基于IDV 技術的智能云教室部署與優化

韓友前

（江蘇建筑職業技術學院 實驗實訓管理處，江蘇 徐州 221116）

桌面虛擬化又稱為云桌面，是虛擬化技術的一個具體應用，它將桌面和應用進行虛擬化并以服務的形式交付給用戶，從而實現在任何時間、任何地點都可以遠程訪問個人專屬的桌面環境[1]。桌面虛擬化將桌面資源集中管理，部署靈活，是計算機實驗室管理的理想解決方案。越來越多的高校嘗試使用桌面虛擬化技術對機房計算機進行管理和維護，為計算機實驗室管理的規范化、信息化、智能化進行了有益的探索。

智能桌面虛擬化（intelligent desktop virtualization，IDV）是“集中存儲，集中管理，分布計算”的架構模式。服務器端存儲和管理操作系統鏡像，客戶端負責計算和執行[2]。首次部署時客戶端從服務器下載系統鏡像并緩存至本機磁盤存儲，終端通過虛擬化層運行系統鏡像。由于系統鏡像和虛擬化層都在本地，可以充分利用本機的CPU 和GPU 計算資源，性能接近本地非虛擬計算機，使用習慣和傳統計算機一致。系統可以不依賴服務器和網絡離線運行，對服務器的配置要求不高，一臺普通計算機即可管理數百臺終端。但由于是虛擬的系統，使用體驗及兼容性和傳統計算機相比稍差。不支持平板、手機等瘦終端設備，不支持移動辦公。

IDV 計算分布在終端，可以離線使用，適合對終端性能要求較高、圖形計算密集型應用場景。

1 基于IDV 架構的智能云教室部署

1.1 IDV 的邏輯結構

IDV 是一種計算分布在終端的云桌面架構形式，服務器端保存和管理系統鏡像，終端緩存服務器推送過來的系統鏡像并在本地虛擬化層運行[3]。

服務器端由控制臺、數據庫、服務程序等組成?？刂婆_可以設置控制策略實現對客戶端桌面和用戶數據的管理。數據庫存儲系統鏡像文件、快照文件和用戶數據等。后臺服務主要有負責文件傳輸的P2P 服務[4]，負責IP 地址分配的DHCP 服務以及實現其他功能的一些服務。

終端是具備計算和數據緩存能力的胖終端設備，通常為臺式機或筆記本電腦等，由物理硬件、虛擬化層、操作系統、應用程序和用戶數據組成。虛擬化層是運行在裸機之上的虛擬機管理程序，負責虛擬桌面的實現，同時虛擬化層還負責獨立于操作系統的用戶管理、策略設置、數據傳輸、數據封裝和解析等，即“帶外管理”。虛擬化層之上就是用戶使用的虛擬機部分。IDV 邏輯架構如圖1 所示。

1.2 基于IDV 架構的智能云教室部署

智能云教室是基于IDV 架構的云桌面管理系統。具有集中管理、高效跨網段部署、多系統快速切換、支持離線運行等諸多優點，可以快速構建一個安全、穩定、智能的云教室管理平臺。

1.2.1 智能云教室部署實例

某高職院校有15 間公共機房共1 000 余臺計算機，采用聯想EDU 硬盤保護同傳系統管理。其中兩間機房162 臺計算機使用時間較長、老化嚴重，需要更換新機器。由于使用傳統的硬盤保護卡管理維護效率不高，新機器決定采用技術先進的云桌面進行管理。綜合考慮計算機性能需求、機器品牌、離線運行、經費預算等因素，最終選擇基于IDV 技術的聯想智能云教室解決方案。部署環境如下。

（1）網絡環境。需要部署云桌面的兩間計算機實驗室位于同一樓層，每個房間有81 個機位。機房內布線為UTP 六類網線，接入層交換機和匯聚交換機之間通過光纖連接。終端到服務器之間為千兆局域網。其網絡拓撲如圖2 所示。

（2）硬件配置。計算機實驗室主要服務于建筑類專業，終端安裝圖形計算密集的建筑信息模型（building information modeling，BIM）類軟件較多，所以需要較高的硬件配置。服務器的主要作用是鏡像管理，對性能要求不高，一般的入門級服務器即可勝任。硬件配置見表1。

表1 硬件型號配置

（3）軟件安裝規劃。機房需要安裝的軟件和考試客戶端較多，應根據軟件性質和服務專業提前做好安裝規劃，避免軟件沖突，同一系統節點下不宜安裝過多大型軟件。為了穩定和安全，各個考試客戶端軟件應盡量安裝在純凈的系統中。軟件配置見表2。

