基于桌面云的高校计算机实验室组建与管理

王 凡 ， 陈纯炼

(电子科技大学中山学院 a.机电工程学院;b.管理学院 ，广东 中山 528400)

基于桌面云的高校计算机实验室组建与管理

王 凡a， 陈纯炼b

(电子科技大学中山学院a.机电工程学院;b.管理学院 ，广东 中山 528400)

随着云计算技术的不断成熟与发展，桌面云使得虚拟化桌面应用更加安全与灵活。为了解决传统计算机实验室的管理缺陷，结合高校计算机实验室教学环境建设与应用实践，采取利用虚拟化与云计算技术以实现计算能力与数据存储的整合。通过对现有桌面云技术的分析，介绍了基于FusionAccess搭建桌面云的实验环境的方案，论证了该方案的可行性与有效性。桌面云技术的运用促进了计算机实验室的管理。

桌面云；虚拟化；计算机实验室

实践教学环节是高等教育的重要组成部分，随着高等教育对计算机的依赖逐渐增强，计算机实验室的重要性愈发凸显。计算机实验室内计算机数量众多，机型配置复杂，所需软件各有不同，由于现有实验室管理模式落后以及实验技术人员配备不足等诸多因素，导致计算机设备故障无法及时维修，软件升级安装异常复杂，计算机实验室管理效率不高。云计算以网络为载体，把多个成本相对偏低的计算实体组合成一个强大的计算能力系统。云计算的资源是动态易扩展而且虚拟化的，通过网络减少用户终端的处理负担，使得用户终端形成一个简单的输入、输出设备[1]。桌面云可以通过瘦客户端(thin client)或者其他任何与网络相连的设备来访问跨平台的应用程序，分享“云”的强大计算处理能力[2]。

云计算以及桌面云正逐步从一个“热词”发展为实际应用的前沿，在高等教育领域亦然[3]。

1 传统计算机实验室管理的难点

随着各个行业对计算机软件依赖的加深，计算机实验室逐渐成为高校学生开展实验的主要场所，但是计算机型号不一，数量众多，所需软件多样复杂，导致计算机实验室管理工作量大且繁杂[4]。

计算机实验室管理工作的难点主要表现在：

1)硬件的多样化导致桌面标准化很难实现。

2)计算机本地有 USB口、串口、并口都可以外接设备，没有有效的管理手段禁止非法设备的接入，存在着病毒感染与数据泄密的风险。

3)实验教学环节所需软件的多样性，以及同一实验室需满足不同学科的教学需求，导致计算机安装的软件众多，启动速度偏慢，设备驱动与应用程序可能产生冲突。

4)使用计算机的师生众多，技术水平参差不齐，有意或者无意破坏系统关键文件。

5)计算机产生灾难后的快速恢复及软件与操作系统的更新，在传统计算机实验室需要在每台计算机上逐一更改，非常费时费力，影响效率。

6)计算机前期投入时要考虑到使用的长期性与可持续，导致新购计算机价格昂贵，而运算能力又大量浪费。

7)一台计算机的能耗在200 W左右，每台计算机平均每天运行8 h，则一台计算机一年的耗电在500～700kW·h，对于学校具有规模的计算机使用与实验环境，一年的耗电量惊人。这对当今社会所提倡的绿色环保、低碳经济是一个巨大的挑战。

8)专业技术人员有限，难以满足大规模运行维护的及时响应。

上诉情况反映出传统计算机实验室在当今复杂的应用环境中面临着诸多挑战，迫切需要有新的平台可以实现计算资源共享、集中维护、快速部署，并且可以遵从高效可靠性、安全可用性、智能管理性和灵活调整性的原则。

2 桌面云技术

2.1 桌面云技术概述

作为云计算的代表，桌面虚拟化(桌面云)的技术核心就是把计算迁到后台服务器，让应用计算与本地无关。桌面虚拟化技术是一种基于服务器的计算模型，并且借用了传统的瘦客户端模型，让管理员与用户能够同时获得两方面的优点：(1)将所有桌面虚拟机在数据中心进行托管并统一管理;(2)用户能够获得完整计算机的使用体验。

桌面云的建设可以分为三个阶段[5]：

首先，通过云的方式把应用集中到后台，实现应用虚拟化。云桌面的建设先要对应用进行监管，集中管理。把应用集中部署到后台，使其成为私有云上托管的应用，用户只需要登录就可以使用所需的应用。从技术上来看就是应用的虚拟化。

