基于VDI的虚拟桌面云方案的容量规划研究

中国通信建设集团设计院有限公司第一分公司 周丽娜

随着云计算业务的开展，传统本地桌面逐步向云桌面转型，如何根据现有系统使用配置云桌面系统的CPU容量、内存容量、存储容量，是桌面云规划中经常面临的问题。本文详细说明了桌面云方案中的CPU、内存及存储容量的估算方法，并对存储系统的性能优化提出了解决方案，为企业进行桌面云改造进行设备选型提供了依据。

一、绪论

云计算作为一种互联网上的资源利用新方式，近几年得到较好的发展和部署。桌面云是一种典型的云计算应用。它在服务器端承载用户的桌面服务和桌面应用程序，而用户可以通过瘦客户端或其他任何联网设备来进行访问。当前桌面云解决方案主要分为VDI和SBC两大类。其中基于VDI的虚拟桌面方案，其原理是在服务器侧为每个用户所需的操作系统和各种应用，然后通过桌面显示协议将完整的虚拟机桌面交付给远程的用户，具有与传统的基于PC的本地桌面十分接近的使用体验，且能够较好地实现性能隔离和安全隔离，服务质量容易得到保障，因此成为传统本地桌面向云桌面转型的主要方式（云终端系统在多媒体教室管理中的应用研究[D].王建成.广东技术师范学院,2016）。与本地桌面相比，VDI有如下一些优点：可以随时随地访问真实桌面，集中化的管理方式，IT工程师通过控制中心管理成百上千的虚拟桌面，大大节约了管理成本。在桌面云解决方案里，所有的数据以及运算都在服务器端进行，客户端只是显示其变化的影像而已，安全性高。

二、基于VDI桌面云解决方案工作原理

基于VDI的虚拟桌面解决方案，其原理是在服务器侧为每个用户准备专用的虚拟机并在其中部署用户所需的操作系统和各种应用，然后通过桌面显示协议将完整的虚拟机桌面交付给远程用户使用（基于VDI模式的电网企业桌面云设计与实现[J].谢朋宇.广西电力,2016）。因此，这类解决方案的基础是服务器虚拟化。服务器虚拟化主要有完全虚拟化和部分虚拟化两种方法（一种基于微服务架构的新型云件PaaS平台[J].郭栋,王伟,曾国荪.信息网络安全,2015(11)）,完全虚拟化能够为虚拟机中的操作系提供一个与物理硬件完全相同的虚拟硬件环境，基于VDI的虚拟桌面解决方案通常采用完全虚拟化技术构建用户专属的虚拟机。

VDI桌面虚拟化的优势在于运算集中在服务器端，特别适合在极小的广域网带宽环境下使用，用户可以使用平板电脑或者手机接入，访问自己的桌面环境，实现随时随地办公（基于VDI模式的桌面云管理平台设计与实现[J].罗南林.计算机科学,2015）。可以提升企业IT安全管理水平和信息治理效率。

三、基于VDI桌面云方案容量规划

桌面云的容量规划实际上就是要模拟大量PC操作系统中的运算、存储、传输需求统一到一个桌面虚拟化架构后，如何科学统计原来分散在大量PC中的运算、存储需求，并做到精确定量。

（1）CPU的容量规划

CPU的容量规划主要涉及到服务器的整合。由于被整合的服务的配置差异较大，在桌面云方案中，CPU的容量核心需求是批量生产和分发一种或几种容量的虚拟机，因此通常先设计每个目标CPU(内核)承载的虚拟CPU(以下称vCPU)个数（每内核vCPU数），再为相应规格的虚拟桌面分配合适数量的vCPU。每内核vCPU数应根据物理CPU和vCPU的目标性能、目标占用率进行计算。

CPU的容量一般按如下方式计算：

被整合CPU容量×被整合服务器CPU占用率=新CPU容量×目标服务器CPU占用率的原则进行。

X86平台系统CPU占用率超过80%-85%后，CPU性能效率将开始下降，因此服务器的目标CPU占用率取为80%。

不同微架构的CPU，性能换算可根据一些第三方测试机构发布的典型CPU性能测试数据来进行估算，也可以使用这些测试机构发布的测试工具进行自行测试。

（2）内存容量规划

虚拟化技术的实质是CPU分时复用，在运行时，物理服务器承载的全部活动虚拟机都将装入内存。内存的容量规划包括分配给VM的内存、vCPU内容的开销、显示内存的开销。RAMguset为分配给VM的内存；RAMvCPU为每个vCPU内存的开销，一般取0.09～0.1GB；NUM vCPU为每台VM的vCPU个数；RAMgm为每台VM显示内存开销，当每台VM配1台显示器，显示分辨率1920×1080时，一般取0.01～0.03GB。

