基于桌面虚拟化的计算机实验室的应用和管理研究

陕西科技大学电气与信息工程学院 陶筱娇

基于桌面虚拟化的计算机实验室的应用和管理研究

陕西科技大学电气与信息工程学院 陶筱娇

本文基于桌面云的技术优势，针对高校计算机实验室的管理实际，探讨运用桌面虚拟化技术提升计算机实验室管理工作效率，并简述了校园网桌面虚拟化系统的基础架构设计。通过Citrix虚拟化平台的构建桌面云环境，可降低计算机设备的投入成本，缓解计算机硬件维护压力，提高计算机实验室的使用效率。

桌面云；计算机实验室；实验室管理；资源优化

1 引言

随着IT和信息技术的发展，计算机已然成为各行业各领域重要工具。高校作为人才培养的基地，计算机技术已经融入大学专业课及其他学科的教学中，已然成为现代化教学不可缺少的重要部分[1]。国内各高校都非常重视计算机实践教学，投注了大量的人力物力来建设计算机实验室。计算机的大量投入使用，维护和管理的问题日益凸显出来。由于计算机硬件性能参差不齐，管理工作比较复杂，实验室管理人员每天的管理维护工作包括数量众多的PC故障、系统恢复、软件安装、补丁更新等。另外，从管理、规划的角度来看，大力度的投入建设计算机实验室，不可避免的会造成实验室重复建设，制约了各学科的实验教学、科研发展。除此之外，庞大的计算机数量造成的能源消耗，暴露出来相关的能耗问题不容小窥。所以，高校在建设实验室的过程中还要考虑实验室的运营成本。近年来，云计算技术的发展迅猛，云计算背景下应运而生的桌面云为高校信息化建设带来了重大变革。本文针对陕西科技大学计算机实验室的实际情况，探讨桌面虚拟化技术应用于算机实验室管理的优势和可行性，提出利用Citrix公司产品桌面云平台搭建实验教学环境的技术方案。

2 桌面云技术

云计算（Cloud Computing）技术是一种基于互联网的商业服务模式，超大规模、虚拟化、通用性、按需服务、高可扩展是它的典型特点[2]。通过云计算，用户能够通过网络按需的获得个性化的计算资源[3]。相比一般的计算机桌面，云桌面比较方便快捷、可以随时随地启用，只要有Receiver程序，就可以运行在任何构架的操作系统上。根据客户的需求，让用户能够灵活、快捷、高效的使用个性化定制的计算资源。

2.1 虚拟化技术

虚拟化技术是云计算的关键技术之一，是一种资源优化、简化管理的解决方案[4]。通过虚拟化技术可以将各种硬件、软件、操作系统、存储、网络以及其他IT资源都进行虚拟化，并纳入云计算管理平台的管理。这样，IT能力都可以转变成可管理的逻辑资源，通过互联网提供给最终用户，实现云计算的最终目标。虚拟化术通过在系统中引入一个虚拟化层，一方面向下管理真实的物理资源另一方面向上提供虚拟出来的系统资源，能够起到扩大硬件的容量，简化软件的重新配置过程的作用。一般的虚拟化示意图如图 1 所示。虚拟化技术包括服务器虚拟化、网络虚拟化、存储虚拟化、应用程序虚拟化、桌面虚拟化等。本文主要讨论桌面虚拟化。

图1 虚拟化示意图

按照应用领域来划分，桌面虚拟化只是虚拟化技术的一种应用[5]。桌面虚拟化技术一般定义为一种基于服务器的计算模型，桌面虚拟机是由服务器虚拟化而来，同时借用了传统瘦客户端的模型，通过瘦客户端或者其他终端展示出来，由于数据都是在服务器处理，所以用户体验起来速度较快并且操作与普通PC无异[6]。桌面虚拟化主要有两种方式接入：

一是专业瘦客户端。提供商已经内置相应的远程桌面接入协议，配置和操作都相对便捷，本地不需要额外安装操作系统，其本地资源开销很低。专业客户端也称为云终端，每台单价比普通pc便宜近一半，运行功耗比普通pc低近十倍。

