基于多云架构的高校云端实验平台设计与优化

李 燕,黄传峰,周 峡

(南京工程学院经济与管理学院, 江苏 南京 211167)

随着教育信息化的深入发展及“慕课”时代的到来,高校计算机实验室面临着教学模式多样化的新需求.传统的计算机实验模式必须同时满足时间、地点、设备、规模等要求,无法适应科研、竞赛、在线课程等灵活多样的应用需求.在后疫情时代,实验室的远程应用已成为传统实验教学模式的必要补充.远程实验室不仅具有可以让学生在给定时间段内自由试验自己想法而不受地理位置限制的优势[1],而且有利于实验资源共享.目前,在校园信息化建设中搭建教育云平台已成为主要发展趋势[2-3].

近年来,虚拟化作为云计算的一种重要技术迅猛发展.运用服务器虚拟化技术建立私有云数据中心,可以很好地解决服务器资源利用率低、运维复杂、数量不足的问题[4].运用虚拟桌面技术实现云桌面实验环境,可以提高部署、维护效率,使实践教学脱离时间、地点的约束, 非常适合用于部署高校机房实验环境[5].部分高校已经在计算机实验中心或图书馆建立了云平台,并取得了良好的效果[4,6-8].其中,有的高校仅对服务器进行虚拟化或仅实现了虚拟桌面,有的高校则采用同一种虚拟化软件建设了一体化的服务器虚拟化和虚拟桌面平台[2-4,8-9].然而,虚拟化软件由于架构不同,各有优势与缺点,适用于不同的应用场景[10-11].服务器虚拟化平台通常更注重稳定性、安全性和业务连续性.虚拟桌面平台属于操作密集型软件,且易发生启动风暴[12],因此更注重高效运维和并发能力.对于既包含服务器虚拟化又包含虚拟桌面的全功能实验平台而言,根据需求选择不同虚拟化产品并以比基于多云架构构建实验中心私有云,能够优化平台性能,更精准地实现平台建设目标.通常对虚拟化平台的选择多采用案例法和经验分析法,为了提高平台选择的科学性并精准贴合需求,需要对几种主流平台的重要指标进行测试.本文以南京工程学院经济管理实验中心为例,探讨虚拟化平台的选择和架构设计,部署建立一个基于多云架构的云端实验平台,并对运行效果进行测试评价.

1 建设目标

南京工程学院经济管理学院下设9个专业、1个省级实验示范中心.由于服务的专业多,该实验中心具有经管类实验中心的典型特点：软件种类较多；一般不需要3D图形支持；由于政策、行业准则变化较快,软件版本更新频繁.因此,实验中心建设对于资源使用效率、部署时间、并发启动时间、易操作性等指标较为关注.经济管理实验中心原有11台IBM X3650 M2服务器,通过2台万兆交换机和12台接入交换机与12个机房相连.原有服务器配置较低,在数量和配置上均无法满足教学需求,且部分计算机房学生机使用超过10年.所以,采用虚拟化技术建设云端实验平台,可解决服务器数量和配置升级问题以及学生机设备更新问题,同时实现远程应用.

云端实验平台由两部分构成,包括一个服务器虚拟化平台和一个虚拟桌面云平台,可提供高性能计算、海量存储和弹性云桌面服务.服务器虚拟化平台用来负载原有实验教学、科研软件及新增应用,并预留一定负载能力,根据需求为科研工作提供虚拟服务器,从设施即服务(IaaS)、平台即服务(PaaS)、软件即服务(SaaS)三个层面满足教学、科研需求.初始规模按45台虚拟机规划.服务器虚拟化平台的建设需充分利用原有场地、服务器和网络设备.服务器虚拟化平台应具有热迁移、高可用、自动负载均衡等功能,并具备业务级容灾能力.虚拟桌面云平台在桌面即服务(DaaS)层面提供服务,提供的远程应用具有较好的并发性能,能在课间快速切换不同操作系统,软件部署更新便捷,且虚拟机配置不低于市场主流个人机.初始规模按照170用户设计,其中包括150个无状态桌面供学生实验使用,20个永久桌面供教师备课使用.服务器虚拟化平台和虚拟桌面云平台架构应便于扩展,扩建后最终将实现实验中心的全面虚拟化,达到1 000用户的规模.

