胡嘉玮，吕玉龙，王 彦

(1．上海自来水市北有限公司泰和水厂，上海 201906;2．上海交通大学，上海 200030)

近年来，虚拟化技术在各行各业得到越来越广泛的使用。虚拟化桌面是指依赖于服务器硬件和软件的虚拟化，在机房服务器上按需进行，产生的独立的桌面操作系统(虚拟机或者虚拟桌面)，用户使用终端设备并通过网络进行访问，从而实现各种应用［1］。

自动化控制系统的基础架构对于保障生产设备的良好稳定运行，保证水厂制水和居民企业的正常用水有着非常重要的作用。由于现有架构在成本、管理以及安全可靠性等多方面存在不足，不能满足日益增长的对降低各类成本、提高管理效率和稳定容灾等方面的需求。

从传统基础架构存在高成本、分散管理、低可靠性而虚拟化架构在低成本、集中管理、高安全冗余性等3个方面进行较为详细的阐述。结合实际情况进行了分析，分别将两种不同的技术进行了对比。依此说明虚拟化架构比传统架构所具有的综合优势［2］。

1 对比分析

1．1 采购成本分析

目前传统架构使用的终端是诞生于1981年IBM公司的个人电脑。一台PC机的性能优劣，可靠性与否，主要取决于主机内部所采用的零件。以DELL Optiplex 3010主机为例，目前市场售价约为3 000元，质保为3年。能满足日常办公软件使用。以12台计算，采购总价为36 000元。

虚拟化桌面的硬件载体使用的是瘦客户端，由于操作系统和软件的运行都交给了更强大的服务器进行计算，因此客户端主要接收服务器提供的图像以及终端用户进行操作的反馈。这样就决定了瘦客户端无需像PC主机那样需要高计算能力与高能耗的设备，因此在设计上可以使用高度集成的计算机芯片与电路，使得各种成本有效地降了下来。以HP瘦客户机 T510-H2P21AA为例，一般市场售价为1 900元左右，质保3年。若将12台车间用主机替换为次类设备的话，采购成本仅需22 800元，直接采购成本下降36．6%。比价如表1所示。

表1 PC主机与瘦客户端采购比价Tab．1 Price Comparison of PC Host and Thin Client

1．2 使用成本分析

由于PC主机的固有的架构设计，考虑到中央处理器、硬盘、散热系统的消耗。一般商用主机功耗为300 W左右。以DELL Optiplex 3010的典型功耗265 W/h为例，根据车间24 h不间断开机使用的要求，结合企业平均用电费用计算，12台主机，一年的用电费用为22 285．4元。

瘦客户端采用的低功耗高效能芯片和电路直接使得电力功耗得到降低。以T510-H2P21AA瘦客户机为例，典型功耗为65 W/h。若以12台计算，一年365天不停运作，电费按均价0．8元计算。一年的电费为5 466．24元。直接电费成本下降75．5%，如表2所示。

表2 使用电费对比Tab．2 Comparison of Electricity Cost

1．3 管理效率分析

首先，传统架构的PC主机，基于硬件之上的是操作系统和各类软件。操作系统和各类软件往往因为各种原因，需要重新安装或者升级补丁安装新版本。在目前的管理方式下，往往先安装一次操作系统及其有关软件，然后做成硬盘镜像，分别再拷贝到其余主机上。但这种方法比较适合所有的设备都具有一样的型号和一致的零件配置。一旦有不同的型号，就需要进行个别的安装工作。同时，这两种方法，都需要技术人员至少准备一台备用机，在现场进行轮换作业。当硬件发生故障时，一般需要技术人员去现场进行排查，然后按企业流程提供备用机或零件，若一时零件稀缺，或者人员夜间无法及时响应时，还必须进行等待，期间对于生产服务则还可能需要中断［3］。

其次，当紧急情况下，需要对操作系统安装重要补丁的操作，就可能需要技术支持人员逐次逐台的进行操作，这对于希望能快速部署并提供不间断服务的企业来说，时间、人力和物力的消耗是比较高的。

在瘦客户机上运行的操作系统界面是由服务器提供给客户端的图像映射。实际上所有的运算处理，软件运行都是由服务器完成的，操作系统的文件也都储存在服务器上［4］。当技术人员需要对操作系统安装补丁或者升级软件版本时，可先部署在一台虚拟操作系统上进行测试。当测试通过需要批量部署时，技术人员只需要坐在电脑前通过几个简单操作，在较短时间内就可以完成批量的部署。而用户要做的可能仅仅是关闭瘦客户端，然后重启即可进入新部署的系统中。当然，现在的技术也允许维护人员对单个或者多个操作系统在某个备份点实时进行还原操作，避免因部署操作系统补丁本身的原因或者其他原因，而造成系统问题。

虚拟机运行在服务器上，虚拟的操作系统使用的CPU、内存、硬盘都源自服务器的硬件。现实中要对PC主机增加内存和硬盘，必须关闭主机，进行物理安装，特别是当操作系统的分区空间不够而需要进行扩容时，所要做的操作将更为复杂一些。虚拟操作系统可以实时增加CPU、内存，甚至是硬盘空间的实时增大，而用户在此时的操作不会有任何的影响［5］。因此，在一台服务器上运行多个操作系统，能高度集中和利用服务器资源。做到稳定、灵活、安全的资源分配［6］。

