桌面虚拟化在图书馆电子资源阅览室中的应用

李亚萍 李亚鹏

[摘    要] 高校图书馆是高校信息化应用的重要部门，其中电子资源阅览室又是拥有计算机办公终端最多的场所之一。传统计算机体积庞大、硬件故障率高、莫名其妙的系统崩溃、病毒的肆意侵犯、快速的更新换代常使系统管理人员头痛不已。为了解决以上问题，将桌面虚拟化技术引入图书馆业务管理系统中很有必要。实践证明，这种组网的方式是可行的。桌面虚拟化的应用，提高了电子资源阅览室的运行可靠性，提升了图书馆的管理和服务水平。

[关键词] 网络;计算机;桌面虚拟化;PC终端;管理

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 17. 074

[中图分类号] G251    [文献标识码]  A      [文章编号]  1673 - 0194（2020）17- 0171- 03

1      引    言

近年来桌面虚拟化技术蓬勃发展，桌面虚拟化是指将计算机的终端系统（也稱作桌面）进行虚拟化，以达到桌面使用的安全性和灵活性，其基本架构是 VDI（Virtual Desktop Infrastructure），即虚拟桌面基础架构，每个用户的桌面系统运行在服务器端，利用服务器的 CPU、内存、存储等，而终端本身只是作为连接桌面显示及操作的界面，称之为“集中计算”。

目前高校大多数部门使用的IT教学、办公环境都是由服务器、网络设备、用户终端、普通办公软件、行业专用软件等组成，高校图书馆也不例外，PC终端提高交换机与服务器通信的架构方式来实现信息化方面的各种应用。桌面虚拟化技术可以为馆员们提供一种高效、安全、低成本的网络计算解决方案。能够实现对馆员桌面的集中管理，有助于达到更高的安全性、控制能力并节省管理维护成本。同时，桌面虚拟化带来的灵活性、可选择性和自助服务也是最终用户最想要的结果。

2      技术方案

2.1   设计原则

根据我馆提出的图书馆应该走高质量转型发展的工作思路，本次我们所建设的以虚拟桌面技术为特征的计算机网络，必须满足未来智慧化图书馆发展的需要，对原有网络及平台进行改造。重新建立一套针对其内部终端的管控体系，满足50台终端（主要是书库）日常办公和120台终端用于数字资源阅览需要的前提下，确保最终产生的数据能可控有效的进行集中性存储，确保不被人为的带走或泄漏出去，提升内部信息化安全等级，提高信息部门的综合管理效率。

通过实施桌面虚拟化，梳理现有应用等，建立终端配置标准，形成终端硬件、系统及软件的统一管控，提高运维管理效率;实现资源的按需分配以提高资源利用率;并保证业务的持续稳定运行，达到提高办公效率和教学效益的目的。

2.2   设计目标

针对教育行业计算机应用复杂多变的环境需求，采用全新的解决方案和基础架构理念，突出使用性好、可管理性高、灵活弹性的技术特点，为内部办公构建一个高效、稳定、安全、可靠、灵活、兼容性强的计算机网络;提升现有PC的使用效率，实现IT管理部门对分散PC机的集中式管理，以及客户应用与底层硬件基础设施剥离所带来的高度灵活性。解决因为PC分散且个性化太多而导致的管理乏力、安全性不高、稳定性差、软硬件故障频发，信息管理者疲于奔命的现象。站在管理优化的角度，要能够赋予IT管理者战略性的基础架构、中央管理能力和安全控制能力。而在用户层面，使用习惯无需改变、PC应用的无缝兼容、个性化桌面应用的灵活调用。

需要强调的是虚拟机的性能要能满足理工类高校师生既有3D应用（CAD、动漫、画面渲染）又有工科的仿真模拟及大规模科学计算需要。软件资源方面，安装了CAD， 3D制作软件，Photoshop，非线性编辑，MATLAB计算与仿真等大型应用软件。

