多媒體教室管理中虛擬技術的應用

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摘要：本文根據虛擬化技術，按照多媒體教室管理和授課教師的要求，構建基于VMware的虛擬化技術多媒體教室管理的平臺，重點探索服務器虛擬化、桌面虛擬化和網絡虛擬化。利用該虛擬平臺，可以在服務器進行多媒體課室的電腦維護工作，降低了管理成本，提高了工作效率。

關鍵詞：云計算；桌面虛擬化；多媒體教學；VMwarevSpher

1引言

近年來，數字化校園日趨完善，大多數校園網速達到百兆到桌面。這為教學搭建了強大的技術平臺，提供了良好的教學環(huán)境。運用多媒體設備進行現代化教學成為新型的教學模式。肇慶學院數字化校園建設現階段投入一千多萬元，現在已經基本完工，總體規(guī)劃分為三期，分別是：第一期，數字化校園初步形成；第二期，數字化校園基本完善；第三期，數字化校園達到國內同類院校先進水平。在校園局域網外的教師，可以通過統(tǒng)一數字平臺或VPN登陸，共享校園網資源。肇慶學院多媒體教室的數量也從幾十間，發(fā)展到現在的200多間。由于管理人員不足，多媒體教室分散在6棟不同的教學樓，給管理帶來不少困難。IT構架簡化，帶來的好處是終端設備采購成本降低。例如，一個瘦客戶端的采購成本比PC價格便宜一半左右，瘦客戶端的報廢周期一般6-8年，比PC報廢周期長，大大延長使用周期。只要外設可用，就可以轉化為普通的終端。因此，研究并設計一套基于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。學校格外重視信息化建設的資金投入，從電信公司已經接入萬兆帶寬光釬，服務器端采用千兆部暑，接入交換機上聯保證千兆帶寬，有線局域網內百兆到桌面。建設項目得到實施。信息化建設總體構架如圖1所示。

2云計算和虛擬技術

2.1云計算概念

通常用云來表示互聯網，而云計算是基于互聯網的計算，使軟件和信息資源的共享按需分配給所需的計算機和其它設備。根據教育信息化發(fā)展趨勢，對現有信息資源的優(yōu)化，建立云計算“資源池”。創(chuàng)建高效、安全的新一代數據中心架構，讓管理人員減輕運維工作。按照云計算服務模式，可以分成三大類：基礎設施服務層、平臺服務層和軟件應用服務層。

2.2云計算的關鍵技術

虛擬化技術是將計算機的各種實體資源，包括硬件、軟件、網絡和存儲等抽象轉換后一一隔離的技術。用戶可以更好、更方便地應用這些資源，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)是基于云計算的虛擬桌面，利用虛擬化技術，將服務器、網絡和存儲等集群化，實現基礎設施、云桌面和應用等資源共享，在數據中心對其進行集中管理和部署[1]。計算機的桌面能存儲和運行在云端，通過遠程協(xié)議，用戶可以利用各種終端設備訪問該桌面。

3基于VMware的虛擬技術

3.1桌面虛擬化技術

桌面虛擬化是在物理服務器上安裝虛擬主機系統(tǒng)，由虛擬主機系統(tǒng)模擬出操作系統(tǒng)運行所需要的硬件資源，如CPU、內存、網卡、存儲等[2]。目前主要采用主流的VirtualDesktopInfrastructure(VDI)架構方式[3]。桌面虛擬化技術是在一個服務器上安裝若干個獨立的操作系統(tǒng)，根據專有的虛擬桌面協(xié)議分配給若干個終端用戶。每個用戶憑賬號密碼通過網絡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與服務器虛擬化

VMwarevSphere是成熟領先的虛擬化平臺之一，是當前主流虛擬化平臺。VMware公司已經將大型機開發(fā)的虛擬化技術引入到X86架構的普通個人電腦領域，而且占有較大的市場份額。目前全球服務器虛擬化有超過65%采用的是該產品。VMware基礎架構虛擬化套件VI(VMwareInfrastructure)，為服務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

運行在物理機的硬件和操作系統(tǒng)之間插入一層軟件，該層軟件通常叫做虛擬機監(jiān)視器(VirtualMachineMonitor,VMM)。它把存儲器、內存、CPU和網絡等服務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體結構間的不可切割的障礙，變成可以動態(tài)管理的“資源池”[4]?？梢栽谝慌_物理服務器上同時運行多個操作系統(tǒng)，讓一臺服務器變成幾臺甚至幾十臺相互隔離的虛擬服務器，簡化系統(tǒng)管理，提高資源的利用率。如圖3所示。

4虛擬化方案設計與實施

4.1總體部署框架

按照多媒體教室使用年限和設備周期壽命特點，工程分批完成，本期項目第一批改建的是第一教學樓的85間多媒體教室?；赩MwareView構建虛擬桌面方案，多個用戶桌面以虛擬機的形式獨立運行，彼此隔離，同時共享CPU、內存、網絡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)?？梢圆捎面溄涌寺〖夹g來快速配備所需的虛擬桌面[5]，減少設備應用的維護和管理工作。按照虛擬化的理論,總體部署分為三部分：服務器虛擬化、網絡虛擬化和存儲虛擬化[6]。

