基于VMware技术的虚拟化办公系统研究及应用

2014-04-29李硕毛承国张进铎张卫华

计算机时代 2014年10期

李硕毛承国张进铎张卫华

摘要：对于云计算时代用户随时随地接入办公的要求，桌面、应用、数据三大要素集中的桌面虚拟化办公解决方案应运而生。利用VMware桌面虚拟化技术，开发了虚拟化办公系统，将桌面虚拟化与客户端计算资源合理搭配，使所有数据和应用都集中在数据中心的服务器上，保证数据、应用和客户端分离，从而极大地提升了数据的安全性、可管理性和可应用性，也显著降低了本单位IT运营的总体成本。

关键词：云计算；虚拟化技术； VMware；虚拟化办公系统； CPU； GPU

中图分类号：TP311 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2014）10-11-03

Research and application of virtual office system based on VMware

Li Shuo， Mao Chengguo， Zhang Jinduo， Zhang Weihua

（BGP， CNPC， Zhuozhou， Hebei 072750， China）

Abstract： Facing the requirement of the users who want to access to the office system at anytime and anywhere， the solution of virtual office that combined the desktop， the application and the data appeared. Virtual office system is developed by using VMware desktop virtualization technology， which is collaborated with a suitable client computing resources. The virtual office concentrate all of the data and applications on the data center server， guarantee that the data and the application separated from the client. It has improved security， manageability and availability， and reduced the IT total cost significantly.

Key words： cloud computing； virtual technology； VMware； virtual office system； CPU； GPU

0 引言

云计算是一种技术，传统的数据中心采用的是单机计算架构，而云计算采用的是“分布式计算架构”，可极大程度地提升数据中心的资源利用率，从而成为计算、存储和网络资源管理的新模式。

云计算应用了一系列最先进的计算及网络技术，包括虚拟化技术、分布式海量数据存储和分布式并行编程等。

近年来，随着东方公司研究院科技企业、科技创新、人才发展三大战略的深入实施，研究院业务的快速发展对IT系统的依赖程度也越来越高，IT建设取得了很大进步，但同时也面临日益突出的问题。

⑴ 面对分散分布的办公微机，用户希望能在异地随时随地登录自己的桌面环境，但旧的PC管理模式极难适应这种需求。

⑵ 由于PC底层硬件种类繁多，不同职能部门对桌面环境需求不同，因此，PC桌面标准化如何实现也是一个难题。

⑶ 虽然传统PC硬件拥有部分价格优势，但是PC管理和支持工作却拥有非常高昂的成本，日常PC管理工作中的软件部署、更新和修补程序等工作，会耗费大量的人力和精力。同时，由于标准化程度不高，IT人员要经常进行现场技术服务，这就进一步增加了运营成本。

⑷ 面临着传统的数据安全问题和信息安全问题，前者往往因为存储介质损坏而造成重大经济损失，后者往往因为数据泄密而对企业核心机密、自身信誉和竞争力等多方面产生负面影响。

⑸ PC分布式特性使人们难以通过资源集中方式来提高利用率和降低成本。

为了更好地解决上述各种问题，我们将最新的IT技术与本单位自身的实际情况相结合，研发了虚拟化办公系统，并在日常的办公环境中广泛应用[1-2]。

1 虚拟化技术简介

虚拟化是一个广义的术语，通常是指计算元件在虚拟的基础上而不是在真实的基础上运行。

虚拟化技术可以扩大硬件的容量，简化软件的重新配置过程。CPU的虚拟化技术，可以使单CPU模拟多CPU并行，允许一个平台同时运行多个操作系统。应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机效率。

如图1所示，在虚拟化技术底层硬件之间建立一个抽象层（Hypervisor），抽象层可以捕获CPU指令，为指令访问硬件控制器和外设充当中介。因而，完全虚拟化技术几乎能让任何一款操作系统不用改动就能安装到虚拟服务器上，而它们警觉不到自己已运行在虚拟化环境下。

图1 完全虚拟化模型示意图

在完全虚拟化的环境下，抽象层运行在裸硬件上，充当主机操作系统；而由抽象层管理的虚拟服务器运行客户端操作系统；抽象层屏蔽了底层硬件设备的差异性[3-5]。

1.1 VMware虚拟化技术

VMware（Virtual Machine ware）是一个“虚拟PC”软件公司，它提供虚拟化解决方案。

VMware虚拟化是直接在计算机硬件或主机操作系统上面导入一个精简的软件层，它包含一个以动态和透明方式分配硬件资源的虚拟机监视器，实现多个操作系统同时运行在同一台物理机上，彼此之间共享硬件资源。

