超融合多功能桌面云机房建设研究

杨会伟　陈珏　姚学军

摘要：针对传统机房建设成本高和管理维护困难，提出一种超融合多功能桌面云机房建设方案，先通过千兆网络将服务器连接起来，利用超融合技术软件将多服务器资源虚拟化，形成统一资源池作为云系统平台;再通过云资源管理平台有效管理各种云硬件资源，安装虚拟化平台生成应用服务器虚拟机以及用户虚拟机。根据实际需要产生多个基础镜像，学生通过登录不同的账户连接到自己专业所属的镜像系统即可，最终实现桌面云的多功能用途。该建设方案可大大降低建设成本、管理和维护成本，且能大幅度降低耗电量。

关键词：超融合;云计算;桌面云;资源池

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）26-0060-03

计算机从早期的晶体管模式发展到今天的大规模集成电路时代，目前正向第五代计算机过渡，计算机的应用越来越广泛，无论是任何行业、任何领域，计算机的应用已经成为必不可少的一部分。对高校而言，无论任何专业都会涉及计算机的应用，因而高校计算机机房的建设是专业培养学习的重要一环。传统的机房建设由于受到硬件资源、软件资源、网络带宽的限制，建设中面临许多困难与问题，常常要耗去大量的人力，做大量重复性工作;另外基于计算机的学习软件越来越多且升级速度越来越快，机房每隔一段时间都要进行新的软件更新和系统更新，传统机房软件的更新任务量巨大，哪怕是添加一个简单的软件，工作量都很大。计算机硬件性能密度的大幅提升、互联网技术的飞速发展以及软件智能逐步走向成熟，超融合以及云计算的出现完全打破了传统机房建设架构，多个计算机之间以及各个计算机的处理器、存储器、网络以及其他资源之间不再各自独立，都通过超融合软件进行了虚拟化融合，通过虚拟化管理软件的合理配置，打造出多服务器超融合多功能云桌面。将从根本上解决传统机房实验室建设管理的缺点，从根本上解决建设成本，提高管理效率。紧跟科技发展潮流，结合我校机房的特点，提出了一种超融合多功能桌面云机房建设方案[1-3]。

1 传统机房建设方案

传统通常由服务器、交换机、学生机、路由器通过网线连接而成。机房里有多台学生机，这些学生机通过交换机和服务器相连，根据服务器的不同的应用需求，服务器有多种类型。平时上机课，教师利用FTP服务器给学生布置任务以及提供资料，并在上机课堂结束时让学生提交上机操作结果;Web服务器和数据库服务器主要用于学期末学生的上机考试和各种国家或者省级的上机考试，Web服务器主要用于网页形式的考试，数据库服务器主要用于C/S模式的上机考试。通常情况下，为了避免各种类型服务器程序应用冲突，减少服务器的安装和调试时间，高校机房大都配备多台服务器，每台服务器专用于某一特定功能。如果上机课需要学生联网查找相关资料，可以将交换机连接与外网连接的路由器即可。具体结构如图1所示。

传统机房建设方案的特点：传统机房的建设受限于当时的计算机软硬件特性和网络特性，在机房管理中存在很多问题无法解决：（1）高校的机房尤其是公共机房通常涉及很多不同专业的上机课程，并且每学期的课程都不同，涉及上机环境不同，这样就需要每学期都要重新安装新的上机环境。传统的机房建设虽然服务器和学生机都可以通过交换机和网线连接一起来，但是对每台学生机和服务器来说又都是一个个独立的个体，运行环境都是在本地安装的，这就需要对上机环境的更新需要将每台电脑都要安装更新，这种任务量是相当巨大的，虽然现在可以通过磁盘映射来完成，但是每映射一次需要花费很长时间，并且需要保证映射过程中不会出现异常。（2）计算机软件的升级速度很快，这对硬件的要求也越来越高，导致对于硬件资源每隔几年就要进行更新换代，每台服务器之间没有联系，资源不能整合，单个服务器的性能随着软件的升级也面临淘汰，造成资源的浪费，机房建设费用年年大幅提高。

2 超融合多功能桌面云机房建设方案

随着计算机软硬件资源的飞速发展，网络速度的飞速提升，结合当今最新技术，打破传统机房建设理念，提出一种新的超融合多功能桌面云实验室方案，从根本上克服且降低传统机房建设存在的问题。具体方案框图如图所示：通过超融合技术，从底层硬件利用10G以太网交换机将多台服务器設备资源聚合起来，形成统一的、特性更强的服务器资源池和存储资源池，实现多服务器平台的无缝融合和横向扩展。在共享资源平台上利用虚拟技术构建多个用户虚拟机，从资源池中为其分配相应的满足特定要求的资源，用于部署虚拟桌面和应用服务器。部署的虚拟桌面和服务器通过千兆网络连接映射到终端，终端摒弃了传统主机加显示器的模式，而是采用专用云终端控制器加显示器的模式，桌面云终端通过账号登录即可访问特定的应用桌面，同一个云终端可通过输入不同的账号来访问不同应用的云桌面，从而实现多功能桌面[4-5]。