4.2使用環(huán)境分析

本期項目中，85間多媒體教室終端節(jié)點的桌面客戶端，計算資源需求分析如表1所示。 實際設計時，需要對用戶的實際使用環(huán)境進行調研，匹配每桌面需要的資源情況。

4.3服務器虛擬化規(guī)劃方案

根據改裝85間多媒體的實際情況，數據中心服務器虛擬化的規(guī)劃主要是適當增設新的設備，利用VMwarevSphere對物理資源作統(tǒng)籌布設。首先需要對即將布設虛擬化的服務器硬件資源進行統(tǒng)計和評估，包括CPU、內存和磁盤容量等。在計算資源設計時，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的服務器容量，每臺服務器可支撐48個桌面。若考慮85個虛擬桌面的并發(fā)使用率為80%，需要配置的服務器數量為：服務器數量=85×80%÷48=1.4，共需要配置2臺服務器。建議每臺服務器內存的利用率為90%，因此每臺服務器實際需要配置的內存大小為：4GB×64÷90%=284GB?？紤]到高負載時的遷移和高可靠性的需求，建議增加1臺服務器。服務器多余的CPU容量可用于后續(xù)的擴容，以及高負載時的遷移，實現高可靠性。如表2所示。安裝VMwarevCenterClient用于訪問服務器的微機只需普通計算機即可。在本項目中采用的是戴爾OptiPlex390臺式電腦，配置為：Intel奔騰雙核G630，標配4GBDDR3內存，500GB7200轉SATA3硬盤，DVD刻錄機。

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，結合桌面的技術特點，可采取SSD存儲和通用磁盤存儲結合的方式來進行設計。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。用戶數據按10GB計算存儲空間，通用磁盤存儲空間計算如下：用戶數據：20GB*85＝1700GB。桌面Logs：100MB*85＝8.5GB。臨時空間：4GB*85＝340GB（vswap，考慮到如果虛擬機沒有關閉）。用戶系統(tǒng)及應用程序：20GB*50%*85＝850GB（克隆鏈接，LinkClone技術至少可節(jié)約50%磁盤空間）。桌面基礎架構服務器：150GB。以上共需存儲空間約為3248GB；按30%增加計算總共空間為4223GB。（2）門禁系統(tǒng)存儲需求門禁系統(tǒng)管理服務器采用虛擬機，Windows操作系統(tǒng)和SQLServer數據庫，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絡信號，要求7×24小時，30天以內實時存儲數據。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網絡虛擬化規(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。為了達到較流暢的體驗效果，每個客戶端平均需要帶寬如下：PCoIP：50-200kbps。A桌面設備接入（1）部門級交換機與匯聚交換機之間采用100M網絡連接。（2）客戶端與交換機之間采用100M網絡連接。B虛擬化基礎服務器和匯聚交換機間網絡連接。虛擬化基礎服務器和匯聚交換機間的網絡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計算，85個用戶（學校全部教室和機房同時使用計算）需要170Mbps以上的同時并發(fā)帶寬?？紤]到將來要擴容和大文件拷貝速度需求，方案使用1000Mbps主干，100M到桌面方案，可以滿足網絡需求。桌面云通過網絡實現用戶通過終端對桌面環(huán)境的訪問，網絡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應足以滿足LAN用戶的需求。（2）PCoIP更適用于高延遲網絡，還可以改善LAN用戶的視頻和多媒體使用體驗?？紤]到本期項目教室監(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。在網絡中部署QoS時也更容易制定策略。

5虛擬化成果

針對教學對象個性化的特殊要求的場景特點，桌面虛擬化的應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、內存、磁盤和網絡等各項性能指標，并進行實時監(jiān)控。同時可查看這些設備的利用率。（1）業(yè)務的快速遷移。500G的業(yè)務從某一服務器遷移到另一固定服務器，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）可以實現所有的云資源的故障告警。（5）離線桌面。離線桌面是VMwareView中的一項正式支持功能。把虛擬桌面簽出到本地端點并加密，如果網絡斷開，還可以訪問桌面、應用程序和數據；如果網絡接通將更改簽入到數據中心進行重新同步。將IT安全擴展到本地桌面。保證教師課堂教學不因斷網而受影響。多媒體課室虛擬化管理，使服務器CPU平均利用率可以提升至70%以上。由于操作系統(tǒng)與服務器硬件是相隔離的，這使應用程序兼容性問題得到解決。通過模塊軟件可以進行各項應用的快速部署。通過遠程控制可以不必到課室進行管理和維護。通過實時遷移功能可以把有故障的虛擬機遷移到其它物理機上。網絡虛擬化使得虛擬網絡與其他的虛擬網絡從底層物理網絡隔離，網絡安全得到進一步的提高。

6結束語

將個人計算機的桌面操作系統(tǒng)進行虛擬化，與計算機運行環(huán)境進行分離，用戶可以實現桌面系統(tǒng)遠程動態(tài)訪問，以及由數據中心統(tǒng)一托管。對于多媒體教學設備管理的改進和教師課堂教學手段的提高都取得了滿意的效果。

參考文獻

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作者：梁志榮 單位：肇慶學院教務處