探索桌面虚拟化在全国计算机等级考试中的应用

黄 健，阮灿华，舒兆港

(福建农林大学 计算机与信息学院，福建 福州 350001)

1 问题的提出

福建农林大学计算机基础教学中心为全校计算机公共基础课提供教学服务，目前该中心所属计算机基础实验室有机房12间，计算机约有1 300台。中心于2013年上半年新增了一间能容纳100台左右的计算机实验室，其余均为2006—2007年期间建设完成的。这部分计算机的基本配置情况为：CPU为Intel E2140 ；主板为Intel 945 GZ，1 G DDRII 533，80 G SATA2硬盘及100 MB网卡。中心每年承担全国计算机等级考试(以下简称国考)和福建省计算机考级考试(以下简称省考)各2次，依照近年的考试，国考考生的规模为2 500～3 000人左右，省考考生的规模8 000～10 000人左右。从2013年9月起，国考将启用新的软件硬件平台，其中的硬件要求为：(1)考试机：CPU主频单核必须达到2.8 GHz以上；双核必须达到2.1 GHz；若为四核，则无限制；内存要求至少配备2 GB，特别是配备单核CPU的电脑，务必配备2 GB以上的内存。(2)服务器：CPU参考考试机配置，内存要求达到4 GB。尽管单台计算机设备并不昂贵，但是为了在较短的时间内满足考试规模的要求，建设新实验室的价格不菲。另外，一般高校设备的淘汰周期为4～6年，因此如何保护投资，尽可能延长设备的使用年限，提高资源的利用率是个问题。

目前，在实验室的日常维护和考试系统的准备过程中，我们以每间机房为单位，配备了独立的服务器。用品牌机自带的网络同传系统来完成软件的统一安装，使软件的安装和安全补丁的处理简化许多，但也仍然存在一定问题。例如：某些软件在同传完后仍然需要单独运行搜集硬件相关信息以完成安装过程；某些软件的激活操作必须在每台计算机上单独进行；由于硬件的淘汰更新，同传系统无法处理甚至细微的硬件差别。这些问题让管理人员迫切需要有效的解决方案来完成资源的集中管理和分散的应用。

2 云计算和虚拟化技术分析

云计算是分布式处理、并行计算和网格计算等概念的发展和实现，其技术实质就是计算、存储、服务器、应用软件等IT软件硬件资源的虚拟化。目前，普遍认为云计算的服务模式可以分为基础设施即服务(IaaS)、平台即服务(PaaS)和软件即服务(SaaS)3类[1]，而在IaaS层次上的主要技术就是虚拟化。云计算可以通过用虚拟化技术建造的数据中心或“超级计算机”，以免费或按需租用的方式把计算和存储资源提供给用户，同时提供的还有软件运行的应用容器环境[2]。这些计算和存储资源可以动态部署、动态调优、动态回收。云计算的优点主要在于几个方面：用户终端的成本更低，可增强计算能力和存储容量，方便进行软件更新，减少了系统运行维护成本等。而这些优点恰恰能在为我们解决实验室设备的更新方式上提供了新的思路。

从实施的技术角度上，云计算的功能实现主要与计算能力和存储容量2个方面相关[3]。根据2009年《中国虚拟化技术及应用报告》的数据显示：针对桌面和应用虚拟化实现的目标，66.09%为简化IT资产管理；63.5%希望通过集中的桌面部署降低管理经营成本；60.42%希望通过集中管理增强应用和数据的安全性。对于计划实现桌面与应用虚拟化的形式，60.54%选择基于PC的本地桌面虚拟化；52.65%选择基于PC的应用程序虚拟化；38.72%选择托管方式的微软Windows桌面。根据2011年《虚拟化暨云计算技术网络大会》报告：针对用户认可云计算的好处，77.78%的用户选择“存储容量和计算能力可调配”；71.57%的用户选择“IT架构的灵活与扩展性”；67.32%的用户选择“减少IT人员与管理成本”。针对云计算相关技术成熟度方面，50%的用户认为云计算将在3年内快速发展。结合我们的应用目标，桌面虚拟化、服务器虚拟化是当前适合我们现状的应用方式。