2.1 多服务器超融合架构技术

超融合技术是利用网络整合多模块硬件资源的软件系统。超融合软件是介于底层硬件平台和操作系统之间的软件资源。多服务器超融合架构就是通过统一的超融合软件（中间件）将多个位于同一网络中的服务器节点资源聚合起来，形成统一的共享资源池，将各个节点的各部分性能进行叠加，提升整体运算和存储能力，还可根据实际应用需求无缝添加新的服务器节点，进一步功能扩充和性能提升。

超融合架构因素：（1）超融合架构是在服务器上以构建虚拟机为中心，以让虚拟机运行得更有效率为目标，自顶向下进行系统设计。在超融合架构中，与虚拟机相关的数据存储、复制、快照等操作都是围绕虚拟机进行。（2）考虑兼容性Hypervisor支持。（3）效率I/O优化和数据效率。多服务器超融合架构如图2所示：

如图所示：根据需要将多台X86服务器硬件资源通过网络连接在一起，为了提高整体融合性能，网络采用高速的10G以太网交换机进行连接;每一台服务器通过软件定义的方式，紧密融合计算、存储、网络和虚拟化等资源，既形成一个超融合节点，多台超融合节点在同一网络中利用专用的超融合软件实现硬件资源的虚拟化，形成虚拟处理器资源池、分布式存储资源池、网络资源池以及其他资源，进行统一管理。

超融合架构将服务器+软件定义的方式替代了传统的专用硬件设备方式，从根本上降低了架构的复杂性，实现整体架构的按需扩展，减少了运行维护设备的种类，通过统一界面进行管理，维护和管理起来相对传统设备成本和任务量大大降低[6-7]。

2.2 多功能桌面云技术

云桌面是一种运用云计算方式，提供虚拟操作系统桌面及应用的服务，用户可以通过各种特定的终端设备通过网络随时随地远程接入到云桌面使用。桌面云技术是通过控制中心管理多个虚拟桌面，所有的终端设备不需安装任何操作系统和任何软件。所有软件的更新都在控制管理中心进行，且只需要更新一个基础镜像就可以了。对高校学生机房建设来说，管理维护任务量大大降低，针对每个专业配置专门的基础镜像系统，安装相应的专业软件，多个不同专业形成多个不同的基础镜像，学生在上机时只需要登录不同的账户连接到自己专业所属的镜像系统即可，最终实现桌面云的多功能用途。我们如果需要增添一些软件或者更新一些软件，只需要在相应的基础镜像上进行更新，然后重启虚拟桌面就可以了。所有的管理都是集中化的，大大节约了管理成本[8-9]。

云桌面系统架构分为桌面云终端设备、网络接入控制、虚拟桌面会话管理、云软件虚拟组件、云资源管理平台、桌面资源池。其中，云终端是一种特定的终端设备，通过网络与云服务器相连，用于访问桌面云中虚拟桌面，在学校机房建设中终端设备主要采用瘦客户机;网络接入设备主要包括光纤交换机、网关、防火墙等，通过相应的参数设置来进行接入控制。此控制部分可根据实际应用需要进行裁剪;虚拟桌面会话管理的主要目的是保证虚拟桌面的安全访问，通过对客户端用户的权限认证，并管理系统中所有虚拟桌面的会话，最终完成终端用户的连接请求与会话管理功能。包含桌面数据传输控制部件、Web接入辅助部件、桌面许可服务器部件、IT系统适配部件，所有这些部件都部署在虚拟机上。云资源管理平台是对各种云硬件资源（包括各种服务器资源）进行有效管理，通过在处理服务器上安装虚拟化平台来生成用户虚拟机，并根据实际需要为虚拟机分配一定大小的虚拟资源（主要包括处理器资源的分配和存储资源的分配），根据不同虚拟机的特点分别用作应用服务器以及虚拟桌面。

