桌面虚拟化与计算机实验室管理

金 彪， 郑小建， 姚志强， 林 劼

(福建师范大学 软件学院， 福建 福州 350108)

当前，高校的教育教学过程对计算机的依赖程度日益增强。然而，计算机在给教育教学带来方便的同时，也带来了不少管理方面的问题，因计算机故障而造成的教学事故也有所增多。

实践教学是高等教育教学的一个重要环节，计算机实验室则是开展实践教学的重要场所(尤其是理工科院校)。计算机实验室内计算机数量多、管理工作量大，为了保证实践教学的正常、有序进行，必须提高管理效率。然而现有实验室管理模式的缺陷以及实验技术人员配备不足等诸多因素，导致计算机实验室管理效率低，因设备故障得不到及时维修而造成的事故时有发生。

为了提高管理效率，降低设备故障发生次数，本文将探讨桌面虚拟化技术用于计算机实验室管理的可行性和有效性，针对福建师范大学软件学院的实际情况，提出利用Citrix公司产品Citrix XenDesktop 搭建实验教学环境的方案。

1 计算机实验室管理工作内容和难点

计算机实验室是学生开展实验、消化吸收理论知识的主要场所。但计算机数量多、设备型号不一以及实验所需软件多样性等原因，使得计算机实验室的管理工作量大且繁杂。

1.1 管理工作主要内容

日常的管理工作主要包括软件的部署和更新、计算机安全防护、硬件更换和报修、网络管理和维护等4类。

(1) 软件部署和更新。部署计算机操作系统和实验教学所需应用软件；备份操作系统和应用软件的硬盘镜像。

(2) 计算机安全防护。安装杀毒软件；更新病毒库和木马库；修补系统漏洞。

(3) 硬件更换和报修。对于计算机的普通硬件设备(如鼠标、键盘、VGA线等)故障，管理人员可直接更换；对于内部核心硬件故障，如内存条、显卡、硬盘等，通知计算机供应商进行维修或更换。

(4) 网络管理和维护。上网用户账号管理；网络故障诊断和修复。

1.2 管理工作的困难

计算机实验室管理工作存在不少困难，主要原因包括：

(1) 计算机数量多，硬件种类多样化，给管理工作带来很多麻烦；

(2) 实验教学所需的应用软件种类繁多，为满足教师教学和学生学习应用的差异化要求，导致计算机上安装的软件过多，启动速度太慢，而且容易引起应用冲突；

(3) 为了在计算机出现软件故障后能快速恢复操作系统和应用程序，实验室的计算机一般安装有还原卡，这却导致计算机每作一次改动，如增加软件、卸载软件以及漏洞修复等，都需要把改动后的计算机作为“母机”同传给其他计算机，或者在每台计算机上逐一改动后再逐一手动保存，都很费时、费力；

(4) 学校配备的专业技术人员数量少，难以满足大规模运维服务的即时响应。

1.3 计算机故障产生原因

为了保证实践教学的正常开展，必须保证实验室内计算机正常工作，及时解决计算机故障。调查表明，在一系列计算机故障中，软件故障发生的概率远高于硬件故障和网络故障。造成软件故障多发的原因复杂且难以避免，常见的原因主要有：

(1) 网络访问或使用U盘不慎导致计算机感染木马等病毒；

(2) 使用计算机的师生多，操作技能参差不齐，有些误操作会删除重要系统文件；

(3) 设备驱动冲突，应用程序冲突；

(4) 注册表错误，垃圾文件过多；

(5) 操作系统漏洞，不完整的程序安装或卸载信息；

(6) 不同软件之间，甚至不同版本的同款软件之间都可能因为运行环境、配置信息等相互冲突而导致无法正常运行。

2 桌面虚拟化技术

计算机操作技能培训虽然可以降低某些计算机故障发生的概率，但见效慢且需耗费大量的时间和人力。采用硬盘保护(还原)卡和网络同传等方法，如比较知名的联想公司的硬盘保护系统/还原卡和Dell公司的增霸卡，虽可在出现软件故障时快速恢复预装的操作系统和应用程序，但安装和更新非常麻烦，耗时耗力，给教学应用带来诸多不便，甚至严重影响正常教学。为了提高计算机实验室管理效率，在计算机因软件故障而无法正常工作时得到及时、有效的维护，本文探讨将桌面虚拟化技术用于提高管理者对计算机实验室管理效率的可行性和有效性。

