基于虚拟桌面计算机实验室的构建与应用

曾宇胸

北京师范大学珠海分校 广东珠海 519087

实验室实训基地及平台建设

基于虚拟桌面计算机实验室的构建与应用

曾宇胸

北京师范大学珠海分校 广东珠海 519087

提出了一个基于虚拟桌面的计算机实验室的构建方案，从服务器端、桌面端以及管理维护三方面进行了详细论述，对系统运行情况进行了分析说明，同时还分析了系统存在的不足并提出了升级改造的设想。

桌面虚拟化；计算机实验室；设计；应用

虚拟化技术作为云计算时代的一个支撑性技术，近年来得到了快速发展。由于具有高利用率、高效率、高可用、低成本、低能耗等优势，它也被广泛地应用于教育领域，为教育信息化的发展注入了极大的活力。

虚拟化技术在底层分为计算、存储、网络三方面，在此基础上，衍生出了一些具体的虚拟化应用，常见的有：服务器虚拟化、应用虚拟化、桌面虚拟化等。桌面虚拟化技术首先在数据中心的物理服务器上进行服务器虚拟化，生成大量的独立的桌面操作系统(虚拟机)，然后使用专用的虚拟桌面协议，通过网络传送给终端设备。在计算机实验室(机房)中使用这种技术，可以很好地解决传统实验室存在的一些弊端。因此桌面虚拟化技术为高校计算机实验室的建设和管理提供一个好的思路。

本文介绍了一个基于虚拟桌面计算机实验室的建设方案，并对系统的应用情况进行了分析。

1 系统基本架构

虚拟桌面系统设计总容量为170个信息点，分布在两间实验室内，每间实验室包括84个学生机点和1个教师机点。

1.1 服务器端设计

核心设备由3台Dell R820服务器组成，每台服务器配置为4个Intel至强E5-4620 CPU，320 G内存，2个480 G的SSD硬盘，12个300 G的SAS硬盘，4个千兆网口。由于1个至强E5-4620 CPU有8个内核，再加上超线程技术，每台服务器可用的逻辑CPU为64个。12个SAS硬盘配置成RAID5，容量为3 T；2个480 G的SSD硬盘配置成RAID1，容量为480 G；每台服务器总存储容量约3.5TB，系统没有使用额外的存储设备。

虚拟化软件使用VMware vSphere 6，虚拟桌面系统使用VMware View 6。系统基本架构如图1所示。

图1 虚拟桌面系统基本架构

网络为千兆局域网，每台服务器都有2个网卡以组合的方式接入网络，这样为服务器的网络通信提供了冗余和负载均衡的功能。vCenter，vComposer，vConnector等管理组件均以虚拟机的方式安装在服务器1中，学生、教师虚拟桌面使用的170个虚拟机则均衡分布在3台物理服务器中，每台服务器运行大约60个虚拟机。

1.2 桌面端设计

在实验室中，学生和教师通过低功耗的瘦终端连接虚拟桌面。每个桌面虚拟机分配了4 vCPU，4G RAM，100G vDisk，安装Windows 7(64位)操作系统。桌面中安装的应用软件有：Office2013，Android Studio，Visual Studio2012，SQL Server 2012，Vmware Workstation 10等。

为了保证读取速度，所有桌面虚拟机的对应的原始镜像文件都保存在SSD硬盘中，而虚拟机在运行过程中动态生成的新数据则保存在SAS硬盘中。

1.3 管理设计

计算机实验室最常见的管理工作就是软件更新。本系统为每一个用户分配一个持久桌面，它保留了会话之间所有文档、应用程序和设置。虚拟桌面的重新发布在管理系统中通过桌面池的重构实现。由于使用链接克隆技术，大大加快了桌面镜像的创建速度，同时能大量节省存储空间。通常两间实验室所有桌面更新一次总时长不超过一个小时。

桌面系统每天中午和晚上各进行一次还原，还原通过对桌面池的刷新实现，刷新后桌面就恢复到了初始状态。具体的做法是在Connection服务器中设置一个定时任务：每天12:30和23:30对所有虚拟桌面对应的桌面池执行刷新操作。通常在30分钟内可以对所有桌面还原完毕。

2 系统应用情况

这两间实验室目前主要用于程序设计、数据库、操作系统等信息技术专业课程的实验教学，系统上线运行已有一年时间，使用效果令人满意，这主要体现在以下几方面。

2.1 使用情况

学生、教师使用虚拟桌面的响应速度与传统实验室基本没有差异，并且启动速度快，不会遇到蓝屏、死机的现象，应用体验明显优于传统实验室。

2.2 管理维护工作

升级部署一间教室大约30分钟就可以一次性完成，中间不会出现个别机器断网、死机的现象。管理员平时的维护工作大都在办公室内通过远程操作完成，实验室内的硬件基本上不需要进行日常维护；在一年中仅有6台终端出现故障。