要基于内存计算每个服务器承载的虚拟机数量NUM vm，可使用以下公式：

式中：RAMps为物理服务器的内存容量；Rmmu为物理服务器的内存最大使用率，一般可取80%。

（3）存储规划

存储系统作为桌面虚拟化的核心构成部分，其设计规划是桌面云项目中的重点内容。一方面是由于存储系统成本占桌面云项目设备成本的20%以上，另一方面存储系统的性能直接影响到虚拟桌面的用户体验。

存储系统规划主要包括存储空间规划与存储性能（主要是IOPS）规划。其中存储空间规划较为简单。存储空间规划一般包含操作系统存储空间、内存映像文件、用户数据存储空间以及必须的应用软件。以日常办公型Windows 7虚拟桌面为例，其客户操作系统盘一般分配30GB空间即已足够，再加上Hypervisor的内存映像文件、日志文件等空间，以及Hypervisor文件系统开销，并留出一定的用户数据存储空间，以及统一安装必需的应用软件，每个虚拟桌面空间占用按40～50GB计算。如再使用镜像方式提高虚拟桌面的可用性，则每个用户的存储空间可按80～100GB计算。

然而存储性能规划则非常关键。由于Hypervisor的引入，使得虚拟机内部的磁盘访问请求需要经历更长的I/0路径，增加了额外的CPU开销；Hypervisor的引入也使得虚拟机内部的相关块设备驱动程序很难获取准确的存储设备相关信息，影响了一些磁盘访问优化技术（如交错读写）的使用；由于整合了大量的虚拟桌面，使得共享存储设备需要面对和处理成倍增加的并发访问请求，进一步加剧了其性能瓶颈。这使得VDI桌面云对存储的性能有非常高的要求。

影响存储性能的因素主要包括存储（连续读写）带宽和数据访问IOPS。由于办公环境中很少出现大量用户同时进行连续读写的场景，在VDI桌面云中，对存储带宽要求并不高，统计数据表明，每个Windows 7虚拟桌面的平均存储带宽需求在110～230KB/s之间，而单块300/600GB服务器硬盘持续传输带宽在110～170MB/s之间，单条8GB FC/10GbE IPSan链路可提供800MB/s的存储访问带宽，存储带宽不会成为系统性能瓶颈。桌面云系统进行存储访问的特点是小块数据随机读写，因而对存储系统IOPS，每秒读写操作次数）要求特别高。如果磁盘组成Raid阵列，对磁盘的写IOPS性能可能有较大影响，如组成Raid 1或Raid 10，则平均单盘写IOPS性能下降一半；组成Raid 5，平均单盘写IOPS性能下降75%。

（4）存储系统优化

在大型桌面云系统中，如何有效预防“启动风暴”，是考验存储系统的关键因素。尤其是工作日刚上班的时间段内，会面临大量的用户同时启动虚拟桌面，引起大量存储I/O操作超过存储系统的IOPS能力，从而令桌面启动和登录时间延长。通常采用两种方式应付“启动风暴”。一是增加足够多的硬盘提供更多的IOPS。二是为存储服务器配置大容量的Cache（混合型桌面云高可用性研究与实现[D].王建一.华南理工大学,2015）。这两种方式均会带来存储系统成本的激增。要解决上述问题，可以采用以下一些措施：分批启动虚拟桌面，将同一部门的虚拟桌面分配到不同的LUN上，降低存储访问需求的时间相关性。根据不同的存储要求，将相关文件放置到不同性能特点的LUN上，建立分级存储系统。使用虚拟桌面服务器的本地存储来缓存减少对共享存储的访问。引入Server SAN/软件定义存储等新技术，用虚拟桌面服务器的本地存储或直连存储，通过管理软件组成一个分布式存储资源池，解决集中式共享存储适应不了云计算的弹性横向扩展的问题。

四、结论

桌面云方案的改造涉及到CPU、内存及存储容量的规划，如何选择合适的设备型号，是企业在改造过程中要解决的首要问题。在CPU容量估算时，通常先设计每个目标CPU(内核)承载的虚拟CPU个数，再为相应规格的虚拟桌面分配合适数量的vCPU。内存容量的规划通常需要考虑VM的内存、vCPU内容的开销、显示内存的开销等，随着虚拟化技术的流行，近年来服务器厂商对内存配置进行了优化，为物理服务器增加内存也很方便，在进行内存容量规划时，一般不考虑内存复用，视情况考虑是否进行“内存超配”。存储容量的规划主要涉及到存储性能的优化，分级的存储系统能为用户带来较好的体验，基于Server SAN/软件定义存储是未来存储性能优化的主要方向。