VDI私有云基于容量承载算法的性能设计

路 海，廖晓菊，张 曼

（中国工程物理研究院 计算机应用研究所，四川 绵阳621900）

0 引 言

采用虚拟桌面系统（virtual desktop infrastructure，VDI）技术后，桌面系统的IT 基础架构发生了重大变化，将原来分布式的计算能力、数据存储能力、网络交换能力集中到后端数据中心内。由于架构的巨大差异，驱动企业网VDI系统的数据中心需要密集的服务器设备和存储设备，这部分基础架构的成本占据了VDI系统成本的较大比例。因此计算和设计企业网数据中心内的VDI基础架构承载能力，成为了VDI系统设计的重要内容。错误的设计将导致严重后果——VDI系统因缺乏承载能力无法满足需求，或者因过分设计浪费大量的投资。在实际工程设计中，需要简便、有效、普适的方法测算和设计VDI系统的承载能力。

针对企业网私有云环境，本文给出了一种数据中心VDI基础架构的承载能力估算和设计方法。该方法通过计算VDI基础架构（服务器、存储和WAN 网络带宽）的关键性能和容量的承载能力，进而确定数据中心VDI基础架构主要的能力指标和规格参数。同时为了提高估算的准确性和适应性，本文给出了关键参数测试校准的基本方法。

针对VDI基础架构性能和容量的优化设计，本文总结了主要的优化途径。通过性能设计的优化技术可提升VDI系统的承载能力、降低成本。

1 企业网环境下VDI性能的关键度量因素

在企业网的环境下，VDI系统的性能包括：基础架构性能、虚拟化Hypervisor性能以及虚拟桌面系统内操作系统和应用软件的性能。VDI基础架构决定了VDI系统硬件提供的性能和容量。其中3个主要的因素是：计算资源性能和容量、存储资源性能和容量、网络性能和带宽。

VDI系统性能和容量视图如图1所示。

图1 VDI系统性能和容量视图

VDI基础架构性能和容量设计的输入是用户规模和用户工作量。用户工作量特指桌面用户利用桌面系统所完成的工作。用户工作量与用户角色、部门职能相关，不同类型用户的工作量差别可能很大。为了便于工程应用，在性能设计中可将用户分为2种类型：

（1）任务型用户：每次使用一个应用，以办公和字处理为主；

（2）知识型用户：每次使用多个应用，而且应用种类众多。需要支持多媒体和外设。

在开展系统设计前，需分别对各类型用户进行性能度量指标的测试和统计，如：CPU 利用率、内存分配率、网络带宽、磁盘IO 访问，利用性能评估公式计算VDI基础架构的关键设计指标。

2 计算资源性能和容量设计

将现有桌面用户迁移到VDI架构前，应对每个桌面用户分组的计算资源需求进行测算，得出承载虚拟化平台的宿主服务器的配置。关键度量因素包括：CPU 的利用率需求和内存的利用率需求。

以下评估公式用于计算VDI宿主服务器可承载虚拟桌面操作系统的容量P，其中宿主服务器CPU 资源可承载虚拟桌面操作系统的最大数量为Pcpu，宿主服务器内存资源可承载虚拟桌面操作系统的最大数量为Pmem

计算Pcpu所需的参数为宿主服务器CPU 路数S，宿主服务器CPU 核心数／线程数C，宿主服务器CPU 时钟频率H。桌面虚拟化系统CPU 保护系数α和单台虚拟化桌面操作系统对CPU 的需求β是两个经验系数

计算Pmem所需的参数为宿主服务器内存总量M。桌面虚拟化系统内存保护系数γ和单台虚拟桌面操作系统对内存的需求μ

CPU 保护系数α和内存保护系数γ为虚拟化平台运行消耗、计算资源利用巅峰、VDI负载过载等留出余量，其单位为百分比。以VMware ESXi 5.0为例，厂家α系数的建议值为10%—25%，γ系数的建议值为6%－15%。

在目前企业网环境下，虚拟桌面操作系统以微软Windows XP和Windows 7为主。根据厂商的技术文档，可确定通用用户桌面操作系统（Windows XP和Windows 7）的单台虚拟化桌面操作系统对CPU 的需求β和对内存的需求μ的经验值见表1。

