一种基于VDI模式的高校实验室云桌面建设方案

高金金

(山西财经大学 实验教学中心，山西 太原 030006)

一种基于VDI模式的高校实验室云桌面建设方案

高金金

(山西财经大学 实验教学中心，山西 太原 030006)

虚拟云桌面利用虚拟化技术实现了一种新型的桌面体验方式。本文讨论并分析了传统计算机桌面在高校实验室中存在的一些技术与管理难题，介绍了基于VDI模式的云桌面在解决传统实验室所面临问题上的优势，最终给出了一种基于VDI模式的高校实验室云桌面建设方案。

云桌面；VDI；虚拟化；高校实验室；vSphere

随着教育改革发展的不断深入和国家信息化战略的进一步确立，我国的教育信息化已进入一个崭新的发展时期。其中虚拟化技术的出现为高校的信息化建设提供了革命性的技术基础，采用虚拟化桌面云的方式来解决计算机教学维护与提高计算机教学效率的矛盾，是一种新兴的有效解决方案[1]。本文以山西财经大学实验教学中心所属实验室的云桌面建设为例深入阐述云桌面在高校实验室中的应用。

1 传统实验计算机面临的问题

1.1 实验室现状

山西财经大学实验教学中心共有计算机实训室50间，3 000台实验教学用计算机，为全校16000余名学生提供实验环境。随着近年来招生规模的扩大和专业设置的丰富，现有实验用计算机配置较低、损耗较大、返修率逐年提高，已无法胜任日益增长的实验教学需求。前期我校已利用H3C CAS完成了实验室服务器虚拟化建设工作[2]。

1.2 维护困难

由于实验教学业务量的需要，终端计算机在数量方面的需求是巨大的。传统计算机零部件众多且功能复杂，伴随着使用年限的增加，设备零部件的故障率也在逐年提升。且这一问题在实验室这种业务终端规模庞大的环境下尤为突出，实验室维护人员的工作量也逐年提升，造成了实验教学用计算机硬件系统的维护困难。高校的实验业务有着一定的时效性，实验业务系统软件需要与时俱进，根据实验教学需求重新部署，传统计算机模式逐一部署工作量巨大，造成了实验教学用计算机软件系统的维护困难。

1.3 设施与业务耦合度高

高校各个学科专业之间实验信息业务较为独立，各实验室中的计算机往往按照其专业需求安装配置了相应的业务系统，这些业务系统具备一定的专业性，其通用性较低，对于其它的学科专业使用价值较低，设施与业务的高耦合度造成了基础硬件与专业的绑定，无法提高计算资源的利用率。

1.4 扩展困难

随着实验教学工作的不断探索与改进、实验业务系统软件的更新与换代，实验用计算机需要更多的计算资源作为支撑。传统计算机性能扩展较为困难，且扩展空间十分有限。一旦业务系统需求突破原有硬件设施可扩展上限，较弱的计算资源无法进行整合，原计算机会被整体废弃，造成实验室投资损失。

1.5 总体拥有成本(TCO)高

由于传统计算机存在以上的一些问题，这就需要大量的人力资源来解决这些问题，伴随着业务系统规模的不断扩大，人力资源的短缺问题更加突出，传统计算机在购置时相对较低的成本优势荡然无存，造成实验室较高的TCO。

2 VDI架构及其优势

2.1 概念和架构

虚拟云桌面基础架构，英文全称Virtual Desktop Infrastructure(VDI)，是一种云桌面虚拟化架构与部署方式。VDI架构利用虚拟化平台对集成与整合硬件集群资源进行虚拟化并合理分割成多个虚拟计算机，最终通过网络将虚拟计算机的桌面交付到客户的瘦客户端，使终端客户在低性能的本地计算资源的环境下实现计算机桌面的体验。

虚拟化是VDI架构的技术基础，瘦客户端并不具备完整的桌面体验，而是利用远程桌面一类协议通过网络连接访问被虚拟化平台系统所管理的服务器上的虚拟机桌面来获得完整桌面体验。图1为VDI架构图。

图1 VDI架构图[3]

2.2 VDI架构在高校实验室中的优势

2.2.1 易于维护

不同于传统计算机，VDI架构提供的云桌面所需的计算资源是被虚拟化平台所整合的虚拟化服务器，虚拟云桌面服务器在数量上远少于传统计算机的数量，且直面学生的瘦客户机结构简单、故障率低，这就大大减轻了实验室管理人员的维护工作量。