桌面虚拟化(desktop virtualization)又称为虚拟桌面基础架构(virtual desktop infrastructure,DVI)，是虚拟化厂商VMware最先提出的一种基于服务器的计算模型。通过该模型可以将个人计算机桌面环境与物理设备分离，所产生的“被虚拟”的桌面不再存储于远程客户端的本地磁盘上，而是存储在远端中央服务器上。如图1所示，桌面虚拟化由存储层、虚拟化平台层、桌面和会话管理层以及终端接入层构成，每层分工如下：

图1 桌面虚拟化构成

(1) 存储层：为桌面虚拟化平台提供存储资源池；

(2) 虚拟化平台层：采用X86或X64服务器以及虚拟化平台软件来提供虚拟机资源池，虚拟化平台软件主要包括VMvarevSphere，Sun VirtualBox，Citrix XenServer，Microsoft Hyper-V以及HuaWei SmartUvp等；

(3) 桌面和会话管理层：负责桌面分配管理和用户接入会话管理，主要产品包括VMware View，Sun VDI，Citrix XenDesktop以及Microsoft Windows 2008等；

(4) 终端接入层：采用瘦客户端、软终端(通过物理PC，采用客户端方式或Web方式)等实现虚拟桌面的接入(虚拟桌面需采用RDP、ICA、PCOIP等远程桌面协议来实现接入。

桌面虚拟化技术借助于虚拟机技术实现硬盘(安装环境)、CPU与内存(运行环境)、外设的物理拆分[1-2]，使用户可以通过前台PC或者瘦客户端远程访问虚拟桌面。桌面虚拟化技术与无盘工作站技术结合，可以实现硬盘上的操作系统和应用程序与运行环境中的相关文件、数据、指令等发生分离[3]；使用RDP或ICA协议可以将程序的运行与操作相分离。

引入桌面虚拟化技术之后，实验室管理人员只需对虚拟桌面进行安装、发布和维护即可。因此利用桌面虚拟化技术提高管理者对计算机实验室的管理效率是可行、有效的。

3 益于计算机实验室管理

在计算机实验室的管理中引入桌面虚拟化技术，将有助于提高管理效率、缩减采购成本、减少维护成本，还能起到节能作用。

3.1 提高管理效率

桌面虚拟化后，实验室计算机管理工作可快速执行，并简化为安装、升级和漏洞修复、恢复、扩展。这些操作的执行速度远远快于物理电脑的安装和分发(包括网络同传)。

(1) 安装：安装虚拟桌面的GOLD IMAGE，再发布和部署它的只读拷贝给用户使用；

(2) 升级和漏洞修复：升级和修复虚拟桌面的GOLD IMAGE，再发布和部署它的只读拷贝给用户使用；

(3) 恢复：将虚拟桌面的GOLD IMAGE发布和部署给因某些原因使得原先虚拟桌面不能正常使用的用户；

(4) 扩展：将已有的虚拟桌面直接部署给新加入的用户，或根据新用户的需求，安装新的虚拟桌面后再发布和部署给他们。

3.2 缩减采购成本

桌面虚拟化后，客户机采用云终端架构，其采购成本要低于传统PC机。同档次的云终端单价约3 000元/套(含显示器)，而传统PC的采购成本约为5 000元/套。此外，PC机的使用年限为4～5年，而云终端因其结构设计的特殊性，使得它们的使用年限在6年以上。

3.3 减少维护成本

(1) 桌面应用维护成本。我学院在用的实验室共17间，每间配置50台学生机和1台教师机。教师机桌面与学生机桌面不同，教师机独立安装，学生机可在安装1台后，采用联想公司提供的同传功能进行同传。在PC架构下，管理员需要管理2×17=34个桌面和安装34个操作系统，再安装约10×34个应用程序，完成一间实验室的计算机系统和软件的部署就需要4～5 h。而采用桌面虚拟化技术后，管理员只需要安装1台教师机和1台学生机，然后直接发布和部署它的只读拷贝给用户使用即可，可以省去学生机同传花费的时间。

(2) 桌面病毒维护成本。传统PC架构下桌面病毒维护成本是动态的，主要取决于病毒的破坏性以及数据的重要性，但这个维护成本在桌面虚拟化下是没有的。

3.4 巨大的节能效益

传统PC的功耗通常在230 W以上，而云终端的功耗一般为23 W，是PC机功耗的1/10。仅以我学院在用的17间实验室、每间实验室50台计算机、平均每天开放3 h计算，每天可节约用电527 kW。

