多媒體教室管理中虛擬技術(shù)的應(yīng)用

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摘要：本文根據(jù)虛擬化技術(shù)，按照多媒體教室管理和授課教師的要求，構(gòu)建基于VMware的虛擬化技術(shù)多媒體教室管理的平臺，重點(diǎn)探索服務(wù)器虛擬化、桌面虛擬化和網(wǎng)絡(luò)虛擬化。利用該虛擬平臺，可以在服務(wù)器進(jìn)行多媒體課室的電腦維護(hù)工作，降低了管理成本，提高了工作效率。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；桌面虛擬化；多媒體教學(xué)；VMwarevSpher

1引言

近年來，數(shù)字化校園日趨完善，大多數(shù)校園網(wǎng)速達(dá)到百兆到桌面。這為教學(xué)搭建了強(qiáng)大的技術(shù)平臺，提供了良好的教學(xué)環(huán)境。運(yùn)用多媒體設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)代化教學(xué)成為新型的教學(xué)模式。肇慶學(xué)院數(shù)字化校園建設(shè)現(xiàn)階段投入一千多萬元，現(xiàn)在已經(jīng)基本完工，總體規(guī)劃分為三期，分別是：第一期，數(shù)字化校園初步形成；第二期，數(shù)字化校園基本完善；第三期，數(shù)字化校園達(dá)到國內(nèi)同類院校先進(jìn)水平。在校園局域網(wǎng)外的教師，可以通過統(tǒng)一數(shù)字平臺或VPN登陸，共享校園網(wǎng)資源。肇慶學(xué)院多媒體教室的數(shù)量也從幾十間，發(fā)展到現(xiàn)在的200多間。由于管理人員不足，多媒體教室分散在6棟不同的教學(xué)樓，給管理帶來不少困難。IT構(gòu)架簡化，帶來的好處是終端設(shè)備采購成本降低。例如，一個瘦客戶端的采購成本比PC價格便宜一半左右，瘦客戶端的報(bào)廢周期一般6-8年，比PC報(bào)廢周期長，大大延長使用周期。只要外設(shè)可用，就可以轉(zhuǎn)化為普通的終端。因此，研究并設(shè)計(jì)一套基于VMwareView桌面虛擬化方案，解決多媒體教室客戶端是一個很好的辦法。學(xué)校格外重視信息化建設(shè)的資金投入，從電信公司已經(jīng)接入萬兆帶寬光釬，服務(wù)器端采用千兆部暑，接入交換機(jī)上聯(lián)保證千兆帶寬，有線局域網(wǎng)內(nèi)百兆到桌面。建設(shè)項(xiàng)目得到實(shí)施。信息化建設(shè)總體構(gòu)架如圖1所示。

2云計(jì)算和虛擬技術(shù)

2.1云計(jì)算概念

通常用云來表示互聯(lián)網(wǎng)，而云計(jì)算是基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算，使軟件和信息資源的共享按需分配給所需的計(jì)算機(jī)和其它設(shè)備。根據(jù)教育信息化發(fā)展趨勢，對現(xiàn)有信息資源的優(yōu)化，建立云計(jì)算“資源池”。創(chuàng)建高效、安全的新一代數(shù)據(jù)中心架構(gòu)，讓管理人員減輕運(yùn)維工作。按照云計(jì)算服務(wù)模式，可以分成三大類：基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層、平臺服務(wù)層和軟件應(yīng)用服務(wù)層。

2.2云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)

虛擬化技術(shù)是將計(jì)算機(jī)的各種實(shí)體資源，包括硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)和存儲等抽象轉(zhuǎn)換后一一隔離的技術(shù)。用戶可以更好、更方便地應(yīng)用這些資源，把軟件和硬件融合為一體。

2.3多媒體教室云桌面系統(tǒng)

云桌面系統(tǒng)是基于云計(jì)算的虛擬桌面，利用虛擬化技術(shù)，將服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和存儲等集群化，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施、云桌面和應(yīng)用等資源共享，在數(shù)據(jù)中心對其進(jìn)行集中管理和部署[1]。計(jì)算機(jī)的桌面能存儲和運(yùn)行在云端，通過遠(yuǎn)程協(xié)議，用戶可以利用各種終端設(shè)備訪問該桌面。

