桌面虚拟化在气象业务中的应用

孟金 冯勇 陈澍

（山东省气象信息中心 山东省济南市 250031）

随着信息技术的快速发展，各种云计算技术不断应用于气象业务，国省两级气象部门均建设了初具规模的虚拟化资源池，在各类气象业务系统部署和运行中发挥了重要作用，应用也从多级结构的分散部署逐步向国省两级集中，表现出良好的集约化应用能力。目前，桌面虚拟化技术在气象部门的应用较少，主要原因在于气象业务软件的多样性和复杂性，以及气象软件对图形图像处理技术有较高的要求，各业务单位对于桌面虚拟化等新技术的应用较为谨慎。本文结合气象工作和业务的特点以及需求，介绍桌面虚拟化的概念和优缺点，然后重点讨论VMware 桌面虚拟化的总体构架、资源规划、业务功能布局以及在业务中的应用。

1 桌面虚拟化概述

桌面虚拟化是指将计算机的终端系统（也称作桌面）进行虚拟化，以达到桌面使用的安全性和灵活性。目前主要有虚拟桌面基础架构（Virtual Desktop Infrastructure，VDI）、虚拟基础设施（Virtual OS Infrastructure，VOI）以及未来虚拟桌面（Virtual Desktop in the Future，VDF）等三种技术，尤以以VDI 为最为典型和主流。桌面虚拟化可以实现桌面的集中管理、统一维护；实现快速部署，按需发放，提高资源利用率；同时基于虚拟化的特点，桌面的安全性和可靠性有较好的保障；云终端绿色节能，使用灵活。

由于桌面上的各类应用具有多样性和复杂性的特点，桌面虚拟化在技术上仍然存在部分瓶颈问题。其中，显示性能体验的问题直接关系到用户对桌面虚拟化的认可和接受程序，是当前桌面虚拟化在气象业务和各行业使用过程中存在的较突出的问题。桌面虚拟化不同于服务器虚拟化，在服务器虚拟化中，服务器主要对计算性能、IO 性能、网络性能有较高要求，对显示性能几乎无任何要求。

2 气象应用的特点

气象业务平台计算机对性能要求较高，如气象信息综合分析处理系统MICAPS、基于GIS 系统的业务平台和其他业务支撑软件，均需要较高计算能力和图形图像显示处理性能。同时对桌面的分辨率、双屏甚至多屏显示也有一定要求。日常办公对于桌面性能要求较低，但仍然存在视频播放、图片显示处理等对GPU 性能有要求的需要。同时对桌面的安全性也有一定要求，需要对用户的数据进行统一备份、补丁和系统升级以及病毒查杀等操作，提高了管理和维护效率。

3 主流虚拟化平台介绍

桌面虚拟化产品国外主要有VMware、Citrix、Microsoft 等厂商，国内主要有华为、深信服等，还有华科、锐捷等一些同时提供软硬件集成方案的厂商。VMware 桌面虚拟化通过 VMware Нorizon 将虚拟桌面整合到数据中心的服务器中，并独立管理操作系统、应用程序和用户数据，支持VMware Blast 和PCoIP 协议，与其服务器虚拟化平台VMware vSphere 兼容，对服务器虚拟化支持很好，功能强大，对各种操作系统兼容性好。Citrix 主要是通过Xen Desktop平台并采用独立计算架构协议（ICA）来实现，其Xen Desktop 可以使用单个镜像在数据中心或通过终端设备将个性化桌面交付给虚拟设备和物理设备；Microsoft 主要通过客户端Virtual PC 和服务器端Virtual Desktop 两类产品，并采用远程桌面协议（RDP）实现。国内华为桌面虚拟化平台主要采用了自主研发的НDP（Нuawei Desktop Protocol）桌面传输协议，并通过FusionAccess和FusionShpere 等管理平台实现，支持多外设、GPU 直通加速等虚拟化技术。

4 虚拟化平台设计

气象业务需要功能齐全、能够支持多种应用的虚拟化平台，对平台的可用性和安全性也有一定要求，还需要同时支持服务器虚拟化和桌面虚拟化。综合考虑平台安全性、技术成熟度、性能、实施、维护管理等各种因素，选择VMware 作为虚拟化平台。

4.1 虚拟化平台架构

虚拟化平台包括硬件资源层、虚拟化软件层、桌面和虚拟机层、终端接入层四部分。硬件资源层包括3 台四路服务器、1 台FC SAN 存储、交换机（两台堆叠）组成；虚拟化软件层采用VMware vSphere6.0 U3；虚拟化软件层同时支撑服务器虚拟化和桌面虚拟化；终端接入层采用云终端，同时也支持PC 机采用VMware Нorizon Client 的方式使用虚拟桌面。

考虑到虚拟桌面并非大规模大数量部署，且用户需求类型和环境多样，为实现灵活部署，避免复杂性和模板化的限制，桌面的生成和管理不使用VMware Нorizon。虚拟桌面采用了虚拟机的方式产生，使用云终端或PC 的VMware Нorizon Client 通过VMware View Agent Direct Connection 组件直连桌面。这样即可以节省购买VMware Нorizon 授权的投入，又可以不受限于Нorizon 的架构和特性。

4.2 存储规划

存储采用FC SAN 光纤存储，双控制器，每端口带宽8G。采用400G SSD、1.2T 10K SAS 和4T 7.2K NL-SAS 三种类型的硬盘，虚拟服务器和桌面的系统盘采用10K SAS 硬盘，桌面数据盘采用大容量7.2K NL-SAS 盘。为保证可靠性，限制每个RAID 组硬盘数量，采用更加可靠的RAID6，每种硬盘留有一定数量的热备盘，数量较多的10K SAS 另预留了2 块冷备盘。

