计算机实验室虚拟云桌面的设计与建构

赵文静, 曹 忠

(1. 广州大学 实验中心 网络与现代教育技术中心, 广东 广州 510006; 2. 广州大学 物理与电子工程学院, 广东 广州 510006)

在信息技术蓬勃发展的今天,信息素养成为全球信息化对人们提出的基本要求。高校作为高水平人才的培养基地,担负着提高大学生信息素养的重要使命。计算机实验室是高校信息技术类课程的实验和实操基地,承担着全校学生的计算机实验教学工作。近年来,随着学校扩招和高水平大学建设步伐的推进,学生规模迅速扩大,对设备性能的要求也越来越高。传统实验室的运行和管理模式已无法满足教学需求,制约了学校对高素质、创新人才培养工作的有效实施。因此,采用先进的技术对实验室进行全方位改造,改变已有的设备运行和管理模式,成为目前实验室发展和建设的有效路径。云计算技术是近年来不断发展成熟的技术,云桌面是其最重要的应用之一[1],具有信息安全可靠、维护方便、节能、部署快捷等优势。因此,本研究立足于实验室维护和管理现状,结合虚拟云桌面技术,设计适合我校计算机实验室的虚拟云桌面系统,为高校计算机实验室的改造和建设提供借鉴。

1 计算机实验室存在的问题

计算机实验室承担全校学生的信息技术类实验课程,面向全校各专业,课程多、种类杂。目前,随着学生人数剧增,课程对实验环境要求显著提高,传统的单机管理模式使实验室的管理和维护处于效率低下、举步维艰的局面，其主要问题如下：

(1) 软件环境难维护。在传统PC模式下,由于学生的各种原因,常常导致系统文件误删、病毒入侵等问题,使得实验室单机维护工作量大,管理人员忙于应付各种故障的修复,工作效率较低。

(2) 硬件设备利用率低。在传统的单机部署模式下,实验设备在上课时段供不应求,在课后却又处于闲置状态,无法得到高效开放和有效利用。

(3) 实验室运行成本高。传统机房采用普通PC作为终端,大量使用终端使机房电力成本居高不下,更增加了总成本支出。

(4) 难以满足个性化的教学需求。在传统的机房管理模式下,所有单机需要网络克隆,并部署相同的软件环境。一旦因课程的变动和系统要求更新,维护人员需要将整个机房全部重新克隆,不但造成维护人员的重复劳动,而且无法满足师生个性化的需求。

2 虚拟云桌面技术

云桌面技术,即虚拟桌面系统,是通过在数据中心的服务器运行Windows系统,用户通过来自终端设备(传统终端设备和移动智能终端)的客户计算协议与后台服务器进行连接,将用户桌面虚拟化,使用户访问终端桌面就像是访问传统的本地安装桌面一样[2]。云桌面技术在不改变原有用户使用习惯的情况下,为IT运维管理提供了高效便捷的全新管理模式。这种虚拟桌面架构方式轻前端、重后台,绝大多数成本投入在后端资源建设。优势主要体现在简化桌面管理和更少的硬件采购、延长旧客户端硬件的使用寿命,实现了灵活调配、移动办公和更高的网络安全保障。

2.1 虚拟云桌面系统功能设计

我校计算机实验室开展虚拟云桌面系统的建设和实施,目标是利用云桌面技术,部署具有强交互性的、基于课程教学与实践教育为主的自适应教学云平台[3-5],除提供计算机实验教学外,还为师生提供丰富的实验教学资源,包括实验教学资料、学生实验数据备份、实验手册、教学视频、教师参考答案、学生答案模板、实验素材下载等,为计算机实验教学搭建全校范围的全方位互动式整体教育教学与实践平台,具体技术和功能架构如图1所示。

图1 虚拟云桌面系统功能图

平台采用任务驱动教学案例模式,以知识点贯穿教学案例的编排,内容组织灵活有序。采用“学习导向图”方式,明确学习目标,总体把控学习流程,使学习变得更有针对性。平台提供多种形式的标准化教学资源、开放性的平台,也可按需自行导入及上传教学资源,充分满足教学需求。强交互性客户端便于师生之间、生生之间与师师之间的实时互动,满足课程指导和催交作业等互动需求。完善的教学教务管理,实现备课、作业布置、作业提交、检查、评估等全无纸化系统管理。体系化平台管理,提供AppEngine接口,可与符合CMMI标准的项目管理系统、各种虚拟桌面VDI平台、考试系统、测试工具等专业引擎作平台级别的集成。

2.2 高可用集群式云桌面系统架构

系统采用高可用集群式云桌面[6]架构方式,这是是目前一种主流的架构方式,系统架构如图2所示。在后台配置服务器集群和共享存储设备,通过GFS文件系统进行统一管理,云桌面的镜像文件全部存储在共享存储设备上。服务器主要提供计算能力,构建起集群系统而无需配置更多磁盘。服务器上的虚拟机是无状态的,有状态的数据全部在共享存储上。因此,对任何一台服务器主机,管理平台会在其他可用的服务器上再启动一个虚拟机访问存储上的镜像文件,交付云桌面,进而实现高可用性。

