程小康 张晓宇 李繁
摘要:随着信息技术与教育教学的深度融合,各种新兴技术在教育领域得到了广泛应用,其中就包括桌面云技术,而目前市场上主流的桌面云技术以VDI,VOI,IDV三种架构为代表,分别有着各自不同的技术特点和应用场景。以解决桌面云技术在校园多场景下应用的痛点问题为切入点,深入分析、比较这3种技术的优缺点,筛选符合学校实际需求的桌面云技术,通过融合架构的方式把以上技术进行有机结合,并最终实现在校园多场景下的应用。
关键词:桌面云技术;VDI;VOI;多场景;融合架构
中图分类号:TP319文献标志码:A文章编号:1008-1739(2022)09-38-5
目前,学校在信息化管理方面存在IT设备数量众多、分布广和维护难的问题。某学校现有25间公共机房、5间计算机专业机房、158间多媒体教室以及众多的办公电脑,以上设施在提升学校教学办公信息化水平的同时,也为学校的管理工作带来一定的困难。如何有效地提升校园信息化管理水平,满足师生更多的个性化需求,成为学校信息化建设亟待解决的问题。
桌面云技术以其“资源整合、快速部署、维护简单”等特点,为学校的信息设施管理,如PC机房、多媒体教室和办公电脑等提供了全新的管理运维模式,能够有效提升学校的信息化管理水平。但是由于不同的桌面云技术有其不同的适用场景,因此如何把不同的桌面云技术进行有机融合,实现在校园多场景下的应用成为重点。
随着云计算、虚拟化技术的日益成熟,桌面云在政府、企业、金融和教育等领域获得了广泛的应用和推广。2008年,基于Intel,AMD公司提供的CPU内核虚拟化技术,VMware,Citrix公司率先推出了桌面云产品[1],其实现的基本原理是在服务器上为每位用户创建一台虚拟机,由服务器提供虚拟机相关的计算、存储资源,虚拟机的桌面即为用户使用的虚拟桌面,这种技术架构桌面云称为Virtual Desktop Infrastructure(VDI)桌面云。基于VDI架构的桌面云技术具有业务部署快、资源调配灵活、桌面管理简化和运维难度低等优点,因此在很多市场领域获得了广泛的应用。但是由于VDI桌面云属于在线交付模式,使用性能受网络带宽、服务器配置等外界因素干扰较大,所以近年来出现了基于Virtual OS Infrastructure(VOI)和Intelligent Desktop Virtualization(IDV)架构的桌面云技术[2]。VOI和IDV桌面云属于离线交付模式,受外界干扰影响较小,尤其是VOI桌面云对外设硬件具有良好的兼容性,因此在一些特定的场景具有良好的可用性和适用性。
随着桌面云技术的深入应用,用户对于桌面云的需求变得越发复杂和多样化,尤其在多场景的领域,可能需要同时使用VDI,VOI,IDV等多种桌面云技术,数据资源的分离和缺乏统一的管理平台,增加了IT设备的管理难度和运维成本。
目前,学校的公共实验课程、计算机专业实验课程主要通过PC机房进行授课,共计30间PC机房,约2 500台教学电脑,大量的计算机维护给实验室管理单位带来了繁重的工作负担。实验室管理单位不仅需要保障实验教学电脑的正常使用,还要负责与实验教学相关的软件资源的维护和更新。同样,学校的158间多媒体教室也存在类似的问题。随着信息技术的快速发展,如何利用信息技术为教师提供更加高效、便捷的工作方式也已经成为学校关注的重点。桌面云作为一种新兴的桌面虚拟化技术,可以有效改善学校在以上场景遇到的困境。以下为学校的不同场景针对桌面云的实际需求:
(1)实验室
学校的公共实验室与计算机专业实验室主要是PC机房,所有的授课教学、课程实验全部在PC机上完成。用户终端的桌面运行以及数据存储全都在服务器上,能够实现资源的弹性分配,服务器、存储可以随时动态调整分配给桌面的CPU、内存和磁盘等资源,可以根据教学课程需求通过定制模板的方式快速部署实施不同的教学桌面环境,如Windows 7,Windows 10,Linux等。
(2)多媒体教室