3基于VMware的虛擬技術(shù)

3.1桌面虛擬化技術(shù)

桌面虛擬化是在物理服務(wù)器上安裝虛擬主機(jī)系統(tǒng)，由虛擬主機(jī)系統(tǒng)模擬出操作系統(tǒng)運(yùn)行所需要的硬件資源，如CPU、內(nèi)存、網(wǎng)卡、存儲等[2]。目前主要采用主流的VirtualDesktopInfrastructure(VDI)架構(gòu)方式[3]。桌面虛擬化技術(shù)是在一個服務(wù)器上安裝若干個獨(dú)立的操作系統(tǒng)，根據(jù)專有的虛擬桌面協(xié)議分配給若干個終端用戶。每個用戶憑賬號密碼通過網(wǎng)絡(luò)即可隨時隨地訪問自己的桌面操作系統(tǒng)。如圖2所示。

3.2VMwarevSphere與服務(wù)器虛擬化

VMwarevSphere是成熟領(lǐng)先的虛擬化平臺之一，是當(dāng)前主流虛擬化平臺。VMware公司已經(jīng)將大型機(jī)開發(fā)的虛擬化技術(shù)引入到X86架構(gòu)的普通個人電腦領(lǐng)域，而且占有較大的市場份額。目前全球服務(wù)器虛擬化有超過65%采用的是該產(chǎn)品。VMware基礎(chǔ)架構(gòu)虛擬化套件VI(VMwareInfrastructure)，為服務(wù)器虛擬化和管理提供所需的軟件，包括：Vmotion、VMwareDistributedResourceScheduler(DRS)和VMwareHighApplicability(HA)等。

3.3VMwarevSphere工作原理

運(yùn)行在物理機(jī)的硬件和操作系統(tǒng)之間插入一層軟件，該層軟件通常叫做虛擬機(jī)監(jiān)視器(VirtualMachineMonitor,VMM)。它把存儲器、內(nèi)存、CPU和網(wǎng)絡(luò)等服務(wù)器物理硬件隔離開來，抽象成邏輯資源，這樣就能打破硬件實(shí)體結(jié)構(gòu)間的不可切割的障礙，變成可以動態(tài)管理的“資源池”[4]。可以在一臺物理服務(wù)器上同時運(yùn)行多個操作系統(tǒng)，讓一臺服務(wù)器變成幾臺甚至幾十臺相互隔離的虛擬服務(wù)器，簡化系統(tǒng)管理，提高資源的利用率。如圖3所示。

4虛擬化方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

4.1總體部署框架

按照多媒體教室使用年限和設(shè)備周期壽命特點(diǎn)，工程分批完成，本期項(xiàng)目第一批改建的是第一教學(xué)樓的85間多媒體教室?；赩MwareView構(gòu)建虛擬桌面方案，多個用戶桌面以虛擬機(jī)的形式獨(dú)立運(yùn)行，彼此隔離，同時共享CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)和存儲器等底層物理硬件資源。每個用戶都擁有自己的操作系統(tǒng)。可以采用鏈接克隆技術(shù)來快速配備所需的虛擬桌面[5]，減少設(shè)備應(yīng)用的維護(hù)和管理工作。按照虛擬化的理論,總體部署分為三部分：服務(wù)器虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化和存儲虛擬化[6]。

4.2使用環(huán)境分析

本期項(xiàng)目中，85間多媒體教室終端節(jié)點(diǎn)的桌面客戶端，計(jì)算資源需求分析如表1所示。 實(shí)際設(shè)計(jì)時，需要對用戶的實(shí)際使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)研，匹配每桌面需要的資源情況。