二是普通PC。通过Web或者安装与服务器对应版本的桌面虚拟化客户端软件和远程桌面协议，本地需要一定的硬盘空间和计算资源支持本地操作系统的运行，主要计算仍然集中在服务器，或将普通PC结合无盘工作站技术实现硬盘上操作系统和应用程序的分离，也可以由学生自带笔记本电脑访问虚拟化系统。

2.2 桌面虚拟化的基础构架

基于有线和无线网络连接，桌面云的整体架构设计如图2所示，从云到端由5个部分组成：

（1）硬件资源层：主要包括存储设备、网络连接设备、安全设备以及计算设备。

（2）虚拟资源层：主要为虚拟化提供资源，由服务器虚拟化、网络虚拟化或存储虚拟化形成的资源池构成

（3）虚拟桌面层：通过使用服务器虚拟化软件，将服务器分成多个共享资源，向外部提供虚拟桌面服务。资源分配可根据需求进行调度，并部署后台计算节点，实现集中管理。

（4）桌面管理层。管理控制台负责整个虚拟桌面系统的调度、新虚拟桌面的注册以及将虚拟桌面的请求指向可用的系统。可以快捷地进行用户添加、删除、配置密码、修改用户权限等操作，简化了不同分组用户的系统镜像管理、补丁更新等工作。

（5）终端接入层。即指接入云终端的设备，一般采用价格更为便宜，管理成本更低，更新周期更长的瘦客户端，也可以是是传统PC，智能手机、PAD等移动设备。

图2 桌面云的整体架构设计

3 桌面云实验室的总体技术方案

目前，计算机实验室有计算机200余台，设备完好率在90%左右，但是随着使用年限的增加，计算机性能难以适应当前软件的更新。特别是在承接计算机基础实验的实验室，计算机使用频率高，硬盘平均寿命缩短，为了满足现有的教学需求，频繁更换硬盘也是需要不少投入。为了解决这个问题，本文提出将现有的计算机改造成桌面云客户端。将传统的物理终端桌面环境改造成为由后台服务器统一分发和集中管理的VDI模式，减少终端维护成本和管理复杂度。另外，根据不同的终端应用需求部署不同模式的虚拟桌面。对图形处理需求比较高的应用桌面采用GPU透传的虚拟桌面，针对编程、文档处理等图形处理要求不高的传统应用桌面采用普通的池化桌面虚拟化部署方式。二者结合使用将最大限度利用图形工作站的性能，使资源分配更加合理有效。实验室管理人员只需对虚拟桌面进行安装发布，教师、学生通过远程访问虚拟桌面，客户端提供操作系统引导和简单处理、显示的功能，计算集中在服务端。因此，利用一台物理服务器运行多台虚拟机，且各虚拟机之间的操作相互独立，在管理上主要侧重服务器的软硬件资源，提高了管理效率。

在校园网络结构的基础上，在局域网上增加一组服务器和共享存储，并在服务器上部署虚拟化软件，利用服务器虚拟化软件在服务器组上进行部署，形成云计算资源池，为桌面云提供资源。整个桌面云系统采用Citrix Xendesktop套件，用户桌面共享CPU、内存和存储器等底层物理硬件资源，以虚拟机的形式运行，这些虚拟机共享同一个物理资源的同时，能够做到相互之间数据和资源的隔离。管理员通过Xencenter访问虚拟桌面，在单个控制台就可以对桌面进行更新，因此可有效地管理数百甚至数千个桌面；可以对虚拟桌面池进行自定义，并方便地设置桌面策略，如池中可包含的虚拟机数量；还包括验证用户身份、授予桌面权利、管理虚拟桌面会话等功能。具体实现功能包括：

3.1 集中部署客户端

管理人员登录交付服务器，使用vCenter自带的控制台和远程桌面，就可以对PC进行批量或单独地进行各种控制和管理。当大而积系统软件安装或升级的时,只需要在一台虚拟机进行软件安装或升级,再与服务器进行一次同步更新,完成后重启其余虚拟机即可,无需再逐台安装操作,也无须用还原卡再次同传操作系统。釆用的大面积批量部署方式提供了一系列远程集中维护管理功能，不仅比还原卡的方式节省60%以上的时间，并且比还原卡更稳定、更可靠。

