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摘要：桌面虚拟化技术实现了将计算机数据的运行、存储与计算机硬件的分离，把原来分散的数据和计算资源全部集中到了云端进行统一的部署和管理，有效解决了高校在传统PC管理中所面临的管理、维护、升级困难问题。文章通过分析现有桌面虚拟化架构的技术特点、适用场景及存在的问题，对现有桌面虚拟化架构进行了整合，结合超融合技术，给出了一套适用高校实验机房多种需求场景的云桌面解决方案。该方案在有效满足高校实验机房多种应用场景需求的同时，实现了机房建设的按需线性投入，有效地解决了传统虚拟桌面建设方案面临的适用场景单一、初期投入过大问题。
关键词：软件定义数据中心；数据中心；智慧校园；软件定义网络
本文引用格式：孟凡立.高校云桌面的建设模式选择与实现方式研究[J].教育现代化,2019,6(96):189-190,203.
一 引言
不断成熟的虚拟化技术正在帮助更多的高校数据中心减少服务器数量、优化资源配置并简化管理，利用虚拟化和云计算技术可以实现动态IT基础设施环境，进一步改善现有的架构和管理模式，得到了诸多高校的认可[1]。越来越多的高校通过虚拟化技术完成了对数据中心的改造，作为虚拟化技术一个重要的应用领域，虚拟桌面在个人计算机的管理、运维方面也有很多优势，但在高校教学、管理中虚拟桌面技术一直未得到大规模的应用，主要原因是目前的虚拟桌面建设方案存在初期投入成本高、技术难度大、系统运行不稳定、用户体验差、软件及外设的兼容性不好等一系列问题。
从整体架构看，桌面虚拟化涉及接入终端、前端虚拟化软件、传输网络、传输协议和后端的服务器、存储、虚拟化软件平台、云管平台等多个技术环节，系统各个组成部分互相依赖，相互制约，只要其中一个环节出现问题或优化不充分，比如计算资源不足、网络带宽不够、软硬件兼容性不好、前后端API（Application Programming Interface,应用程序编程接口）不匹配等，都会造成系统不能高效工作，无法在不同业务场景下，使应用及外设的兼容性和流畅度达到传统PC的水平。另外目前云桌面技术存在多种架构形势，每种架构均有不同的适用场景，如果不能根据场景需求选择适用的技术方案，云桌面技术的优势就无法得到充分的发挥，这些问题严重影响了用户的使用体验，阻碍了云桌面在高校中的应用推广。
二 高校计算机实验机房建设面临的问题
计算机相关技术的学习过程中需要做大量实验，因此每个高校都有大量的计算机实验机房，随着计算机实验机房规模的不断扩充，使用场景也越来越复杂，一个机房往往需要开展多种不同需要的实验，传统架构的实验机房在使用、管理过程中面临着严峻的挑战，目前面临的问题主要有以下几个方面：
1.传统计算机在工作过程中将所有的数据都存放在本地硬盘上，数据的备份、同步比较困难，数据安全全部依赖计算机本身的可靠性来保障，一旦本地硬盘出现故障，很容易造成数据丢失。另外数据传输通过U盘拷贝或者网络工具进行点对点传输，这些传输方式缺少统一的监管和控制，容易造成数据泄露。
2.计算机在进行初始化部署时需要逐台安装操作系统软件和各类应用软件，机房的部署、系统升级、故障排查等机房运维工作，不仅效率低下，而且随着计算机数量的不断增加，维护工作量会呈几何级数增加，管理成本会越来越高。即使通过克隆软件管理，系统的软件、应用软件的更新和不同应用场景的软件更换也需要消耗大量的精力。
3.传统的计算机把个人桌面绑定在一台固定的计算机上，每个人使用的软件及存储的数据会固定在一台计算机上，限制使用人员只能在固定的计算机上开展学习、工作，数据无法进行灵活快速的迁移，用户无法随时随地获取自己的桌面和数据，严重影响了学习和工作效率。
