多种主流桌面虚拟化技术在高校中的应用

文/马婧

计算机实验室是高校教学的重要组成部分，随着时代的高速发展，教学软件需求越来越多样化、教学实验环境更新日益频繁，使机房管理压力与日俱增，传统管理方式难以满足现在实验室发展的高要求。现在迫切需要一个新的实验室管理手段来提升高校实验教学管理水平。

1 目前计算机实验室需求

高校计算机实验室主要承担：实验课程、实验室开放、实习培训考试等教学任务.

1.1 快速部署系统和软件安装

计算机实验室一般用计算机公共课程和软件方面的专业课程，面向的学生人数多，实验任务繁重，教学软件种类也多，任课老师对软件多样要求，这就需要一台电脑上面安装大量的软件，往往里面会安装多个操作系统，满足不同实验课的要求。而且机房课程安排紧密，留给实验室管理人员安装软件的时间很紧张，需要能够快速部署系统和批量快速的管理软件的安装。

1.2 快速恢复系统

学生在使用计算机时，难免会修改计算机和软件的一些设置。为保证每次实验课都能够顺利进行，在每次学生用完电脑后，系统就需要恢复到上课前的电脑的正常状态。

1.3 集中管理计算机的平台

计算机实验室电脑数量众多，而且很多学校计算机实验室分布分散，为提高实验室工作人员管理工作效率，提高实验室利用率，需要后台集中管理计算机的软件平台。

针对上述需求，传统的解决办法：ghost克隆，保护卡等，但这些传统管理手段，问题很多，不能满足现在快速高效管理的实际需求。而桌面虚拟化技术可以实现对千台虚拟终端统一管理，统一分配和回收资源，渐渐成为现在高校计算机实验室管理的主流。

表1

2 桌面虚拟化技术

2.1 虚拟化技术

虚拟化技术就是把硬件和软件分开，通过虚拟化技术把单个物理单元虚拟成多个逻辑单元，同时简化了软件配置过程。这个技术打破了固有的物理设备限制的约束，把各种物理资源虚拟到资源池中，实现集中管理，资源共享。通过管理软件对资源进行按需定制，按需服务，从而提高了资源的利用率和灵活性。

现有虚拟化技术主要分为服务器虚拟化、网络虚拟化、存储虚拟化和桌面虚拟化（又称为应用虚拟化）4种。其中桌面虚拟化技术（desktop virtualization）是专门针对电脑桌面应用软件及运行环境的虚拟技术。它通过增加虚拟层将硬件、软件环境和用户三者之间实现解耦，通过高效的桌面传输协议，为用户提供安全、高效的虚拟桌面应用执行环境。

2.2 主流桌面虚拟化技术介绍

当前主流的桌面虚拟化技术按技术架构的不同可以分为： SBC、VDI、VOI等几种技术；

SBC即基于服务器计算模式。SBC方式是将应用软件统一安装在远程服务器上，再应用session会话的方式来实现服务器的共享，不同用户与服务器建立不同的会话，实现为多个交互用户提过服务，通过对服务器进行策略配置为用户定制不同的云桌面。它的工作原理是削弱操作系统事件层（例如终端设备输入输出等）和应用软件层之间的紧密耦合联系，在两者之间加入虚拟层，把用户端的输入输出信息通过桌面交付协议在服务器和用户端之间传递。SBC最大的优点在于服务器资源利用非常高，而对服务器和存储要求不高，其配置成本较低。一个4G内存、双CPU的服务器就可以同时运行50～100 个桌面会话。SBC缺点是服务器内多个用户以会话的形式同时访问应用软件，用户体验界面效果较差，而且只能支持Windows操作系统。同时要求应用软件必须是服务器版的，可以支持多用户访问。基于SBC的虚拟桌面只适用于业务统一且单一、计算量很小、用户规模较大的应用场景。如文科类专业实验室的计算机房或者企业办公。比较成熟的主流产品有VMware 的ThinApp、Citrix 的XenApp、微软的App-V 等。

VDI即虚拟桌面基础架构。VDI是桌面虚拟化的主流和经典模式，VDI方式是服务器作为一个资源池，在服务器中为每个用户虚拟化一个虚拟机，里面包含操作系统和用户需求的软件环境，然后通过桌面显示协议把完整的虚拟机交付给用户终端。VDI方式只把云桌面推送给了用户，而用户端的运算和数据存储都还是在服务器中完成。用户用完后，服务器再把虚拟机资源收回。每个用户都拥有独立的虚拟机，完整的操作系统，客户体验与传统计算机基本一致。因为运算与存储都在服务器上完成，目前在计算机实验室里面客户端一般都是是瘦终端，管理员根据实验课程制作这门课所需的实验环境模板，按照课表提前把云桌面模板发送到学生机上，当课程结束后，收回云桌面资源。软件的安装和更新都在服务器上进行，满足计算机实验室管理的集中管理，快速部署的需求。但系统出现故障时，重新给学生机发送一个云桌面，就能快速修复系统。

