實(shí)驗(yàn)室管理應(yīng)用虛擬桌面技術(shù)探究

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摘要：高校傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)機(jī)房的還原卡系統(tǒng)管理方式正受到虛擬桌面系統(tǒng)應(yīng)用沖擊。實(shí)驗(yàn)室管理人員也亟須了解虛擬技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室管理中的應(yīng)用原理以及應(yīng)用虛擬技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)和傳統(tǒng)的還原卡管理終端模式的差異。通過介紹虛擬桌面系統(tǒng)常用架構(gòu)的利與弊、目前市場上的虛擬桌面系統(tǒng)的技術(shù)原理，提出實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的參考建議。

關(guān)鍵詞：還原卡；虛擬化；桌面虛擬化；技術(shù)原理

一、虛擬化技術(shù)概述

虛擬化是通過從一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)建資源或設(shè)備的虛擬版本，模擬硬件功能以創(chuàng)建基于軟件的IT服務(wù)的一項(xiàng)計(jì)算技術(shù)。分布式技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了虛擬化技術(shù)的快速發(fā)展，各種虛擬化產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，如在高校實(shí)驗(yàn)室管理中的桌面虛擬化系統(tǒng)。目前，各種虛擬化技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)還沒能涇渭分明，CPU虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、服務(wù)器虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化、應(yīng)用虛擬化和桌面虛擬化成為目前五種主流虛擬化技術(shù)。

1.虛擬化技術(shù)的優(yōu)勢

一是可節(jié)省資源。虛擬化技術(shù)可以將一臺(tái)計(jì)算機(jī)用作多個(gè)虛擬機(jī)，意味著可以最大限度地利用企業(yè)已有的服務(wù)器資源等，同時(shí)節(jié)約為硬件資源冷卻和維護(hù)方面的成本、降低碳排放等。一些虛擬化架構(gòu)技術(shù)可以屏蔽掉不同硬件資源和軟件系統(tǒng)的差異，提高不同物理資源的管理效率。二是提高系統(tǒng)可靠性。虛擬化技術(shù)允許用戶使用現(xiàn)有服務(wù)器的虛擬機(jī)快照輕松備份和恢復(fù)數(shù)據(jù)。使得系統(tǒng)從災(zāi)難或損失中恢復(fù)變得更加快捷和容易，提高了系統(tǒng)的可靠性和業(yè)務(wù)連續(xù)性。三是提高資源管理效率。虛擬化技術(shù)通過將虛擬機(jī)資源分配到組織的共享池，為搭建私有云提供了很好的條件。這種基于云的組織信息化基礎(chǔ)架構(gòu)，可以管理組織內(nèi)的用戶訪問資源的權(quán)限，提高了組織信息化系統(tǒng)安全性和靈活性。吳旭等（2017年）認(rèn)為利用云桌面管理平臺(tái)，通過鏡像鏈接引用，可以實(shí)現(xiàn)快速切換全新教學(xué)環(huán)境、統(tǒng)一部署[1]。

2.虛擬化技術(shù)的不足

一是虛擬化平臺(tái)的管理要求更高。目前，在虛擬化技術(shù)解決方案中，虛擬機(jī)是最常用的技術(shù)方案，同時(shí)也是隱藏的、最大的安全性問題之一。無論是半虛擬化、軟件虛擬化還是硬件虛擬化，利用軟硬件存在的漏洞而發(fā)生虛擬機(jī)逃逸帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)都是存在的，當(dāng)系統(tǒng)中的虛擬機(jī)越多，受到攻擊的概率越高，發(fā)生虛擬機(jī)逃逸的風(fēng)險(xiǎn)越大。另一個(gè)常見問題是遠(yuǎn)程管理，網(wǎng)絡(luò)工程師需要使用遙控平臺(tái)來管理虛擬機(jī)，這是為了減少虛擬機(jī)復(fù)雜性的一個(gè)重要控制。所有這些對(duì)系統(tǒng)管理和人員素質(zhì)提出了更高要求。二是應(yīng)用虛擬化技術(shù)可能會(huì)放大安全性漏洞。在傳統(tǒng)信息化系統(tǒng)環(huán)境中，漏洞的攻擊面相對(duì)較窄，攻擊范圍相對(duì)有限。使用虛擬化系統(tǒng)后使許多用戶共享計(jì)算資源，從而增加了遭受攻擊的機(jī)會(huì)。同時(shí)，由于虛擬化平臺(tái)的資源集中管理和共享的特性，如平臺(tái)資源包含一些具有封閉性的商業(yè)數(shù)據(jù)，這對(duì)數(shù)據(jù)的安全性能極為不利。虛擬化安全性是虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)的一個(gè)基本要素。