4.计算机的CPU、内存、硬盘资源被限制在独立的计算机内，无法根据使用场景的不同按需灵活调配资源，造成部分应用无法获取足够的资源，同时又有部分计算机资源利用率太低。每个计算机实验室一般都需要开展多个项目的实验教学，不同项目对计算机的性能要求可能存在巨大差异，计算机性能如果配置过高会造成资源浪费，但配置太低又无法满足对计算机资源要求高的课程需求。
三 虚拟桌面架构及其实现方式
虚拟桌面是一种基于服务器的计算模型，最早由虚拟化厂商VMware提出，这里的桌面指的是计算机桌面操作系统，例如windows操作系统。虚拟桌面支持对桌面系统的远程动态访问与数据中心统一托管的技术，通过虚拟桌面实现了将所有桌面虚拟机在数据中心进行托管并统一管理，用户能够获得和本地计算机一致的使用体验。利用互联网用户可以通过任何IT终端随时随地访问在网络上的网站、邮件或云盘，而通过虚拟桌面我们可以利用任何设备，随时随地访问我们在网络上的私有桌面系统。桌面虚拟化可以将原来绑定在PC上的桌面、应用和数据全部迁移到数据中心，然后通过虚拟交付协议将操作系统界面以图像的方式传送给前端的接入设备，包括云终端、笔记本、普通PC、智能终端等，这样集中化的方式可以有效解决高校办公教学面临的安全、运维和移动办公问题，是一种替代PC的理想方案。[2]
目前实现桌面虚拟化主要有三种方式，分别是VDI(虚拟化桌面架构,Virtual Desktop Infrastructure)、IDV(Intelligent Desktop Virtualization)、和VOI（virtual Operation System Infrastructure,虚拟操作系统基础架构），三种实现方式因架构及资源分布方式不同，适用于不同的应用场景。
1.VDI是桌面虚拟化的主流和经典模式，通过服务器为整个桌面映像提供集中化的管理，在服务器端针对每个用户终端提供一个独立的虚拟机，并将虚拟机的桌面发送到用户终端。[3]用户终端为瘦终端，即本地不提供计算、存储资源，用户终端设备通过与对应的虚拟机通信，获得相应的运算能力和服务功能。这种架构的主要问题是服务器大面临的压力过大，尤其是在所有终端集中启动时，服务器负载过大，响应不及时，容易出现崩溃。对网络性能及可靠性要求非常高，因为用户所有操作及操作结果需要通过网络传输，如果网络出现问题，虚拟桌面服务将会立刻中断，用户无法对计算机进行任何操作。外设兼容性差，系统在服务器端，无法驱动本地硬件[4]。
2.IDV是在本地终端上实现虚拟化，操作系统在本地计算机上运行，服务器端仅提供桌面镜像模版，因此服务器不需要构建大量的桌面资源。用户终端为胖终端，即操作系统使用终端提供的计算、存储资源。IDV解决方案可以在保证虚拟桌面整体性能、可移动性和高灵活性的同时，还可以有效对桌面映像、设备进行控制和维护。和虚拟桌面基础架构VDI下所有桌面计算资源高度集中在数据中心、界面发送至终端设备不同，IDV采取更多的是分布式方法来满足运营技术需求，同时集中和简化管理和部署功能。VDI面临的初期投入成本高、存储实现困难、TCO受规模影响大、对网络依赖性高、无法脱机使用等问题，在IDV架构下都得到了很好的解决。IDV解决方案在确保用户尽享高性能、移动性和灵活性的同时，提供IT人员控制和保护桌面映像和设备的能力。[5]
3.VOI虚拟操作系统基础架构通过虚拟磁盘技术，在集中存储上为用户分配一个虚拟磁盘，并在终端和存储之间传输虚拟磁盘的读写指令，终端和使用本地磁盘一样使用虚拟磁盘，通过在虚拟磁盘安装操作系统，终端通过网络远程序引导的方式以虚拟盘来启动并运行操作系统。VOI终端计算机在启动时需要从后端服务器和存储系统获取操作系统和用户应用，加载到本地缓存运行，完成加载后系统的运算和操作均由本地计算机资源负责，不再依靠后端的服务器、存储进行工作，这种模式有效减少了对传输网络和后端服务器、存储的压力和性能要求，减少了对后端的依赖。VOI可以看作是VDI和IDV的混合架构，有效整合了VDI和IDV的优点，可以让虚拟系统从引导阶段就开始接管计算机硬件平台，启动完成后，所有的工作在本地计算机硬件上完成，有效降低对底层系统和资源的依赖。