其次，是把客户端所有的桌面进行集中管理，也就是桌面的虚拟化。在这个阶段，所有的数据，包括操作系统、应用、用户数据等都集中到后台进行统一管理。通过通信协议将用户桌面传输到用户终端上，云桌面使得用户的操作与本地的操作体验完全一样。

最后，简化和优化。在满足自身业务需求的情况下，逐步优化，简化设备，增强安全性，进一步节省成本。此阶段桌面云将支持更宽泛的前端设备，可以实现任何时间、任何地点、通过任何设备访问桌面云。

2.2 桌面云总体技术方案

桌面云技术为了实现高安全、高可靠、高性能、易远程集中运维、易平滑扩容的目标，采用业界主流成熟的虚拟化技术，实现虚拟桌面、应用发布、服务器虚拟化等要求。其具体实现包括：

1)资源池设计

服务器上需安装虚拟化软件，将服务器池化。池化后虚拟桌面基础架构(virtual desktop infrastructure, VDI)，桌面、应用虚拟化、服务器虚拟化的服务器分别组成集群。池化后服务器上运行虚拟机便于管理、监控。虚拟机在集群里可以实现定制策略迁移、手动热迁移、故障热迁移。资源池的设计具有高可靠、平滑扩容特性。

2)桌面管理

采用虚拟桌面管理软件，提供高性能且可靠的桌面投送。

3)虚拟化管理

为了便于硬件设备(服务器、存储器、交换机)、虚拟资源的集中管理，采用虚拟化管理软件。虚拟化管理软件一般采用B/S架构，可以远程统一管理VDI桌面、应用虚拟化、服务器虚拟化三个资源池；可管理、监控硬件资源、虚拟资源；支持虚拟机的快速部署、定制化策略调度。

4)计算资源池

计算资源池为用户提供CPU、内存计算资源。在服务器上安装虚拟化软件，可以在一台服务器上虚拟出多台虚拟机，提供弹性规格的虚拟桌面。这几个资源池归属同一朵桌面云管理系统。

5)存储资源

存储资源主要为虚拟桌面提供系统空间、数据空间、桌面云管理系统所需要的空间。这些存储都在主用存储上。主存储根据数据类型的不同，划分不同的数据逻辑单元号(logical unit number, LUN)。这里的数据类型主要包括:管理数据、Windows系统数据、用户数据等。

3 桌面云实施方法

3.1 桌面云的构架与组件

桌面虚拟化以服务器虚拟化为基础，允许多个用户桌面以虚拟机的形式独立运行，同时共享 CPU、内存、网络连接和存储器等底层物理硬件资源。这种架构将虚拟机彼此隔离开来，同时可以实现精确的资源分配，并能保护用户免受由其他用户活动所造成的应用程序崩溃或操作系统故障的影响。

桌面云的具体构架及组件如图1所示。

图1 桌面云的构架与组件

桌面云的主要组件包括：

1)瘦终端及云终端

它们为用户提供用户桌面的显示输出，通过桌面接入网关代理访问对应的桌面，同桌面接入网关之间采用安全套接层(secure sockets layer, SSL)加密的独立计算结构(independent computing architecture, ICA)协议进行信息传递，用户通过在终端上输入域用户名和密码访问对应桌面。

2)接入网关

主要功能为对节点提供负载均衡，以及对桌面提供加密功能。

3)桌面会话管理

提供负责显示基于Web的界面，使用户顺利通过身份验证后可以看到自己可用的虚拟桌面和虚拟应用。其中，桌面传输控制器安装在虚拟机上，负责新虚拟桌面的注册，将虚拟桌面的请求指向可用的系统，以及代理用户和虚拟桌面之间的连接;数据库(databases, DB)节点用于存储桌面云的数据; 基础构架(IT assistant, ITA)节点使IT系统可通过IT适配器完成对桌面云的虚拟机管理、虚拟机镜像管理、虚拟机分配管理、系统运行维护管理等操作；桌面云License的管理与发放系统，License服务器用于控制器接入桌面云的用户数；TC管理对瘦终端进行集中管理，包括版本升级、状态管理、信息监控、日志管理等；活动目录(active directory, AD)域用于用户登录鉴权；动态主机配置协议(dynamic host configuration protocol, DHCP)用于域内IP分配；域名系统(domain name system, DNS)用于域内计算机名、桌面云登录域名的解析。

3.2 计算机实验室的桌面云方案设置

桌面虚拟化软件包括了Citrix公司的XenDesktop，VMware公司的VMware View，微软公司的Virtual Desktop Infrastructure，以及华为公司的FusionAccess等。

