基于VOI的高校計算機實訓室建設方案探索

王小磊

(深圳職業技術大學 人工智能學院,廣東 深圳 518055)

0 引言

隨著“互聯網+”與AI技術在全行業的快速發展,高校的專業建設需加快教育信息化進程。深圳職業技術大學在2020年工作要點中明確指出,嚴格落實學校的《人工智能行動方案》,創新人工智能背景下的人才培養、科技創新、院校治理理念與思路。面對各專業的轉型升級,高性能的計算機實訓室需求必將呈井噴式增長。然而,現有的實訓室建設、管理、維護方案已不能適應高速增長的教學需求[1-3]。

現階段,計算機實訓室面臨以下3個主要問題:計算機硬件配置不充分、硬件數量更新緩慢與教學需求不斷升級之間的矛盾。有限的人力資源與繁重的計算機軟硬件維護工作量之間的矛盾。陳舊的機房管理制度與新技術下機房管理要求之間的矛盾[2]。要充分利用實訓室現有資源,與新技術進行融合,建立信息化、智能化的計算機實訓平臺,實訓室的升級改造已迫在眉睫。

1 常用的計算機實訓室管理技術

目前,各高校計算機實訓室管理方案分為基于還原卡的建設方案和基于虛擬化的建設方案。

(1)基于還原卡的建設方案。該方案通過還原卡在OS啟動前獲得計算機的控制權,具有自動恢復、保護 CMOS設置、遠程喚醒、智能同傳等功能[4]。其缺點在于,受限于局域網與計算機硬盤配置,不能跨局域網和跨機器配置地進行操作系統的分發、切換與管理,無法解決人力資源匱乏與機房管理方案陳舊等問題。

(2)基于虛擬化的建設方案。該方案以千兆網絡為基礎,是利用云計算和虛擬化技術的一種方案[5]。目前各高校使用的虛擬化方案包括VMware、KVM、深信服等,這些方案都是基于虛擬桌面基礎架構(Virtual Desktop Infrastructure,VDI)的,可以跨局域網進行操作系統的管理,管理員可以在云端完成所有客戶端操作系統的部署。然而,客戶端受限于虛擬化技術,其獲得的數據處理能力也由服務端控制,不能處理3D渲染、AI圖像識別、CAD建模等高性能的應用程序,無法滿足課程對計算機軟硬件的各種需求。

2 基于VOI的計算機實訓室建設方案設計與實現

與傳統的VDI 設計不同,虛擬操作系統架構(Virtual OS Infrastructure,VOI)的客戶端可以對本機硬件資源進行充分利用,不依靠服務端的CPU/GPU虛擬化技術,直接在I/O 層實現對物理存儲介質的數據重定向,可以在虛擬化的操作系統上充分利用本機物理硬件資源。這種方案不僅具備還原卡管理方案中客戶端有較好的圖形處理性能的優點,還具備基于虛擬化管理方案的快速管理客戶端操作系統的優點,可以解決目前計算機實訓室所面臨的上述問題。其工作原理如圖1所示。

圖1 基于VOI的計算機實訓室結構

由服務器集中式管理各專業所需的操作系統資源池,并加以存儲。當需要進行操作系統的部署時,通過學校私有云進行部署?？蛻舳烁鶕嵱柺覇卧膭澐?利用VOI技術,通過標準OS的快速分發,部署至各客戶端。

客戶端通過私有云獲取到操作系統后,進行本地存儲。在調用應用程序時,不再向服務器索要計算資源,而是直接通過各客戶端本身的物理硬件資源加以處理。

方案從4個維度解決了目前計算機實訓室的幾個問題。

(1)服務器資源池部署在云端進行集中式管理,簡化了運維方式。

(2)客戶端無需考慮各種系統鏡像的存儲和分發,當需要恢復系統時,通過云端在服務資源池的支撐下快速部署。

(3)用戶有多樣化的選擇,可以根據課程需要,登錄系統以獲取不同的課程資源。

(4)桌面的交付與實訓室管理單元分離,實訓室維護人員僅需考慮機器硬件故障,系統的切換和分發由服務器管理人員負責,從而降低實訓室維護人員的系統維護工作量。

該方案充分考慮了虛擬化云桌面的幾個特性:桌面系統集中化管理、統一化部署,系統的部署和分發可以跨局域網,解決了虛擬化桌面圖像處理能力不足的問題,調用了客戶端本地資源,提高了客戶端硬件利用率,降低了服務端計算能力的投入成本。