2.3   硬件方案选择

当下虚拟化桌面市场上，大部分厂商选用VDI（Virtual Desktop Infrastructure）架构，少部分厂商选用IDV（Intelligent Desktop Virtualization）架构，还有甚至通过一个系统实现了VDI、VOI（Virtual OS Infrastructure）和IDV三种架构，但这些厂商多数仅停留在功能实现的技术层面上。目前，真正能做到VDI和IDV技术融合、满足用户理想需求的厂商并不多见。

经过前期广泛的市场调查和实际案例分析及比较，我们选择了IDV架构的桌面虚拟化系统，如图1所示。其理由是：本次实施项目的建设经费有限，传统IDV桌面虚拟化的弱势之处企图通过硬参数匹配、软件参数优化得到解决。以最优的性价比实现VDI架构的功能。根据我馆的实际需求，本次实施的终端数为170个，其中120个终端用于电子阅览室，50个终端用于全馆书库传统办公，后续可以通过改造的方式将传统PC接入到云中统一管理。

因此，本次方案采用3台服务器构成云主机，单台云主机提供支撑60个云终端并行运行的能力，并支持2个用户的弹性计算和显示虚拟化，3台云主机构建集群，实现分布式高可用架构，彻底消除单点故障。组建集群后可支持180个终端接入能力和6个弹性用户和服务器显卡虚拟化能力。交换机选用7台锐捷5310系列产品;服务器选用3台华三。

在终端方面，采用微云H23-8128（i3，8G内存，核显），云主机通过10GE主干网接入，软硬件一体化方式模块化部署网络链路冗余与负载均衡，服务器所有网口自动支持BST（bonding、switching、trunking）模式，可实现网络链路冗余与负载均衡，系统支持VLAN划分功能，实现网络隔离。

3      系统调试及遇到的问题

网络搭建完成后，在调试过程中遇到了令人头痛且非常罕见的一系列问题：一是运行速度太慢，慢到无法忍受的地步。二是开机时间长，单机开机时间在20分钟以上，打开全部终端需耗时二小时以上。三是网络中部分终端出现无规律卡顿现象。四是少部分终端出现严重数据丢包现象。面对如此繁多的网络故障现象，我们冷静思考，认真分析，科学判断。按照实际工程中，由简到繁排除故障的基本原则，利用网络测试仪器，根据现象，找到出现问题的缘由，经由多位具有网络实战经验的专家制定了几套测试方案。然后按照事先制定的测试方案逐一进行测试，以期排除所有故障。

4      问题的解决

首先排除硬件本身以及链路连接故障，采用FLUKE网络测试仪对机房新部署的数据点根据标准规范逐一进行测试，结果发现了4根预埋的数据链路部分参数不合格，其余线缆均通过了测试，当即放弃了这4根数据线启用了备份布线，自此链路全部畅通，得出了网络故障并非综合布线所致的结论。接着采用“倒追法”往前端进行测试和排除故障。先对交换机的配置文件进行仔细审查，没有发现错误和问题。接着又检查了交换机的上联端口，同时，对所有的接口模块进行重新拔插，逐一排除配置错误和带病模块，经过反复试验，没有发现模块存在故障。再接着检查服务器是否存在故障，经过几轮来回折腾，没找到有价值的结论。无奈之下，采用笔记本与其直连，显示服务器不存在任何问题。最后一步，决定采用抓包分析。刚开始抓取少量数据包时，同样看不到有价值的结果。后来决定连续24小时抓包，尤其关注严重卡顿和大量丢包时数据。然后将采集的大数据导入网络仿真软件NS-2，仿真结果提示：网络终端配置较低，服务器和交换机软件之间配合存在兼容性问题。找到了问题的症结所在就好办了。接下来我们做了如下尝试。

4.1   优化CPU指令集

X86多媒体增强指令集实现了单道指令多道数据流（SIMD，single-instruction， multiple-data）的执行模式，从MMX发展至SSE，SSE2，SSE3，SSE4.1，SSE4.2，AVX，AVX2，而一般软件为了兼容性，往往并没有使用最新的指令。只有使用了如AVX指令集这样软件，CPU潜能才得到了有效的发挥，才释放出实实在在的性能。

