基于SDN的高校实验室机房VDI云桌面设计

黄国富, 王 海

(青岛农业大学 网络管理中心, 山东 青岛 266109)

1 设计背景与技术手段

当前,高校实验室机房数量越来越多,终端服务应用越来越广泛,随着机房规模的不断扩大,对校园实验室机房日常的管理和维护也变得日益繁杂和日趋困难。机房管理人员也常常面临很大的管理压力。如实验室机房终端操作系统的定期重装与更新、应用软件的安装和维护、师生对系统和软件环境的个性化需求及机房网络设备的监测管理等工作,工作量大、维护业务繁琐,加大了实验室机房管理人员的压力,如何来减轻机房人员的管理工作量,提高其日常管理维修效率,更好地为高校师生提供机房上机服务是亟待解决的问题。

为解决上述问题,本文提出了基于SDN[1]的网络架构,结合VDI[2]云桌面技术来设计高校实验室机房方案。SDN网络采用统一控制器对整个网络进行集中控制,可以根据校园实验室网络实际运行需要来修改流表[3],灵活改变网络数据包转发规则和动作,可以实现多路径转发和负载均衡,从而提高实验机房网络使用的稳定性和带宽利用率；VDI云桌面技术采用桌面虚拟化技术,实验室机房所有桌面终端均为DELL WYSE专用瘦客户端[4]并安装VMware HorizonClient软件,桌面虚拟机在数据中心云端作托管,统一生成、统一维护、多重模板,用户经过授权登录后即可使用个性化桌面服务,从而大大减轻了机房人员的管理负担,也提高了学生上机使用效率。

1.1 SDN网络技术

SDN软件定义网络是一种新型架构网络[5],其设计思想是将网络的控制平面和数据转发平面进行分离,实现二者的解耦合[6]。SDN技术一改传统网络分布式控制模式,采用集中控制模式来整体和全局管理网络。网络控制器可以是一个或多个集群方式,实现编程化控制底层硬件设备,对网络资源可以按需进行动态调配,集中控制器[7]获取整个网络的拓扑图,并根据控制策略来实现对全网的动态、灵活、优化控制。相对于传统网络,SDN网络可以实现基于细粒度的带宽质量保证,对于特殊的课堂教学,如远程视频教学或网络带宽要求较高的课堂教学均可保证网络连通、带宽利用率及用户使用体验,从而提高教学效果。

1.2 VDI云桌面技术

VDI(virtual desktop infrastructure)是一个桌面交付模型,支持客户端桌面工作负载托管在数据中心的服务器上并执行,用户使用终端通过远程协议(如：RDP、ICA、PCoIP、Blast)进行访问。VDI云桌面技术采用集中管理、云端计算、云端存储、终端显示,将所有桌面虚拟机在数据中心云端进行托管,后台构建虚拟机池,用户使用瘦客户端或PC型瘦客户端,通过VDI客户端程序即可访问云桌面,且可以提供给师生个性化系统桌面。VDI云桌面模式设备简单灵活、故障率低,无需管理员频繁安装系统和应用软件,这就很大程度上减轻了实验室机房人员的管理和维护的工作量。

2 系统设计

2.1 SDN网络设计

高校校园内网络链路具有流量大、突变性、周期性等特点,如实验室机房网络流量一般在上午、下午及晚上上课时间呈现大幅度增长,而且在每次上课开始5～10 min的集中时间段,用户在机房使用终端或瘦客户端登录VDI桌面；另外实验机房平时在使用远程视频教学时,个别楼层实验机房有大带宽需求,且要保证网络的稳定性、可靠性以及带宽的利用率,这就要求校园区域网络需要具备多路径转发、负载均衡、带宽按需调配、传输路径优化等功能。

为满足校园实验机房区域用户的多样化需求,现结合SDN网络技术,采用集中统一部署的控制器来获取校园网络拓扑、链路流量信息,从而根据各区域实验室机房用户不同业务需求来统一计算、灵活调度,采用灵活多样的策略来优化校园网内数据的传输。图1是SDN网络设计架构图,其中C0为集中控制器,控制和管理整个SDN校园网络拓扑,s1—s19为网络拓扑中openflow交换机,h1—h12为实验室机房VDI云桌面接入终端。设计架构图中蓝色实线表示网络数据传输链路,红色虚线表示网络控制链路。设备配置信息如表1所示。