表2 軟件安裝規劃

1.2.2 云教室部署步驟

智能云教室采用的是客戶機/服務器架構，分為服務器和客戶端兩部分，重點是基礎鏡像的制作，云教室的部署主要分為以下6 個步驟[5]。

（1）服務器端安裝。服務器安裝微軟Windows Server 12 操作系統，設置靜態IP 地址，安裝智能云教室服務端。

（2）基礎鏡像制作?；A鏡像是虛擬機操作系統鏡像，它是生成用戶操作系統的模板。選擇任意一臺終端計算機作為樣機，安裝Windows10 操作系統和Office、WinRAR、PDF 閱讀器等常用軟件。安裝云教室客戶端將系統虛擬化，通過控制臺分別上傳系統分區和數據分區到服務器，完成基礎鏡像制作。

（3）建立虛擬磁盤。虛擬磁盤是客戶端云桌面系統的存儲載體，通過控制臺創建虛擬磁盤，設置磁盤名稱和空間大小，虛擬磁盤容量應小于或等于客戶端物理硬盤，通過對虛擬磁盤的屬性設置可以實現對客戶端硬盤的統一管理。

（4）創建操作系統。先創建系統快照，在控制臺創建系統根快照，然后引用該快照，在虛擬磁盤上創建操作系統，多系統的創建可以重復上述步驟。

（5）分組管理。在控制臺分組管理界面創建分組，設置本組終端引用的虛擬磁盤，IP 起始地址、計算機名等屬性完成分組創建。服務器端開啟部署服務，勾選默認分組，完成部署準備工作，等待終端計算機登錄。

（6）客戶端部署。在終端計算機BIOS 中設置網絡啟動為第一啟動項，安裝底層系統，計算機重啟后進入系統桌面，服務器通過P2P 協議在后臺快速部署數據到客戶端。部署流程如圖3 所示。

圖3 智能云教室部署流程

2 云教室應用中的問題及優化

2.1 存在問題

基于IDV 的智能云教室部署高效、管理靈活，滿足了目前機房軟件復雜、系統環境需求多樣和快速部署的需求。然而將IDV 云桌面技術應用于計算機實驗室管理的實踐中還存在一些問題需要解決，例如軟件的易用性、兼容性和保護卡類軟件相比有較大的差距；管理人員需要具備一定的虛擬化和云桌面專業知識，否則很難發揮IDV 云桌面的技術優勢；最突出的問題是終端使用體驗欠佳，特別是在機械硬盤和Windows10系統環境下，終端計算機啟動時間過長，從加電開機到打開軟件需要近10 min；進入桌面后操作卡鈍、系統運行不流暢等。

2.2 問題分析

在運行軟件時，發現硬盤指示燈頻繁閃爍，查看Windows 任務管理器“性能”一項，CPU 和內存利用率均在合理范圍，而“磁盤處理讀取或寫入請求的時間百分比”一項則經常接近100%，因此初步判斷系統運行卡頓的主要原因是由于硬盤頻繁讀寫，I/O 負荷接近飽和造成的。主要原因有以下幾個。

（1）虛擬化造成的性能損耗。虛擬化是將硬件資源進行邏輯化處理的過程，是用軟件模擬硬件的技術。雖然現在虛擬化技術已非常成熟，但是無論采用何種虛擬化方案，虛擬的計算機和本地非虛擬計算機相比，都不可避免地造成一定程度上的性能損耗。QEMU（quick emulator）是用軟件虛擬出硬件的一種計算機開源虛擬化技術，是純軟件實現的硬件模擬，所有的虛擬機指令都需要經過QEMU 重新編譯后在物理硬件上執行，這樣一方面讓QEMU 具備了跨平臺的通用性，另一方面使得QEMU 的執行效率較低[6]。在實際應用中QEMU 通常是通過KVM（kernel-based virtual machine）模塊加速后使用，KVM 是硬件輔助的虛擬化技術，它集成在Linux 內核中，執行速度快、效率高，KVM 主要負責高速計算的CPU 和內存的虛擬化，而硬盤、網卡、顯卡等I/O 設備的虛擬化則由QEMU負責完成。智能云教室終端采用的是KVM-QEMU 虛擬化技術方案，架構如圖4 所示。