2.2.2 部署灵活

虚拟化云桌面服务器可以集中部署，亦可分布式部署在不同的区域，不受制于部署空间的限制。瘦客户端仅提供基础的远程桌面访问业务，与实验教学业务无关，无需专门为特定学科专业定制实验室，通过定制不同的虚拟云桌面实验业务系统镜像或模板即可快速针对不同学科专业部署实验业务桌面，使得实验室的空间资源和计算资源被弹性利用。

2.2.3 易于扩展

VDI架构采用Scale-Out方式整合的计算资源和存储资源具有很高的可扩展性，无论未来是在实验业务需求的计算资源方面还是系统整体规模容量方面都可采用横向添置虚拟云桌面服务器的方式实现扩展。单台服务器计算性能较强，其不可被分割的计算能力上限非常高，用于虚拟云桌面业务时能够有较长的生命周期，实现了对实验室投资的保护。

2.2.4 高安全性

云桌面来自于虚拟云桌面服务器，各实验业务系统桌面可被专业的实验室维护人员集中统一进行维护管理，易于软件升级或者漏洞修复，便于提升客户端的安全性。

3 方案设计与实施

3.1 需求分析

3.1.1 业务需求

属性移动教学用户数量3000位工作负载类别学生使用时间星期一至星期日,8:00-22:00访问方法AN身份验证方法标准Windows登录核心应用语音教学、ERP实训、金融仿真实训系统;编程类软件:C++、Java等;公共基础实训:Of-fice、Photoshop、金山打字通……操作系统Windows7用户能否安装应用可以用户能否使用视频720P用户能否使用音频IO可以监示器1个外联设备光驱,U盘,麦克风、加密狗(教师机)用户访问设备瘦客户机连接LAN

3.1.2 使用资源分析

RAMCPUIOPS网络带宽客户端缓存4GB2个vCPU308Mb/s2GB操作系统磁盘操作系统增量用户数据页面文件日志文件30GB105(GB)4GB100MB

3.1.3 资源需求分析

资源普通上课使用基础组件总和实际规划预留系数底层开销vCPU(核)6000286028100460.6RAM(GByte)6003863815042.50.8桌面空间磁盘(GByte)42300300426001065000.850%个人空间磁盘(GByte)80000800002000000.850%

3.2 虚拟化平台

为提升硬件资源的利用率，在虚拟化平台的选择上我们优先考虑以Hypervisor方式部署的虚拟化平台。现在支持Hypervisor的主流虚拟化平台有VMware vSphere ESX、Hyper-V和XEN hypervisor。大学实验室有着复杂的实验业务需求，这就需要虚拟化平台对Guest系统有着广泛的支持，vSphere在这个方面有一定的优势；vSphere vCenter对于大规模服务器集群的管理非常便捷。我们最终选定VMware vSphere虚拟化架构。

3.3 计算资源

以2路16核服务器为例，CPU核心按照1：8的虚拟比例，单个核心可以虚拟出8个虚拟CPU(vCPU)，则单台云桌面服务器可提供256个vCPU。40台2路16核心云桌面服务器即可满足10046个vCPU核心的需求。每台服务器需提供384G内存即可满足15042.5G的内存总需求，即单台服务器需配置24条16G ECC服务器内存。

3.3 网络设计

3.3.1 服务器之间网络连接

虚拟云桌面服务器之间网络通信主要涉及vSphere平台的一些高级特性，例如HA、实时迁移、弹性负载平衡等。这些业务对于网络通信的速率要求非常高、对于网络的实时性也有着一定的要求，这就需要一个低复杂度的网络拓扑和较高的通信速率。

1) 云桌面服务器间的通信网络独立于其他业务网络；

2) 网络接口全部为千兆以太网接口；

3) 二层交换机要求具有较高的背板容量；

4) 网络要求冗余备份；

5) 长距离的情况下使用光纤通信。

3.3.2 客户端与云桌面间网络连接

瘦客户端与云桌面虚拟机之间的通信内容主要为远程桌面连接协议报文，次要通信内容为文件传输协议。远程桌面连接协议内容主要包括桌面画面流、外设操作与控制等，这些业务对网络的实时性有较高要求，故网络连接不宜跳转多层路由，尽量通过二层协议通信。文件传输业务虽然对网络带宽的需求量较高，但此类业务使用频率较低，快速以太网即可满足需求。

