資金投入；虛擬化技術(shù)的應(yīng)用，可以讓現(xiàn)有資源得到最大化的利用?？傮w來說，綠色環(huán)保的VDI 云桌面可以降低總成本。

三、高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室VDI 架構(gòu)的規(guī)劃布局

（一）需求分析

以高職院校L 校為例。該校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室主要承擔(dān)計(jì)算機(jī)類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和各類上機(jī)考試任務(wù)，現(xiàn)有60 機(jī)位實(shí)驗(yàn)室6 間，總機(jī)位數(shù)360 個(gè)。計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室桌面部署的應(yīng)用主要有Office、數(shù)據(jù)庫軟件和其他各類編程軟件等。計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室原有終端采用傳統(tǒng)PC 機(jī)的模式，主機(jī)使用還原卡技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)。在現(xiàn)有模式下，管理人員需要耗費(fèi)大量精力和時(shí)間進(jìn)行相關(guān)業(yè)務(wù)軟件的升級(jí)和系統(tǒng)更新。特別是一些高級(jí)別的機(jī)上考試任務(wù)，一般需要準(zhǔn)備純凈的考試環(huán)境，安裝與維護(hù)任務(wù)繁重。如果使用集中部署的VDI 云桌面技術(shù)對(duì)原有實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行改造，能有效破解當(dāng)前的管理難題。

（二）總體方案

云桌面系統(tǒng)的部署根據(jù)校園網(wǎng)建設(shè)的條件不同，可以分為集中部署和獨(dú)立部署兩種。集中部署是指將云桌面服務(wù)器集中部署在數(shù)據(jù)中心，所有計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室都從數(shù)據(jù)中心獲取桌面。獨(dú)立部署是指將云桌面服務(wù)器獨(dú)立部署在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室供各個(gè)終端使用。從技術(shù)先進(jìn)性、維護(hù)便攜性和資源共享性等方面考慮，L 校的VDI 架構(gòu)最好采用集中部署模式，其物理架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 VDI 云桌面物理架構(gòu)

由圖1 可見，基于VDI 的云桌面系統(tǒng)由VDI 集群、云終端和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)三部分組成，三個(gè)層面緊密結(jié)合，為計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室用戶提供安全、可靠的教學(xué)環(huán)境。VDI 集群是承載云桌面系統(tǒng)的核心服務(wù)器集群。VDI集群通過虛擬化技術(shù)（服務(wù)器虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化和顯卡虛擬化）實(shí)現(xiàn)各類硬件資源的底層虛擬化，并按需要將虛擬資源分配給特定桌面，支持動(dòng)態(tài)的資源調(diào)整和負(fù)載均衡，實(shí)現(xiàn)教學(xué)環(huán)境、計(jì)算、存儲(chǔ)、配置策略的統(tǒng)一管理和快速交付。云終端是用戶輸入輸出設(shè)備，為了降低硬件故障率并實(shí)現(xiàn)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，可以采用一體化設(shè)計(jì)的瘦客戶端。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為VDI 云桌面提供高速、穩(wěn)定的傳輸網(wǎng)絡(luò)，滿足遠(yuǎn)程顯示協(xié)議的通訊需求。

（三）具體設(shè)計(jì)

1.VDI 集群設(shè)計(jì)

為了向各計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室提供云桌面服務(wù)，VDI 集群需要配置能夠滿足所有實(shí)驗(yàn)室用戶桌面使用需求的硬件資源。終端可以分為普通桌面和高性能桌面。L 校根據(jù)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室功能與用途的不同，配備普通桌面實(shí)驗(yàn)室4 間，高性能桌面實(shí)驗(yàn)室2 間。為了滿足桌面性能的需要，VDI 集群需要詳細(xì)規(guī)劃各類硬件資源。

云桌面采用鏈接克隆技術(shù)由虛擬機(jī)模板批量生成，使用過程中產(chǎn)生的增量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在VDI 集群的企業(yè)級(jí)SSD 上，因此IOPS 不會(huì)有瓶頸，在選擇SSD時(shí)只需考慮容量。根據(jù)對(duì)L 校教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜度的調(diào)研，該校VDI 集群分配給增量數(shù)據(jù)和虛擬機(jī)模板的存儲(chǔ)容量比分別是60%和40%，規(guī)劃每個(gè)云桌面分配5 GB 增量盤，每個(gè)桌面分配5 GB 作業(yè)空間，每個(gè)教師分配10 GB 個(gè)人空間。這些數(shù)據(jù)的讀取和保存對(duì)IOPS 的要求不高，因此可以保存在企業(yè)級(jí)HDD上。CPU、內(nèi)存、SSD、HDD 的容量計(jì)算方法見表1。

表1 硬件資源計(jì)算方法

（1）CPU 核心數(shù)。L 校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室設(shè)240 個(gè)普通桌面，每個(gè)桌面分配1 個(gè)VCPU；120 個(gè)高性能桌面，每個(gè)桌面分配2 個(gè)VCPU。該校共有6 間計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，每間實(shí)驗(yàn)室按1 個(gè)物理核虛擬3 個(gè)虛擬核的推薦值，虛擬化比例就是1∶3。此外，要空出兩個(gè)物理核作為管理資源。根據(jù)表1 計(jì)算CPU 的方法，需要的CPU 核心數(shù)為172 個(gè)。

（2）內(nèi)存容量。240 個(gè)普通桌面，每個(gè)云桌面分配2 GB 內(nèi)存。120 個(gè)高性能桌面，每個(gè)云桌面分配4 GB內(nèi)存。代入表1 計(jì)算內(nèi)存的公式，結(jié)果為：