2 设计与实现

2.1 虚拟化平台的选择

市场上的服务器虚拟化平台和桌面虚拟化平台有多种架构,适合不同需求的用户.同样硬件环境下,虚拟化平台的选择和整体架构的设计对系统的性能起决定作用,因此虚拟化平台的选择至关重要.

2.1.1 服务器虚拟化平台的选择

当前主流的服务器虚拟化产品有VMware vSphere、Citrix Hypervisor、Microsoft Hyper-V、KVM等.其中,VMware在虚拟化技术领域保有最高市场占有率,性能稳定、功能强大且具有最大虚拟机密度,缺点是价格较高;Citrix的优势在于通过领先的数据压缩和传输技术改善了多媒体应用的用户体验,因此适用于图形密集型应用;微软的Hyper-V集成在Windows系统中,可以利用Windows丰富的驱动程序集,更有利于外设种类繁多的环境;KVM作为一种开源软件,虚拟化功能全面,在使用Linux系统的环境下是一个很好的选择,缺点是不提供服务,只能在用户社区寻求问题的解决方案.

经管类教学软件较少涉及图形处理,且没有复杂的外设,VMware虽然初期投入较多,但因为具有更高的虚拟化密度,在所需物理机台数、电力成本、空间成本方面来看更经济,因此选择VMware vSphere作为服务器虚拟化平台.

2.1.2 桌面虚拟化平台的选择

当前主流的桌面虚拟化平台按照架构不同可分为远程桌面服务(RDS)、虚拟桌面架构(VDI)、虚拟操作系统架构(VOI)、智能桌面虚拟化(IDV)四类[13],不同架构适合不同的应用场景[14].RDS适合应用于Windows环境且软件兼容性要求不高的简单办公、教学等环境;VDI采用瘦终端,将服务器资源池化管理,使用镜像和快照技术生成虚拟机,然后将虚拟机的图形界面通过桌面传输协议传送到远程终端上,它的优点是资源按需分配、桌面可自动漂移、数据不落地、支持远程应用、能耗低、同一机房能使用不同配置设备,缺点是图形处理能力弱、外设兼容性低、断网不可用[15];VOI采用胖终端,集中管理、分布计算,它的优点是用户体验好、图形处理和外设兼容能力强、离线可用[11],缺点是需为不同终端配置制作不同镜像、不支持远程应用;IDV采用胖终端,集中管理、分布计算,适合图形计算密集型应用场景[16],缺点是不支持远程应用,高可用、扩展能力差.就经济管理实验中心而言,实现远程应用是重要建设目标,由于图形软件使用较少,同时兼顾终端成本投入的降低,采用VDI架构的桌面虚拟化软件.

VDI类桌面虚拟化软件的主要提供商有国外的VMware、Citrix等,以及国内的噢易、深信服等.分别测试其中几种主流平台的重要指标,为软件的选择提供依据.测试服务器配置为CPU E5-2630v2×2、内存128 G、硬盘600 G、4口千兆网卡;虚拟桌面配置为2核CPU、4 G内存、150 G硬盘,虚拟机文件存放于共享存储IBM 3500的SAS硬盘上;客户端配置为E2140 1.6 G、512 M、80 G,通过百兆网访问服务器.虚拟桌面操作系统为Windows 7,制作两种模板分别安装工程造价和会计专业软件,每个模板置备虚拟桌面20个.测试结果如表1所示.

表1 云桌面软件性能测试结果 s

从表1可以看出,噢易教育云桌面软件并发能力强、能在课间快速切换不同的专业桌面,这是经管类实验中心选择虚拟桌面软件的重要条件,且该软件面向教育行业开发,界面易操作,所以选择该软件.另外,噢易教育云桌面软件融合了VDI、IDV、VOI三种桌面技术架构,若未来开设Revite等需使用3D图形类软件的课程,只需在原有平台上拓展部署IDV或VOI架构的虚拟桌面,就可继续使用原有平台对两种架构的云桌面进行统一管理.