4.3服務(wù)器虛擬化規(guī)劃方案

根據(jù)改裝85間多媒體的實(shí)際情況，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器虛擬化的規(guī)劃主要是適當(dāng)增設(shè)新的設(shè)備，利用VMwarevSphere對物理資源作統(tǒng)籌布設(shè)。首先需要對即將布設(shè)虛擬化的服務(wù)器硬件資源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和評估，包括CPU、內(nèi)存和磁盤容量等。在計(jì)算資源設(shè)計(jì)時，每路物理CPU有多核，每核可以配置成8個vCPU。由于規(guī)劃每個虛擬桌面要配置2個vCPU，因此，每核可支撐4個虛擬桌面。如按照2路6核CPU的服務(wù)器容量，每臺服務(wù)器可支撐48個桌面。若考慮85個虛擬桌面的并發(fā)使用率為80%，需要配置的服務(wù)器數(shù)量為：服務(wù)器數(shù)量=85×80%÷48=1.4，共需要配置2臺服務(wù)器。建議每臺服務(wù)器內(nèi)存的利用率為90%，因此每臺服務(wù)器實(shí)際需要配置的內(nèi)存大小為：4GB×64÷90%=284GB?？紤]到高負(fù)載時的遷移和高可靠性的需求，建議增加1臺服務(wù)器。服務(wù)器多余的CPU容量可用于后續(xù)的擴(kuò)容，以及高負(fù)載時的遷移，實(shí)現(xiàn)高可靠性。如表2所示。安裝VMwarevCenterClient用于訪問服務(wù)器的微機(jī)只需普通計(jì)算機(jī)即可。在本項(xiàng)目中采用的是戴爾OptiPlex390臺式電腦，配置為：Intel奔騰雙核G630，標(biāo)配4GBDDR3內(nèi)存，500GB7200轉(zhuǎn)SATA3硬盤，DVD刻錄機(jī)。

4.4存儲虛擬化規(guī)劃方案

（1）云桌面存儲需求存儲資源的需求分析主要來自于兩方面：IOPS需求和存儲容量需求。在進(jìn)行正常讀寫時，Win8桌面環(huán)境每桌面的IOPS一般為10-20，在啟動的高峰期，可按照30計(jì)算。85個桌面、80%并發(fā)需求的IOPS如下：IOPS=85×80%×30=2040。存儲基于使用上的差異，結(jié)合桌面的技術(shù)特點(diǎn)，可采取SSD存儲和通用磁盤存儲結(jié)合的方式來進(jìn)行設(shè)計(jì)。存儲85個桌面，按10個桌面模板（每模板20GB空間）規(guī)劃SSD存儲容量，所需的存儲容量如下：SSD存儲空間=20GB×10=200GB。用戶數(shù)據(jù)按10GB計(jì)算存儲空間，通用磁盤存儲空間計(jì)算如下：用戶數(shù)據(jù)：20GB*85＝1700GB。桌面Logs：100MB*85＝8.5GB。臨時空間：4GB*85＝340GB（vswap，考慮到如果虛擬機(jī)沒有關(guān)閉）。用戶系統(tǒng)及應(yīng)用程序：20GB*50%*85＝850GB（克隆鏈接，LinkClone技術(shù)至少可節(jié)約50%磁盤空間）。桌面基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)器：150GB。以上共需存儲空間約為3248GB；按30%增加計(jì)算總共空間為4223GB。（2）門禁系統(tǒng)存儲需求門禁系統(tǒng)管理服務(wù)器采用虛擬機(jī)，Windows操作系統(tǒng)和SQLServer數(shù)據(jù)庫，總共需要40GB磁盤空間即可。（3）視頻監(jiān)控存儲需求視頻監(jiān)控存儲采用集中存儲備份的方式。視頻監(jiān)控中心采集前端攝像所有的圖像網(wǎng)絡(luò)信號，要求7×24小時，30天以內(nèi)實(shí)時存儲數(shù)據(jù)。在H.264壓縮方式下，960P格式（1280*960）1路視頻大約需要碼流為4Mbps?？偪刂浦行陌凑?5路視頻24小時不間斷錄像，存儲30天960P（1280*960）需要配置硬盤容量為：4Mbps÷8bit×3600s×24h÷1024×30天×85路≈72TB。按照每塊硬盤3TB計(jì)算，共需要配置24塊硬盤才能滿足系統(tǒng)存儲30天的需要。需要4臺16路和1臺24路高清存儲主機(jī)才能滿足系統(tǒng)的錄像要求（每臺接入16路/24路高清視頻信號）。具體如表3所示。