圖4 KVM-QEMU 架構

（2）文件索引沖突。由IDV 云桌面的架構原理可知，IDV 云桌面數據是分層結構，由基礎鏡像、用戶程序、用戶數據3 層組成[7]。為了標識用戶產生的數據文件，IDV 底層文件系統監控進程需要不停地對增量數據進行索引，這些變化的數據會根據差異同步Rsync 算法去重、加密、壓縮后同步到服務器存儲[8]。而SysMain、Windows Search、Windows Defender 等系統服務進程也同時會對變化的數據進行跟蹤索引，這些進程同時對文件進行索引就會引起沖突，造成磁盤頻繁的讀寫，使終端系統運行緩慢，反應遲鈍。

（3）過多快照影響系統性能。在已部署系統的終端安裝新軟件并上傳到服務器時，在當前系統快照下會自動生成一個新的數據增量子快照，其他終端開機時會自動同步增量數據，此時終端系統數據由基礎鏡像數據和增量數據組成?？煺盏氖褂媒o不同操作系統環境之間的切換帶來了便利，但如果增量快照節點數量過多，當系統有讀寫請求時就會在基礎鏡像和多個快照之間來回檢索，從而延遲系統的響應時間，導致系統運行變慢[9]。

（4）加載虛擬化層延長啟動時間。IDV 終端啟動（從加電開機，到系統能正常使用）較慢主要原因是終端開機啟動包括兩個過程，一個是虛擬化層Linux系統的啟動，另一個就是用戶使用的Windows 虛擬系統的啟動[10]。另外使用未優化的Windows10 系統啟動時會加載大量后臺服務和程序，同時終端系統鏡像數據還需要和服務器端鏡像數據進行比對以確認是否有新的增量數據需要部署，使得開機進入桌面后3~4 min內磁盤占有率一直處于接近100%狀態，這段時間內用戶是無法操作的。

（5）Windows10 啟動后臺服務過多。Windows10操作系統啟動時有許多服務進程和用戶程序在后臺運行，如超級預讀服務SysMain、微軟智能助理Cortana、文件索引Windows Search、微軟云存儲服務OneDrive、殺毒軟件Windows Defender 等，這些服務和程序在系統啟動時加載到內存，占用較多的系統資源，延長了系統啟動時間。

（6）機械硬盤讀寫性能較差。終端硬件配置存在短板，存儲設備是機械硬盤，讀寫性能較弱。臺式計算機機械硬盤讀寫速度通常只有100 MB/s 左右，而固態硬盤讀寫速度基本都在500 MB/s 以上。機械硬盤的讀寫速度已經成為制約計算機性能發揮的瓶頸。

2.3 優化措施

IDV 終端啟動時間過長，運行卡頓，影響了用戶的使用體驗，不利于IDV 云桌面的推廣和應用，必須對其進行優化。通過分析IDV 云桌面系統運行緩慢的原因，對造成系統運行卡頓和啟動緩慢的可能因素進行有針對性的優化，減少不必要的性能損耗環節，可以有效提高系統流暢度，加快系統啟動時間。主要有以下優化措施。

（1）優化基礎鏡像，減少后臺服務啟動?；A鏡像是生成終端系統的模板，在安裝樣機時對基礎鏡像系統的后臺服務和程序進行適當精簡和優化，可以提升終端系統的啟動速度和運行效率?？申P閉對系統性能影響較大而不影響正常使用的一些后臺服務，例如SysMain、Windows Search、Windows Defender 等服務進程I/O 操作頻繁，對磁盤性能影響較大，可以禁止開機啟動。有些服務例如Windows Update、Security Center、Windows Firewall 等無法直接在服務管理窗口中修改啟動類型，可以通過修改注冊表、組策略或借助第三方優化工具予以關閉。其他提升系統性能的方法還有，關閉Windows 外觀視覺效果，禁用智能助理Cortana、微軟云存儲服務OneDrive 以及禁止其他第三方應用的開機啟動。

（2）選擇功能簡化的Windows10 LTSC 版本。該版本是微軟提供給企業用戶使用的功能簡化版Windows10 系統，和其他Windows10 版本相比，僅有安全更新，沒有內置Edge 瀏覽器、智能助手Cortana、應用商店和任何磁貼程序，后臺服務啟動極少。使用該版本作為終端系統安全穩定，可以有效提高系統運行效率。