2.2 架构设计

多云架构由多个云供应商提供的多个云服务组合而成,既可以是公共云,也可以是私有云,很多企业由于灵活性和可靠性要求采取多云策略.实验平台采用多云架构可以兼顾服务器和虚拟桌面需求的不同侧重点.云端实验平台架构设计如图1所示,平台架构包含硬件资源层、虚拟化层和用户访问层.

1) 硬件资源层由两个服务器集群、共享存储和网络设备组成.两个服务器集群分别用于部署服务器虚拟化平台和云桌面虚拟化平台.服务器虚拟化集群通过光纤连接存储局域网络(SAN)共享存储,以便实现高可用功能.云桌面虚拟化集群采用分布式存储,每台服务器既是计算节点又是存储节点,这样可以减少单点故障的概率[12].遇到开机高峰时段,由于多个存储器并行读取镜像,因此需要提高并发性能,避免启动风暴.

2) 虚拟化层由两部分组成,分别是服务器虚拟化平台和虚拟桌面云平台.两个平台根据需求采用不同供应商提供的虚拟化产品,从而实现多云架构,平台之间可以通过万兆交换机快速通信.这两部分都包含虚拟化管理层和虚拟资源层两个子层.服务器虚拟化平台包含VMware vSphere虚拟化管理平台和核心应用虚拟服务器.虚拟化管理平台负责将CPU、内存、存储和网络等硬件资源集中池化管理,按需分配资源,创建和管理虚拟服务器,并提供各种组件实现虚拟数据中心的高可用、负载均衡、性能监控等功能.核心应用虚拟服务器主要用于负载核心应用,包括实验软件的服务端、文件服务器以及用于管理的域控制器、虚拟控制中心(vCenter)等,并负责身份验证和访问控制.虚拟桌面云平台由噢易教育桌面云软件和虚拟桌面池构成.噢易教育桌面云软件提供硬件管理、镜像管理、虚拟桌面部署和配置、用户管理、安全管理等功能.虚拟桌面池中包含学生实验使用的各专业无状态桌面、教师备课使用的永久个人桌面和各种桌面模板.两个平台都对硬件资源池化管理,当需要扩大平台规模时只需增加服务器和存储设备并加入资源池即可,具有较好的扩展性.

图1 云端实验平台架构图

3) 终端层由实验中心各机房和研究所的PC、瘦客户端以及个人的iPad、笔记本电脑等各种终端设备组成,它们可以通过虚拟桌面传输协议经高速网络访问虚拟桌面.

2.3 云端实验平台的实现

云端实验平台使用7台机架式服务器搭建,其中4台通过光纤连接共享存储搭建FC SAN,组成服务器虚拟化平台;另外3台用于组建虚拟化桌面云平台.为了提高数据中心的兼容性,保留部分旧服务器用于负载不支持虚拟机环境的个别教学软件.网络拓扑如图2所示,实验中心网络架构主要由虚拟化平台、旧业务系统和实验室、研究所局域网三部分组成.虚拟化平台包含服务器虚拟化集群和云桌面虚拟化集群,它们通过连接高速交换机进行通信,并通过核心交换机与实验室和研究所互通,原有的旧业务系统也连接核心交换机,与实验室和研究所计算机进行通信.

