实验室桌面云平台虚拟化技术研究

赵冬琴

(山西财经大学实验中心，山西 太原 030006)

0 引言

实验教学作为高等院校人才培养中重要的实践环节。信息技术与实验教学深度融合，教学资源和教学成果共享，教学质量和教学水平提升，成为高校实验教学建设的重要任务。

高校实验室位置分散，建设成本昂贵，管理和维护困难，实验教学资源不能得到充分利用。桌面云平台可以实现实验教学的管理，实现基础实验、跨学科综合实验、创新创业实验和科学研究实验的真正融合和共享；快速灵活弹性分配实验资源，节省投资、提高资源利用率、增强实验设备运行可靠性、减少能耗，支持移动实验终端[1]，最终实现实验室突破时空限制的真正开放。本文主要研究桌面云平台的核心技术，并对技术进行对比，最终选择适合高校实验室的桌面云平台虚拟化技术。

1 桌面云平台

桌面云平台主要由四个模块组成：云终端、终端接入网络、桌面云交互控制、桌面云数据中心。

云终端通过终端接入网络连接到桌面云数据中心，桌面云交互控制对云计算的终端权限进行验证，验证通过，云终端就可以访问桌面云数据中心的云服务。

云终端：用户和桌面云交互的设备。主要为传统PC机、笔记本、平板电脑、瘦客户端等设备。

终端接入网络:云终端访问桌面云的桥梁。可以是有线网络，也可以是无线网络。

桌面云交互控制：对用户访问权限的控制。保障服务安全，为用户快速提供自己所需的服务。

桌面云数据中心：最核心的模块，包括基层硬件层，资源管理层，虚拟服务器。基层硬件层负责计算、存储和网络，是桌面云数据中心向外提供服务的。资源管理层是将资源虚拟化，按需分配给虚拟服务器，实现对数据中心资源的管理。虚拟服务器是虚拟化技术虚拟出的服务器。

2 桌面云虚拟化技术

虚拟化技术主要包括服务器虚拟化，应用虚拟化，桌面虚拟化。桌面虚拟化技术是将计算机的桌面进行虚拟化，达到桌面使用的灵活性和安全性。

2.1 桌面云平台虚拟化技术架构

桌面云主流的四种技术架构[2]：虚拟桌面基础架构(Virtual Desktop Infrastructure，简称VDI)、智能桌面虚拟化架构(Intelligent Desktop Virtualization，简称 IDV)、虚拟操作系统基础架构(Virtual Operating System Infrastructure，简称 VOI)、远程桌面服务(Remote Desktop Services，简称RDS)。

VDI虚拟桌面采用集中管理，集中计算模式。虚拟化在服务器端，计算和存储也都在服务器端进行，客户端不运行软件也不存储数据。服务器端为每个用户准备专门的虚拟机，根据用户要求部署客户端所需操作系统和软件，通过加密的桌面显示协议，为远程用户提供完整的虚拟桌面。优点：根据用户的实际使用情况，可以灵活的分配服务器和存储资源，简化管理和部署。缺点是：服务器负载重，需要新购大量高性能服务器，对网络要求特别高，桌面体验不佳。

IDV云桌面是采用集中管理，分布运算的模式。虚拟化在客户端，客户端通过本地虚拟机运行虚拟桌面，支持离线运行，服务器端存放系统镜像，进行数据、镜像、身份和策略的集中管理。桌面运行系统分布在各个云终端，服务器是对各个桌面进行托管来加强管理。优点：适合于需要3D处理能力的应用，缺点：不支持移动办公和数据安全无法得到保障的，对本地PC硬件要求高。

VOI云桌面采用集中管理，分布运算的模式。没有虚拟层，客户端和服务器端都有虚拟磁盘存储数据。客户端运行软件和存储数据，服务器端进行管理。客户机启动时从服务器端将操作系统和应用加载到本地缓存，本地计算机可正常使用，支持离线运行。它不是桌面的交互是操作系统的标准化和交互，VOI核心是PXE无盘+缓存技术[3]，架构上和IDV类似，但没有虚拟层。优点：外设兼容性很好，没有性能损耗，可利用能稳定运行操作系统的旧电脑，缺点：不支持移动办公，管理不方便，维护成本高。

RDS云桌面采用集中运行，集中管理的模式。服务器端集中运行和管理。原理是基于多用户操作系统，根据用户数量配置服务器，在装有操作系统的服务器端安装共享云桌面的管理软件，批量创建用户，通过传输协议分发到客户端用户使用，终端用户共享一套系统和软件，独立操作，互不影响。