2.3 数据统计表1和表2是本系统中2台物理服务器一年内的性能统计数据，可以看出，在系统主要资源中，内存平均使用率较高，已接近80%，而计算、存储、网络等资源仍有较大富余。

表1 服务器1资源使用情况

表2 服务器3资源使用情况

表3是其中一台学生桌面虚拟机一年内的性能统计，可以看出，分配给虚拟桌面的资源充足，预计在未来的2～3年都足够使用。

表3 一台学生虚拟机资源使用情况

综上所述，本设计方案设计合理，能够完全满足预先提出的实验教学需求，同时也为未来系统的升级改造预留了较大的空间。

3 问题与改进

3.1 系统可靠性

由于校园网设计问题，致使汇聚层交换机、网关与数据中心物理位置相隔较远，而虚拟桌面应用对网络的依赖程度非常高，一旦网络出现问题，整个虚拟桌面系统将完全无法使用。我们在使用过程中，就曾经出现过几次因校园网光纤被施工破坏而导致整个系统无法工作的情况。建议将汇聚层交换机、网关尽量安装在数据中心内，并增加冗余网络链路，确保网络的可靠性。

3.2 无法满足所有应用

一些对显卡要求较高的应用，如CAD、3D设计、视频编辑等本系统无法完全满足，这种情况在设计方案时已经考虑到。如果未来确需在本系统中上这类应用，则需要在物理服务器中增加一定数量的高性能显卡，利用vGPU的机制来实现。

3.3 添加桌面

目前每个终端仅使用一个桌面镜像，也就是所有教学软件都安装在一个操作系统中，这样经过一两年后，随着所安装的应用程序的添加，桌面系统会比较杂乱。建议未来将终端连接的桌面数量增加到2～3个，分成如程序设计类、数媒设计类等，为教学的使用提供方便。

3.4 系统升级

目前系统主要资源的使用情况是：内存资源已经达到饱和，但CPU、存储资源还有较大剩余。由于目前每台服务器所配置内存为320 G(20×16 G)，而该型号服务器最大内存容量可达1.5 T(48×32 G)，所以升级可考虑先从增加服务器内存入手，这样才能将其他剩余的资源充分利用。具体可以采取两种方式，方式一：将剩余的资源以虚拟服务器的方式提供给学院教师，用于教学、科研；方式二：将剩余的资源用于扩建新的虚拟桌面实验室，但这种方式还需额外增加相关软件授权的费用。

4 结束语

无论是从建设和维护成本，或是管理效率，或是节能减排的角度而言，基于虚拟桌面的计算机实验室与传统的计算机实验室相比，都具有明显的优势，可以完全替代由PC机构成的计算机实验室(机房)。不过这种优势只有在机位(信息点)数量具备一定规模的情况下才能体现出来，并且规模越大，优势越明显，这是在方案设计之初必需要考虑的重要因素。另外设计时还应注意要确保网络的高可用性，必要时可考虑增加备份网络链路和设备。

[1]Scott Lowe.精通VMware vSpherer 5[M].曾少宁,译.北京:人民邮电出版社,2014.

[2]Forbes Guthrie.VMware vSpherer Design :Second Edition[M].John Wiley & Sons, Inc,2013.

[3]Matt Liebowitz. VMware vSpherer性能设计[M].姚海鹏,译.北京:机械工业出版社,2015.

[4]Ryan Cartwright.VMware Horizon 6 DesktopVirtualization Solutions [M].Packt Publishing Ltd,2014.

[5]华为公司.虚拟化技术白皮书.[DB/OL].http://e.huawei.com/cn/marketing-material/cn/products/cloud_computing/cloud_computing/fusionsphere/r5c00/hw_401039.

Construction and Application of Computer Laboratory Based on Virtual Desktop

Zeng Yuxiong
Beijing Normal University, Zhuhai Campus, Zhuhai, 519085, China

Proposed the construction program of computer laboratory based on virtual desktop, from server-side, desktop-side and management and maintenance of three aspects were discussed in detail, analyzed the system operation status and shortcomings, proposed the suppose of system upgrade.

desktop virtualization; computer laboratory; design; application

曾宇胸，硕士，实验师。

北京师范大学珠海分校质量工程项目“计算机网络”精品资源共享课(编号：201426)。