虚拟桌面部署在教室电脑终端,由本地终端提供计算资源和数据存储服务,即使出现断网情况也不会影响正常的课堂教学。所有虚拟桌面由统一的管理平台进行管理,能够实现系统的快速统一安装和数据的增量下发。教师在多媒体教室可以使用相同的账号、密码远程访问、使用自己的虚拟办公桌面,从虚拟办公桌面中下载课件资源或者利用虚拟办公桌面直接进行课程教学。
(3)个人办公
改变传统的办公区域限制,教师不仅可以在办公室使用个人的办公桌面,离开办公室在学校的任何地方(包括公共机房、多媒体教室和图书馆等处)也可以通過漫游桌面访问自己的办公桌面环境。
根据市场调研及查阅相关资料,目前市场上比较成熟的桌面云技术主要包括VDI,VOI,IDV三种架构模式。
(1)VDI架构
VDI架构[2]属于在线交付模式,桌面云采用集中计算、集中存储的模式,即所有的计算资源和存储资源全部由服务器提供,云端能够实现资源的动态分配。只要保持网络可达,用户即可使用桌面云。VDI桌面云的架构模型如图1所示。
(2)VOI架构
VOI[2]属于离线交付模式,所有的计算资源和数据存储全都在电脑终端上,平台统一进行管理。相比IDV依赖Hypervisor的模式,VOI通过Doctor容器技术可以直接利用宿主电脑的内核。由于没有虚拟操作系统的概念,VOI能够更好地使用宿主电脑的硬件资源[3-4],从而提升虚拟桌面的启动速度,同时确保良好的外设兼容性。VOI桌面云的架构模型如图2所示。
(3)IDV架构
IDV与VOI类似,也是离线交付模式,集中管理、分布计算。与VOI模式的区别在于,IDV基于虚拟机技术,需要首先搭建虚拟物理环境,即Hypervisor,然后在Hypervisor上创建虚拟机,虚拟机包含所有的虚拟硬件资源,最后在虚拟机上创建虚拟桌面[4]。因此,相比VOI模式,IDV模式对于宿主电脑的资源使用效率更低。IDV模式一般适合于对于桌面云的性能要求不高、传统PC电脑可以利旧使用的场景。IDV桌面云的架构模型如图3所示。
根据学校实际的业务场景需求,综合分析、比较不同架构模式桌面云技术的特点,VDI,VOI,DVI三种桌面云的技术特点比较如表1所示[5],最终确定VDI+VOI融合架构模式的桌面云更加符合学校的实际需求。
鉴于桌面云各种技术适用场景的区别,学校的公共机房、计算机专业机房采用VDI架构模式,多媒体教室与个人办公采用VOI架构模式,最终通过统一的融合管理平台实现VDI+VOI桌面云的管理。
桌面云融合方案的实现主要包括2个方面的内容:桌面云的基础环境搭建和融合管理平台的部署。
4.1基础环境搭建
桌面云的基础环境搭建主要包括控制节点、计算节点、存储和桌面终端的环境部署4个部分,桌面云基础环境的拓扑结构如图4所示。
(1)控制节点
选择2台物理服务器通过HA技术建立主备模式,分别在2台服务器上安装相同的桌面云管理平台和心跳检测软件,其中一台服务器作为主服务器,处于运行状态,另外一台服务器作为备服务器,处于待机状态,2台服务器之间通过心跳线连接,服务器之间的局域网使用虚拟地址,对外提供统一的IP地址。当主服务器发生故障时,备服务器因为没有检测到来自主服务器的心跳数据(keepalive报文)即刻开始启用[6],同时对外提供相应的服务,主备服务器之间的切换时间<1 s,对于用户体验来说接近于无感知。
(2)计算节点
利用集群技术对所有承载桌面云计算资源的服务器进行分布式部署,对于基于VDI架构的桌面云,一个虚拟桌面的标准配置为Windows7操作系统、4 GB内存、64 GB固态硬盘,按照50∶1的标准(50个虚拟桌面对应1台服务器,服务器的硬件资源保持20%的冗余)规划服务器的数量、硬件资源。VOI架构的桌面云的计算资源、存储资源主要依赖宿主电脑,只有涉及漫游桌面时,需要使用服务器的计算资源。
(3)存储
存储的部署模式主要有4种:FC-SAN模式、IP-SAN模式、直连存储(DAS)模式以及网络附属存储(NAS)模式。相比其他3种模式,FC-SAN具备高带宽、低延时等优点,因此选择FC-SAN作为VDI桌面云的存储方式。
为了避免由于大规模的虚拟桌面同时启动产生的启动风暴导致存储系统无法及时响应业务请求,需要考虑如何提高IOPS的处理能力。目前比较常见的提升存储IOPS处理能力的技术是分层存储,即采用SSD与机械硬盘混搭设计模式,使用SSD作为前端IO的读写缓存,最终数据由机械硬盘进行保存,这种数据分层结构可以极大地提高IO性能[7]。
