虚拟桌面与零客户端在实验室管理中的研究应用
——VMware Horizon View与Dell Wyse Zero Client的融合研究 ①

吴 磊

(华侨大学信息化建设与管理处,福建 厦门 361021)

0 引 言

我校厦门校区计算机实验室建设于2006年,当时委托福建省华大数码科技有限公司开发了一套基于校园卡的机房计费管理系统。我校厦门校区主要以工科类专业为主,公共课及部分专业课对计算机实验室的需求巨大,因此实验室计算机数量庞大,至今仍有一部分实验室使用传统PC,并采用此机房计费管理系统管理。终端安装于实验室外,常年运行在风吹日晒、尘土飞扬的恶劣环境中,因此故障频发,无法长时间正常运行。经过数次咨询和调研后,未发现当前市面上有完全满足我校计算机实验室需求的其他计费管理系统。

我校教学环境部利用当前已趋于成熟的虚拟桌面技术,让机房计费管理系统的刷卡终端能够稳定地运行在恶劣的户外环境中,并且能够便利地对其进行管理和维护。

设计了一套基于虚拟桌面与零客户端技术的机房计费管理系统刷卡终端,接下来将从技术优势和产品部署两个方面分别对其进行介绍。

1 虚拟桌面技术的优势

1.1 高效且灵活的运维方式

虚拟桌面运行在服务器的硬件资源经过虚拟化后抽象出来的虚拟CPU、内存和硬盘等硬件之上。因此只要能访问服务器,管理员可以在任何时间、任何地点,甚至可以仅仅通过一部智能手机和简单的几步点选操作,即可对虚拟桌面进行系统维护、配置升级甚至重新部署。从这一点上看,虚拟桌面技术不仅为管理员降低了操作难度,还减少了时间成本,提供了高效且灵活的运维方式。

1.2 最理想的后台运行环境

不同于必须安装在户外环境的传统刷卡终端,服务器仅需提供远程的虚拟桌面服务,因此可以安装于我校核心机房内。该机房位于我校厦门校区教育技术大楼5楼,共划分了5个区域,分别为核心交换区、数据中心区域、监控室区域、UPS电源间、缓冲门,从2006年8月建设竣工投入使用至今,已稳定运行16年。核心机房安装有精密空调控制温度和湿度,有UPS保障意外断电情况下的续航,并且在一定程度上隔离了粉尘。

1.3 精简且稳定的前端设备

运行于x86架构微型计算机的传统刷卡终端在户外环境中特别脆弱,手动强制重启已然是家常便饭,需要拆机检修的情形也是屡见不鲜。相比之下,虚拟桌面的前端可以采用比瘦客户端更加精简的零客户端,它拥有更高的集成度,只有很少的配置选项,且不存储任何信息,也没有本地操作系统。它仅仅相当于一个输入输出的中介,只负责把终端的键鼠命令通过网络传输到后端服务器,再将服务器处理后的画面、声音等回传。正因为如此精简,零客户端才能长时间在更加恶劣的户外环境下稳定运行,而且基本不需要人工的干预和维护。

2 虚拟桌面产品的选择

虚拟桌面的核心技术是虚拟化技术,VMware,Microsoft,Citrix是当前业内公认度较高的三个虚拟化厂商。其核心虚拟化产品包括:VMware vSphere,Hyper-V,Xen Server。在2017年度发布的市场调查数据中可见各大公司的市场份额如图1所示。

接下来,将介绍并比较三家主流虚拟化厂商的产品。

2.1 Microsoft Hyper-V

在微软的Windows Server中,内置了虚拟化技术产品——Hyper-V。它是操作系统的一部分,支持动态迁移。它能够发挥性能和安全的最大效益,支持虚拟机硬件配置例如硬盘的在线动态调节。另外,它能很好地支持Linux操作系统。

Hyper-V为用户对服务器的使用提供了极大的利用率,优化了数据中心的运行。

表1 VMware、Microsoft和Citrix的功能与性能比较

2.2 Citrix Xen Server

剑桥大学学者Ian Pratt,与他的团队,一起开发出了Citrix Xen Server这项产品。随着这项产品问世时间的增长,捕获了许多科技巨头的眼球。他们一起参与完成这个产品的后续研发工作,使得Xen Server的功效不断得到完善。

Xen Server可以高效的管理不同的虚拟机。可以简单的把它看做是一个小的、简洁的操作系统,其代码长度只有五万行。故此,它的运行非常快捷,成本也较低。

2.3 VMware vSphere

VMware vSphere除了虚拟机管理程序外,还有与之相关的众多软件。它实际上是一整套解决方案,能够给与用户进阶的服务,如在线迁移,高可用性,分布式资源调度,容错和快照备份等。

综上对当前三大服务器虚拟化产品所述,则可以由表1理解这三类不同的产品的特性。VMware这个虚拟化产品的特点与优势清晰可见。首先,它占据了市场大部分份额;其次,其技术架构上的成熟、软硬件的高兼容性与核心技术的完善都是其他企业产品所达不到的程度;最后,它对我校的云计算服务有着指导性意义,有助于我校建立虚拟化数据中心。结合这些因素,最终把VMware vSphere作为机房计费管理系统刷卡终端的虚拟化平台。