二、桌面虛擬化技術(shù)

隨著服務(wù)器虛擬化技術(shù)的成熟以及服務(wù)器計(jì)算能力的增強(qiáng)，服務(wù)器虛擬化技術(shù)使得桌面虛擬化技術(shù)的企業(yè)大規(guī)模應(yīng)用成為可能。桌面虛擬化技術(shù)的核心是用戶通過聯(lián)網(wǎng)設(shè)備訪問服務(wù)器上的客戶虛擬系統(tǒng)即個(gè)人桌面。因此，服務(wù)器虛擬化和遠(yuǎn)程訪問的高效性是核心關(guān)鍵。目前，市場上主流產(chǎn)品的虛擬桌面系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)主要采用“RDS，VDI，IDV和VOI”，這幾種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，一些產(chǎn)品的技術(shù)缺陷可能會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用過程中的很多問題。

1.遠(yuǎn)程桌面服務(wù)（RDS）

RDS基于多用戶操作系統(tǒng)。首先根據(jù)用戶數(shù)量配置服務(wù)器，然后在安裝了多用戶操作系統(tǒng)的服務(wù)器上安裝RDS的管理軟件，再批量創(chuàng)建用戶，通過RDS傳輸協(xié)議分發(fā)到每個(gè)客戶端上。用戶共享一套系統(tǒng)和軟件，獨(dú)立操作、互不影響?？蛻舳吮镜夭贿\(yùn)行軟件，不存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，全部由服務(wù)器集中運(yùn)行、集中管理。

2.虛擬桌面架構(gòu)（VDI）

VDI也稱虛擬云桌面。VDI首先在服務(wù)器上安裝用來建立與執(zhí)行虛擬機(jī)器的軟件或硬件的虛擬機(jī)監(jiān)視器，如虛擬機(jī)監(jiān)控程序（Hypervisor），將服務(wù)器虛擬成N個(gè)不同的虛擬機(jī)，然后在虛擬機(jī)上安裝不同需求的操作系統(tǒng)和軟件。每個(gè)用戶都可以根據(jù)自己的需求在虛擬機(jī)上布置操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。VDI架構(gòu)和RDS架構(gòu)一樣的是客戶端不運(yùn)行軟件，也不存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，全部由服務(wù)器集中運(yùn)行，集中管理。VDI架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是支持多終端訪問；缺點(diǎn)是斷網(wǎng)不可用；在3D應(yīng)用和高清視頻方面需要GPU顯卡支持；多用戶同時(shí)登錄會(huì)產(chǎn)生登錄風(fēng)暴，影響整個(gè)系統(tǒng)性能。在高校實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中，由于多用戶登錄造成登錄風(fēng)暴和大型圖形軟件的傳輸效率低下是應(yīng)用中的最大問題。

3.智能桌面虛擬化（IDV）

IDV采用集中存儲(chǔ)、分布運(yùn)算的構(gòu)架。IDV在服務(wù)器上虛擬出多個(gè)不同的操作系統(tǒng)，把服務(wù)器上的虛擬機(jī)加載到客戶端，系統(tǒng)鏡像統(tǒng)一存放到服務(wù)器端。終端通過虛擬機(jī)運(yùn)行桌面，不再對(duì)網(wǎng)絡(luò)過度依賴，無需大量的圖像傳輸，支持系統(tǒng)離線運(yùn)行，利用鏡像技術(shù)把各個(gè)客戶端數(shù)據(jù)同步到服務(wù)器上。IDV架構(gòu)要求本地硬件必須統(tǒng)一，必須支持虛擬技術(shù)VT等帶外特性。

4.虛擬系統(tǒng)架構(gòu)（VOI）

VOI的核心是PXE無盤+緩存技術(shù)，在架構(gòu)上類似IDV，但是沒有虛擬化層。VOI首先由一個(gè)客戶端把服務(wù)端的系統(tǒng)加載到客戶端本地上，然后安裝軟件，接著上傳至服務(wù)器作為客戶端模板。服務(wù)器再把客戶端模板通過鏡像技術(shù)下發(fā)到各客戶端上，客戶端本地運(yùn)行軟件和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。VOI架構(gòu)帶來的最大優(yōu)勢是規(guī)避了虛擬化層的開銷，可滿足PC（個(gè)人電腦）的利舊需求或圖形渲染應(yīng)用需求。VOI架構(gòu)也有明顯的局限性。VOI不支持移動(dòng)設(shè)備；數(shù)據(jù)的安全性沒有VDI結(jié)構(gòu)高；VOI架構(gòu)在廣域網(wǎng)的環(huán)境下無法實(shí)現(xiàn)桌面漫游，必須搭配其他方式。