VMware于1999年首次将虚拟化技术引入到x86计算平台上，VMware虚拟化将操作系统从运行它的底层硬件中抽离出来，并为操作系统及其应用程序提供标准化的虚拟硬件，使多台虚拟机在一台或多台共享处理器上同时独立运行。

在所有通过虚拟化技术对IT环境进行优化和管理的软件中，VMware虚拟化技术得到了最为广泛应用，从桌面环境到数据中心均有涉及[6-7]。

1.2 VMware桌面虚拟化

桌面虚拟化（Desktop Virtualization）是指将计算机的桌面进行虚拟化，用户可以通过任何终端设备，在不受地点和时间限制的情况下，访问网络上属于用户自己个人资源的桌面系统。

VMware桌面虚拟技术打破了软件、硬件和操作系统之间相互依赖关系，将桌面操作系统、应用程序和用户数据封闭到想隔离的层次，使IT人员从终端设备安装、桌面环境管理的工作中解放出来（图2）。

VMware桌面虚拟化特点：

⑴ 强大而稳定的后端服务器虚拟化平台，已成为服务器虚拟化事实上的标准，其功能可为虚拟机提供高可用性；确保零停机时间和零数据丢失；可动态分配和平衡计算容量。

⑵ 存储技术方面的大量优化，实现了存储按需分配；同时也极大减少了桌面部署时间。

⑶ 内存共享技术方面的大量优化，提高了单位服务器承载虚拟机的密度。

⑷ 高性能的动态自适应显示协议，自我调整后能为用户提供最佳体验[8]。

图2 VMware桌面虚拟化架构示意图

2 虚拟化办公系统设计

2.1 虚拟化办公架构介绍

东方公司研究院虚拟化办公系统的基本架构如图3所示，整个架构共分为三个层次，分别为虚拟存储层（存储池层）、服务器集群层（CPU、内存资源池层）和管理及用户应用层。

图3 虚拟化办公系统的基本架构示意图

整个虚拟存储系统可看作是一个整体，在共享存储系统的基础上建立服务器集群，这样做的目的是为了实现高可用性，在使用更少的冗余部件的同时，可以自动检测故障，一旦有故障发生，将立即隔离损坏的服务器。通过虚拟资源自动迁移来实现系统和应用的高可用性[9]。

研究院虚拟化办公系统，利用虚拟存储层、服务器集群层提供的硬件资源池，建立虚拟机资源，在虚拟机资源的基础上建立第三层（管理及应用层），该层除具有系统管理服务和用户认证等功能外，还为终端用户提供虚机资源功能。

2.2 硬件资源需求调研

⑴ CPU需求

根据我们实际使用经验，对于一般在带有视频需求的应用，建议物理（单核）2.1GHz以上的CPU，可配置3～8个虚拟桌面，这样平均每个虚拟桌面可以分配300～600MHz的运算资源。

综上所述，CPU的配置为2.1GHz（或以上）的多核CPU，50个用户按照最大配置计算，则至少需要4（服务器）+50（客户端）/3≈21核CPU。我们在实际应用中使用了36核CPU，因此完全可以满足用户需求。

⑵ 内存需求

Hypervisor的透明页共享机制，可以从底层保证内存超量配置，一般Win7操作系统所用的系统内存部分可以复用40%左右。根据用户要求，内存配置按照单个虚拟机3GB进行配置。

综上所述，总的内存用量配置为：最小需求： 8（服务器）+50（客户端）*3*（60%～100%）=98GB～158GB。按照中负载进行合理配置，内存则最少为98GB，我们的建议是配置158GB内存。

⑶ 磁盘性能需求

一般而言，对于桌面客户端的应用，其虚拟桌面系统并不是读写IO密集型应用，通常是属于瞬时高并发IO应用。因此，在系统设计时应予以充分考虑。

一般用户桌面的IOPS为5～20，读写比例为1：4。因此，建议对于虚拟桌面所使用LUN的RAID可以采用RAID5格式，一般每个LUN配置的虚拟机数量最多为25～32，让每一个LUN可以满足这部分桌面IOPS需求。

另外，如果所采用盘阵的磁盘转速、寻址时间和缓存（增加写IOPS和读命中率）足够的话，其使用效果会更佳。

3 虚拟化办公系统实施

目前，我们建设的虚拟化办公系统使用三个计算节点作为服务器（CPU共36核134GHz，内存196.96GB），一个盘阵作为共享存储（13.8TB），利用原有办公网络组建了50个虚拟桌面供多个职能部门办公使用（图4）。