2.1 服務資源池的結構設計

服務端包含服務資源池、存儲資源池以及容災備份3個模塊。模塊之間利用光纖接口接入萬兆交換機向外提供服務。系統管理員通過瀏覽器可以接入任意一臺服務器,對整個集群進行管理。

(1)服務器資源池負責系統運行、管理端接入、數據統計、課程管理接入等。

(2)存儲資源池負責客戶端桌面鏡像的存儲。

(3)容災備份對服務資源池和存儲資源池進行實時備份。

2.2 基于RAID2.0+的存儲方案設計

為保證數據的可靠性,存儲方案采用與傳統存儲技術不同的RAID2.0+作為底層的硬件存儲技術。RAID2.0+通過2層虛擬化管理模式,克服了傳統 RAID 的一些固有缺點,大大提升了存儲系統的可靠性和資源管理效率。存儲的定義過程如下。

(1)將現有的物理硬盤進行歸類,目前現有的硬盤分別是SSD、SAS和SATA。然后將同一類的硬盤組合在一起構成邏輯磁盤(Logical Driver,LD)。

(2)將每個LD劃分為不同的邏輯塊(Chunk,CK),定義CK的大小為64 MB。

(3)將CK按照傳統陣列的規則,組成邏輯塊組(Chunk Group,CKG)。此處,按照RAID5的規則,以3個CK為一組的方式,組成多個CKG。

(4)在CKG基礎上,再劃分出固定大小的邏輯存儲空間:Extent和Grain。其中,Grain是更高細力度的Extent,只有在Thin LUN模式下才存在。

(5)整個存儲空間以邏輯卷(Logical Unit Number,LUN)的形式對外呈現。由服務資源池進行調用,并提供給客戶端使用。

2.3 基于VOI的云桌面部署

方案以某品牌系統為例,進行部署。

(1)利用客戶端管理程序,對機房內所有客戶端進行開機并收集機房的IP地址。

(2)打開其中一臺機器,安裝操作系統,根據機房的課程要求,安裝所有的應用軟件。利用管理軟件,將系統生成系統鏡像。

(3)將系統鏡像通過管理頁面,上傳至服務器,生成系統模版。

(4)利用管理軟件,將模板下發至該機房內所有客戶端。

(5)為該機房建立課程用戶,將用戶綁定至該機房內所有的主機上。

(6)嘗試以特定用戶身份進行登錄。

(7)啟動云桌面,進行應用程序的操作。

3 3種建設方案的性能對比

經過半個學期的使用,將還原卡方案、VDI方案與VOI方案進行全方位對比,結果如表1所示。

表1 3種建設方案性能對比

從表1可以看出,VOI在硬件性能上與還原卡方案一樣,但是有更高的網絡要求,同時會增加一定的服務器和存儲投入。

與VDI相比,有更好的性能處理能力,同時支持離線使用模式,保證實訓室在服務器故障時也能正常使用。同時,不需要太大的服務器和存儲投入。

4 結語

大數據、云計算、人工智能等前沿技術的興起,不僅推動了各學科的轉型升級,同時也推動了計算機實訓室管理技術的更新換代。目前,基于VOI的計算機實訓室方案,已在深圳職業技術大學的公共基礎實訓室進行了部分試點。方案可以較好地兼顧性能和維護工作量的平衡,同時具備較強的容災能力,有效地保障了教學的高性能、高響應要求,是一種高效、穩定、可靠的建設方案,值得進一步推廣。