图2 网络拓扑图

服务器虚拟化平台选用主流的IBM 3650服务器搭建,配置如表2所示.根据实际需求,再综合考虑磁盘I/O速度和共享网络带宽等因素,3台服务器可满足45台虚拟机的需求,另增加1台服务器来实现高可用(HA)功能.服务器虚拟化平台存储设备采用磁盘阵列IBM V3500,配置1.2T SAS磁盘12块.VMware引导映象存储在本地硬盘,虚拟机文件共享存储,由于共享存储上的虚拟机文件每台服务器都能访问,当一台物理机发生故障时,运行在其上的虚拟机将自动在另一台物理机上重启并恢复原来的运行状态,由于重启时间短,对于用户来说就像没有中断过一样.基于同样的原理,资源动态均衡和容灾备份功能得以实现.由于VMware支持薄置备和差异存储技术,可以有效节省存储空间,总共14.4 T的空间可以支持45台虚拟机的存储需求.虚拟桌面云平台用3台Dell服务器搭建,其中1台作为高可用冗余节点,接入终端采用瘦客户端,配置如表2所示.部署150个无状态教学桌面供学生使用,针对会计、工程管理、信管3个专业的不同教学需要,每专业50个桌面,可供一个班学生同时进行实验,系统重启后将自动恢复初始状态;部署20个永久个人桌面供教师使用,可以保存个性化设置及个人数据.3台服务器组成集群共同负载所有虚拟桌面,当其中1台服务器发生故障时,在其上运行的虚拟桌面会自动在其它服务器重建,保证试验过程不被中断.为了兼顾I/O性能和建设成本,系统镜像文件存储在SSD固态硬盘上,数据文件存储在SAS盘上.经测试,当面对开机风暴时,得益于分布式存储策略和固态盘的高I/O,50点位的机房可在90 s内完成虚拟桌面的同时启动.

表2 服务器及虚拟机配置表

3 运行效果

通过Windows的性能监视器和虚拟化平台的性能监控工具以及人工计时,得到云端实验平台建设前后的重要管理和运行指标,如表3、表4所示.

表3 服务器虚拟化平台建设前后运行指标对比

表4 虚拟桌面云平台建设前后运行指标对比

从表3、表4可以看出,服务器虚拟化平台的建设大大提高了系统资源利用率,在总负载增加的前提下减少了服务器的数量,从而降低了基础设施的投资.服务器和学生机的部署及维护工作效率得到了极大的提高,总耗电功率也得到了有效降低.服务器虚拟化平台可以提供大容量存储和高速计算资源,即IaaS服务;提供装有指定操作系统和软件的虚拟机,即PaaS服务;可以通过网址直接使用教学软件、实验平台,即SaaS服务；虚拟桌面云平台实现了实验室的远程应用,即提供DaaS层面服务.建设前,各教学软件服务器只能在实验中心局域网内访问,部署云桌面后,用户可以在教室、办公室、宿舍甚至地铁上输入IP地址和用户名密码连接虚拟桌面,通过虚拟桌面访问各实验软件服务器,实验资源的使用不再受时间和空间的限制,使得本校其他学院或兄弟院校的师生也可以通过网络共享经济管理实验中心的实验资源.但是,对于采用何种共享管理模式合理分配实验资源的使用时间使资源使用率最高且不会发生冲突,尚需研究并制定相应规则.与兄弟院校的单一架构实验云平台相比,虚拟桌面的并发性能和桌面切换时间有明显优势,且兼顾了服务器虚拟化平台的高资源利用率和高稳定性,体现了多云架构的优越性.

4 结语

通过对多种服务器虚拟化软件和云桌面软件的研究与测试,选择分别满足两种平台不同需求的软件以多云架构建设了可以从IaaS、PaaS、SaaS、DaaS四个层面为师生提供全面服务的私有云.多云架构的采用兼顾了虚拟服务器的稳定性、安全性和虚拟桌面的高并发、短切换特征,分布式存储策略提高了并发能力,降低了单点故障风险.虽然平台初建规模较小,但后期只需在服务器集群中增加服务器、扩大存储容量即可扩建.云端实验平台的建设既解决了服务器资源利用率低的问题,又解决了学生机生命周期短、维护困难的问题,使实验教学资源的使用不再受时间和空间限制,也可为未来在线开放实验的开展提供基础设施.建设高校云端实验平台可以促进优质教学资源的共建、共享,对于深入教学改革具有重要意义.高校计算机实验室建设从实到虚、从本地到云端的转变将是未来发展的方向.