2.3 多功能桌面云机房优势

相比传统机房建设，多服务器超融合桌面云机房优势主要体现在以下几个方面：第一个方面是节省建设和运行成本。传统机房都需要采购传统的PC机，若采用与云桌面方案同等报价的PC配置，硬件性能一般，而且耗电都在250瓦以上，每一台PC都有一大堆的接插件，极易出现故障。云桌面终端功耗低，若使用 X86 架构也只有 20瓦， 平均每年可较传统计算机节省 大约95% 的用电成本。传统的多媒体教室，都是固化的本地性能，而操作系统和软件的硬件占用率越来越高，为迎合更高版本的操作系统和应用软件，每隔几年很多计算机硬件就要重新购买升级，而云桌面机房只需要升级服务器的性能，便能整体提高各学生端的运算能力。从长远看，云机房的直接投入成本低于传统计算机机房成本。第二个方面是降低运维成本，提升运行和维护效率。对于传统机房，学校内的计算机数量往往有数百台。如果针对几百台计算机进行维护和部署新教学应用，运维工作是非常复杂而繁重的。每台计算机的独立运行，不仅增加了授课教师及机房管理员的维护工作，同时也带来了很多的不安全因素。而桌面云机房使用智能客户端的处理能力，通过统一的界面进行管理，使运维和管理更为简化，通过智能桌面虚拟化技术，终端的操作系统镜像以及应用集中在虚拟桌面服务器中，可存储多个不同子镜像，服务器可根据不同的工作环境下发所需的虚拟桌面镜像给终端用户，可实现多个操作系统并排安装。在教师端云服务器系统管理平台中，只要做好可以实现批量快速桌面更新和桌面克隆，一键切换不同教学桌面，快速更新桌面系统和软件，有效提升了机房和终端设备管理和日常维护的效率[10]。

3 超融合多功能桌面云机房应用

3.1 多功能桌面云机房部署方案

将多服务器超融合技术与多功能云桌面技术有机结合，来建设高校机房，既可以充分整合服务器硬件资源，提高资源的共享性和使用效率，大大节约建设成本，又可以满足多专业多学科的多样性需求。结合学院开设专业以及课程特点，设计了一种多服务器超融合多功能桌面云机房建设方案如图3所示：部署步骤：（1）通过10G以太网交换机将已有的多个服务器进行互联，利用超融合技术软件将所有硬件资源虚拟化，形成统一的共享资源池，作为机房的桌面云系统平台;（2）利用虚拟化调度云软件对资源进行有效分配与管理，建立相应的应用服务器虚拟机和用户虚拟机，并将桌面云化和应用程序云化，形成基础镜像;（3）通过千兆以太网交换机及以太网络将云终端接入桌面云系统平台;（4）学生通过本专业分配的账号登录相应的基础镜像即可上机实验。

3.2 云机房部署方案实施

结合学生人数，一个专业云机房建设供80名学生使用，需80台学生机，1台教师机。本方案采用2台服务器负载部署， 平均每台服务器负载40点云桌面，可实现服务器高可用性和高可靠性，具体所需主要设备方案清单如表1所示。

4 结束语

高校机房建设是信息化教学发展中必不可少的环节，为了更好地实现机房的建设管理与维护，方便学生上机学习，必须紧跟科技发展步伐，利用最新技术代替传统机房建设方案，实现基于超融合技術的多功能桌面云实验室建设，既有利于与机房建设管理与维护，又方便广大师生信息化学习和交流，大大提高学校的信息化教学建设以及管理水平。

参考文献：

[1] 王郑，韩焱，单联春.通信运营商桌面云运用探讨[J].电信科学，2011，27（S1）：16-22.

[2] 方昕.超融合架构技术在高校数据中心中的应用[J].电子技术与软件工程，2017（14）：169.

[3] 王正刚，杨艳.桌面云技术探讨及企业运用分析[J].贵州电力技术，2014，17（11）：73-74.

[4] 龚向阳，王文东.一种面向多样化网络业务融合的SDN网络架构[J].中兴通讯技术，2013，19（5）：16-21.

[5] 邓红梅.虚拟化技术在超低渗信息安全管理中的应用[J].中国科技信息，2014（22）：109-110.

[6] 王嘉冰.云桌面在高校机房建设中的应用及研究[J].电子世界，2020（8）：156-157.

[7] 吴浩.云计算在高校机房建设管理中的应用探讨[J].数字通信世界，2020（4）：203-204.

[8] 魏冠华，张瑜.高校图书馆数据中心机房建设研究[J].科技创新导报，2020，17（8）：201-203.

[9] 沈楠.基于云桌面的高校计算机机房建设模式研究[J].淮北师范大学学报（自然科学版），2019，40（4）：67-71.

[10] 张立.虚拟云桌面系统在高校计算机实验室的应用研究[J].电脑迷，2016（3）：37-38.

【通联编辑：王力】

收稿日期：2021-11-26

项目基金：安徽省职业与成人教育学会教育教学研究规划课题（项目编号：Azcj2021216）;安徽省教育厅高校优秀人才支持计划项目（项目编号：gxyq2020120）;芜湖职业技术学院校级科研项目（项目编号：wzyzr202112）;安徽省职业与成人教育学会教育研究项目“智慧环境下基于‘三维度的《虚拟仪器技术》课程教学设计与实践”（azcg52）

作者简介：杨会伟（1982—），男，河南南阳人，工学硕士，副教授，研究方向为计算机应用和嵌入式仪器仪表。