李力LI Li

（重庆电子工程职业学院，重庆 401331）

（Chongqing College of Electronic Engineering，Chongqing 401331，China）

0 引言

高等院校的数字化建设经历了突飞猛进的十年，如今高校机房已经成为教学实践最重要的设施，但传统IT 架构下的机房存在着诸多问题：

①资源利用率低：随着机房建设的陆续进行，必然会有配置上的高低之分。而根据课程不同，教学对机房设备的性能需求也是有高有低，这就容易造成硬件性能上供需失衡。②资源浪费：计算机的更新换代非常快，往往在两三年之内就会产生明显的功能性贬值。如果为了使性能保持主流水平，就必须频繁地报废、采购，造成严重浪费。③维护困难：传统的机房，通常依靠系统保护卡和网络同传进行批量管理，但机房成批次的更新换代，带来了大量不同型号、不同操作规范的软硬件系统，使管理和维护的成本增大，对人力资源也是一种浪费。④能效低下：一台普通的台式电脑通常需要最大输出为180W-350W 的ATX 电源适配器，按一个机房40 台计算机来计算，就会有7200W-14000W 的峰值能耗，既增大了运行成本，也不符合低碳的政策。

实际上，这些情况在其它行业也普遍存在。近年来越来越多的单位，如大型企业、政府机构等，已经开始尝试使用云计算来应对挑战，改善问题。在云计算的理念下，“硬件和软件都是资源并被封装为服务，用户可以通过网络按需地访问和使用。”[1]由于国内的广域网环境仍然存在着传输速率、通信容量等瓶颈，因此国人在云计算领域的尝试主要以私有云为主。从体系结构的角度来看，云的底层是由虚拟化技术实现。简单说，要实现私有云，其核心内容就是在内部网络环境里部署虚拟化解决方案。根据虚拟化技术的应用现状，本文认为，如果在高校现有的IT 环境下增加云计算基础设施，可以有效地改善问题。

1 虚拟化技术概述

虚拟化技术起源于大型机时代，在x86 硬件性能过剩的今天焕发了“第二春”。直观地说，虚拟化技术可以将单个物理资源抽象为多个逻辑资源，供多个用户分区复用或分时复用，从而节省资源、改善管理并提高利用率。[2]

最底层的虚拟化是服务器虚拟化，其核心内容是CPU虚拟化、内存虚拟化、存储虚拟化和I/O 虚拟化。目前较为成功的虚拟化产品均采用hypervisor 对虚拟机进行管理，其代码非常精简，且直接运行在硬件之上，无论是从性能还是安全角度来看，都比寄居于操作系统下的传统的虚拟机管理软件要强得多。[3]

桌面虚拟化则是在服务器虚拟化的基础上，将虚拟机及其操作系统整体提供给局域网或广域网用户。图1 展示了服务器虚拟化和桌面虚拟化的总体架构。

图1 服务器虚拟化和桌面虚拟化的构架

由图1 可见，服务器虚拟化能把有限的物理主机虚拟为若干台客户机，使不同的用户使用。桌面虚拟化则可以把虚拟机和其它虚拟资源进一步整合、优化，然后提供给远程桌面用户，并保证良好的用户体验。

2 高校机房桌面虚拟化系统设计和实施

2.1 系统设计 高校机房通常由普通的台式机构成，其最终用户以上机实践的学生为主，且多数是在课内使用。目前主流的桌面虚拟化整体解决方案中，VMware View 和Citrix Xendesktop 占了绝大部分市场份额。文献[4]对两种产品进行了综合的性能测试和评价，主要结论是：由于有更优秀的HDX 协议，在广域网环境下Xendesktop搭配VMware vSphere 是最佳选择；但对于局域网下的性能则是View 更好，部署也更简单。考虑到高校机房本质上是建立在局域网之上，因此选用View。

多数高校都将各个院系分布在不同的教学楼，如果每个建筑都有若干机房，可以在每个楼层或每个机房部署一个小型的服务器集群，分别实现单个机房的桌面虚拟化。采用这种方案，在管理上仍然是分散的，不同数据中心之间难以实现资源共享和负载均衡（或者能实现但开销过大），因此意义不大。

如果集中化建设，将所有用于虚拟化的服务器都放入同一个数据中心，再通过网络让其他楼宇共享，则可以拥有最好的资源利用率，最好的硬件整合效果。但同时也有两个问题，其一是吞吐量巨大，对校园主干网络的要求非常高；其二是当前的高校提倡各院系独立自主，集中化可能引起后期管理上的矛盾。

