桌面云实验室建设研究

蔡向东， 党中华， 桑世庆

（嘉兴职业技术学院信息技术分院，浙江嘉兴 314036）

0 引 言

实验室建设是高校教学工作的重要一环，传统的高校实验室建设中存在投入与维护成本高、管理与维护工作量大、使用效率和满意度不高等问题［1］。随着云计算技术的发展，采用虚拟化技术构建云计算实验室平台，可以改变传统的实验室建设模式。目前，各高校纷纷开展了相关研究［2］，部分高校已经建立起自己的云计算实验室［3－7］，其中，东华大学利用VMWare技术和Citrix技术搭建的东华云已经应用于计算机专业实验室管理［3］，黄晨晖［5］等提出了基于云计算的VCL解决方案，该方案具备比较齐全的管理功能，宋继红［6］等研究了虚拟云桌面的设计与实现方案。结合高校的经济实力和已有的研究成果，大多数高校选择基于桌面云作为研究和应用模型［8］。

桌面云（Desktop Cloud）是可以通过瘦客户端或者其它任何与网络相连的设备来访问跨平台的应用程序，以及整个客户桌面。桌面云系统主要包括瘦客户端、网络接入、管理客户端和服务存储端4个部分［2］。研究证明，基于桌面云的实验室能实现较高的投入与性能比、减轻管理与维护工作量［4］。

1 云计算实验室模型

1.1 系统架构

云计算实验室建设方案采用了较为成熟的虚拟化解决方案，将云计算技术与虚拟化技术有机结合，用于构建高校的云计算实验室，既提高了实验资源的共享性与使用效率，又能充分满足实验项目的多样性需求。本方案以嘉兴市公共实训中心计算机网络技术实训室为例，结合学院的特点，设计了一种基于桌面云的建设方案，主要包括核心交换区域网络、学生接入区域和数据中心区域应用系统。云计算实验室架构如图1所示。

图1 云计算实验室架构图

1.2 虚拟桌面

1.2.1 虚拟桌面环境

VMware View虚拟桌面系统以VMware vSphere作为底层基础，将服务器资源池化整合，按需为虚拟桌面提供计算资源。在底层计算资源的池化整合和虚拟机独立封装的基础上，VM-ware通过物理服务器的高可靠性HA、动态迁移VMotion、动态调整服务器资源DRS等高级功能，实现物理服务器、虚拟机等各层的可靠性。

1.2.2 VMware Thin APP

VMware Thin App应用程序虚拟化将应用程序从底层操作系统分离出来，以提高兼容性和简化应用程序管理。由Thin App打包的应用程序可以在数据中心的服务器上运行，并可以通过虚拟桌面上的快捷方式进行访问，从而进一步减少了桌面映像的大小和后续存储需求。由于对应用程序进行了隔离和虚拟化，因此，可以在用户的虚拟桌面上运行多个应用程序或同一应用程序的多个版本，且不会产生冲突。可以集中管理和部署应用程序，从而确保所有用户桌面都使用最新的应用程序版本。

1.2.3 利用View Composer组件实现存储优化

View Composer使用VMware链接克隆技术快速创建与主映像共享虚拟磁盘的桌面映像，从而节省磁盘空间和简化管理。用户数据和设置从桌面映像中分离出来，因此能够对其进行独立管理。由于采用了这种链接克隆模型，链接到父映像的所有桌面都可以通过使用VMware View Manager直接更新父映像来应用补丁程序或进行更新，而不会影响用户的设置、数据或应用程序。这样可以大幅减少存储需求和成本，同时简化桌面管理。

1.2.4 通过View Manager实现安全桌面安全交付

View Manager包括集成的虚拟桌面池管理功能，这些功能利用vCenter提供的控制机制来部署和管理虚拟桌面。

1.2.5 客户端访问

虚拟桌面可以通过PC、瘦客户机、笔记本等接入，客户端配置VMware View Client程序，通过RDP协议或PC Over IP协议，登陆到View Manager，可以看到允许其登陆的一个或多个虚拟机。VMware View提供完整、未经修改的桌面环境，与现有传统或自定义应用程序兼容，并为各个用户提供适合各自需求的自定义桌面。

由于具有广泛的客户端支持，因此用户可以随时通过各种虚拟桌面设备访问自己的桌面，并使用本地打印机、USB设备或其它外围设备。

2 云计算实验室部署

2.1 虚拟化物理资源配置

实验室采用包括7台服务器、2台网络存储和2台光纤交换机来构建虚拟化环境。其中4台服务器用于构建服务器虚拟化系统，3台服务器用于构建云桌面虚拟化系统，提供学员桌面系统应用资源，2台存储设备用于实现虚拟机配置文件和应用数据的统一存放。

2.2 服务器配置

根据虚拟桌面的配置要求，一个物理CPU内核可以供3～4个虚拟桌面运行，每个虚拟桌面配置2 G内存来计算，40个虚拟桌面需要10～15个物理CPU内核，80 G内存。为满足运行的需求，本方案需要配置2台双路6核处理，同时为了保证物理服务器的高可靠性，增加1台物理备份，保证1台故障情况下，另外2台仍能保证业务应用。配置7台DELL R720服务器，其中3台物理服务器作为虚拟桌面应用的需求，4台物理服务器作为实施实验室其它应用的计算资源需求。

2.3 存储配置

存储单元主要提供虚拟化系统配置文件的保存，以及实训学员应用文件的存放，这些临时文件在课程结束后将会被初始化清除，所以整个系统对数据存储空间配置少，但是扩展能力要求高。