由于基于桌面云的计算机实验室在组建过程中需要用到大量网络以及硬件设备(服务器、交换机、存储器、虚拟化平台、用户终端等)，在方案选择时需要能提供端到端的桌面云方案，同时具有兼容性好，高性能，高可靠，可整体交付。基于此要求，选择了华为的解决方案。

计算机实验室的典型使用环境：人员流动性大；需要支持外接存储设备；使用软件多为编程、办公、仿真类，对图形性能要求不是很高；有上网需求，容易感染病毒、木马。

根据以上需求采用了普通链接克隆桌面云的方案，如图2所示。

图2 链接克隆桌面云方式

链接克隆桌面的虚拟机共享一个相同的系统母盘，每台虚拟机系统盘的不同部分(如工作临时缓存数据)、临时安装的个性化应用程序都保存在差分盘中。通过将母盘和差分盘组合映射为一个链接克隆盘作为虚拟机的整个系统盘，提供给虚拟机使用。对于虚拟机的差分盘，可以配置更新还原策略，还原策略可配置为手动还原与重启还原。

3.3 云桌面部署设置

现将使用环境设定为3间计算机实验室，每间实验室有150台终端，虚拟机的配置为四核CPU、内存4 GB、系统盘40 GB、用户盘10 GB，实验环境包括软件编程、计算机应用基础、组网实验、数据仿真等。

主要配置则包括华为E9000刀片服务器(12台)，存储设备S5500T(600 GB×54+2 000 GB×19)，交换机S5700(2台)、S6424(2台)，瘦客户端CT3000(450台)，机柜，桌面云企业版(450用户)，Windows Server 2008(5用户)。

设备的物理部署如下：(1)B广播/组播控制(broadcast/multicast control, BMC)管理口设置。服务器BMC口、存储管理口与机柜内交换机相连接。(2)虚拟化管理及业务网络设置。服务器的两个GE口用于管理以及业务网络，与机柜的交换机接入。(3)存储网络。服务器的两个GE口、存储的IP口都连接到本机柜的接入交换机上。存储网络无需配置网关。主机柜的交换机汇聚扩展机柜的交换机。

管理软件与虚拟机的部署方案则包括了服务器资源分配、FusionSphere组件部署、FusionAccess组件部署三部分。

服务器资源里通过两台服务器作为管理集群部署管理节点，而剩余的服务器组成集群用于部署桌面云虚拟机。

FusionSphere作为服务器虚拟化组件，安装过程包括：(1)安装FusionCompute；(2)安装FusionManager；(3)配置FusionManger；(4)安装VASM(virtual service appliance management);(5)配置告警上报[6]。

FusionAccess作为桌面云的虚拟化组件，配置过程比较复杂，主要包括：(1)部署AD/DNS/DHCP；(2)部署GaussDB/WI/HDC/License；(3)部署GaussDB/WI/HDC；(4)部署ITA 、Loggetter；(5)部署VNCGate/vAG/vLB[7]。

4 桌面云的优势与不足

桌面云技术的引入，使计算机实验室的组建与管理效率都有了明显的改善，而且对于节能减排也有很大的帮助。

4.1 桌面云的主要优点

1)实验室组建成本降低

当采用瘦客户机作为桌面云终端之后，其终端价格约为2 000元/套。计算添加服务器成本后，大约为5 000元/终端，与现有采购传统计算机成本持平。但是由于虚拟机的弹性配置与服务器的可扩充性，可完全根据软件需求配置桌面云虚拟机，升级服务器计算与存储能力同升级传统计算机相比，成本大为节约。

2)实验室桌面应用快速部署

传统计算机实验室的学生机与教师机采用不同操作系统、不同桌面应用。学生机一般采用安装完成一部计算机的桌面应用之后再通过网络发送至其他主机，而由于大部分软件需要独立配置，每台计算机耗费的时间成本至少为1 h，则3间教室450台计算机至少为450 h。采用桌面云技术之后只需按需求安装3台学生机，直接发布它的只读拷贝母盘，时间可缩短为3 h。

3)实验室管理效率提升

传统计算机实验室需要进行软件更新、漏洞修复、磁盘扩展等操作时，采用的方式与重新部署步骤一致，至少需耗费450 h。而采用桌面云技术之后仅需对母盘进行上述操作，桌面云虚拟系统只连接母盘的只读拷贝。