图1 SDN网络设计架构图表1 SDN网络设备配置信息表

序号交换机交换机IP接入终端终端IP1S4-信息楼10.11.12.254h110.11.12.2h210.11.12.32S5-化学楼10.11.13.254h310.11.13.2h410.11.13.33S9-办公楼10.12.12.254h510.12.12.2h610.12.12.34S10-教学楼10.12.13.254h710.12.13.2h810.12.13.35S14-文经楼10.13.12.254h910.13.12.2h1010.13.12.36S15-报告厅10.13.13.254h1110.13.13.2h1210.13.13.3

2.2 VDI云桌面架构及网络接入

图2是VDI云桌面逻辑拓扑架构,16台桌面云服务器组成桌面集群,服务器集群通过虚拟化技术[8]生成大量的虚拟机或虚拟桌面,并存在一个或多个桌面池中,并通过网络将虚拟桌面分发到终端用户。用户可以随时随地使用各种终端设备(如PC,Pad或瘦客户端)授权登录访问属于自己的个人桌面系统。实验室机房瘦终端通过SDN网络连接到校园核心交换机S6,访问数据中心网络下的桌面服务器集群提供的VDI云桌面服务[9],使终端用户可以在低性能的本地计算和存储资源环境下实现计算机桌面的体验。

图2 VDI云桌面架构图及网络接入图

3 实验与结果

本文在Mininet网络仿真平台上快速构建校园内SDN网络架构,Opendaylight(C0)[10]是整个校园SDN网络全局控制器Controller,s1—s19为校园各个楼座SDN网络Openflow交换机,h1—h12为各个实验室机房网络接入瘦客户端,外加h13—h30为普通个人电脑。实验主要测试实验室机房各瘦终端以及普通个人电脑在SDN网络环境下登录和访问数据中心云桌面集群[11]平台的速度和性能,并与传统非SDN网络环境下的访问速度和性能作比较。图3是两种网络环境下主机h1—h12登录VDI云平台的响应速度和传输延时的比较数据。

图3 两种网络环境下瘦终端登录云桌面延时比较

通过测试数据可以看到,在SDN网络架构下与传统非SDN网络环境下相比,实验机房终端登录云桌面端到端的延时更小(VDI云桌面登录时间是指瘦客户端运行云桌面登录程序并成功进入云桌面的时间,不包含瘦客户端本身开机启动时间)。

图4是VDI瘦客户端以及PC段在两种不同网络环境下,连接云桌面集群后在VDI桌面服务中打开不同应用程序响应时间的比较图。

图4两种网络环境下登录云桌面应用延时比较

在SDN网络架构下,部署校园实验室机房VDI云桌面模式是可行的,而且在瘦终端和PC上登录云桌面访问不同应用程序服务或网站平台响应时间更短,可改善用户上机体验,提高实验机房教学服务和效率。在SDN网络中,VDI云桌面数据流转发时都必须在路径转发策略优化后由控制器做出转发决定。在校园上层汇聚设备到实验室机房接入带宽一定的条件下,如果某个时段机房云桌面瘦终端有视频流媒体业务需求且要求较高带宽和流量时,SDN网络下可以将流量做整形、规整[12],临时让流媒体视频教学流量的通道带宽更大一些,甚至可以临时关闭其他SIP、FTP或BT等通道,满足实验室机房VDI云桌面服务的灵活实验教学需要。

4 结语

本文设计了基于SDN的校园网络架构,利用SDN技术来承载实验室机房VDI云桌面服务网络,使用Mininet工具建立校园SDN网络模型仿真平台。文中实验数据说明,在SDN网络环境下构建VDI云桌面服务,一方面实验机房瘦终端访问云桌面服务的延时更少,打开云桌面各个应用服务程序有更快的响应速度,改善了用户上机使用体验,也提高了教学效率；另一方面能够实现机房终端集中管理,减少管理员日常维护量；最后SDN架构网络在集中控制器下能够灵活自定义任何网络路由和传输规则策略,灵活智能并能满足不同用户业务需求,为下一步校园网大范围设计和部署SDN网络提供有力的参考。后续研究过程中将进一步考虑SDN多控制器的实现以及VDI云桌面提供大型计算或图形密集型应用服务等问题。