3.2 按需交付

桌面云系统应该为最终用广按需配置和交付不同的使用环境和操作系统。所有的桌面环境虚拟化后实现各行业各部门的按需交付,每行业可以分部门定制单纯桌面环境,充分满足其个性化需求,又能够集中管理。有了按需交付多操作系统,就可以灵活应对政府、企业、教育等多个行业的应用环境。按需交付的过程实际上是管理员通过操作对逻辑镜像进行合并、增量增加镜像等操作来实现。微观的来说就是对虚拟电子磁盘的扇区组合表访问,把操作系统文件、应用软件文件和用户差异文件这种树状的镜像结构的访问,根据用户的策略来按需调用和部署镜像文件,从而实现这种用户On-Demand的过程。按需交付概念如图3所示。

图3 按需交付示意图

3.3 多种桌面和应用交付模式

报据各种用户使用的不同需求,制作多种应用环境,当用户打开电脑后,系统为用户提供选择菜单,由使用者自行选择所需要使用的应用坏境,系统会主动交付响应的虚拟桌面。由于高校计算机实验室面对的是不同专业的学生和教师，对软件和操作系统的需求不一样，针对这种情况，将桌面交付分为win7学生桌面、win7教师桌面、win8学生桌面、win8教师桌面及利用GPU透传的3D、4D桌面,学生交付组示意图如图4所示。除此之外,桌面也需要灵活的应用方式,可以选择多种启动和保存数据的方式。比如说客户的数据是存储在本地还是远程;使用结束后系统是否需要还原;系统还原方式可以选择每次启动还原、一次性还原和客户机主动还原。对于教师桌面，用户可以直接在本地进行程序安装和系统修改操作，本地不保存数据的学生桌面需要通过修改模板的方式进行更新。

图4 学生桌面软件示意图

3.4 监控管理

监控功能主要是实现对服务器负载等信息的收集,这些信息包括∶CPU使用率、内存使用率、用户在线人数等,这样便于用户进行实时管理。当系统网络数据量比较大,所以消耗CPU比较多,导致启动速度下降时管理员能及时的调整策略;用户在线人数则可以可视化的查看现有的活动用户数量,监控整个桌而云系统的状态。

监控端的管理界面可以直接监控各终端机的属性,并可以修改。终端机的信息主要有：

（1）虚拟机名∶该虚拟机的电脑名。

（2）物理地址∶显示该客户机网卡的MAC地址。

（3）IP∶显示该客户机由桌面云系统的DHCP服务器分配的IP地址。

（4）交付组∶显示该客户机属于哪个交付组,在登陆时使用何种模式。

（5）会话状态∶显示客户机的客户端名称及联机状态。

（6）详细描述∶显示对该客户机的具体描述内容。

3.5 移动终端

今天的数字化办公队伍需要极大的灵活性，来通过他们选择的任何设备随时随地开展工作。利用Citrix Receiver，XenDesktop用户可以通过任何PC机、苹果机、瘦客户端或智能电话访问他们的桌面和应用。这样就可以实现全面的工作空间灵活性、业务连续性和用户移动性。

4 结束语

基于桌面虚拟化的实验教学管理系统是实验室管理的一种创新模式，将桌面云应用到传统的实验教学管理中。学校的机房设备只需要能够上网，任何一种教学软件的使用和信息的存储包括像超级计算这样的问题都可以轻松解决，由于软件的安装、维护都集中到了服务器上，而且可以根据不同专业课程对机房的硬件和软件需求提供定制化的软硬件服务，充分利用了机房的软硬件资源，同时极大地减少了运行维护成本，节约了人力、物力和财力。

[1]夏春琴．基于云计算模式的高校机房实验室建设的应用研究[J]．电子技术与软件工程,2013(10)：206-207．

[2]柴亚辉,涂春萍,刘觉夫等．基于云计算的计算机与软件实验资源管理[J]．实验室研究与探索,2010,29(10)：254-256．

[3]李鸿儒．虚拟化技术在计算机实验教学中的应用[J]．实验技术与管理,2010,27(5)：90-92．

[4]陈慧芬,卢庆武．云计算在高校机房管理中的应用[J]．实验室研究与探索,2013,32(7)：213-216．

[5]丁美荣．虚拟实验与真实实验整合的计算机网络研究性教学探讨[J]．实验技术与管理,2011,28(5)：163-166．

[6]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．