基于虚拟桌面架构的实验机房环境构建

张 庆，戴 娟，周莉萍

（1.安徽建筑大学 信息网络中心，合肥 230601；2.安徽职业技术学院 机械系，合肥 230041）

0 引 言

随着高校办学规模的扩大，中心机房作为承载计算机实验教学的主要环境，其设备数量不断增加。为满足丰富的专业课设置，要求搭建更新、更复杂的软件环境，这对机房计算机的性能要求也越来越高，传统机房的管理模式越来越不适应该趋势。虚拟桌面架构（virtual desktop infrastructure，VDI）是建立在虚拟化技术基础上，将用户的桌面管理和配置工作都迁移至数据中心［1］，以“桌面即服务（DaaS）”的方式为用户提供计算机教学实验环境，有效弥补传统机房管理和运维的不足。

1 传统机房管理问题

高校机房环境伴随IT技术的更新，就一直存在着“用户使用的个性化”与“机房管理的规范化”之间的矛盾，主要包括以下几方面：

1）软件环境受到物理设备性能的约束。机房PC的更新速度很难满足软件环境的需求。例如：科学计算软件、仿真平台软件、3D和绘图软件、开发工具软件、数据库管理系统等都无法在低性能的PC下很好的使用。升级设备的方法不仅成本高，而且难以跟上软件更新的步伐，不能从根本上解决问题。

2）机房中采用“还原卡”的方式控制用户对软件环境的随意修改，保护管理人员部署的教学环境，但也限制了学生和老师安装特定的教学软件环境，约束了用户进行软件的安装、选择OS环境、管理权限的使用、桌面布局习惯的更改等个性化的要求。实验作业也无法保留在实验设备上，设备环境的安全约束和个性定制方面的矛盾越来越突出。

3）实验环境的迁移困难。学生和教师的实验环境被固化在机房，学生必须在指定时间完成任务。不方便学生课下实验的任务。学生只能依赖U盘拷贝，回去后重新部署实验环境，该模式不仅效率低，而且有时无法实现。

虚拟桌面架构分离了物理设备和操作系统间的紧密耦合，解决机房管理中存在的问题，给出了一种高效地、低成本的解决方案。

2 虚拟桌面架构

2.1 虚拟桌面

虚拟化技术包含了虚拟存储技术、虚拟网络技术、虚拟服务器技术、虚拟桌面技术和虚拟应用技术等多个方面［2］。其中虚拟桌面技术在硬件、软件环境和用户间增加了虚拟层，解除了三者之间的耦合关系。用户可以通过任何设备，在任何地点，任何时间访问数据中心的属于个人的虚拟桌面组件，管理者可以对成百上千的虚拟终端进行统一认证、管理、分配和回收资源。

虚拟桌面技术能快速、批量地部署业务环境，并提供统一管理，众多虚拟化厂商也推出优秀的虚拟桌面产品，例如：VMWare Viewer和Citrix XenDesktop，本文以VMware的虚拟化桌面为讨论对象，讨论其在机房环境应用下带来的改进。

2.2 虚拟桌面架构

虚拟桌面架构的建立于数据中心虚拟化服务的基础上，其管理以托管服务形式交付，其架构的层次分为支持层、管理层、用户体验层［3］，如图1所示。

1）支持层提供基本的硬件基础架构和集中化的虚拟桌面资源池，主要功能包括：提供硬件资源的在线配置；实现物理资源的动态调整；确保零停机和零数据丢失；确保虚拟桌面具有高可用性（high availability，HA）等核心功能。

2）管理层强调桌面维护的高效性和安全性，提高管理工作的自动化程度，实现功能包括：虚拟桌面环境的批量部署；统一的监控；自动化更新管理；集中的应用安全策略；集中的防病毒管理；优化的操作系统管理；快速备份和恢复（Data Recovery）。

3）用户体验层强调对虚拟桌面安全的、灵活的使用，为用户访问桌面环境提供丰富的、友好的体验支持，客户无需对前端设备进行大规模的升级，确保较低的实施成本。用户体验层的功能包括：支持丰富的端点设备类型，包括PC、平板和智能移动设备等；支持网络低带宽下的高效数据传输；可离线的本地化操作模式。

图1 虚拟桌面架构的层次

3 虚拟化桌面在机房应用的优势

桌面虚拟化与传统PC的机房运作方式的根本不同在于虚拟桌面不再将系统固化在物理PC设备中，而将系统以文件形式保存于数据中心，通过网络将系统环境发布到客户端。虚拟桌面在机房应用上的优势体现在“用户使用”“机房管理”“运行成本”3个方面。

3.1 用户使用的优势

从教师角度看，教师无需要求机房管理人员打开“还原卡”为自己部署实验环境。教师可自主在虚拟桌面环境下配置实验环境，并可将配置后的虚拟桌面文件生成映像文件，用于克隆学生实验的虚拟桌面。