三、目前市場上的虛擬桌面系統(tǒng)技術(shù)原理

目前，應(yīng)用于高校的虛擬桌面系統(tǒng)，主要采用的是RDS和VDI體系架構(gòu)，更多的是應(yīng)用于語音教室、公共計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，主要滿足全校的公共計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)類的課程，布置的系統(tǒng)和軟件相對(duì)單一，如大學(xué)英語的軟件、上機(jī)考試系統(tǒng)、C語言等計(jì)算機(jī)語言類的軟件。這一類的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用采用RDS和VDI虛擬桌面架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)大機(jī)房軟件快速部署和快速恢復(fù)。宋毅君等（2016年）在《建設(shè)統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺(tái)的探索》一文中，提供了用服務(wù)器集群上創(chuàng)建虛擬機(jī)方式解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室模式下的軟件沖突問題[2]。但這兩類架構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用過程中的體驗(yàn)也有許多問題存在，如登錄風(fēng)暴、圖形應(yīng)用等，導(dǎo)致管理性能和應(yīng)用體驗(yàn)下降。改進(jìn)的桌面虛擬化系統(tǒng)一般采用的是基于VOI技術(shù)原理的混合架構(gòu)。客戶端無須安裝虛擬機(jī)，也無須開啟BIOS里面的虛擬化技術(shù)（VirtualizationTechnology）。

1.桌面虛擬化中的虛擬化部件

桌面虛擬化中的虛擬化主要是指虛擬客戶機(jī)的硬盤?？蛻魴C(jī)在實(shí)際使用中所涉及到的硬盤是由服務(wù)器虛擬出來并通過網(wǎng)絡(luò)推送到客戶機(jī)本地，虛擬磁盤受服務(wù)器的統(tǒng)一管理。通過虛擬化技術(shù)可以很方便實(shí)現(xiàn)：一臺(tái)客戶機(jī)可以支持同時(shí)安裝多個(gè)操作系統(tǒng)，軟件分散安裝在不同的操作系統(tǒng)，同一時(shí)間只運(yùn)行一個(gè)操作系統(tǒng)，各系統(tǒng)之間相互隔離[3]。服務(wù)器虛擬磁盤在系統(tǒng)中叫做“鏡像”，其搭建過程是先在客戶機(jī)上安裝一個(gè)基礎(chǔ)系統(tǒng)，然后由客戶端程序打包上傳到服務(wù)器中成為模板系統(tǒng)。虛擬化系統(tǒng)在客戶機(jī)端是以扇區(qū)為單位進(jìn)行存儲(chǔ)的，多操作系統(tǒng)的文件對(duì)于虛擬化系統(tǒng)來說只是將對(duì)應(yīng)的扇區(qū)寫入硬盤即可完成存儲(chǔ)。運(yùn)行方式主要是將WINDOWS操作系統(tǒng)所用的NTFS文件系統(tǒng)與硬盤存儲(chǔ)時(shí)扇區(qū)的存儲(chǔ)位置加了一個(gè)中間的虛擬層用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，操作系統(tǒng)讀取NTFS文件系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)，NTFS通過虛擬層的管理調(diào)用硬盤對(duì)應(yīng)扇區(qū)里的數(shù)據(jù)。

2.客戶端機(jī)器啟動(dòng)和數(shù)據(jù)傳輸原理

桌面虛擬化系統(tǒng)中，PXE協(xié)議、DHCP協(xié)議和TFTP協(xié)議非常重要。PXE協(xié)議也被稱為預(yù)執(zhí)行環(huán)境，提供了一種使用網(wǎng)絡(luò)接口（NetworkInterface）啟動(dòng)計(jì)算機(jī)的機(jī)制。這種機(jī)制讓計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)可以不依賴本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備（如硬盤）或本地已安裝的操作系統(tǒng)。PXE協(xié)議使客戶端硬盤初始化和底層數(shù)據(jù)傳輸成為可能。首先，客戶機(jī)通過PXE協(xié)議連接并注冊到服務(wù)器；然后客戶端會(huì)從服務(wù)器端獲得一個(gè)簡單的DOS系統(tǒng)保存在內(nèi)存中并在DOS中執(zhí)行分區(qū)及格式化操作，完成對(duì)硬盤的分區(qū)；在客戶機(jī)第二次連接服務(wù)器時(shí)服務(wù)器會(huì)將指定的硬盤分區(qū)進(jìn)行初始化操作，初始化主要是建立一個(gè)虛擬層并存儲(chǔ)在硬盤上，用于后期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)NTFS文件系統(tǒng)與底層扇區(qū)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系管理。完成硬盤虛擬化設(shè)置后，客戶機(jī)通過DHCP協(xié)議獲取一個(gè)可以與服務(wù)器進(jìn)行通信的IP地址，調(diào)用TFTP協(xié)議傳輸?shù)讓映绦?，包括?dāng)前客戶端的配置信息、底層驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)傳輸程序。底層程序傳輸完成后將接管客戶端機(jī)器的權(quán)限并根據(jù)配置信息從服務(wù)器上調(diào)取操作系統(tǒng)啟動(dòng)所需要的數(shù)據(jù)，完成系統(tǒng)啟動(dòng)。此過程第一次需要從服務(wù)器上通過網(wǎng)絡(luò)讀取，以后使用時(shí)可直接從客戶機(jī)本地硬盤讀取。