四 高校桌面云架构及设备选型
虚拟桌面技术在高校教学、管理中使用较少，主要因为VDI整体方案技术较为复杂，目前有多种架构及技术方案可供选择，另外VDI采用了大量的虚拟化技术，对管理员技术水平要求更高，出现故障后也更难以排除，高校在使用VDI时对自身具备的技术水平能否满足要求普遍有所怀疑。另外VDI后端需要大量服务器、存储提供计算和存储资源，其技术相对传统PC机管理要复杂的多，因此VDI初期的建设、管理成本相对传统建设方案要高很多。[6]出于以上原因基于传统VDI架构的桌面虚拟化技术一直未在高校得到大范围应用。
基于VDI架构的桌面云将数据集中存放到服务器上，有效提升了数据安全性，通过策略配置来可以实现对U盘、打印机、网络等资源管控，大幅提升了数据资源的安全性。桌面云通过模板克隆技术，可以制作满足不同场景需要的个性化桌面模版，实现桌面的快速部署，实验室管理员可以集中进行软硬件升级和故障处理，大幅提升维护效率。用户通过瘦终端、PC、智能终端等不同设备，随时随地访问专属于自己的桌面和应用，大幅提升用户的使用便捷性和工作效率。但是VDI架构对服务器性能和网络带宽要求非常高，整个实验室的性能及可靠性完全依赖于后端的服务器、存储和网络，一旦后端资源出现问题，整体实验室将无法正常工作。
VOI虚拟操作系统架构的终端计算机，在输入/输出层直接对存储介质的数据进行重定向，对本地计算机系统资源的操作不再依靠于GPU、CPU虚拟化技术，虚拟机完全工作于本地计算机物理硬件上，直接通过计算机内部地址访问硬件资源，各类周边设备、应用软件、驱动程序不再需要通过远程端口进行映射。解决了VDI架构下对服务器性能和网络带宽要求高，设备软硬件兼容性差等一系统问题。但是由于设计定位上的不同，VOI重点解决的问题是操作系统的交付，桌面与应用交付不是VOI的主要目标，因此VOI在部署时与本地计算机的硬件关联度非常高，虚拟操作系统启动后会直接接管硬件平台，不是简单的在一个底层系统之上开启一个窗口，然后在窗口中运行后端的操作系统桌面，因此目前的产品大多只支持标准的windows、linux等计算机平台操作系统，对于智能手机android、IOS等移动端设备支持不足，使用时必须安装定制的客户端软件，无法向VDI模式，可以通过浏览器随时随地的接入到远程桌面。[7]
五总结
桌面虚拟化技术为高校的办公、实验机房建设带来了一种新的选择，在大幅提升灵活性、可靠性的同时，降低了建设、维护成本，有效解决了高校在计算机教学设施建设中所面临的管理和维护困难问题。虚拟桌面建设的三种模式为不同的应用环境提供了不同的解决方案，学校应根据应用场景需要，进行合理科学规划，选择适用的技术架构，这样才能取得良好的应用效果。
参考文献
[1]孟凡立.基于云计算的高校数据中心设计与实现[J].现代教育技术,2012,22(3):99-103.
[2]许皓皓,李从初.云桌面在市级气象部门的应用[J].信息通信,2017,8:145-146.
[3]宋一兵,两种桌面虚拟化架构比较研究与应用探讨[J].青岛大学学报（自然科学版）,2018,3:52-56.
[4]叶宝池.区县集中建设的桌面虚拟化系统[J].教育现代化，2017，4（50）：157-158+179.
[5]韩旭,流桌面虚拟化办公系统的设计与实现[J].科技广场,2015,2:54-57.
[6]关兴,刘国奇,王璞桌面虚拟化平台在计算机实验教学中的应用与管理[J].教育现代化,2017(2):143-144.
[7]戴尔.戴尔扩展桌面虚拟化VDI环境快速部署[EB/OL].https://www.docin.com/p-1543392387.html.
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