（3）將應用軟件安裝在基礎鏡像中。在桌面虛擬化系統中，通?；A鏡像使用的是讀寫性能較好的全鏡像模式鏡像格式，而增量文件則使用讀寫性能稍弱的稀疏模式鏡像格式[11]。將軟件安裝在讀寫性能較好基礎鏡像中可以提高軟件啟動速度和運行效率。

（4）減少系統快照的數量。系統快照數量過多時，會增加數據檢索的時間成本，可以采用合并快照的方法來減少快照數量，當軟件不多時，盡量將軟件都安裝在基礎鏡像中。

（5）用固態硬盤替換機械硬盤。部署基于IDV 技術架構的云教室時，由于虛擬化帶來的磁盤I/O 損耗較大，在預算充足的條件下，建議使用讀寫性能較好的固態硬盤代替傳統的機械硬盤來保證系統運行的流暢度。

2.4 優化效果評估

經過上述方法優化后，終端系統啟動速度明顯加快，軟件操作較為流暢，使用體驗良好。為評估優化效果，對系統性能指標進行量化，使用幾款測試軟件對系統優化前和優化后的性能分別進行測試，重點測試了硬盤的讀寫性能，同時對系統啟動時間和軟件啟動時間進行了記錄。

2.4.1 測試環境

終端計算機、服務器及交換機配置見表1，聯想智能云教室版本為V1.2.18.1101。

優化前軟件環境：操作系統為Windows10 64 位專業版，保持默認設置。應用軟件安裝Office10 專業版、AutoCAD2016 教育版、Revit2016 教育版、360 壓縮，Chrome 瀏覽器，極域電子教室客戶端?；A鏡像只安裝Windows10 系統，應用軟件分3 次安裝和增量上傳，系統引用根快照下第3 個子快照。

優化后軟件環境：操作系統為Windows 10 LTSC 2019 64 位，應用軟件安裝同優化前，按照上述優化措施優化。軟件都安裝在基礎鏡像中，操作系統引用系統鏡像根快照。

2.4.2 測試結果

測試方法為Windows 進入桌面后靜置5 min 待系統穩定后進行測試，測試軟件使用默認設置，每組數據測試3 遍取平均數，保留兩位小數。

（1）硬盤讀寫性能測試。CrystalDiskMark 是一款硬盤讀寫性能測試軟件，使用CrystalDiskMark（版本:6.0.1 x64）軟件對優化前后系統盤C 盤進行測試，測試結果見表3、表4。

表3 硬盤讀取測試結果

表4 硬盤寫入測試結果

（2）綜合性能測試。魯大師是一款國產計算機系統工具軟件，通過模擬計算機不同使用場景對計算機CPU、內存、顯卡和硬盤進行評估測試，最后輸出測試結果。使用魯大師（版本：5.20.1190）測試結果見表5。

表5 計算機綜合性能測試結果

（3）性能基準測試。PCMark10 是一款基于實際應用的計算機綜合性能基準測試軟件，它提供基準、快速和擴展3 種測試模式，其中快速模式包括基本功能和生產力兩個測試環節。利用PCMark10 基礎版（版本：v1.0.1271）對優化前后進行快速模式測試，結果見表6。

表6 計算機性能基準測試結果

（4）啟動時間。系統啟動時間記錄方法為在“啟動”文件夾中新建一個文本文件，記錄從按下電源開關到開機后自動打開文本文件所用的時間。軟件啟動選擇常用的Autodesk CAD2016（局域網授權）為測試對象，記錄從雙擊程序圖標到顯示程序主界面所用時間。測度結果見表7。

表7 系統和軟件啟動時間

從測試結果可以看出終端計算機虛擬化后硬盤性能較差，經過優化后硬盤讀寫性能、系統和軟件啟動時間都有了較大的提升，優化效果顯著。其中CPU、內存、顯卡優化后性能提升不明顯，主要原因是虛擬化后它們的性能損耗本來就小，所以優化后這些硬件性能提升有限。由于條件限制，未能對更換SSD 硬盤后終端性能進行測試。

3 結語

利用IDV 云桌面技術部署和管理計算機實驗室，可快速交付各種教學、考試系統環境，具有穩定、高效、靈活的優點，滿足計算機實驗室軟件環境復雜、管理困難的實際需求，提高了計算機實驗室管理的信息化和智能化水平。對于IDV 云桌面終端系統運行緩慢的問題，可通過多種優化措施來提高系統運行的流暢度，從而提升用戶的使用體驗，促進云桌面系統在教育領域的應用和普及。