3 虚拟桌面产品的部署

3.1 虚拟桌面产品的选择

经过一系列比较,最终选择了VMware Horizon View虚拟桌面与Dell Wyse 5030零客户端这两款产品作为部署方向。其中VMware是全球桌面到数据中心虚拟化解决方案的领导厂商,在虚拟化和云计算基础架构领域处于全球领先地位,占据了市场大部分份额。另外,Dell Wyse 5030零客户端是功能完备的VMware Horizon View虚拟桌面端点,它使用由VMware和Teradici共同开发的PCoIP(PC-over-IP)协议,将用户的会话以图像的方式进行压缩传输,更加高效的利用了带宽,提供了真正完整的桌面级体验。由于它是真正的零客户端,没有本地嵌入式操作系统,仅需要最低限度的配置和管理,而且采用了超紧凑、高能效、低功耗的设计,因此能适应我校计算机实验室外恶劣的户外环境。

3.2 Hypervisor的安装

部署虚拟桌面之前,必须先安装相应的Hypervisor,其又称为虚拟机监视器,是用来创建与执行虚拟机的软件、固件或硬件,当前VMware的Hypervisor分为ESXi和Workstation两种产品。其中Workstation是宿主型Hypervisor,它的可靠性取决于宿主机操作系统的稳定性。其次,它作为应用程序级别的软件,不涉及操作系统内核,因此必须通过宿主机操作系统获取虚拟硬件设备需要消耗的资源,这个过程需要翻译和执行大量的代码,从而导致性能的损失。另外,宿主机操作系统本身就需要一定的硬件资源,因此也会导致效率的降低。而ESXi为裸机型Hypervisor,它本身就是针对虚拟化进行了优化的操作系统,能够直接调用硬件资源,提供了远高于宿主型Hypervisor的运行效率。因此,我部门最终选择了ESXi。

3.3 虚拟桌面的部署

VMware的虚拟桌面产品Horizon View分为标准部署和单机部署两种模式,其中标准部署需要安装Connection Server(连接服务器)、Composer(链接克隆服务)、数据库等组件,可以一次性部署多个虚拟桌面并进行统一管理。然而我部门仅需要一台刷卡终端,若采用标准部署模式有些小题大做。相比之下,省去连接服务器与其他组件,直接使用客户端连接虚拟桌面的单机部署模式显然更为简便也更加高效。

下载操作系统镜像,选择了Windows 10 Enterprise LTSC(Long-Term Servicing Channel,长期支持)版本,此版本相对于普通版本,精简了应用商店、Cortana、Edge等许多不必要的功能,资源占用少,是专为控制医疗设备或自动柜员机 (ATM)等专用设备设计,专注于长期稳定运行和兼容性的特殊版本,很适合作为机房计费管理系统刷卡终端的操作系统。

登录ESXi新建虚拟机并加载镜像安装操作系统,随后依次安装VMware Tools(虚拟机增强工具)、Horizon Agent(虚拟桌面代理组件)、Horizon Agent Direct-Connection(虚拟桌面直连组件)以及刷卡终端程序,机房计费管理系统刷卡终端的虚拟桌面环境即部署完成。

3.4 零客户端的配置

将Dell Wyse 5030零客户端连接电源、网线以及读卡器等外设并开机,修改网络参数,并将虚拟桌面的IP、用户名以及登录密码等配置进会话选项后即完成零客户端的配置。连接虚拟桌面,安装读卡器的驱动程序并将刷卡程序配置为登录后自动运行。

4 虚拟桌面产品的调试

经过几天的测试后发现,基于虚拟桌面与零客户端技术的机房计费管理系统刷卡终端存在以下两个问题:

(1)VMware Horizon View虚拟桌面默认在成功连接后的36000秒,即10个小时后自动断开连接。由于读卡器是通过零客户端的USB接口重定向至虚拟桌面,断开连接相当于在刷卡程序运行当中强行拔出读卡器,这会造成刷卡程序陷入未响应状态,即使零客户端自动重新连接虚拟桌面后也无法继续正常使用。只能通过ESXi的虚拟机控制台结束刷卡程序进程或注销登录、重新启动等操作,并访问零客户端的网页管理界面将其手动重启才能恢复。导入Horizon Agent Direct-Connection的admx组策略模板文件,并尝试修改Client Session Timeout、Session Timeout这两个参数,发现不论是修改成0还是99999均无法使虚拟桌面保持连接超过10个小时。

(2)我校一卡通计费系统每晚11点开始统计流水,并向包括机房计费管理系统的刷卡终端在内的所有计费终端发送关机指令。然而Dell Wyse 5030零客户端需要另外部署PCoIP 管理控制台并购买企业授权后才可以实现定时的自动开机、关机和重启操作。并且我部门当前仅需要一台刷卡终端,经费也极其有限,购买昂贵的企业授权显然是不合适的。因此只能在每天上课之前访问零客户端的网页管理界面将其手动重启后才能恢复。

针对上述两个问题,制定了如下解决方案:

每天上午8点前、下午3点半前强行注销刷卡终端操作系统,零客户端自动重新登录后即重置了连接时长,解决了虚拟桌面连接不能超过10小时的限制。每天晚上11点前强行结束刷卡程序进程,刷卡程序将在第二天8点前操作系统注销并重新登录后自动启动,回避了每晚11点由计费系统发来的关机指令。具体操作是,通过Windows的任务计划程序,分别于每天的计划时间段新增两条“shutdown -l -f”强制注销操作系统和一条“taskkill -f -im AheadManage.exe”强制结束刷卡程序进程指令。

5 结 语

综上所述,通过将虚拟桌面与零客户端技术与我校机房计费管理系统结合起来,解决了我校厦门校区传统x86架构刷卡终端故障频发的问题,并且显著降低了其运维的人工、时间以及技术成本。实际上,所架构的方案适用于任何有一定系统复杂度且必须运行在户外环境的单位考勤机、门店排号机、银行存取款机等各类场景,具有除文中所述的稳定性与简便性之外,还具有一定的普适性。