(4)桌面终端
由于VDI桌面云的虚拟桌面的计算资源、存储资源全部由服务器、存储提供,非本地化部署,所以针对桌面终端的环境搭建主要考虑基于VOI架构的桌面云。VOI桌面云的虚拟桌面部署分为2个步骤:①通过设置BIOS使物理PC从网络引导启动,配置桌面云管理平台和VOI桌面终端的IP地址等信息,建立终端桌面与管理平台之间的通信,然后通过云端桌面云管理平台下发应用容器引擎,或者通过U盘引导的方式安装应用容器引擎;②通过桌面云管理平台下发桌面模板文件[8]。
4.2融合管理平台部署
建立统一的融合管理平台,通过共享数据管理(包括教学资源数据、终端设备数据、模板数据和桌面数据等)、融合资源管理、基于多场景的DVI,VOI模板生成以及桌面漫游等功能设计,实现数据融合、资源融合、模板融合以及桌面融合[9-10]。
通過创建统一的资源池,实现桌面云的计算、存储、网络资源的统一规划、管理[11]。创建教学和个人场景,根据校园多场景业务的需求,分别定制基于DVI,VOI架构的镜像模板,公共机房选择DVI模板,多媒体教室选择VOI模板,办公室选择VOI模板,按需配置模板的硬件资源,包括CPU、内存和硬盘容量等。创建虚拟终端,划分终端归属类型,根据场景业务需求选择教学桌面或者个人桌面类型,最后把教学桌面或者个人桌面下发至相应的场景终端[12]。为了满足教师在多场景下使用个人漫游桌面的需求,通过复制个人桌面模板生成漫游桌面镜像文件,把漫游桌面镜像文件上传至个人桌面共享存储空间,学校教师可以在任何场景下通过个人桌面的登录界面访问漫游桌面,个人桌面与漫游桌面使用统一的账号、密码,个人桌面的增量数据变化与漫游桌面同步[13]。融合桌面云服务模型如图5所示。
桌面云的基础环境已经部署完成,为了验证是否达到预期的效果,需要开展相关的测试。测试内容主要包括以下几个方面:
(1)功能验证
主要包括虚拟桌面的镜像模板创建、下发是否正常、桌面的移动漫游是否成功、能否使用统一的账号、密码在任何地方访问个人的虚拟办公桌面。经过实测,以上功能全部能够正常使用。
(2)稳定性
由于VOI模式属于离线交付模式,外界干扰因素较少,稳定性较高[14],所以关于稳定性的测试主要针对VDI模式。主要测试在公共机房桌面云正常运行状态下突然发生任意服务器宕机或者断网时,虚拟桌面是否能够快速恢复。为了达到比较真实的测试效果,选择正在运行的任意服务器(承载50台虚拟桌面的计算资源)断开网络,根据观测在虚拟桌面断开网络的2 min 30 s后虚拟桌面恢复正常,即虚拟桌面漂移成功,桌面恢复时间在可承受范围之内,满足课堂教学管理的要求。
(3)IOPS处理能力
IOPS处理能力测试针对大规模的虚拟桌面同时启动时存储的请求响应能力[15]。选择公共机房的2 500台虚拟桌面同时启动,观测虚拟桌面的启动速度以及是否存在启动风暴现象。经过实测,没有发生启动风暴现象,虚拟桌面的启动时间小于50 s,2 500台虚拟桌面同时启动时IOPS为3.6万,远远小于存储的IOPS性能指标。
(4)镜像模板下发速度
镜像模板下发速度测试主要针对VOI模式,对158间多媒体教室的电脑终端同时下发虚拟桌面镜像模板,观测模板文件的传输速度。经过实测,对158间多媒体教室的电脑终端下发4 GB的镜像模板文件只需要不到3 min的时间,满足教学管理要求。
经过实际测试,基于VOI+VDI融合技术的校园多场景的虚拟桌面应用方案切实可行,满足学校的实际业务需求。
VOI+VDI技术的深度融合实现了桌面云在校园多种场景下的广泛应用,凭借镜像模板快速创建、下发,资源平台统一管理,虚拟桌面无缝漫游等特点[16],不仅有效改善了学校的教学、办公条件,而且减轻了学校的教学设备运维工作负担,提升了教学资源的管理水平,是信息技术与教育教学的完美契合。下一步,需要考虑如何拓展桌面云在教学领域的深入应用,使桌面云成为提升学校教育教学水平的有力工具。
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