优点是管理员可以根据用户端的需求为每个用户定制专属的虚拟机。而且廋终端故障率比传统计算机低，管理人员维护容易。云桌面可以同时推送给很多移动智能设备（例如：学生笔记本，手机等），满足移动教学的需求。VDI模式相对其他两种模式，还有一个最大的优势在于硬件总拥有成本较低。因用户终端只用于连接，使用寿命比普通计算机要长。而且只需要提高服务器的配置，就可以提升实验室整体硬件性能，从而降低了性能升级成本。缺点是相对于SBC方式，用户端软件需求越高，VDI模式所需的物理资源越多，对服务器和存储要求较高，还需要配备廋终端，实验室初期建设成本比较高。例如：以一间80台计算机实验室为例，一台虚拟机若需要2G内存，40G的数据存储，就需要配备一台2路24核192GB内存的服务器，和3200G的数据存储硬盘。对网络的要求和依赖性高，不适合使用高清视频及大型图形图像等设计程序。同时不适应断网使用。另外对软件使用授权和外接设备的兼容性比较差。所以VDI架构一般比较适合计算机基础类实验室、图书馆借阅室等，对电脑硬件要求不高的实验室。主流的产品主要有：Citrix 公司的XenDesktop、VMware 公司的VMware Viewer、国内的江波。

VOI即虚拟操作系统基础架构是对VDI的一种扩展。VOI的工作原理是用户端从服务器加载配置完用户应用的系统模板到本地端保存，在用户使用过程中，运行和存储都在用户端本地运行，不需要交给服务器来完成，这样就大大削减了网络和服务器的压力。用户终端关机后，系统会自动清空用户使用后数据的缓存，还原系统的干净，同时避免病毒的滋生。系统的维护都在服务器端，满足实验室的集中管理需求。而且系统部署非常迅速，一个80台计算机的实验室，整个教室部署系统仅需要十几分钟。当系统损坏时，只需要重新加载对应的镜像模板，这个几秒钟就可以正常使用，灾难恢复速度很快。VOI模式相对于VDI最大的优势在于：用户端是完整的计算机设备，可以充分利用本地资源来处理科学计算及图形操作的运算，而不需要依赖服务器，即便服务器或网络故障，用户端也可以独立运行。因服务器仅保存镜像模板，一台入门级PC服务器即可支持多达数百台的终端运行。而且VOI不需要更换用户终端，服务器的成本也低，不需要大量资金即可完成实验室桌面虚拟化的改造。该架构的代表厂商有国内的和信创天Vesystem。

这三种模式都能满足实验室快速部署，集中管理，快速恢复，信息安全的管理要求，但在使用性能和成本方面又各有不同，具体对比如表1所示。

3 基于桌面虚拟化的应用

本校计算机公共实验室是整合了多个学科的计算机房的综合计算机实验室，共有12间计算机实验室，1000多台计算机。承接了学校大部分计算机方面的课程，涉及100多门课，应用软件数以百计，每年70多万人时数的实验教学任务。同时平时还对全校师生进行开放,还有各种考试和培训类教学计划外的工作任务。12间计算机实验室电脑购买时间和配置都不同，根据学校电脑更换要求，还不能同时更换。机房的任务非常密集和繁重，需要建立一个高效的管理运维平台，该平台需要解决现阶段传统机房管理模式中出现的问题，支持高效的集中管理，快速灵活的部署系统，快速恢复系统，并且支持数量多环境复杂的实验条件，满足各门实验课程与实验老师的教学要求。经过对多个主流的桌面虚拟化产品的考察和对比分析，结合实验室的实际情况，同时考虑到成本问题，目前实验室采用的基于VOI模式的桌面虚拟化系统。

图1

3.1 搭建平台所需网络环境

目前学校计算机机房所有教室之间，教室与服务器之间，还有每台电脑之间都是采用全双工千兆网络。而核心的主交换机采用的是万兆以太网交换机，并配备足够数量的光纤模块。保证能够满足VOI模式的管理需求，从而能够实现快速部署和恢复系统管理功能。

3.2 搭建VOI平台

服务器配置：2路16核48线程CPU，32G内存，2T固态硬盘

桌面云管理软件：集智桌面云管理软件

VOI构架平台的搭建流程：

（1）服务器管理安装操作系统和桌面云服务器管理软件。

（2）因不同教室电脑配置都不一样，需要制作不同的系统镜像模板。在各个教室选择一台电脑作为管理端，制作系统模板，再通过桌面云客户端软件上传到服务器。

（3）教室其他电脑开机自动部署。

具体流程如图1所示。

经过2年多的使用，解决了传统保护卡管理的一系列问题，系统运行良好，故障率低，提升了实验室管理效率，提高了实验室教学质量。

4 结束语

桌面虚拟化技术能够解决传统计算机实验管理出现的很多问题，渐渐成为一种主流的机房管理技术。随着现代虚拟化技术的快速发展，越来越多国内外高校应用桌面虚拟化技术手段来管理机房。本文构建的实验室桌面虚拟化管理方案希望能给高校计算机实验室桌面虚拟化建设提供一个借鉴。而如何应用现代化技术进一步提升实验室管理效率和实验教学质量，还需要广大教育工作者共同探索和研究。