1．4 可靠性分析

PC主机内部，由各个零件组合而成。如主板、内存、硬盘、电源、风扇、中央处理器等。且一般商业台式机都按照7 d·8 h使用寿命设计。生产环境的24 h不间断使用对硬件的可靠性提出了极大的挑战。含有机械运动结构的硬盘、风扇以及发热耗能的电源都是高故障点。检修和替换这些部件，往往需要中断用户使用。同时，台式主机的体积和重量往往较大较重，对于需要快速替换的作业是不利的，增加了维护的难度和成本。

首先，PC主机的操作系统因主机零件的配置不同而不同，不同的硬件平台需要为操作系统进行不同的安装和配置。同时，在后期对软硬的维护上也增加了成本。虚拟操作系统立足于服务器硬件，服务器的硬件相对于PC主机将会是长期使用的，不太容易更换的。因此虚拟技术可以为部署于服务器上的操作系统提供统一稳定的硬件平台。这个平台不因瘦客户端配置不同而不同，在一个部署良好的虚拟环境，所有的虚拟操作系统的硬件都是一致的，这就加强了操作系统的稳定性和可维护性。

其次，PC主机是根据7 d·8 h工作寿命设计的，而泰和水厂车间是需要24 h不间断的运行，因此对设备的可靠性和后勤保障提出了更高的要求。众所周知，服务器完全根据7 d·24 h的运行寿命而进行设计和生产，基于这些硬件上的虚拟技术也具备了高可靠性和业务连续性［7］。同时，虚拟操作系统对于各种USB设备、存储设备、光驱设备都有完整的控制方式和方法，可以根据企业管理的需要进行自定义操作，可以开放或者阻止受控设备的识别和使用，保障自控内网的安全性。

最后，一个良好的虚拟桌面也包括了后台服务器端的冗余设计。冗余设计包括服务器与服务器之间的、多个网卡端口之间的、供电器及插座之间的、网络交换机之间的、硬盘存储阵列之间的等［8］。

2 架构实施设计方案

2．1 系统规划

虚拟化前端部分使用HP T510-H2P21A型瘦客户端为终端。配置如表3所示。该主机物理接口完全兼容于现有PC主机，无需更换其他输入输出设备，如图1所示。

表3 HP瘦客户端配置Tab．3 Configuration of HP Thin Client

续 表

图1 PC主机与瘦客户端物理接口Fig．1 Physical Interface of PC Host and Thin Client

后端使用HP ProLiant DL380e Gen8型服务器。配置如表4所示。

表4 HP服务器配置Tab．4 Configuration of HP Server

因瘦客户端的物理接口及网络协议完全兼容于现有网络，因此原网络拓扑结构不变，如图2所示。

虚级化技术，选用 VMware公司的 VSphere server配合Fusion技术实现虚拟桌面化技术，清单如表5所示。

图2 网络拓扑结构Fig．2 Network Topology

表5 虚拟化软件清单Tab．5 List of Virtualization Software

2．2 系统实施

实施步骤［1］如表6所示。

表6 具体实施步骤Tab．6 Implementation Step

续 表

3 结论

以PC主机为终端的传统基础架构占据着泰和水厂自控终端的主导地位，随着现代企业管理的要求不断提高，以及计算机技术的不断更新换代，改变了传统架构主导的局面。其主要原因表现在:总体拥有成本高，分散管理效率低，使用可靠性低。在这样几种不利因素的情况下，泰和水厂计算机专业人员开始寻求解决问题的道路，向虚拟化架构的转型成为一个重要的选择。

通过对比分析，得出结论:在传统基础架构与虚拟化桌面架构之间的比较中，以PC主机为终端的传统基础架构，无论在成本、管理还是可靠性三个方面要获得提升，就必须向虚拟化桌面技术架构进行转型。

［1］胡嘉玺．虚拟智慧:VMware vSphere运维实录［M］．北京:清华大学出版社，2011．

［2］马博峰．VMware，Citrix和Microsoft虚拟化技术详解与应用实践［M］．北京:机械工业出版社，2012．

［3］王春海，高红玮．VMware Workstation与ESX Server典型应用指南［M］．北京:中国铁道出版社，2012．

［4］ Eric Maillé René-Franois Mennec．VMware vSphere 5 虚拟数据中心构建指南［M］．北京:机械工业出版社，2013．

［5］ Haletky E．Vmware Esx and Esxi in the Enterprise:Planning［M］．USA:Prentice Hall，2011．

［6］ Kusek C．Vmware Vsphere 5 Administration Instant Reference［M］．USA:Wiley，2011．

［7］ Musumeci G．Getting Started with Citrix Xenapp 6．5［M］．USA:Packt PublishingLimited，2012．

［8］俞席忠．无盘工作站组建及应用［M］．北京:人民邮电出版社，2001．