桌面虚拟化系统软件利用虚拟化技术，在数据中心的服务器上按需可生成大量的虚拟机，这些虚拟机具备PC机一样的计算处理能力。终端用户通过瘦客户机、PC机或者平板电脑等其他终端设备连接到数据中心，并使用这些虚拟机，和使用传统的PC机一样[4]。通过使用桌面虚拟化系统软件，可直接从数据中心以更安全、更可靠、低成本的方式交付虚拟桌面，有效降低数据丢失的风险，并减少分布式PC管理的重复性，提高终端扩展的灵活性，同时降低了总的拥有成本[5]。但桌面虚拟化也存在不足之处：(1)建设初期投入较高，除了架构上的改变需要购买相应的服务器外，还随着客户端数量的增加面临着软件许可上的开销；(2)虚拟化桌面的计算能力不仅仅取决于虚拟机所在服务器的运算能力，也有赖于高速的网络传输，如果涉及到大数据处理，如3D图像或高清视频等应用，其性能可能大打折扣[6]。

3 考试系统下的桌面虚拟化应用

在解决硬件条件达不到考试要求的过程中，我们曾尝试通过Windows7的远程桌面的方法[7]，即多台学生机通过远程桌面的方式，使用不同的用户名远程登录到安装了Windows7的机器上，利用操作系统对多用户、多任务的支持来运行考试软件的客户端。但是实验证明，考试软件的客户端目前并不支持多用户运行同一个考试客户端软件进程的工作方式。

基于目前我们实验室在日常教学及等级考试中的处理方式，并且考虑到大规模软件硬件升级上的困难，我们准备分2个阶段完成整个架构迁移到云计算平台[8]：首先，实现桌面的虚拟化，即仍然保留目前硬件配置较低的PC作为用户终端，通过为每间实验室增加服务器，在该服务器上为每个终端分配一个能满足条件的虚拟机；再通过这些虚拟机与考试服务器的连接来完成考试平台的搭建。通过这种方式，一方面保留了原有的设备投资，另一方面将有限的资金用在提供虚拟化桌面的服务器上，当再次需要升级系统软件或硬件时，只需升级这些服务器即可。第2个阶段，可以将目前分布在各个实验室中的考试服务器集中配置、管理，即以服务器虚拟化的方式，在统一的硬件平台上针对不同实验室的用户终端以虚拟服务器的方式进行响应。

针对上述的第1阶段迁移目标，我们在学院所属云计算实验室搭建考试环境的测试平台[9]。该实验平台由以下部分组成(硬件部署见图1)：(1)用于连接内部局域网的管理服务器、计算服务器等的千兆交换机1台，含有24个千兆电口，其中4个光电复用口，支持3层交换；(2)管理服务器1台，用于整个系统的管理工作，含有2颗四核Intel Xeon E5-2609处理器，8 GB内存，3TB硬盘；(3)用于创建虚拟桌面的计算服务器3台，分别含有4个八核Intel Xeon E7-4820处理器，16 GB内存(可扩充)；(4)用于大数据存储、虚拟机迁移的存储系统1套(30TB)，含有双控制器8 GB的FC光纤口连接、支持RAID；(5)用于组建存储系统与计算服务器的存储区域网络(SAN)的光纤交换机1台，含有24个8GBFC光纤口；(6)能够持续供电30～60 min，容量约10 kVA的UPS电源1台。

结合当前计算服务器的硬件指标及新的考试系统下考试机的硬件要求，在测试过程中，在每一台计算服务器上安装8台操作系统为Windows7的虚拟机，并按考试软件要求安装相关软件，为这8台虚拟机指派迁移到同一个计算服务器(如果每台计算服务器的内存为64 GB，理论上应该可以在单台计算服务器上安装32台虚拟机)上。与所创建的虚拟机数目对应的低配置物理机(甚至可以是只具备输入输出设备的终端)分别连接到虚拟机上，形成一个以桌面虚拟化为中间层的3层结构，如图2所示。