表1通过对四种技术架构的比较发现，VDI，IDV，VOI三种技术架构都有自己独立的操作系统桌面，而RDS是多人共享一个操作系统。VDI和RDS属于服务器集中计算，通过系统桌面和传输协议进行传输，桌面运行系统集中在服务器，属于云桌面。IDV和VOI是客户端分布式计算，桌面运行系统分布在客户端，通过系统镜像传输。

表1 VDI、IDV、VOI和RDS四种架构对比

高校公共机房(如文化基础课、编程、网页制作等基础课的机房)适合选用VDI架构，因为机房数量多，管理难度大。学院的专业课程机房，性能要求高，应该选用IDV架构，因为性能强，离线可用。3D机房，设计和影视类的专业课程，性能要求高的用VDI架构，利用显卡虚拟化，流畅运行3D软件[3]。运行各类复杂教学、科研工具类软件，连接外设(如耳机、光驱、U盘、音响等)多的实验室可以考虑VOI架构。

2.2 桌面云体系架构

桌面云系统主要分为三层，分别为用户访问层、虚拟资源层和服务管理层，如图2所示。

图2 实验桌面云系统机构

用户访问层：包括计算机、瘦客户机、手机等，为用户提供访问服务的方式。学校老师和学生可以通过瘦客户机访问桌面云数据中心提供的虚拟桌面。

虚拟资源层：提供虚拟化桌面环境和虚拟化应用。

服务管理层：一方面是对虚拟资源层的计算和存储及网络进行部署、配置和管理，另一方面是对质量进行监控，保证服务运行正常，管理用户权限、计费和系统的安全。实验室管理员可以根据用户需求和实际情况，对桌面云平台开启和关闭实验环境、时间段进行配置。

桌面云整个服务流程：用户通过计算机或者瘦客户端向虚拟资源层发送请求，虚拟资源层接到请求，向服务管理层发送用户信息，服务管理层对用户进行信息认证和需求确认，然后将信息反馈到虚拟资源层，认证成功，虚拟资源层根据用户需求分配相应的虚拟桌面资源。

2.3 桌面云远程实现协议

虚拟桌面的用户体验是桌面云系统的关键，用户使用终端设备通过远程协议进行访问，实现协议决定了虚拟桌面的响应时间和速度。目前提供桌面虚拟化解决方案的主要厂商包括Microsoft、VMwarer、Citrix以及Redhat，他们使用的协议分别为RDP协议、、PCoIP协议、ICA协议和SPICE协议。

RDP协议：即远程桌面协议，是一个多通道协议。通过图形界面访问另一个计算机的桌面软件技术。RDP协议结构分为网络层和功能层。网络层分四个层次[4]，由网络连接层、ISO数据层、虚拟通道层和加密解密层组成。功能层由功能数据层组成。Microsoft虚拟化产品采用的是这个协议。

PCoIP传输协议：基于UDP的底层数据传输和交换的高效通信协议，主要采用数据压缩、数据加密以及链接优化等技术手段，可以在低网络带宽情况下，将用户的会话以图像的方式压缩并高效传输，具有一定的网络自适应特点。PCoIP协议的桌面云产品有VMware Horizon View。

ICA传输协议：基于UXP协议，连接客户端运行环境和远端终端设备，通过ICA的32个虚拟通道[5]，将中心服务器上运行的数据重新定向到终端设备的输入输出设备上。支持各种类型的客户端设备，稳定性更高，用户体验更流畅。ICA协议的产品有Citrix XenDesktop。

SPICE传输协议：基于多层架构[6]，是实现对用户设备或主机虚拟服务器上可用系统资源的智能访问。以动态的方式判定桌面程序是运行在客户端设备还是主机服务器上。

表2为通过对四种协议性能对比，发现每种协议都不能使所有性能达到最佳，桌面云平台兼容支持多种协议，相互结合，可以使用户桌面体验达到最佳。

表2 RDP、PCoIP、ICA和SPICE四种协议性能对比

3 小结

桌面云平台建设要根据实际场景需要和预算选择，不同的实验室场景可以选用不同的架构，但是选用多套技术架构平台后，平台之间数据无法打通，后期管理、维护和扩容升级相当复杂。多技术融合[7]的桌面云平台可以保证一个平台满足所有桌面场景建设，解决预算、网络、图像要求和外设兼容性等两难选择，实现实验室统一管理，确保用户应用场所的全覆盖。多技术融合的桌面云平台是目前各大厂商争相研究的热点，也会是未来高校实验室部署桌面云平台的最佳选择。

桌面云平台建成后，将进一步完善高校虚拟仿真实验教学平台和网站建设，提高实验室平台的利用率，大幅提高专业学科的教学和科学研究水平，真正实现虚拟仿真实验项目的在线和开放。