虚拟桌面系统应用与设计

上海市计量测试技术研究院 沈意吉 解秀明 罗旻泓

虚拟桌面系统应用与设计

上海市计量测试技术研究院 沈意吉 解秀明 罗旻泓

虚拟化技术可以充分地发挥大数据、云计算、多媒体的优势，将一个精简的配件层插入到计算机硬件或主机操作系统的上面，能够以一个动态的、透明的和分片的硬件资源监控器实现物理系统虚拟化，这样就可以将Web服务器、数据库服务器、存储器等集成和封装在一起，构建一个虚拟化的桌面运行环境，为每一个用户分配一个虚拟桌面账号，可以时刻登录虚拟桌面，并且保存运行时信息。虚拟桌面系统采用的技术非常多，这些技术包括桌面虚拟化、服务器虚拟化、置备服务器和终端显示协议等内容，可以有效地实现虚拟桌面系统，进一步提高硬件资源的并发性、共享性。

虚拟桌面系统；终端显示协议；置备服务器；虚拟化

1.引言

随着“互联网+”时代的到来，应用软件承载的功能和数据越来越多，访问用户也迅速增加，但是硬件存储器、光纤带宽、服务器处理性能等的发展速度严重跟不上软件应用提升的速度，为了保证两者匹配运行，不陷入瓶颈状态，许多计算机学者经过多年的研究，提出了一种虚拟化技术。虚拟化可以将许多计算机硬件资源不断地进行抽象化，是一种经过验证的新型软件技术，从根本上改变了信息处理模式和计算加工方式。

虚拟桌面系统应用之后具有以下几个方面的优势：

（1）提高VPN接入带宽资源，降低单个并发程序带宽需求。VPN是一种局域网接入技术，其可以为用户构建专用的虚拟链路，VPN接入提高带宽资源时需要耗费较高的代价，每个月需要付出较高的月租费用，因此不是一个经济划算的解决方案。利用虚拟桌面系统可以降低每一个并发应用程序的带宽资源，在低带宽的情况下能够确保用户正常使用。另外，采用虚拟桌面系统之后，系统的运营开销可以减少70%，维护开销可以降低30%，因此可以大大地减少系统的建设损耗。

（2）提高硬件资源的利用率。虚拟桌面系统可以为用户提供一个程序执行、数据存储和并发访问的系统，这样就可以为更多的用户提供硬件支撑，提高了硬件资源的利用率，充分地利用信息中心服务器的计算操作能力，并且大大地降低了硬件需求，延长终端设备的使用年限，具有重要的作用。据统计，采用虚拟桌面系统之后，硬件资源的利用率从传统的27%提升到93%，能够有效地整合各类服务器硬件，从而保证系统具有更好的精准性，不需要牺牲系统就可以提高硬件利用率。

（3）提高系统管理的便捷性和安全性。虚拟桌面系统可以为用户提供统一的安装、升级、维护等工作，用户只需要拥有一个登录账号即可，同时系统为IT支撑平台提供了故障定位功能，保证系统维护的精准性；同时系统安全采用电信级安全防御能力，可以更好地满足用户需求。系统关键业务运行过程中可以为用户提供强大的基础部署架构，保证系统未来运行具有较强的可扩展性、高安全性、高可靠性，保证系统之间的连接是无缝的和实时的。

2.虚拟桌面系统功能及架构设计

虚拟桌面系统能够满足电商用户、政企单位、金融银行、电力通信、物流运输等多行业用户群体，能够按照实际需求为人们定制动态的虚拟桌面，桌面上的应用程序、数据服务器可以集成在一起，部署在云端，同时为用户提供一个端到端的桌面管理和解决方案。由于客户运行的数据集中部署在远程的数据中心机房，机房拥有企业级的安全防御和信息保护能力，因此用户不需要担心客户端是否存在安全漏洞，每一次登录都可以实时地获取一个干净的、个性化的全新桌面，这样就可以保证每一个应用程序的处理性能不会下降。虚拟桌面包括多个组件，因此可以为各类型用户提供独特的、定制的、个性化需求，具体的虚拟桌面组件及功能架构如下所述：

（1）虚拟化基础架构

虚拟化基础架构可以将单个物理服务器硬件进行抽象和虚拟，采用强大的分片技术、资源映射技术形成一个资源共享的虚拟服务器，虚拟化基础架构可以提高硬件资源的共享性，实现多用户并发接入。

（2）虚拟桌面交付控制器

虚拟桌面交付控制器可以实现虚拟桌面注册、虚拟桌面请求解析和逻辑业务定位功能，通过一个Web接口组件与虚拟桌面交付控制器进行有效的交互处理，用户登录Web网站或者安装本地接收器，系统就可以将虚拟桌面交付给每一个用户。