图2 虚拟云桌面系统架构图

因为服务器集群与存储之间的数据访问量巨大且最为关键,因此它们之间需要建立可靠的网络环境,一般采用两台千兆交换机或者光纤交换机满足通信的可靠性要求。出现故障时,可能需要重新挂载共享存储设备,因此系统管理员要求具有基本的Linux技能要求。同时,在这种构架下,后台服务器和共享存储网络采用完整的冗余架构,当主机宕机时能够迅速迁移业务到其他主机上运行。由于桌面数据集中存储在共享存储设备上,集中管理和备份将会变得简单易行。维护方面对系统管理员有简单要求,系统出现故障时,需要能够使用Linux重新挂载共享存储。

2.3 终端接入方式

对于实验室的原有软硬件配置,终端接入方式采取在原有PC终端上安装桌面云软件客户端的方式实现[7]。在这种部署模式下,所有实验用的虚拟桌面存放于后台存储中,并接受统一管理。这种管理方式的主要优点在于不改变原有的系统环境，即可完成实验环境的虚拟化。学生可以随时接入到自己桌面,最大程度地实现原有终端的利用,进而节约建设资金。

针对新设机位,采用统一的云终端机接入[5],学生打开终端,输入用户名和密码便可以进行正常计算机操作。云终端的选择较多,可以选择Intel或者ARM的架构。云终端的配置如表1所示。

2.4 系统后台设计

桌面云通过将后台计算资源虚拟化形成统一的资源池,管理员根据实验的桌面环境要求,通过桌面云集控管理平台统一创建虚拟桌面并分配给对应的学生和教师[8]。由于桌面镜像及数据存放于后台存储中,学生在课后也能通过校园网链接到自己的实验桌面进行实践,有效地提高了实验室利用率。

表1 云终端配置表

以1 000个云桌面的规模,每个桌面采用Windows 7操作系统,每个桌面平均配置2vCPU,内存4G,硬盘80G(40G系统盘+40G数据盘),建议系统配置如表2所示。

表2 系统配置要求表

2.5 P2V系统迁移

P2V工具[9]提供将物理主机上的系统及数据完整迁移到虚拟化平台的功能,将现有的应用环境迁移到虚拟化平台,实现数据中心的云化处理,确保总体构架无单点故障,使环境易搭建、易备份、易恢复,进而保障业务的连续性。这种迁移方式能够大幅降低对硬件数量的需要,降低设备能耗、减少空间需求、减少空调、人力、保养等运维费用,应用程序在虚拟化构架上实现更高的可用性,确保业务连续性。以“镜像文件”实现应用环境的P2V虚拟化和整体备份,使应用环境不再紧耦合于硬件,应用环境更易备份、更易还原[10],图3展示了P2V系统迁移前后的系统变化。

在P2V工作过程中,首先将物理主机的硬盘通过克隆的方式,封装成为虚拟硬盘文件; 其次进行系统重配置操作(虚拟驱动的安装/升级和系统环境的预处理); 最后根据操作系统类型、系统环境,配置相应的虚拟硬件生成虚拟机[11-12]，P2V系统迁移流程示意图见图4。

3 实验室虚拟云桌面建设的意义

(1) 运维更方便快捷。高校计算机实验室采用虚拟桌面云,使系统维护变得简单高效。管理员在完成硬件部署之后,只需要通过后台批量创建虚拟桌面、绑定用户,即完成了系统的部署。部署完成后,用户登录即可进入自己的虚拟桌面。用户桌面存储于后台,管理员可根据不同实验课程需要,在管理后台为用户创建多个对应虚拟桌面,以满足课程需要。

(2) 大幅提高管理效率。桌面云的虚拟桌面架构是唯一实现操作系统级别管理的解决方案,可以方便地对所有的受控终端进行批量分配桌面、批量修改虚拟机资源、批量关机、远程协助等作业。相比传统PC桌面模式(管理人员大量时间浪费在系统升级更新、现场故障修复),采用虚拟桌面架构的管理人员,只要终端硬件无故障,几乎所有的管理作业都可以在后台进行,成倍地提高了IT管理效率。

图3 P2V系统迁移前后变化

图4 P2V系统迁移流程

(3) 实现便利的接入。虚拟云桌面建设实现了对实验环境的最大程度利用,让学生在课后仍然能够进入到实验环境,进行各项课程的实验学习。

(4) 实现故障的快速修复。通过桌面虚拟化改造,用户操作系统运行于后台,实现了与终端的分离。实验环境的各种软件故障,都可通过桌面云集控管理平台远程修复; 终端发生硬件故障不会对实验环境造成影响,只需要直接更换终端,即可进入实验环境,不会对学生业务应用造成影响。

(5) 实现总成本的降低。虚拟云桌面打造了一个近乎免维护的系统环境,后期的管理维护成本得到了大幅降低; 此外,通过引进低功耗的云终端,结合“桌面池”“虚拟机动态启动”“内存复用”“镜像自增长”等技术,将系统的计算资源和能源的消耗降到了最低,实现总成本的降低。

4 结语

高校计算机实验室采用虚拟云桌面技术,将虚拟桌面的计算资源与高校实践教学资源融合在一起,实现计算、存储、网络资源的集中化、共享化,将PC的处理能力集中到数据中心,实验室终端变成TC; 后台云数据中心给每个实验室终端提供虚拟化的“计算机”,通过云数据中心集中统一调度和管理,实现对资源的按需分配的管理。这种新型的管理模式不仅为高校师生提供了更加高效的实验室运行环境,而且极大地提高了实验室的管理效率,为高校计算机实验室的进一步发展和改进提供了新思路。