图4 虚拟化办公环境应用实例

通过一系列虚拟化办公技术的应用，研究院办公数据由虚拟化办公系统之前的零散化存放，变为目前更有保障的7×24小时机房环境集中式存放，并由专业技术人员统一管理，避免了传统方式下存放数据可能因硬盘故障造成数据丢失。实现对数据的绝对控制，做到终端数据流访问，终端本地不留存任何数据实体，充分保证了信息不外泄、资料不外流。

本应用实现了操作系统的集中式管理，使IT人员不再需要在各个分散的办公地点穿梭，通过电话沟通就可以对软件系统进行集中维护。如果用户申请应用系统初始化，用已预置好的安全策略及软件策略系统模板，只需几分钟就可以高效快捷地重新部署应用系统，并且通过CPU、内存、存储等过量配置技术，在虚拟化技术的基础上，对资源进行更细粒度划分，进一步提高了硬件资源的利用率，有效地节约了成本。

在虚拟化办公系统建设过程中，我们引入了资源池的概念。虚拟化技术解决的就是硬件资源如何充分利用的问题，通过资源动态监控和电源管理技术的应用，资源池中的资源可以根据任务需求来设置工作状态，配合超低功耗终端设备使用，极大的节省了能源。一般情况下，云终端设备的功耗通常只相当于传统PC功耗的十分之一。

但是，因为虚拟化办公系统还不能很好地做到图形3D硬件加速，而一些实际应用却需要3D支持，或高清图像快速刷新支持。如地震解释系统需要的高分辨率图形密集型应用、谷歌地球等3D应用，这就要求虚拟办公桌面要尽快满足类似应用，基于这些因素考虑，GPU虚拟化技术随即应运而生。

2012年5月，英伟达公司（NVIDIA）发布了VGX产品解决方案。通过在数据中心新增完全虚拟化的显卡，解决了传统VDI的用户体验问题，它目前最多能够让一百名用户共享一块VGX显卡，借助GPU加速来获得纯PC式计算体验。

用户可以享用响应迅速的Windows、多媒体播放以及企业用户需要的应用程序。VGX GPU架构还包含高性能H.264编码引擎，该引擎在提供出色画质的同时，能对多路流数据进行编码，将CPU从编码函数中解放出来，使服务器效率实现大幅提升。图5是英伟达VGX模型及其参数。

图5 英伟达VGX模型及参数

目前，我们正在密切关注GPU虚拟化技术的最新发展，以便在GPU虚拟化技术成熟时，可以迅速完成相关的集成工作，让这项最新技术尽快在虚拟化办公系统中得到应用。

4 结束语

VMWare虚拟技术可以在不额外增加硬件设备条件下，充分挖掘现有硬件潜力，提高硬件资源的利用率；在不增加甚至减少现有IT资源的情况下，可以获得更多的经济回报。

根据全球技术研究和咨询公司（Gartner）的报告显示，全球的桌面虚拟化市场近几年将迅速增长，传统PC机将有很大一部分会转移到虚拟桌面上来。因此，服务器虚拟化及桌面虚拟化已成为企业的重要选择。

众所周知，虚拟化办公系统的交付与管理具有云计算特性，越来越多的企业愿意选择这种办公模式，一些大型企业已经成功进行了实践和部署。

随着IT技术的不断进步与发展，我们也将对虚拟化办公系统进行持续改进与升级，使虚拟化办公系统的功能不断得到完善。例如将该系统引入到研究院的地震资料处理与解释过程中，让广大的技术人员也能够享受到虚拟化技术带来的好处，在“云计算”的环境下开展各项研究工作。我们的终极目标是建成研究院自己的“私有云”系统[10-11]。

参考文献：

[1] 丘诗雅.基于应用虚拟化技术的安全移动办公解决方案[J].移动通

讯，2011.17：66-68

[2] 尹勤.基于桌面虚拟化技术的新型IT办公环境[J].微型电脑应用，

2012.28（12）：25-28

[3] 冯明涛.虚拟化技术浅谈[J].油气田地面工程，2010.29（9）：86-87

[4] 刘庆磊，信师国，李晓林.虚拟技术在IT运维管理中的应用研究[J].信

息技术与信息化，2010.1：43-45

[5] 金岳辉，吴祯.虚拟化环境下IT运维自动化管理探索[J].中国金融电

脑，2013.2：38-43

[6] 陈力勇.基于VMware的虚拟机性能分析[J].信息安全与技术，

2013.1：53-55