1) 瘦客户端接入层交换机提供快速以太网接入；

2) 虚拟云桌面主机的接入网络由vSphere ESX提供虚拟千兆交换机接入；

3) 虚拟千兆交换机通过映射到虚拟云服务器物理以太网接口接入到汇聚层交换机，物理接口采用双千兆端口聚合以保障云服务器所需的吞吐量；

4) 汇聚层交换机与接入层交换机间提供千兆以太网络。

3.4 存储设计

Virtual SAN是一种Scale-Out[4]方式的虚拟化存储方案，对于vSphere ESX有良好的兼容性。为兼顾实验计算机IO性能与存储成本，在硬件存储设施架构选择闪存(SSD或PCI-E)作为高速缓存和大容量磁盘(HDD)作为容量扩展的混合存储架构。

为了保障数据安全与可靠，Virtual SAN在配置上采用完全备份方式，占据了50%的底层开销，这就需要多出一倍的基础存储空间。

裸存容量为106 500G+200 000G=31T，平均每台服务器7.7T磁盘。每台服务器选用900G的SAS硬盘9块即可满足存储需求。在SSD缓存方面，我们选择SAS硬盘容量的1/10作为高速缓存，需要2块480G的SSD闪存。

3.5 瘦客户机

在VDI架构下，学生用终端计算机并非为云桌面提供计算资源的支持，而是提供一个远程桌面连接的功能。连接虚拟云桌面需要通过瘦客户端的远程桌面连接协议的支持。

PCoIP[5]协议是VMware研发的一种新型远程桌面协议，支持多达4个显示设备，对于多媒体应用的支持要优于RDP协议，PCoIP基于UDP通信协议，对于网络的需求和开销都比较小。但PCoIP协议对CPU的开销和兼容性要落后于Windows集成的RDP协议。为了保障流畅的远程桌面体验，同时又需要兼顾特殊情况下的连接兼容性，对于瘦客户端的选择上要求同时支持PCoIP和RDP协议。

4 总结

基于VDI架构的虚拟化云桌面解决了传统高校实验室建设和管理中存在的维护困难、业务灵活度低、难以扩展和TCO过高等难题。我校云桌面实验室建设完成后获得了良好的成效，管理与维护工作量大大降低，实验业务安排也更加灵活，获得了在校师生的一致好评。伴随着实验业务服务器的虚拟化改造和实验室云桌面建设完成，我校实验室信息化建设取得了一定的阶段性成果，极大改善了公共教学环境。

[1] 秦涛,李占平.高校教学机房虚拟化桌面云建设实践探索[J].内蒙古师范大学学报(教育科学版),2015,28(9):24-26.DOI:10.3969/j.issn.1671-0916.2015.09.008.

[2] 高金金,李潞洋.基于CAS的服务器虚拟化在高校实验室的应用[J].山西电子技术,2016(6):13-14+31.

[3] 步入e桌面时代。http://www.sunmnet.com/info_detail.php?id=22

[4] 冷志强.基于分布式文件系统GlusterFS的横向扩展云存储的研究与实现[D].上海：复旦大学.2014.

[5] 李博.基于SPICE协议的桌面虚拟化客户端的设计与实现[D].广州：华南理工大学,2012,29.

A Cloud-desktop Construction Project of University Laboratory Based on VDI

Gao Jinjin

(CenterofExperimentalandTeaching,ShanxiUniversityofFinance&Economics,TaiyuanShanxi030006,China)

The virtual cloud desktop implements a new way of desktop experience through virtualization technology. This article discusses and analyzes some of the technology and management problems that exist in traditional computer desktop of university laboratory; introduces the advantages of cloud desktop based on VDI in deal with the problems of traditional laboratory; finally, gives a solution to the construction of the cloud desktop university laboratory based on VDI.

cloud desktop; VDI; virtualization; university laboratory; vSphere

2017-02-26

高金金(1988- )，女，山西吕梁人，硕士研究生，研究方向：基于内容的图像检索。

1674- 4578(2017)02- 0011- 04

TP391

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