內(nèi)存容量=240×2 GB×120%+120×4 GB×120%=1 152 GB

共需要16 GB 的內(nèi)存條72 根。

（3）SSD 容量?？偣?60 個(gè)桌面，每個(gè)云桌面分配5 GB 增量盤，代入表1 計(jì)算SSD 的公式，結(jié)果為：

SSD 容量=360×5 GB÷60%=3 000 GB

共需要240 GB 的SSD 硬盤12 塊。

（4）HDD 容量。總共360 個(gè)桌面，每個(gè)云桌面分配5 GB 磁盤容量作為作業(yè)空間；20 位任課老師，每人分配10 GB 個(gè)人空間。代入表1 計(jì)算HDD 的公式，結(jié)果為：

HDD 容量=360×5 GB+20×10 GB=2 000 GB

考慮到數(shù)據(jù)的安全性，HDD 需要做Raid1。此外，系統(tǒng)基礎(chǔ)組件需要占用約200 GB，因此共需要2 TB的HDD 硬盤4 塊。

2.顯卡虛擬化技術(shù)應(yīng)用

VDI 架構(gòu)的云桌面只能支持簡(jiǎn)單的二維CAD 或PS，無法滿足圖形加速等設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)的要求。而最新的顯卡虛擬化技術(shù)可以為VDI 云桌面提供虛擬顯卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)3D 設(shè)計(jì)類圖形密集型應(yīng)用的支持，提升用戶體驗(yàn)。顯卡虛擬化技術(shù)（VGPU）能夠?qū)Ψ?wù)器的顯卡資源進(jìn)行分割，創(chuàng)建顯卡資源池，并且能根據(jù)需求分配顯卡資源，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)調(diào)整。此外，VGPU技術(shù)能為本方案需要的高性能桌面配置虛擬顯卡，滿足設(shè)計(jì)類專業(yè)、3D 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的使用需求。

3.實(shí)驗(yàn)室云終端設(shè)計(jì)

VDI 架構(gòu)支持包括瘦客戶端、PC、筆記本電腦和智能設(shè)備在內(nèi)的各類終端的訪問，L 校可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用環(huán)境和需求，選擇瘦客戶端作為學(xué)生終端部署。一方面，瘦客戶端在VDI 云桌面架構(gòu)下完全可以滿足計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的需要；另一方面，瘦客戶端硬件成本低、能耗低、用途廣、生命周期長，適合用于建設(shè)綠色環(huán)保的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，降低建設(shè)成本?？紤]到原有實(shí)驗(yàn)室的顯示器可以利用，建設(shè)方案可以采用分體式瘦客戶機(jī)，用來替代淘汰的PC 主機(jī)。

4.網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

云桌面對(duì)帶寬的要求因?qū)嶋H教學(xué)使用內(nèi)容而異，具體需求見表2。

表2 云桌面帶寬需求

在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室中，屏幕廣播、視頻廣播等教學(xué)功能是基于組播協(xié)議開發(fā)的，本身帶寬占用就不高，且只使用教室內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，因此在帶寬設(shè)計(jì)時(shí)可以不予著重考慮。從表2 的數(shù)據(jù)可以看出，每個(gè)云終端只要保證有10 Mbps 以上的帶寬就可以為用戶提供流暢的使用體驗(yàn)，因此使用千兆交換機(jī)就能滿足教學(xué)與學(xué)習(xí)的需求。另外，由于終端用戶較多，為了提高系統(tǒng)的吞吐量和并發(fā)量，VDI 集群中的主機(jī)均需配置萬兆網(wǎng)卡。

目前，基于VDI 架構(gòu)的云桌面在應(yīng)用中還有不足，并不能適用于所有需求，需要采取一定措施給予彌補(bǔ)。其一，桌面性能不足。VDI 架構(gòu)中，終端沒有計(jì)算能力，桌面全部運(yùn)行在后臺(tái)的服務(wù)器上，終端使用遠(yuǎn)程顯示協(xié)議訪問服務(wù)器上的虛擬桌面，所以在性能上不如傳統(tǒng)的PC 機(jī)，對(duì)3D 圖形設(shè)計(jì)、多媒體等圖形密集型應(yīng)用支持較差。其二，初始建設(shè)成本較高，不適合小規(guī)模部署。VDI 模式雖然節(jié)省了PC 終端的投入，但是需要進(jìn)行基礎(chǔ)架構(gòu)改造，初期購買核心服務(wù)器和虛擬化軟件許可的資金投入較高，對(duì)管理人員的技術(shù)要求也更高，不適合小規(guī)模的應(yīng)用場(chǎng)景部署。其三，不支持離線環(huán)境。在VDI 架構(gòu)下，客戶終端需要通過網(wǎng)絡(luò)通訊才能實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行于服務(wù)器上的虛擬桌面進(jìn)行訪問和使用。如果網(wǎng)絡(luò)中斷或者處于沒有網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中，客戶終端就無法使用云桌面。

基于VDI 架構(gòu)的云桌面技術(shù)可以解決傳統(tǒng)高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室在管理運(yùn)維、建設(shè)成本、綠色環(huán)保、數(shù)據(jù)安全等方面存在的問題，幫助高校提高管理效率和管理水平，是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室信息化管理的重要技術(shù)手段。目前，VDI 終端的性能尚不能完全達(dá)到PC 水平，顯卡虛擬化技術(shù)提供了一些解決實(shí)際問題的方法和路徑，但也帶來了一些新問題，需要進(jìn)一步研究并加以解決。