从学生角度看，传统机房的桌面环境是多人分批次共用一个桌面环境，桌面环境必须统一规范。学生必须在实验课堂上完成所有实验，并提交实验结果，实验环境和结果无法保留在机房设备上。在虚拟桌面条件下，每个学生可分配一个或多个虚拟桌面文件。学生既可在实验课堂上使用，也可在课下通过网络连接到自己的虚拟桌面。

3.2 机房管理方面的优势

机房管理人员的主要工作量将不再面向前端的PC环境，而是统一管理数据中心的虚拟桌面资源，确保后台物理资源能够满足虚拟桌面资源池的需要。虚拟化技术可以轻松实现在同一台PC上不同操作系统间的切换，不再需要反复的安装系统。管理人员主要的工作不是对系统的维护，而是针对资源的分配、部署和收回，极大提高了工作效率。

3.3 运行成本方面的优势

减少维护成本，虚拟桌面系统提供便捷的分配、部署和回收管理平台，虚拟桌面的生成采用克隆技术，具有较高的自动化程度。

压缩PC端成本，虚拟桌面技术将计算都集中于数据中心，极大的降低了对机房设备硬件性能的要求。

降低能耗成本，PC性能越高能耗越高，以瘦客户端模式运行则能耗会大大降低，耗电量不到PC的六分之一，其终端数量越多，则能耗上优势越突出。

4 基于虚拟桌面架构的机房环境建设

4.1 基于虚拟桌面架构的机房系统

基于虚拟化技术架构下的中心机房管理平台，建立在已有的企业级虚拟化基础架构平台上，虚拟化服务是虚拟桌面的支持层，通过统一调配多台物理服务器的资源，为虚拟桌面的运行划分必要的计算资源、存储资源和通信资源等。管理层包括了克隆模块、访问控制、补丁升级等，使得整套系统的维护更加高效。用户体验层是访问接口，确保虚拟桌面的用户体验达到本地桌面的效果。

VMware可部署基于虚拟桌面架构的机房环境［4］（见图2）。整个架构以VMware Infrastructure组件为核心管理着硬件资源，构成集中化的虚拟桌面资源池（Centralized Virtual Desktops）。平台中提供多种工具，如桌面管理器（View Manager）、虚拟机映像快速部署器（View Composer）、统一访问控制器（Unified Access）、活动目录（Active Directory）等。在前端的VMware View Client可接入后台虚拟桌面，离线桌面（Offline Desktop）是网络故障时的应急处理模块。

图2 基于虚拟桌面架构的机房系统

围绕虚拟桌面架构介绍相关重要组件：

1）虚拟化基础构件（VMware Infrastructure）为整个虚拟桌面资源池提供可靠性和安全性保障，通过HA和DRS保障虚拟桌面环境的稳定运行，具有自动化的负载均衡功能，提供简单的容灾和备份功能，具有很强的扩展性。

2）集中管理工具（VCenter、View Manager、Unified Access），VCenter可辅助机房管理员能够集中管理数千个虚拟桌面，监控整个虚拟机的运行，简化虚拟桌面的管理、调配和部署。通过 View Manager可以为前端用户提供账户管理、安全防护等功能。

3）快速部署工具（View Composer）可让用户快速创建与基于父映像的虚拟桌面文件，同时对用户数据和设置进行分段以便能够独立管理，因此修补和更新父映像链接的桌面时不会影响用户数据和设置，是实现机房前段个性化定制的必要支撑。

4）前台连接程序（View Client），该软件部署于机房PC、移动设备或瘦客户端，为用户连接和使用后台虚拟桌面资源池中的虚拟桌面服务提供接口。

4.2 基于虚拟桌面的机房管理模式

传统机房管理模式是针对大量PC设备的维护，确保每台PC的稳定运行。然而随着PC上各种实验软件的安装，必然导致软件环境的复杂化，软件之间的冲突，补丁升级和卸载困难等问题也越来越突出。大量软件也导致PC性能的下降，导致实验运行环境的恶化。因此机房管理人员强调对机器部署的规范化。

基于虚拟桌面的机房管理模式的重点是对数据中心资源的管理，确保虚拟桌面数量的增加不会耗尽服务端的资源。维护人员的主要职责是管理资源，具体任务主要包括：映像文件管理、虚拟桌面的部署和回收、系统运行监控和告警、日常维护和安全控制。

5 结 语

与传统分布式PC桌面系统的部署相比，采用桌面虚拟化架构不仅提升了管理人员的效率，也使得大量机房成本更加精简，整体运维成本更加低廉。虚拟化桌面架构为现代机房带来了移动计算、方便管理和低成本3大改进［5］。因此，随着虚拟化技术的完善和发展，虚拟桌面技术在辅助教学的应用中会更加广泛。

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