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虚拟云桌面在高职院校公共机房中的应用实践

阅读数:94   发布时间:2020/10/13

朱凤文

近年来,在国家政策的引领和信息技术的推动下,我國高职院校信息化建设突飞猛进,众多院校已经步入智慧校园建设进程,但作为重要教学资源的公共机房建设却没有多大改变,多数高职院校公共机房仍然采用传统的PC机。随着软件的快速更新,迫使PC机的硬件加速更新,机房建设周期缩短、维护量大等问题一直困扰机房管理人员。自2011年起国内开始研究利用云计算虚拟技术解决高校机房建设与管理难题,至2015年已经有很多虚拟云桌面应用的成功案例。我校于2016年底采用VDI模式虚拟云桌面完成4个公共机房200个信息点的改造,迄今应用实践3年,在设计、建设及运维等方面积累了一定的经验。

一、虚拟云桌面技术

(一) 什么是虚拟云桌面

虚拟云桌面是在云计算技术的基础上衍生出的一种虚拟化技术,是指通过技术手段将服务器虚拟为多台逻辑计算机(定义为虚拟机)。每个虚拟机并行运行而相互不影响。利用云终端设备(也称瘦客户机)通过网络登录远端服务器虚拟机,所有数据计算和存储集中在远端服务器中进行,云终端仅仅显示桌面图像以及负责键盘、鼠标等外设输入输出操作。相对于传统PC机,虚拟云桌面的优点是运用软件的方法对服务器资源重新定义划分,实现IT资源的集中管理、动态分配、灵活调度、跨域共享,提高IT资源利用率。

(二)虚拟云桌面三种架构

在实际应用中,虚拟云桌面有VDI、IDV、VOI三种架构。VDI(Virtual Desktop Infrastructure,虚拟桌面架构)应用特征是“集中管理,集中运算”。将服务器虚拟成多个不同的虚拟机,计算、存储、网络都集中在了服务器端,云终端通过传输协议连接虚拟机,负责输入操作、输出界面。VDI的主要优点是对云终端设备要求简单,支持桌面漫游。缺点是对服务器规模和性能要求高,对网络依赖性强、带宽要求高,这种模式适用于对计算性能要求不高的场合,如流程化的办公、教育等。IDV(Intelligent Desktop Virtualization,智能桌面虚拟化)采用集中存储、分布运算的构架,在服务器端虚拟出多个不同的系统,云终端把虚拟机加载到本地运行,数据再同步回服务器。IDV优点是对网络不过度依赖,无需大量的图像传输,支持系统离线运行,但对云终端配置要求高,不支持桌面漫游,适用于统一的高配置终端,网络较差的场景;VOI(Virtual OS Infrastructure,虚拟系统架构)基本应用特征是“集中管理,本地运行”,桌面操作系统和应用软件集成部署在服务器端,以数据流的方式将操作系统和应用软件按需传送到云终端执行运算。VOI的主要优点是服务器的承载客户端的能力高,网络带宽占用较少。缺点是对云终端性能要求高。VOI非常适合于计算性能要求高的图形、多媒体处理的工作场合。

二、虚拟云桌面建设方案

(一)学校公共机房现状分析

我校公共机房硬件配置现状:在2016年,我校共有学生公共机房十个,PC机500台,6个机房350台购于2009年以后,基本满足教学要求,余下4个机房200台PC机购于2006年以前,硬件最高配置为CPU单核2.93G、内存1G、硬盘82G、系统是WINDOW XP,基本不能用于教学。教学需求:在校生7000人,150教学班。课程需要window7、Java、C、android、VISIO、AutoCAD、office2010、proteus、matlab、 Photoshop等软件环境,机房工位数量和电脑硬件配置无法满足教学。机房维护情况:机房计算机最近为2012年购置,大多数都已经出现元件老化,加之灰尘、电源接地不良等因素,上课期间频繁出现蓝屏、死机,硬件损坏常有之事,一名实验员维以承担繁杂维护工作。

(二)机房建设方案设计

根据学校现实条件,综合考虑实际需求、建设成本、使用周期、维护管理等因素,经过调研论证,确定了采用基于VDI架构的虚拟云桌面改造4个公共机房200点的建设方案。具体方案是在致远楼一楼“ICT行业创新基地”搭建云计算数据中心,采购9台刀片服务器和一套磁盘阵列,其中2个服务器作管理服务器,双机主备工作;7台服务器构成集群环境,利用KVM技术虚拟出200个虚拟计算机,每个虚拟机为当时主流配置(vCPU 2.6Ghz、vRAM 4G、vMEM 100G,服务器与存储磁阵通过万兆核心交换机以IPSAN方式连接;四个公共机房设在历行楼五楼,每个机房50台云终端构成千兆局域网环境,云终端运行 VDI授权客户端软件;历行楼设一台千兆汇聚交换机与致远核心交换机双光纤连接,四个机房与汇聚交换机千兆连接,云终端与虚拟机采用基于SPICE开源协议。在数据中心配置一台高性能路由器。与核心交换机相连,通过校园网接入互联网。网络拓扑结构如图1,设备配置如表1。