表1 不同用户类型的β和μ经验值

式（1）～式（3）给出了VDI计算资源性能和容量的理论评估公式，然而实际VDI服务器系统的负载能力还需要根据用户桌面负载、硬件系统部署的具体情况进行测试。以以下测试系统为例：①宿主服务器：2 路8 核Intel Xeon E5－2600 主频2.4GHz内存128GB；②虚拟化环境VMware ESXi 5.1、VMware View 5.1、连接协议PCoIP；③桌面操作系统 配置：Windows XP 32 位专业版SP3，1 个 虚 拟CPU、1GB 虚 拟 内 存，Office 2007、Internet Explorer、Adobe Acrobat 9。

通过评估公式计算得出的可承载最大虚拟桌面操作系统数量见表2。

表2 不同用户类型的P实例值

实际测试中，对宿主服务器的平均CPU 利用率、存储利用率进行测量。以CPU 负载为85%的场景为例，测试结果与Pcpu评估公式测算的偏差为11.5%，与Pmem评估公式测算的偏差为10.6%。

测试环境下Pcpu和Pmem测量值如图2所示。

图2 测试环境下Pcpu和Pmem测量值

采用式（1）估算虚拟桌面操作系统的容量P 时，CPU需求β和内存需求μ是影响测算准确性的重要参数，需要进行测试校准。测试校准的主要方法是：首先确定用户类型，并根据功能需求将用户归类和分组；其次是针对每组用户桌面操作系统进行测试，设计若干组CPU 和内存配置样本，进行用户体验测试；最终满足接受准则的最低CPU和内存配置确定该组桌面操作系统的β和μ。

测试的重点是确定接受准则。特定测试对象的接受准则可能存在较大差异，但是以下接受准则适用于多数场景：

（1）常用应用软件打开时间小于5s；

（2）CPU 平均利用率低于80%；

（3）内存平均利用率低于70%；

（4）平均IO 延迟小于20ms。

在VDI环境下，采用内存和操作系统优化技术，可提升VDI的承载密度。以VMware ESXi 5.0 和Windows桌面操作系统为例，可利用的优化技术包括：

（1）透明页共享（transparent page sharing，TPS）技术是Hypervisor内存页面消重技术，适用于多台虚拟机运行相同OS的场景；

（2）内存气球（ballooning）技术可动态回收虚拟机占用的闲置内存，当VDI承载密度较大时，可有效提升物理内存的利用率；

（3）对Windows桌面操作系统的性能优化可有效降低Windows对CPU 的需求。例如：在 “视觉效果”中启用“最佳性能调整”选项、关闭休眠、禁用不必要的设备、禁用Windows页交换、禁用磁盘碎片整理、优化自动更新策略、删除桌面背景、禁用索引服务等。

3 存储资源性能和容量设计

VDI架构中，存储系统的性能是决定VDI性能的关键，其中关键度量因素包括IOPS和容量。

以下评估公式分别用于计算VDI系统存储IOPS和存储容量S。其中单个虚拟桌面操作系统所需的IOPS为IOPSos，用户个人业务文件所需的IOPS为IOPSdata，虚拟化平台所需的IOPS为IOPShyper。单个虚拟桌面操作系统所需的存储容量为Sos，用户个人业务文件所需的存储容量为Sdata

以Windows XP和Windows 7为例，IOPSos、IOPSdata、IOPShyper和Sos的经验值见表3。

表3 存储估算公式的变量参考值

以以下企业网VDI系统为例：

（1）100用户；

（2）以办公和文字处理为主；

（3）操作系统为Windows 7专业版；

（4）用户平均个人业务数据配额为20GB。

可通过以上评估公式测算出该VDI系统的IOPS和容量指标分别为：1600IOPS和5TB。存储性能和容量指标可为存储系统的配置设计提供依据。

以上评估公式给出了VDI存储资源性能和容量的通用测算方法，实际中还需注意IOPS的测算仅针对系统正常运行和用户正常使用的情况，不能应对VDI启动风暴、登录风暴、扫描风暴、备份风暴。因此在VDI系统的具体设计中，还需要设定运行策略规避以上极端情况的出现。