折中的方案是给每个院系（通常也是每栋教学楼）配置一个中等规模的数据中心，如图2 所示，采用这种方案，设备不会过度分散，也不会在管理维护上涉及跨部门事务。

图2 以楼宇为单位分别部署桌面虚拟化的网络环境图

2.2 系统实施 在虚拟化环境下，后台所依靠的基础构架组件均可以由虚拟机担任，因此首先在物理机上安装EXSi，即前文所提到的hypervisor，随后通过控制台在该服务器上建立虚拟机。为创建桌面虚拟化的基础架构组件，需要多台虚拟服务器，清单如表1 所示。

表1

组件部署完毕之后服务器上剩余的硬件资源就是可以分配给机房的计算资源，由于桌面虚拟化的整合率通常可以达到1:16，因此可以大致算出在中等工作负载下，一台服务器的资源可以提供16 个虚拟桌面，以取代传统的16 台PC 机。根据不同的教学需求，可能有更轻量化的工作负载，整合率甚至可以达到1:50。

对于不同的课程，可定制不同的桌面模板，分别安装所不同的软件。制作好模板之后生成非永久桌面池，使桌面可以回滚到初始状态，这样就相当于实现了硬盘保护卡的功能。此外，一旦机房的课程内容发生变化，只需要简单的切换桌面池即可。

2.3 网络和存储的优化 为了使虚拟桌面能够有良好的用户体验，需要稳定的连接。机房内的网络环境至少需要千兆以太网，而在汇聚层的层面上则需要更高、更稳定的速度。

在存储方面，如果单个数据中心提供的虚拟桌面数量少于5 个机房的终端数，可以采用廉价的iSCSI 磁盘阵列；而在更大规模的应用环境下，应当使用FC-SAN。[5]磁盘阵列最好是采用RAID 10，这是由于机械硬盘容量大，价格低，因此即使空间利用率较低也可以接受，而RAID 10 的IOPS 较高，更能保障虚拟桌面的流畅。另外在虚拟桌面启动时，I/O 的存储负载会大大加重，特别是刚上课时，大量的虚拟桌面同时启动，必然造成性能急剧下降。因此可采用一个有SSD 构成的存储池，用于存放虚拟桌面的原始镜像。由于有着优秀的响应速度，使其即使是单个SSD 也足以满足整个课堂的IOPS。[6]

3 结束语

在机房部署桌面虚拟化之后，可以得到多方面的收益。概括说来有以下几点：

①简化管理：传统模式下的机房，通常需要大量的管理员。机房数量的和管理员的比例通常在4:1 左右：而部署了桌面虚拟化之后，管理员的数量可以减少一半以上。②资源利用率：虚拟桌面可以迅速地切换桌面池，使对应的计算资源能够被合理地分配到需要的用户，避免了“高需求用户使用低配机房，低需求用户使用高配机房”的现象。③设备利用率：传统机房在投入使用两三年之后，就开始出现性能下降的趋势（当然这个下降主要是由于需求升高引起的），如果缩短使用年限，则必须重新采购，这就造成了资源浪费。桌面虚拟化可以将更旧的机型作为瘦客户端使用，发挥余热。④更好的扩展性：一旦性能出现瓶颈，不必大量地重新采购PC 机，只需单纯地扩充数据中心的少量服务器即可。⑤硬件经济性：大量瘦客户端搭配少量服务器的价格远低于同样数目的PC 机。⑥软件经济性：采用虚拟化，软件成本将会根据实际的使用量而支付，而并非预先购买许可。⑦能效经济性：标准瘦客户端的能耗通常只有25W。即使采用旧PC 充当客户端，由于不涉及本地存储，且CPU 仅提供远程连接所需的基本运算，能耗也远低于正常的工作负载。虽然数据中心会集中产生更多的能耗，但相比满载运作的数百台PC 机仍然具有能效上的优势。⑧防盗压力减小：由于PC 机的内部硬件都符合IBM 兼容机规范，拔之即得，插之即用，因此机房里PC 机的配件失窃向来是安全管理的难题。瘦客户端的配件不具兼容性，若采用旧有PC 机担任瘦客户端，也会因为其硬件太过古老，和当前主流配件存在代差，无法兼容，没有窃取意义。

值得强调的是，虚拟化具有规模效应，规模越大，上述优势就愈加突出。在高校机房里实现桌面虚拟化，既能在教学运行、维护管理和经济效益等方面带来实际的好处，又能使高校的信息化建设更符合云时代的发展方向。

[1]虚拟化与云计算小组.云计算宝典:技术与实践[M].北京：电子工业出版社，2011：9.

[2]张耀祥.云计算和虚拟化技术[J].计算机安全,2011（05）：80.

[3]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,2012：11-12.

[4]Schultz Keith.VDI shoot -out:Citrix XenDesktop vs.VMware View[J].InfoWorld.com，2011 ProQuest.

[5]吴婷.SAN 网络数据存储在数字化校园网中的设计和应用[J].电脑知识与技术,2012，08(5)：999-1000.

[6][EB/OL].IOPS and Virtual Desktops.http://whiptail.com/blog/iops-and-virtual-desktops/.