3.操作系統(tǒng)的初始化過程和軟件更新

現(xiàn)有的桌面云系統(tǒng)采用了HPLC高性能本地緩存技術(shù)實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的遠(yuǎn)程部署、離線續(xù)用、啟動(dòng)加速等。服務(wù)器端操作系統(tǒng)鏡像的索引數(shù)據(jù)緩存在終端本地。采用P2P后臺(tái)同步技術(shù)，在客戶端操作系統(tǒng)啟動(dòng)后，將服務(wù)器分配給客戶端的所有數(shù)據(jù)依據(jù)本地索引數(shù)據(jù)同步到本地硬盤上。因采用了系統(tǒng)索引數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)等技術(shù)，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)只做增量傳輸。結(jié)語虛擬桌面技術(shù)在初期使用時(shí)用戶體驗(yàn)并不很友好，存在應(yīng)用卡頓、刷屏、在線視頻不流暢等問題。作為一項(xiàng)新的應(yīng)用技術(shù)，高校實(shí)驗(yàn)室管理人員有積極了解和學(xué)習(xí)嘗試的心態(tài)，亟須了解虛擬技術(shù)的應(yīng)用原理以及和傳統(tǒng)還原卡管理終端模式的差異。通過對(duì)虛擬技術(shù)和桌面虛擬系統(tǒng)架構(gòu)的介紹，在當(dāng)前技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用階段，建議根據(jù)項(xiàng)目預(yù)算、安全性需求、集中管控需求、移動(dòng)性需求、圖像設(shè)計(jì)應(yīng)用需求等因素選擇適合自己的方案。可以參考以下建議：是否有跨網(wǎng)段、跨路由實(shí)現(xiàn)多個(gè)實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)統(tǒng)一管理及系統(tǒng)維護(hù)的需求；是否有一個(gè)機(jī)房需要復(fù)用，且支持多系統(tǒng)多應(yīng)用環(huán)境的需求；是否有實(shí)現(xiàn)多批次不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)的統(tǒng)一維護(hù)和應(yīng)用的需求；是否有實(shí)驗(yàn)室間按需資源共享的需求；預(yù)算是否充足、是否有專業(yè)的管理人員等。相比于傳統(tǒng)的還原卡模式建設(shè)的實(shí)驗(yàn)室受干擾因素少，單機(jī)性能穩(wěn)定的優(yōu)勢[4]。桌面虛擬化系統(tǒng)需要投入較大的存儲(chǔ)設(shè)備、服務(wù)器設(shè)備以及服務(wù)器監(jiān)控設(shè)備和路由交換機(jī)等設(shè)備；桌面虛擬化的軟件系統(tǒng)等，相對(duì)于還原卡方式投入較多。但虛擬化桌面系統(tǒng)的跨網(wǎng)段管理能力、快速恢復(fù)能力、多實(shí)驗(yàn)室共享能力以及提高管理效率的能力是傳統(tǒng)還原卡不能提供的。因此，在建設(shè)實(shí)驗(yàn)室時(shí)，要綜合考慮應(yīng)用需求和投入效能，決定使用何種建設(shè)方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳旭,陳仁安,魏德志.基于云計(jì)算的語音實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2017,36(5):239-242.

[2]宋毅君,張明.建設(shè)統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺(tái)的探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2016,33 (4) :117-118.

[3]鄭然.智慧教室整體解決方案[Z].北京：北京晨光溢海數(shù)碼科技，2020.

[4]劉夏,孫鵬,霍旭輪,等.基于Citrix的云桌面方案[J]. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2016,25(2): 93-98.

作者:夏素霞 單位:北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院