2.4 光纤交换机配置

为实现FC-SAN高性能、可靠存储区域网络的构建，在存储配置支持4个8 GB光纤主机通道基础上，配置2台24口光纤交换机，激活16口，以满足服务器和存储连接的要求。

2.5 前端虚拟化桌面客户端配置

实训实验室中配置40一体机终端，包括主机和显示器，实现虚拟桌面的客户端支持，自身配置笔记本电脑的学员也可以通过配置VMware View客户访问虚拟化系统。

3 网络系统

网络系统由网络出口层、网络核心层、学生接入区域和服务器区域汇聚层、接入层构成，提供云计算所需的网络环境。

3.1 核心交换机

本方案配置2台型号为H3C S7503E-S高性能核心交换机，支持960 Gbps交换容量、720 Mpps包转发能力，设备支持IRF2虚拟化，通过2个万兆端口堆叠，构建IRF2虚拟化，实现2台交换机虚拟成1台交换机，虚拟化双机间带宽为20 G，能满足高负载的数据交换要求。

3.2 汇聚层

3台H3C S5500-58C-HI三层交换机，分别放置于学生接入区域和数据中心区域，实现终端接入的网络汇聚和服务器汇聚。其中两台汇聚交换机构建IRF2虚拟化架构，实现数据中心区域网络性能和可靠性提升。

在数据中心区域配置7台服务器实现实训应用和云桌面应用，云计算中信息量大，这些数据都需要经服务器汇聚交换机上联和交互，是实现整个系统性能可靠性重要保障。在虚拟化环境中，2台服务器分摊应用，整体性能是2台的叠加，其中1台设备出现故障，另外1台快速接管。

每台汇聚层交换机配置4个万兆端口，其中2个用于IRF2堆叠，另外2个万兆端口用于核心上联，在通过IRF2将2台汇聚层交换机虚拟化为1台后，服务器汇聚层表现为40 G核心上联，充分保证应用交互需求。

在学生接入区域汇聚层，配置2块万兆光口和2个万兆模块实现网络层的20 G上联，充分保证终端用户的交互需求。

3.3 学员接入层

当前配置实训实验每班为40个终端学员，分为两组进行实验，为了满足学员的网络接入和网络冗余配置课程教演，为每个组配置2台接入交换机。H3C E528以太网交换机支持192 Gbps交换容量，42 Mpps数据包转发率，全千兆端口能够满足高性能接入的需求，支持IRF2技术，用户可以将多台E528交换机连接，形成一个逻辑上的独立实体。

3.4 模拟出口路由层

通过新增4台路由器，分配模拟两条运营商线路的接入，让学员了解路由协议的实现方式和构建。4台H3C MSR 30-40路由器，分别扮演远端运营商A，B边界网络和用户系统边界接入路由设备。

3.5 防火墙

考虑到网络系统中安全策略的相关性以及系统架构的完整性，在网络出口区域构建两个防火墙，实现数据包扫描、隔离，保证系统的安全性。

配置2台H3C SecPath F1000-S-AI防火墙，以透明的方式配置于核心和边界路由之间，实现外部接入数据包的扫描和隔离。

4 实验室管理系统

通过配置1套H3C NEMS网络实验室管理系统，实现对网络实验教学、实验学员、实验设备集中统一管理。NEMS针对网络实验生命周期（实验定义、实验准备、实验过程、实验结果）提供完整的智能化管理。教师可以通过NEMS系统进行实验的定制、实验环境部署和实验过程的管理、监控，完成实验环境的快速部属、恢复，以及获取、验证实验结果等工作，同时学生可以通过NEMS系统完成具体实验。通过NEMS系统，以模拟环境为手段，实现学生和教室之间互动交流，提升教学水平。

5 结 语

云计算作为一种新兴的IT服务模式，其易操作性、服务性、经济性、高效性和可动态扩展的特点为高校实验室建设和发展提供了广阔的前景。在看到云计算一系列优势的同时，也要看到云计算本身仍存在着一些问题。首先，云计算采用的集中式服务，易产生网络中心节点的瓶颈效应，对网络带宽的要求较高；其次，数据的安全性令人担忧；此外，云计算技术仍缺乏统一标准。这些都影响了云计算技术的推广和应用。

从研究和实施内容来看，本方案主要立足于建立基于桌面云的实验室基础设施，对服务内容的设置以及不同实训应用的部署未能涉及。研究的对象仍属于“私有云”的范畴，实训应用的部署仍然存在兼容性问题。因此，如何保护前期投资，解决升级后的云平台存在的兼容性等问题，仍然是未来高校云计算平台所面临的挑战。

［1］ 夏春琴.基于云计算模式的高校机房实验室建设的应用研究［J］.电子技术与软件工程，2013，19：205-206.

［2］ 毕丛娣.关于“云计算”的探究［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2011，32（4）：413-416.

［3］ 张红，陶然.东华大学实验室管理云计算平台［J］.计算机系统应用，2012，21（10）：14-17.

［4］ 张趁香，朱旦晨.基于云计算的高校计算机实验室建设方案优化［J］.淮阴工学院学报，2013，22（5）：28-32.

［5］ 黄晨晖，林泳琴.基于云计算的虚拟计算机实验室的研究与实现［J］.实验室研究与探索，2010，29（11）：178-181.

［6］ 宋继红.基于云计算的虚拟桌面的架构方案探析［J］.价值工程，2011，28：155-156.

［7］ 刘进，卢楠，温晓洁，等.桌面云系统建设思路探讨［J］.价值工程，2013（10）：205-206.

［8］ IBM developer Works中国网站.桌面云——企业IT管理的发展之路［EB／OL］.http：／／www.ibm.com／developerworks／cn／cloud／library／1108＿yinshi＿enterit／，2011-08-10.