根据指令集，从低到高分别为X64， AVX， AVX2， AVX512四大类，安装系统时检测到CPU能够支持比X64更高的指令集，因此及时将华三服务器安装相应指令集优化后的最新版本。根据新安装的CPU的指令集选择了匹配指令的二进制代码，这时服务器CPU指令集的优势得到发挥，最大限度地利用CPU。此时，网络性能指标得到了大幅提升，但运行3D软件画面偶尔不流畅。

4.2   网络优化（如图2所示）

虚拟机均通过虚拟交换机与外部网络通信，所以，只有正确配置虚拟交换机与物理交换机后，虚拟机与服务器才能正常通信。

缺省情况下，服务器虚拟交换机与外部连接的接口（服务器网卡）被配置成BST（bonding、switching、trunking）模式，所以，物理交换机同样设置成802.1q trunk和802.3ad 端口聚合即可，当然802.1d生成树协议是必须的。在高可用的要求下，需要配置两台独立的外部交换机，由服务器双链路连接，实现无单点故障的网络高可用。

4.3   适当提高配置

根据网络性能仿真软件NS-2得到的分析结果，建议提高终端盒的配置。显然，只有增加终端盒内存，效果最为直接。我们尝试将终端盒内存从4G增加到8G。同时，将服务器与交换机之间的通信接口由千兆电口升级为万兆光口。实施了以上几项措施以后，再次对网络性能进行测试，各项性能指标良好。至此，前面网络表现出来的4个故障现象全部消失，问题得到全面解决。网络性能指标优于设计目标。经过近4个月的试运行考验，既没有出现新的故障现象也没有重复原有故障现象，运行状态一直正常。使用者对上网的体验感非常满意。经简单测试，单机开机时间在8秒左右;运行3D或大型游戏软件，画面非常流畅;运行MATLAB等大型科学计算及仿真软件，不存在任何卡顿现象。使用数据库或搜索功能时，系统反应快捷，其性能指标完全满足需求。单一条件查询，得到结果的反应时间为“秒杀”;组合条件查询，得到结果的反应时间小于3秒。整体网络性能良好。

诚然，网络整体性能的好坏，取决于构成网络的各个器件的单个性能，一旦将各个部分集成起来，就更需要一种性能优异的网络操作系统来管控。传统的VDI虚拟化因为性价比不高、用户体验差、缺少硬件GPU加速、 3D应用受限等等问题，制约了其广泛应用，微云公司经过多年努力，设计的VOS（Virtualization Operation System）虚拟化操作系统，不仅完整实现在传统的VDI集中计算方式下的虚拟桌面，还同时支持同一桌面进行“边缘计算”（也称分布计算），使用PCV（Personal Computer Virtualization）模式，让同一虚拟机可以通过虚拟化管理策略灵活选择集中计算或边缘计算，这种混合计算具有虚拟化的全部特性，提供更高性价比和灵活性，同时，无论是集中计算还是边缘计算，VOS都全面支持GPU的硬件加速，使得虚拟机能运行任何3D大型软件。

5      结    论

随着计算机技术的快速发展，网络组网方式越来越灵活，桌面虚拟化技术将会获得更为广泛的推广应用。云桌面虚拟化系统，解决了传统电子阅览室终端长期存在的问题。实现资源管理集中化，分散的運维向集中化运维转移，实现集中计算和分布计算融合，同时实现设备统一管控。通过选择合适的产品，优化配置和调整器件部分参数，以IDV的配置和价位基本实现了VDI的功能。新建的桌面虚拟化电子资源阅览室，概括起来，具有如下几个特点：绿色节能;维护成本很低，具有更高的安全性：更好的系统稳定性：将服务器的稳定可靠特性延伸到桌面，终端盒的寿命长、故障率低等，使桌面更稳固可用，有效保证业务连续性。相信在不远的将来桌面虚拟化将会在高校图书馆领域获得越来越广泛的应用。

主要参考文献

[1]王淑江，王春海，张嘉平.虚拟技术应用实践[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2]金海，计算系统虚拟化——原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2008.

[3]沈尧林.桌面虚拟化技术在髙校中的应用[J].时代教育，2010（8）.

[4]蔡玉刚.浅谈虚拟化技术与绿色IT[C]//2008年电力信息化髙级论坛论文集，2008.