4 桌面虚拟化实施方案

软件学院实验教学大楼共有5层：一层为学生创新实验室，二层为数字媒体创新实验室，三层为软件工程基础实验室，四层为嵌入式系统实验室，五层为CDIO(conceive-design-implement-operate)项目实验室。笔者对VMware和Citrix的虚拟桌面产品进行了综合比较(见表1)，并最终选用Citrix XenDesktop。

表1 虚拟桌面产品对比分析表

使用学院现有的1台IBM刀片服务器BladeCenter HS23 7875B1C来构建XenDesktop的架构平台，利用Citrix XenServer划分为5台虚拟服务器。在虚拟服务器上按照Citrix XenDesktop的要求，依据以下流程进行部署和设置：(1)安装XenServer；(2)安装配置XenCenter；(3)利用XenCenter在XenServer中创建虚拟机；(4)配置AD(active directory)服务器；(5)安装配置DDC服务器；(6)安装配置PVS服务器；(7)安装配置Windows XP客户端(虚拟桌面镜像)操作系统；(8)部署发布虚拟桌面。

详细设置可参考文献[4]。图2为一个楼层的实验教学环境搭建方案。

图2 实验教学环境搭建方案图

其中，虚拟桌面服务器的虚拟桌面安装有数字媒体专业学生实验所需的操作系统(Windows XP/Win 7)以及相关实验软件(3DMax、Maya、Adobe Flash CS5等)。学院每间实验室都有3台交换机，虚拟桌面通过网络发布到每间实验室的学生终端，可以为每一间实验室准备一份独立的虚拟桌面。但是，考虑学院的实际情况(二层实验室均是数字媒体专业实验室，实验所需软件基本相同，服务器性能以及网速等硬指标满足要求)，为了减少虚拟桌面的数量，方案中我们只为每一层实验室准备一份虚拟桌面，在该桌面上安装好该楼层实验室实验所需的全部软件。

5 结束语

桌面虚拟化技术值得进一步研究，桌面虚拟化技术的应用领域应当进一步拓展。文献[5—7]致力于桌面虚拟化技术的研究，文献[3]、[8—12]则尝试将桌面虚拟化技术应用到不同场合、不同的环境中。本文从技术层面说明采用虚拟化桌面技术提高计算机实验室的管理效率是可行的、有效的，并提出采用Citrix 公司的虚拟化产品Citrix XenDesktop搭建实验教学环境的方案。该方案已获得学院领导的重视，后续工作是对方案作进一步完善和全面论证，争取早日进入实施阶段。

[1] 英特尔开源软件技术中心，复旦大学并行处理研究所.系统虚拟化[M].北京:清华大学出版社,2009:18-40.

[2] 石磊,邹德清,金海.Xen虚拟化技术[M].武汉:华中科技大学出版社,2009:15-30.

[3] 刘正朋.桌面虚拟化技术在实验室仪器管理中的应用[J].实验室科学，2011(1):157-159.

[4] 佚名.Citrix XenDesktop安装部署手册[M/OL].[2013-04-02]. http://wenku.baidu.com/view/66f12377f242336c1eb95ed8.html.

[5] 秦岭，兰青.基于虚拟化技术的开发和测试环境快速部署应用研究[J].电光系统,2010(2):42-45.

[6] 闫龙川，刘志永.桌面虚拟化技术研究与应用[J].电力信息化,2010(7):55-58.

[7] 佚名.新一代的桌面虚拟化技术[EB/OL].(2009-12-07)[2013-04-01].http://www.topoint.com.cn/html/article/2009/12/266155.html.

[8] 姜昌金，陶桦，黄琦，等.桌面虚拟化技术在校园网环境的应用[J].实验技术与管理，2011,28(5):103-105.

[9] 董焱.基于虚拟化技术的实验教学中心环境构建[J].实验技术与管理，2011,28(3): 299-302.

[10] 盛雯雯.基于桌面虚拟化的多媒体机房设计[J].硅谷，2011(18):112-114.

[11] 冯磊.浅谈桌面虚拟化技术在图书馆的应用前景[J].晋图学刊，2011(1):52-55.

[12] 赵迎春.桌面虚拟化在图书馆的应用[J].情报科学，2012(2):82-84，95.