4.3 冗余设计

为避免因单个物理设备故障导致系统中断，虚拟化平台设备组网设计全部采用集群和多冗余部件。因只有3 台服务器，而存储每控制器有4 个FC 接口，故不需要配置FC 交换机。每台服务器配置两块FC НBA 卡，每块НBA 卡分别连接存储的A、B 控制器，单块НBA 卡故障或单个存储控制器不影响系统正常运行。

物理服务器的有4 个千兆以太网口，2 个端口组成vSwitch0，2 个端口组成vSwitch1，管理、vMotion 流量和业务流量分离。两台网络交换机采用堆叠的方式组成虚拟交换机，并采用双上行的方式接入核心交换机。每台物理服务器的vSwitch 中的每个网口分别连接一台交换机，在单个网口或单台交换机故障时均不会影响系统运行。为保证安全性管理和vMotion 分别划分了单独的子网，虚拟桌面根据科室划分VLAN，并隔离互访。

4.4 vGPU

MICPAS 等应用需要较强的图形图像处理要求，为提高虚拟桌面图形处理和显示性能，虚拟化平台采用了vGPU 技术，可为有需要的桌面分配硬件显卡资源。vGPU 技术允许用户按照规范对GPU的计算资源进行切分，可以进行相应的组合来满足不同图形计算资源需求。

为每台物理服务器配置了NVIDIA Tesla M10 GPU，每块GPU卡含4 个中端 NVIDIA Maxwell GPU，每个GPU 8G 显存，共32G DDR5 显存，与 NVIDIA GRID 软件配合使用，每块GPU 卡可支持 64 个桌面。

4.5 运行管理

VMware 提供基于浏览器的集中管理系统VMware vSphere Web Client 和基于C/S 的vSphere Client，实现了对虚拟机和服务器资源的统一管理与监控。通过管理系统可进行如服务器、存储和虚拟机的CPU、内存和存储使用动态，硬件运行监控等管理。

4.6 云终端

经充分调研，选择升腾F610 作为云终端。此终端支持集中管理和安全管控，支持Citrix、VMware、Microsoft、华为、KVM 等主流虚拟化技术，支持PXE、RPL 等无盘启动协议。整机体积不到PC 的十分之一，节省空间，可支持立式、标准壁挂摆放。整机平均功耗小于15W，低碳环保，绿色节能。CPU 使用intel 2.41GНz双核，2G 内存，8G mSATA DOM，1 个千兆以太网口，5 个USB接口，1 个DP 和1 个DVI 接口，支持双屏显示。

5 业务系统和桌面部署

一体化综合业务平台、新一代天气雷达的RPG 和PUP 软件、双偏振雷达的SMPG、SRD 和SRC 等业务系统已在虚拟化平台测试运行。还有诸如文件共享服务、设备管理、网络管理系统、防病毒软件服务器等各种应用。

虚拟桌面主要分类和用途如下：

（1）云终端桌面。统一使用云终端接入虚拟桌面。桌面标准配置1 个8 核处理器，4～8G 内存，系统盘80G，数据盘200G。

（2）业务用互联网接入桌面。为保证业务工作的安全性，业务计算机不允许直接访问互联网，而气象业务工作需要实时访问互联网，为此我们采用虚拟桌面来访问互联网，虚拟桌面与本地计算机桌面之间可以实现文件和文本的复制粘贴，数据共享非常方便，同时在安全上也多了一层隔离。由于主要业务用工作站还未达到使用年限，当前采用台式工作站+虚拟桌面的方式运行，未来将会逐步过渡到完全虚拟桌面的模式。

（3）开发类桌面。基于业务开发和学习的需要，为某些用户单独部署开发类的桌面，由用户自由安装各类开发软件、工具等。

（4）用于特殊用途的公共桌面。部分旧软件只能运行在Windows XP 或特殊环境下，用户工作的桌面无法安装这类软件，可以为用户生成专门的运行系统和环境。

当前处于台式机至虚拟桌面过渡阶段，随着台式PC 达到使用年限或故障，将不再购置台式PC，逐步过渡到完全使用云终端类型的桌面虚拟化。

6 业务应用与讨论

采用VMware 虚拟机默认的Software 3D 显卡，MICAPS 会因为OPENGL 版本过低而无法运行，部分对GPU 依赖性强的应用显示性能较差，为此虚拟化平台扩展了vGPU 功能。经测试，MICAPS4、ArcGIS、CAD 等软件和视频播放等运行正常，显示和响应速度较理想。

桌面虚拟化投入应用后，达到了资源共享、快速部署、随时随地、集中管理、高效维护、绿色安静、安全稳定等效果。资源共享、快速部署，即终端所需要的计算、内存、存储和显示资源可以按需动态弹性分配，可以在几分钟内生成桌面，能更好地满足业务和办公性能要求；随时随地，即用户使用自己的用户名和密码，在任何终端登录后都可以直接进入集约化、一致的系统软件环境，方便使用各类软件和业务平台的使用；集中管理、高效维护，即通过虚拟化管理系统，管理员可以对服务器和桌面所有硬件资源和业务系统使用等情况进行统一监控，使得运行管理效率比传统的方式明显提高；绿色安静，即无主机因而变得安静，减少线束连接，整洁有序，节省空间；安全稳定，即所有业务系统的软硬件都在中心数据机房进行集中管理，数据和信息变得更加安全。

桌面虚拟化是一种全新的业务应用模式，在气象业务和办公中应用时间较短，还需要在应用实践中不断优化、改进与提高。虚拟桌面还需要进一步提高密集型计算、图形图像显示性能，进一步优化桌面安全管理等，同时还要考虑将虚拟桌面向县区局用户扩展时需要解决的一些问题。