图1 测试环境

图2 桌面虚拟化的3层结构

4 测试结果及分析

为了评测计算服务器在同时运行多个虚拟桌面时的性能，我们也对其进行了监测。考虑到影响考试系统运行的主要硬件性能指标，我们选择针对虚拟机所在计算服务器的CPU使用率、内存使用率及网络通信情况等做了实时的数据采据，并且结合实际情况对数据进行了分析(见图3)。针对所采集到的CPU使用率实时数据，其横坐标表示采集时间，纵坐标表示利用率的百分比值；对于内存的使用情况的采集数据中，其横坐标也用采集时间表示，纵坐标表示内存用量(单位MB)。在被监测的计算服务器上，CPU总数为4个八核Intel Xeon E7-4820处理器，16 GB内存，在运行了8台虚拟机的情况下，当虚拟机上的考试客户端程序运行时会出现CPU利用率提高的波峰(7%)，但持续时间较短；与其相对应的内存占用情况上，其波峰值(6 GB)也出现在几乎相同的时刻，而后呈下降且逐渐稳定在较低的数值范围。

图3 实时监测数据

从图4中我们可以进一步监测到CPU和内存在8台虚拟机稳定运行考试客户端软件后的一段时间内的实验数据。由于该CPU调度程序可以独立将每个处理器内核的每个逻辑处理器用于执行虚拟机，从而提供与对称多处理器(SMP)系统类似的功能。例如，两路虚拟机可以让虚拟处理器运行在属于相同内核的逻辑处理器上，或运行在不同物理内核的逻辑处理器上。在当前的计算服务器上可以提供32个处理器，每个处理器都可以有2个独立的计数器进行监控，所以共有从编号为0～63的64个计数器。监控程序针对每个对象的实时值、最高值、最低值及平均值进行记录。从图4中显示的数据来看，CPU使用率只是偶尔出现较高的峰值，其均值都比较低。

图4 CPU性能实时监测数据

在图5显示的数据中，活动内存的使用量最高为6 GB，最低为47 MB，均值在2.4 GB，并且逐步稳定在2 GB的范围。

图5 内存性能实时监测数据

5 结束语

用虚拟化技术对于计算机等级考试的环境提供了新的解决方案。与传统的建设方式相比，一方面它能够更加有效地保护用户早期的投资，用户原先低配置的机器在考试过程中可以以瘦客户端的形式加入；考试环境的搭建更加集中、高效，管理员可以在单一的位置完成整个考试环境的安装及维护。随着虚拟化技术的发展和应用的深入，可以将多台考试服务器也进行虚拟化，进一步提高工作效率。从我们搭建的考试平台测试系统所获取的实时数据来分析，虚拟化架构是可以满足考试要求的；从我们根据传统升级学生机硬件和转变架构所需购置新的设备所需资金来比较，后者也具有相当的优势。但在实施过程中，也给系统管理工作提出了新的任务：(1)对系统管理员在虚拟平台上的操作和虚拟化技术的理解提出了更高的要求；(2)在考试过程中的硬件性能必须考虑足够的冗余，在考试过程中的实际应用必须谨慎，尤其是转型初期对试运行的考试范围和规模的控制；(3)必须考虑到学生对虚拟化桌面操作的适应程度，分阶段地展开虚拟化的应用；(4)随着虚拟化技术的发展，其互操作性也需要进一步关注[10-12]。

[1] 张德丰.云计算实战[M].北京:清华大学出版社,2012.

[2] Rimal B P.A Taxonomy and Survey of Cloud Computing Systems[C]//INC,IMS and IDC,Fifth International Joint Conference,2009(8):44-51.

[3] 马博峰.Vmware,Citrix和Microsoft虚拟化技术详解与应用实践[M].北京:机械工业出版社,2012.

[4] 李宁,王铁峰.打造无围墙的实验室：云计算时代高校计算机服务平台建设模式探讨[J].实验技术与管理,2013,30(4):12-15.

[5] 林先津.桌面虚拟化技术在分布式设备管理中的研究与应用[J].实验技术与管理，2013,30(4):68-70.

[6] 郭强,孙大为,常桂然.基于虚拟机迁移的虚拟机集群资源调度[J].华中科技大学学报：自然科学版，2011(增刊1):130-133.

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[9] 杨峰,姜辉,诸葛建伟.虚拟机环境检测方法研究综述[J].小型微型计算机系统,2012,30(8):1830-1835.

[10] 张鹏,张云勇,孙卫国.云架构下的设备互操作性亟待解决[J].通信世界,2010(41):29.

[11] 张兴旺,李晨晖,秦晓珠,等.基于异构云计算平台的负载均衡机制研究[J].情报理论与实践,2012,35(10):108-111.

[12] 刘娜,周平,张顺利.云计算互操作性分类研究[J].信息技术与标准化,2012,1(11):33-37.