三、虚拟云桌面的优势与不足

我校虚拟云桌面公共机房自2016年底交付使用,满负荷运转3年,与传统PC机房比较在众多方面有明显的优势。

建设成本低。虚拟云桌面机房建设成本有两部分组成,即服务器端和云终端,云终端包括瘦客户机、显示器、键盘鼠标。云终端一般为主流PC机价格一半,服务器端可根据虚拟机要求进行配置,按工位计算总成本稍低于PC机房,但随着工位数增加,虚拟桌面机房成本成下降趋势。

运行功耗低。虚拟云桌面机房的运營功耗远低于PC机房,单台云终端的功耗小于10W,一台服务器虚拟25台PC机功耗750W,单个虚拟机均耗50W,单工位均耗60W左右,而同配置PC机均耗为200W,因些一单工位省电140W。每学年按40周1120课时计算,一个工位可省电117.6度电。一个机房50工位可以省电5880度。

硬件利用率高。传统PC机配置固定,不能针对软件动态调整,硬件资源不能得到充分利用。而虚拟机可以根据用户需求对资源合理分配,实现资源的弹性管理,服务器资源得到充分利用,如可为AutoCAD、PS等课程规划高配虚拟机。

扩展性好。不断更新的软件,加速硬件升级换代,传统PC机扩展性差,势必缩短了PC机使用周期。虚拟云桌面随时可通过增加服务器、内存数量及存诸容量提升虚拟机的配置,满足软件的要求,如2019年我校对服务器内存和存储资源进行了升级。

维护性好。虚拟机运行于服务器上,通过管理服务器可集中管理所有虚拟机,包括虚拟机配置、系统升级、漏洞修复、软件部署以及远程在线运维,避免了单机操作,简单易行,维护效率高。

安全性好。因云终端与虚拟机采用分离结构,将U盘病毒、木马攻击等威胁隔离在云终端,不会感染虚机,大大增加了机房可靠性和数据安全性。

开放性好。若服务器接入校园网,多种终端经授权可在校园网覆盖范围内通过有线或无线方式接入虚拟机,在网络安全的前提下,服务器接入广域网,授权用户通过互联网接入虚拟机。实现虚拟桌面漫游,传统PC机无法比拟。

基于VDI架构的虚拟云桌面在应用中也存在不足,一是可靠性低于传统PC机机房,对网络依赖程度高,一旦网络故障影响面积大,甚至全部瘫痪。二是单机性能不高,特别是对计算性能、图形处理、流媒体应用要求高的应用不适用,如运行BIM相关软件。

四、虚拟云桌面机房运维问题

我校虚拟云桌面公共机房运行3年,建设初期也曾出现了一些问题,随着管理员对设备的深入了解,经过不断调整优化后,能保障稳定地提供教学服务。常见问题大多是参数错误,都能通过参数调整或重启得到恢复,有少量的网络冲突或硬件损坏,所有故障都能通过服务器日志进行分析判断,智能化程度高,处理时间快。虚拟云桌面支持远程协助,服务器通过安全方式接入互联网,设备厂商或服务商可以实现远程在线排除故障,符合现代信息技术的要求。

但有些问题可以通过合理地规划方案减少的,限于早期的技术条件,加之学校场地限制,我校虚拟云桌面机房也存在一定缺陷。

服务器与机房相距较远。因网络接续问题造成带宽受限、登录虚拟机时间长、故障点多,可靠性差。

选用刀片服务器。刀片服务器的优点是配线少,部署快、节省空间,但缺点挂载硬盘少,必须额外增加磁盘阵列来满足虚拟存储空间要求,磁盘阵列不仅降低了存取速度,还增加了故障点。此外刀片服务器不能扩展显卡,对处理图像用户达不到虚拟显卡的要求。

云终端ROM存储空间小。因软件兼容问题,如红蜘蛛、极域等机房管理软件不能加载至虚拟机,只能安装在瘦客户机端,ROM造成存储空间异常紧张。

五、虚拟云桌面应用前景分析

虚拟云桌面概念已经提出近10年,之所以不能普及应用,主要原因是VDI、IDV、VOI三种架构都存在明显不足,任何一种都没能彻底解决取代PC机所带来的问题。但实际三种模式不是排斥的关系,随着技术的演进,三种模式的融合应用,将为虚拟云桌面发展开拓出广阔的空间,可以针对不同应用场景、用户需求多种模式灵活组合,优势互补,实现集中管理前提下的计算、存储在云端和用户端自由切换,即使高校中专业性强的虚拟仿真、3D绘图、媒体处理等实训机房都能得到完美解决。另外,借助5G的商用,虚拟云桌面将有力推动办公模式变革,使人们彻底摆脱对桌面PC的依赖性,企业或高校在云端为每人分配一个虚拟机,云平台的统一管理下,个人办公应用、数据信息加载于虚拟机,合理控制信息安全,用户借助5G带宽,利用各种智能终端随时随地快速接入云端,即以私有云方式实现移动办公。

六、结束语

我校三年应用实践证明,虚拟云桌面公共机房在建设和管理中有传统PC机无法比拟的优势。虽然有不足之处,随着技术的发展都会得到圆满解决。面对日新月异的信息化技术,高职院校的各类机房建设应充分结合虚拟云桌面技术进行科学统筹规划,发挥云计算技术的优势,借鉴现已取得实践经验,对职业院校多媒体教室、教师办公、电子阅览室等应用场景进行部署,完善智慧校园建设的整体布局,推动职业院校教育信息化进度,早日实现教育现代目标。

作者单位:辽宁铁道职业技术学院


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