（3）虚拟桌面置备

虚拟桌面置备服务器位于虚拟化基础架构的上方，其可以将虚拟桌面生成的实例信息发送到服务器，为其提供一个强大的操作系统镜像资源，如果一个基本的操作系统镜像被创建完成，可以配置相关的企业操作策略，按照规定与操作系统的相关级别进行配置，每一个虚拟桌面启动时，操作系统可以通过网络数据流技术将相关逻辑业务请求映射到虚拟桌面上，两者之间通过接口进行连接，因此基本镜像升级后可以在下一次重启时使用最新的镜像资源。

（4）应用交付控制器

虚拟桌面可以完成用户的多种逻辑应用请求，因此系统可以使用应用交付控制器处理、识别、分配逻辑应用ID，以便能够将其分配给关联的用户，并且交付到用户的虚拟桌面上。应用交付也是用户需求、桌面操作个性化的关键内容，其可以将应用与桌面镜像资源实现分离化操作，这样就可以大大地降低桌面镜像的保存数量，提高了系统升级和维护的便捷性。

虚拟桌面系统可以采用SOA、云计算、B/S体系架构等技术构建一个多层次的运程服务系统，为用户提供一个强大的信息加工运行环境，将处理完成的信息推送到用户的终端设备上，用户可以使用笔记本电脑、台式机等登录到Web服务器，自动化地加载系统，通过远程显示协议访问服务端处理完成的结果。虚拟桌面系统自顶向下划分为三个层次，系统架构及主要组成如图1所示。

图1　虚拟桌面系统的整体结构

3.虚拟桌面系统关键技术

3.1桌面虚拟化

桌面虚拟化也即是利用先进的大数据技术、云计算技术提供一种远程服务，然后为用户提供一个强大的桌面运行环境，将虚拟化的桌面推送到用户的终端设备上。远程服务器保存着每一个用户的桌面ID及运行时信息，用户可以使用智能手机、笔记本电脑、平板电脑、网络云电视等登录到远程服务器，自动化地加载桌面系统，这些设备仅仅提供链接功能，不承载其他功能业务，可以通过远程显示协议访问服务端，这样每一个用户都可以在服务上运行一个虚拟化的桌面系统，并且每一次登录时都可以获取全新的、干净的、个性化的桌面。桌面虚拟化主要技术包括以下三个方面：

（1）虚拟桌面服务器技术

虚拟桌面服务器可以采用中高端配置，并且安装相关的虚拟化工具，这样就可以将服务器虚拟化，创建多个逻辑独立的虚拟机，每一个虚拟机都可以关联一个虚拟桌面用户ID，并且分配强大的运行时存储器。

（2）终端用户桌面

系统面向每一个终端用户定制和创建一个虚拟用户桌面，每一个桌面仅需要配置一台键盘、一个鼠标和一个显示器，安装一个云端桌面即可登录到服务器，加载虚拟桌面运行时信息。

（3）连接管理中间件

连接管理中间件可以为用户虚拟桌面、服务器提供一个资源池，实现逻辑业务的通信连接和资源调度功能，将远程数据中心的服务器虚拟化，提供数以万计的虚拟桌面客户端。因为高密度的用户群造成了调度、管理困难，同时一个磁盘也难以形成并发访问能力，网络带宽资源也无法得到协同，因此实现采用一个连接中间件，能够实现用户认证、通信连接、数据转发、资源调度，负责虚拟桌面应用功能启动、负载均衡、分配桌面资源等功能。

虚拟桌面系统通常可以使用一个具有冗余功能的网络拓扑架构实现集成链接功能，利用网络的双链路操作完成系统的冗余部署操作，每一台服务器都配置一个冗余端口，使用光纤将其连接到交换机或存储器上，这种配置模式可以保证虚拟服务器发生问题时，能够及时地将正在处理的事务转移到另外一台服务器。

3.2服务器虚拟化

服务器虚拟化是桌面虚拟化系统的一个重要组成内容，虚拟桌面严重依赖服务器虚拟化的性能，桌面虚拟化需要提供并发处理能力、透明存储能力、分片管理能力，同一台物理服务器经过虚拟化操作，可以形成多个虚拟桌面。目前，服务器端虚拟化技术较多，主要是针对承载服务器运行的硬件物理资源进行抽象化，这些技术主要包括虚拟CPU、虚拟设备与输入输出、虚拟内存，并且针对每一个虚拟桌面提供强大的隔离性、安全性操作内容，保证虚拟桌面用户的并发处理能力，保证每一个虚拟化桌面的运行数据是完整的、安全的。