4)所需存储资源缩减

相对于传统计算机实验室，桌面云虚拟系统共用系统母盘，差分盘在使用时才分配，所以链接克隆桌面云创建速度快，对虚拟存储资源占用小。

5)木马病毒危害降低

对于克隆链接的差分盘属于沙箱系统，在虚拟机内的木马病毒仅存在于差分盘中，随着虚拟机的重启，差分盘会自动清除。

6)节能减排，绿色环保

瘦客户端的能耗为20 W左右，仅为传统计算机的十分之一。

4.2 桌面云的不足

桌面云主要通过瘦客户机连接服务器提供的虚拟化资源，因此对于计算机网络质量和服务器图形图像处理能力都有着很高的要求，其具体表现在：

1)对网络带宽的要求

在桌面云的应用环境中，瘦客户机通过专用协议连接虚拟资源池，用户桌面所显示的信息、图像、视频都是通过专用算法进行压缩后传输回瘦客户机终端。经测试，对于一般的非大量图形的应用操作(包括文档处理、编程调试等)的带宽需求为1 Mb/s内。但是一旦开启了高清视频播放或三维设计软件，带宽要求马上增加至30 Mb/s。因此对于上述桌面应用场景，基础网路建设需要达到百兆到桌面。

2)服务器的图形图像处理能力要求

由于虚拟机的硬件实际是通过虚拟化平台进行模拟，而传统服务器没有专门的图像处理单元，导致虚拟机的虚拟显卡处理能力有限，图形软件在虚拟机运行受到限制。虽然技术上可以通过GPU直通虚拟机的方式，使虚拟机直接访问服务器显卡。

但是一方面服务器的PCIe插槽限制了能添加GPU的数量；另一方面，对于瘦客户端也需要有对应的处理能力进行图形解码。这就导致服务器端与客户端的双重成本增加。

5 结束语

桌面云技术作为云计算浪潮中的一个重要环节，在经过几代的商业研究之后已经可以完全应用于成熟的计算机教育场所。本文从技术层面说明了桌面云在计算机实验室的组建与管理方面带来的提高是显著的，并提出采用FusionSphere进行服务器虚拟化，配合FusionAccess搭建计算机实验环境。经过验证，桌面云技术在普通办公、编程、仿真等图形运算能力要求不高的应用场景下，已经可以完全代替传统的计算机。但是对于视频播放、三维软件设计等对图形运算要求比较高的应用坏境，桌面云技术对带宽、瘦客户机、服务器的要求提高，其使用成本将远远超过传统计算机实验室。

[1] 姜昌金,陶桦,黄琦,等.桌面虚拟化技术在校园网环境的应用[J].实验技术与管理,2011,28(5):103-105.

[2] 宋蕾.虚拟技术在高校计算机机房实验室中的应用[J].实验室研究与探索,2013,32(6):274-278.

[3] 李征,王璐.云计算在智慧校园中的应用研究[J].计算机与现代化,2012(5):48-50.

[4] 金彪,郑小建,姚志强,等. 桌面虚拟化与计算机实验室管理[J]. 实验技术与管理,2014,31(2) :85-88.

[5] 思杰系统亚太有限公司.桌面云:云计算在前端的体现[J].金融电子化，2011(2)：83-84.

[6] 华为技术有限公司. FusionSphere V100R003C00 快速安装与配置指南[EB/OL].[2013-09-27].http://support.huawei.com/enterprise/docinforeader.acti on?contentId=DOC1000028985&idPath=7919749|7919788|9856606|9823560.

[7]华为技术有限公司. FusionAccess V100R003C00 快速安装与配置指南02[EB/OL].[2013-12-03].http://support.huawei.com/enterprise/docinforeader.ac tion?contentId=DOC1000029193&idPath=7919749|7919788|9856610|19917528.

Construction and Management of Computer Laboratory Based on Desktop Cloud

WANG Fana, CHEN Chunlianb

(a. School of Electromechanical Engineering;b. School of Business, University of Electronic Science and
Technology of China, Zhongshan Institute, Zhongshan 528400, China)

With the maturity of the cloud computing technology, desktop cloud makes applications more secure and flexible. In this paper, we analyze the defects of traditional computer laboratory management, and combined with computer laboratory teaching environment construction and application practice. This method integrates computing power and data storage by cloud computing and virtualization. We also build the experiment teaching environment based on FusionAccess by the technology of desktop cloud, and analyze the feasibility and reliability of the desktop cloud technology. The construction and management of computer laboratory have also been improved significantly.

desktop cloud; virtualization; computer laboratory

2014-11-14；修改日期: 2014-12-06

中山市科技计划基金资助项目(2013A3FC0271)。

王 凡(1981-)，男，硕士，实验师，研究方向：通信与信息系统、自动控制。

G482；TP

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.061