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云桌面技术在计算机实验教学中的应用研究

2021-09-27张建华,罗应机,肖中正

电脑知识与技术 2021年19期
关键词:云桌面计算机实验室虚拟化

张建华,罗应机,肖中正

摘要:随着云计算技术的成熟,高校计算机实验室逐渐由传统的PC实验室建设模式,转向基于桌面虚拟化技术的集中云管轻量化客户端模式。云桌面实施相对容易、管理成本较低、扩展性强、运维成本低。通过云桌面可以实现对机房、计算资源、网络资源、存储资源以及用户的统一集中管理,使实验室管理高效、便捷。

关键词:计算机实验室;云桌面;虚拟化

中图分类号:TP3      文献标识码:A

文章编号:1009-3044(2021)19-0114-02

1 背景

在传统的计算机实验室建设中,存在硬件不统一、管理维护困难的问题。受到建设预算、建设周期、硬件维修更新等因素影响,在后期导致会存在设备品牌,型号和性能的差异,从而增加维护难度[1]。当前计算机硬件更新换代周期越来越短,在设备使用一定年限后需要进行更新换代。这将导致造成较大的资源、财力浪费,极大增加管理成本。此外,实验室分布在不同区域、不同楼层,有软件进行安装与更新需求时,通常需要逐间教室或者逐台安装。当教室数量及点位较多,并且软件更新需求较为频繁时,需要投入的管理成本巨大。

随着云计算技术的成熟和应用的普及,高校计算机实验室逐渐由传统的PC实验室建设模式,转向基于桌面虚拟化技术的集中云管轻量化客户端模式。相较于传统实验室,云桌面计算机实验室可以实现资源充分利用、按需分配资源、随时随地获取资源;在管理方面具有实施相对容易、管理成本较低、扩展性强、运维成本低等优点。因此,云桌面技术如何基于现有的设备进行升级改造以及后续的迭代扩展,优化计算机实验室管理能力,是一个值得深入研究的问题。

2 虚拟化与云桌面技术

虚拟化是服务器将一计算机通过虚拟机监视器(Hypervisor) ,将计算机虚拟为多台逻辑计算机[2]。虚拟机管理器将硬件资源抽象成逻辑资源池。通过虚拟化把计算资源(CPU、内存)、网络资源、存储资源抽象成资源池,实现按需、按量分配。在资源池中,可以运行多个独立的虚拟机,虚拟机可以是不同配置、不同网络、不同操作系统。这样有利于計算资源、存储资源、网络资源的弹性分配,而不是像传统的方式,多个程序运行与同一个操作系统,即污染运行环境,也无法实现资源合理利用。虚拟机可以安装不同的操作系统,部署不同的应用软件。这样就实现了不同的计算机实验环境。通过轻量化的云桌面客户端连接到虚拟机,即可实现云桌面系统。这样一来,所有的核心计算资源、存储资源、网络资源集中管理起来,相较于传统的分散式实验室,显然极大提高管理效率、降低管理成本。

3 云桌面计算机实验室平台

3.1 平台架构

云桌面计算机实验室平台包括以下几个大块:

物理主机集群:这是核心虚拟化资源,属于平台的计算资源。物理主机集群由物理服务器组成,即是一台具备CPU、内存的计算设备;当日物理主机具备少量的存储空间,以运行必要的虚拟化程序。但物理主机通常不直接挂载大量存储设备作为用户数据存放设备。因为实际运行的虚拟机实例是浮动的,它可能根据系统状态热转移到其他物理主机运行。因此,虚拟机的存储设备通常使用外挂的网络存储设备作为虚拟机的硬盘。

存储集群:通常使用磁盘阵列作为高可用、安全的存储设备;当然也可以根据实际实验室建设投资预算,选择廉价存储设备作为存储集群,但需要做好副本备份。存储集群与物理集群之间建议使用万兆光纤连接,实现物理主机与存储之间的极低延迟读写操作。

虚拟机模板:虚拟机模板是设置、安装配置好环境的虚拟机。当需要某类云桌面实验室,只需要基于该类实验室的模板创建虚拟机即可,而不需要重新安装配置新环境。虚拟机模板通常由管理人员预先设置好,当然也可以支持普通用户建立主机的模板。

虚拟机:虚拟机是实际在运行状态的逻辑服务器,即云桌面系统。一个虚拟机会占用一定的计算资源、存储资源和网络资源。虚拟机的资源占用情况是按需分配的,并非在运行之初就占用预设的资源量。例如磁盘空间,假设分配50GB给到虚拟机,实际上虚拟机内的数据只有20GB,那么平台分配的文件只有20GB。

云管系统:云管系统是整个平台的管理系统,涵盖了物理资源、虚拟机资源、用户以及相关的业务审批等。云管系统使得所有的人、资源、数据都变得可管理,并且管理相当方便[3-4]。

3.2 云管系统

物理主机集群管理:物理主机是云桌面实验室的核心基础设施,是计算资源。当部署新的物理主机时,首先需要在物理裸机上安装虚拟机管理器,实现硬件的虚拟化。然后在云管系统上,配置接管新的物理主机,这样计算资源就进入了计算池,可以进行计算资源的按需分配了。物理主机通常以集群方式管理,这样可以实现虚拟机的热迁移能力。热迁移可以实现资源的动态调度,当某个物理主机资源不足时,可以实时迁移到其他资源空闲的主机运行。热迁移的基础是物理主机组件集群。

存储管理:存储分为本地存储和外部存储。本地存储是物理主机本地的存储设备,这些存储通常预留给主机运行用。外部存储是核心存储设备,存放虚拟机镜像、模板、用户数据等。存储设备在安装部署后,通过网络存储协议接入到云管平台,例如NFS协议。云管平台接管存储之后,就可以进行存储划分。如果存储设备有多个,则组建集群,根据需求可以实现多副本备份。当创建虚拟机或虚拟机模板的时候,镜像文件会存储到外部存储中,并且会有多个副本。而一些用户上传的对象文件,则以对象存储系统方式存储,例如Ceph。

网络管理:网络也是可虚拟化的资源之一。云桌面实验室以虚拟机私有网络为主。在云管平台可以建立多个不同的私有网络;不同的虚拟机可以接入到多个不同的私有网络。不同的私有网络之间是隔离的。假如两个虚拟机需要通信,则要保证它们处于同一个私有网络中。当然,如果需要访问互联网,就需要虚拟主机提供互联网访问权限。

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