在VDI环境下，通过存储优化技术可提升VDI的存储承载容量和IO 性能、降低成本：

（1）通过SSD 或DRAM 存储缓存技术，提高存储IOPS；

（2）利用存储系统数据占位（data footprint）优化技术可有效地缩减虚拟桌面对存储空间的消耗。当大规模部署VDI时，重复数据删除、自动精简配置是非常必要的配置。重复数据删除与连接克隆技术结合还可提升VDI数据的IO性能；

（3）存储系统高密度承载虚拟机时，应采用虚拟机分区对齐（partition alignment）技术。分区对齐技术可将虚拟机的分区与存储分区边界对齐，可有效降低IO 读写次数，进而降低IO 延迟、提升存储IOPS和吞吐量；

（4）采用镜像动态组装技术、连接克隆技术，可令每组相同配置的用户组拥有共享一个操作系统镜像，可大大缩减用户桌面操作系统占用的存储空间；

（5）通过文件重定向技术、NAS集中存储技术，将用户配置文件（Windows profile data）、临时文件、用户数据与Windows系统盘分离，也可提升整个系统的存储性能。

以下是实际场景的一组实际测试数据。在存储IO 优化前，存储性能数据与评估公式测算的偏差为5.6%，启用了SSD缓存和分区对齐优化后，存储的IOPS指标提升了35%。

测试环境下IOPS测量值如图3所示。

图3 测试环境下IOPS测量值

4 网络带宽测算和设计

在广泛采用百兆和千兆以太网技术的局域网环境下，VDI系统端到端带宽需求是可以得到充足保障的。但是在需要支持分支机构的企业网环境下，必须对广域网的带宽进行评估和测算。

WAN 带宽估算公式如下，C代表确定带宽的广域网链路可承载的并发虚拟桌面会话数，B 代表WAN 链路带宽，X 代表单个虚拟桌面会话所需的带宽

在不同配置和使用场景的VDI系统，X 的变化范围非常大。影响X 的因素包括：

（1）虚拟桌面传输协议，包括：传输加密算法、传输压缩算法、显示渲染实现方法（服务器端或瘦客户端）；

（2）桌面系统配置的应用程序，以及用户的使用方式；

（3）桌面操作系统显示体验配置；

（4）视频播放和打印的解决方案。

因此在估算WAN 带宽能力之前，需先通过实际测试校准X。测量X 之前，应根据实际需求确定用户种类，再根据不同用户类型组，制定完整的测试环境配置计划，覆盖影响X 的关键因素以及对应的测试用例。

以下是在T1链路（带宽为1.544Mbps）PCoIP协议环境获取的典型办公VDI测试会话的流量利用率采样。如图4所示。

图4 T1链路VDI会话的流量利用率样本

测试显示VDI登录、关闭应用和注销对流量消耗较小。启动应用、应用导致显示变化较大时，流量负荷击中T1带宽上限。根据测试结果可得出以下一组X参数测量值见表4。

表4 一组X 参数的测量值

VDI系统WAN 带宽优化设计可围绕影响X 参数的因素开展：

（1）VDI传输协议的选择；

（2）Windows桌面操作系统的显示体验配置优化，包括：分辨率、色深度、基于最佳性能的视觉效果配置；

（3）通过广域网加速系统提升VDI打印的网络性能；

（4）通过广域网QoS保障视频播放效果。

5 结束语

VDI的架构要求数据中心IT 基础架构具备足够的性能和容量。通过对VDI性能因素的分析，提出了VDI基础架构关键性能和容量指标的承载能力测算方法，进而可确定关键设备的关键技术指标和规格。该测算方法适用于初步设计阶段对IT 基础架构的性能和容量的测算和设计，模型和算法简洁，对测试环境和测试工具的要求不高，便于工程应用。考虑到VDI系统及其影响其性能因素的复杂性，在工程实际应用中还应结合实际系统和使用场景，对不同用户类型进行分组验证测试，根据测试结果校准参数，利用估算公式准确量化系统的性能设计指标。

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