目前，许多大型软件开发商、服务器企业开始研究服务器虚拟化产品，服务器虚拟化的产品代表主要包括VMWare workstation、VMWare server、Hyper-V、KVM、XEN等。VMWare是一种功能完善的虚拟化管理软件，经过多年的研究使用和实践改进，VMWare已经诞生了很多具体的服务器虚拟化版本软件，比如VMWare workstation、VMWare server和VMware Fusion等，VMware vSphere是一种技术先进的服务器虚拟化产品和软件平台，引入的服务器虚拟化软件功能组件包括很多，分别是VMware vSphere Client、VMware ESXi Server和VMware vCenter Server等ESXi关键组件。Hyper-V是微软公司研发的一款虚拟化产品，采用了开源技术hypervisor，与VMWare虚拟产品类似，能够更加直接地与市场先行者展开竞争，抢占虚拟桌面系统的技术高地Hyper-V采用了微内核的系统架构，能够兼具高性能、高安全的特性。Hyper-V底层的Hypervisor在系统运行中具有最高的特权，虚拟机的OS内核与驱动运行于Ring0，系统运行不需要较高的操作性能，架构不需要过于复杂。KVM（Kernel Virtual Module）是一个基于Linux操作内核的虚拟化平台，其实质是Linux操作系统的一个模块，可以使用modprobe实现KVM虚拟化平台功能的加载，但是用户无法直接控制系统内核模块，而是需要创建一个虚拟的用户空间，才可以满足虚拟化操作管理。

3.3置备服务器

置备服务器主要可以完成两个方面的功能，分别是流服务功能和TFTP功能。虚拟桌面登录或启动过程中，TFTP可以联系DHCP，以便自动化地搜索到启动文件的IP网络地址和相关位置，并且可以使用TFTP服务从置备服务器上获取虚拟桌面系统的启动文件内容。虚拟桌面接收到相关的启动文件之后，启动文件包括系统的操作功能，可以联系置备服务器，并且提供一个MAC地址，置备服务器采用MAC地址可以准确的识别虚拟磁盘，并且将流服务按照需求发送给虚拟桌面系统。目前，置备服务器常用模式包括两个，分别是瘦置备模式和厚置备模式。瘦置备模式可以按照详细需求占用硬盘空间，厚置备模式则可以预先划分好虚拟机的硬盘空间，提高系统的运行处理性能。

3.4终端显示协议

虚拟桌面系统中桌面显示协议主要影响用户的体验效果，可以利用虚拟桌面通讯协议连接用户的终端显示设备，并且可以将用户录入的逻辑业务请求信息打包、压缩、加密之后传输至虚拟服务器，系统进行打包、压缩、加密、传输和解析整合，可以将处理结果输出至虚拟桌面。目前，虚拟桌面终端显示协议包括多种，常用协议为Pco IP、RDP、SPICE、ICA等，不同的虚拟桌面服务系统都可以作为厂商选择的模式，能够有效支持终端显示。

ICA协议采用数据压缩算法，能够将虚拟桌面系统显示的多媒体图像或视频进行最大程度的压缩，这样就可以降低数据传输的带宽需求，提高了虚拟桌面系统的稳定性和流畅性。Pco IP协议采用分层渐进模式处理桌面多媒体图像信息，首先发送一个完整的、清晰度较低的图像，然后可以在这个基础上进行优化，能够为用户提供更好的视觉体验，并且支持双向音频信息传输，实现视频信息播放。RDP协议可以支持较多的终端类型，比如智能手机、平板电脑等移动设备，还可以支持USB设备，保证了数据传输和共享的安全性。SPICE协议能够自适应地感知用户端设备的处理能力，进而将视频解码工作放在用户端进行，并且可以大大地提升多媒体图像画面质量，避免虚拟桌面系统处理画面时损失较多的信息。终端桌面显示协议经过多年的研究和实践，已经拥有了很多的产品，并且也大大地改进了协议的应用性能，比如提高语音双工工作、压缩数据图像比例、提高视频图像恢复的质量等，也更好地促进了虚拟桌面系统的应用和普及。

4.结束语

虚拟桌面系统集成了云计算、大数据、互联网、多媒体等多种技术，将服务器硬件资源进行虚拟化，为每一个应用系统分配运行空间，保存用户虚拟桌面的运行时信息和数据信息。虚拟桌面系统经过多年的使用，已经诞生了许多的标准化虚拟桌面系统，比如VMWare server、Hyper-V、KVM等，同时也引入了更多先进技术，包括服务器虚拟化技术、终端显示协议等，提高了虚拟桌面的应用性能，更好地提高每一个用户的操作便捷性。

[1]王皓月.基于虚拟桌面技术的高校多媒体教室设计实现[J].电子技术与软件工程,2015,11(5):117-117.

[2]敖青云,蒋文蓉.基于KVM和QEMU的虚拟桌面系统的实现与应用[J].计算机应用与软件,2012,13(11):217-219.

[3]颜昌盛,范娟娟,张维伦,等.基于桌面虚拟化的铁路调度台工作站解决方案设计与实现[J].铁路计算机应用,2014,23(4):30-32.

[4]贾斌,吴永娟,何进.基于电信运营商桌面虚拟化系统的安全性分析与研究[J].计算机科学,2012,39(2):239-242.

[5]唐红,徐文胜,李楠.云制造环境下基于远程虚拟桌面的软件资源共享研究[J].计算机应用与软件,2015,32(7):29-34.