4.5網(wǎng)絡(luò)虛擬化規(guī)劃方案

桌面虛擬化需求桌面虛擬化方案中，客戶端與托管的虛擬桌面間采用PC-over-IP協(xié)議連接。為了達(dá)到較流暢的體驗(yàn)效果，每個客戶端平均需要帶寬如下：PCoIP：50-200kbps。A桌面設(shè)備接入（1）部門級交換機(jī)與匯聚交換機(jī)之間采用100M網(wǎng)絡(luò)連接。（2）客戶端與交換機(jī)之間采用100M網(wǎng)絡(luò)連接。B虛擬化基礎(chǔ)服務(wù)器和匯聚交換機(jī)間網(wǎng)絡(luò)連接。虛擬化基礎(chǔ)服務(wù)器和匯聚交換機(jī)間的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求為所有客戶端需求的總和。以每個用戶播放視頻時2Mbps計(jì)算，85個用戶（學(xué)校全部教室和機(jī)房同時使用計(jì)算）需要170Mbps以上的同時并發(fā)帶寬?？紤]到將來要擴(kuò)容和大文件拷貝速度需求，方案使用1000Mbps主干，100M到桌面方案，可以滿足網(wǎng)絡(luò)需求。桌面云通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)用戶通過終端對桌面環(huán)境的訪問，網(wǎng)絡(luò)承載用來傳輸桌面環(huán)境的協(xié)議為RDP和PcoIP。兩者的適用范圍如下：（1）RDP應(yīng)足以滿足LAN用戶的需求。（2）PCoIP更適用于高延遲網(wǎng)絡(luò)，還可以改善LAN用戶的視頻和多媒體使用體驗(yàn)?？紤]到本期項(xiàng)目教室監(jiān)控有視頻和多媒體的使用，因此統(tǒng)一選擇使用PCoIP協(xié)議。在網(wǎng)絡(luò)中部署QoS時也更容易制定策略。

5虛擬化成果

針對教學(xué)對象個性化的特殊要求的場景特點(diǎn)，桌面虛擬化的應(yīng)用帶來更可靠的管理和更低的總體成本。利用一些專業(yè)的軟件工具輔助，對虛擬化后的系統(tǒng)的性能做量化評估，檢視系統(tǒng)的CPU、內(nèi)存、磁盤和網(wǎng)絡(luò)等各項(xiàng)性能指標(biāo)，并進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。同時可查看這些設(shè)備的利用率。（1）業(yè)務(wù)的快速遷移。500G的業(yè)務(wù)從某一服務(wù)器遷移到另一固定服務(wù)器，只需2--3分鐘的時間。（2）所有的云資源情況一清二楚。云資源如圖3所示。（3）教師用戶資源申請，簡便快捷。用戶資源申請如圖4所示。（4）可以實(shí)現(xiàn)所有的云資源的故障告警。（5）離線桌面。離線桌面是VMwareView中的一項(xiàng)正式支持功能。把虛擬桌面簽出到本地端點(diǎn)并加密，如果網(wǎng)絡(luò)斷開，還可以訪問桌面、應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)；如果網(wǎng)絡(luò)接通將更改簽入到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行重新同步。將IT安全擴(kuò)展到本地桌面。保證教師課堂教學(xué)不因斷網(wǎng)而受影響。多媒體課室虛擬化管理，使服務(wù)器CPU平均利用率可以提升至70%以上。由于操作系統(tǒng)與服務(wù)器硬件是相隔離的，這使應(yīng)用程序兼容性問題得到解決。通過模塊軟件可以進(jìn)行各項(xiàng)應(yīng)用的快速部署。通過遠(yuǎn)程控制可以不必到課室進(jìn)行管理和維護(hù)。通過實(shí)時遷移功能可以把有故障的虛擬機(jī)遷移到其它物理機(jī)上。網(wǎng)絡(luò)虛擬化使得虛擬網(wǎng)絡(luò)與其他的虛擬網(wǎng)絡(luò)從底層物理網(wǎng)絡(luò)隔離，網(wǎng)絡(luò)安全得到進(jìn)一步的提高。

6結(jié)束語

將個人計(jì)算機(jī)的桌面操作系統(tǒng)進(jìn)行虛擬化，與計(jì)算機(jī)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行分離，用戶可以實(shí)現(xiàn)桌面系統(tǒng)遠(yuǎn)程動態(tài)訪問，以及由數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一托管。對于多媒體教學(xué)設(shè)備管理的改進(jìn)和教師課堂教學(xué)手段的提高都取得了滿意的效果。

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作者：梁志榮 單位：肇慶學(xué)院教務(wù)處