基于VOI的高校计算机实训室建设方案探索

王小磊

(深圳职业技术大学 人工智能学院,广东 深圳 518055)

0 引言

随着“互联网+”与AI技术在全行业的快速发展,高校的专业建设需加快教育信息化进程。深圳职业技术大学在2020年工作要点中明确指出,严格落实学校的《人工智能行动方案》,创新人工智能背景下的人才培养、科技创新、院校治理理念与思路。面对各专业的转型升级,高性能的计算机实训室需求必将呈井喷式增长。然而,现有的实训室建设、管理、维护方案已不能适应高速增长的教学需求[1-3]。

现阶段,计算机实训室面临以下3个主要问题:计算机硬件配置不充分、硬件数量更新缓慢与教学需求不断升级之间的矛盾。有限的人力资源与繁重的计算机软硬件维护工作量之间的矛盾。陈旧的机房管理制度与新技术下机房管理要求之间的矛盾[2]。要充分利用实训室现有资源,与新技术进行融合,建立信息化、智能化的计算机实训平台,实训室的升级改造已迫在眉睫。

1 常用的计算机实训室管理技术

目前,各高校计算机实训室管理方案分为基于还原卡的建设方案和基于虚拟化的建设方案。

(1)基于还原卡的建设方案。该方案通过还原卡在OS启动前获得计算机的控制权,具有自动恢复、保护 CMOS设置、远程唤醒、智能同传等功能[4]。其缺点在于,受限于局域网与计算机硬盘配置,不能跨局域网和跨机器配置地进行操作系统的分发、切换与管理,无法解决人力资源匮乏与机房管理方案陈旧等问题。

(2)基于虚拟化的建设方案。该方案以千兆网络为基础,是利用云计算和虚拟化技术的一种方案[5]。目前各高校使用的虚拟化方案包括VMware、KVM、深信服等,这些方案都是基于虚拟桌面基础架构(Virtual Desktop Infrastructure,VDI)的,可以跨局域网进行操作系统的管理,管理员可以在云端完成所有客户端操作系统的部署。然而,客户端受限于虚拟化技术,其获得的数据处理能力也由服务端控制,不能处理3D渲染、AI图像识别、CAD建模等高性能的应用程序,无法满足课程对计算机软硬件的各种需求。

2 基于VOI的计算机实训室建设方案设计与实现

与传统的VDI 设计不同,虚拟操作系统架构(Virtual OS Infrastructure,VOI)的客户端可以对本机硬件资源进行充分利用,不依靠服务端的CPU/GPU虚拟化技术,直接在I/O 层实现对物理存储介质的数据重定向,可以在虚拟化的操作系统上充分利用本机物理硬件资源。这种方案不仅具备还原卡管理方案中客户端有较好的图形处理性能的优点,还具备基于虚拟化管理方案的快速管理客户端操作系统的优点,可以解决目前计算机实训室所面临的上述问题。其工作原理如图1所示。

图1 基于VOI的计算机实训室结构

由服务器集中式管理各专业所需的操作系统资源池,并加以存储。当需要进行操作系统的部署时,通过学校私有云进行部署。客户端根据实训室单元的划分,利用VOI技术,通过标准OS的快速分发,部署至各客户端。

客户端通过私有云获取到操作系统后,进行本地存储。在调用应用程序时,不再向服务器索要计算资源,而是直接通过各客户端本身的物理硬件资源加以处理。

方案从4个维度解决了目前计算机实训室的几个问题。

(1)服务器资源池部署在云端进行集中式管理,简化了运维方式。

(2)客户端无需考虑各种系统镜像的存储和分发,当需要恢复系统时,通过云端在服务资源池的支撑下快速部署。

(3)用户有多样化的选择,可以根据课程需要,登录系统以获取不同的课程资源。

(4)桌面的交付与实训室管理单元分离,实训室维护人员仅需考虑机器硬件故障,系统的切换和分发由服务器管理人员负责,从而降低实训室维护人员的系统维护工作量。

该方案充分考虑了虚拟化云桌面的几个特性:桌面系统集中化管理、统一化部署,系统的部署和分发可以跨局域网,解决了虚拟化桌面图像处理能力不足的问题,调用了客户端本地资源,提高了客户端硬件利用率,降低了服务端计算能力的投入成本。

2.1 服务资源池的结构设计

服务端包含服务资源池、存储资源池以及容灾备份3个模块。模块之间利用光纤接口接入万兆交换机向外提供服务。系统管理员通过浏览器可以接入任意一台服务器,对整个集群进行管理。

(1)服务器资源池负责系统运行、管理端接入、数据统计、课程管理接入等。

(2)存储资源池负责客户端桌面镜像的存储。

(3)容灾备份对服务资源池和存储资源池进行实时备份。

2.2 基于RAID2.0+的存储方案设计

为保证数据的可靠性,存储方案采用与传统存储技术不同的RAID2.0+作为底层的硬件存储技术。RAID2.0+通过2层虚拟化管理模式,克服了传统 RAID 的一些固有缺点,大大提升了存储系统的可靠性和资源管理效率。存储的定义过程如下。

(1)将现有的物理硬盘进行归类,目前现有的硬盘分别是SSD、SAS和SATA。然后将同一类的硬盘组合在一起构成逻辑磁盘(Logical Driver,LD)。

(2)将每个LD划分为不同的逻辑块(Chunk,CK),定义CK的大小为64 MB。

(3)将CK按照传统阵列的规则,组成逻辑块组(Chunk Group,CKG)。此处,按照RAID5的规则,以3个CK为一组的方式,组成多个CKG。

(4)在CKG基础上,再划分出固定大小的逻辑存储空间:Extent和Grain。其中,Grain是更高细力度的Extent,只有在Thin LUN模式下才存在。

(5)整个存储空间以逻辑卷(Logical Unit Number,LUN)的形式对外呈现。由服务资源池进行调用,并提供给客户端使用。

2.3 基于VOI的云桌面部署

方案以某品牌系统为例,进行部署。

(1)利用客户端管理程序,对机房内所有客户端进行开机并收集机房的IP地址。

(2)打开其中一台机器,安装操作系统,根据机房的课程要求,安装所有的应用软件。利用管理软件,将系统生成系统镜像。

(3)将系统镜像通过管理页面,上传至服务器,生成系统模版。

(4)利用管理软件,将模板下发至该机房内所有客户端。

(5)为该机房建立课程用户,将用户绑定至该机房内所有的主机上。

(6)尝试以特定用户身份进行登录。

(7)启动云桌面,进行应用程序的操作。

3 3种建设方案的性能对比

经过半个学期的使用,将还原卡方案、VDI方案与VOI方案进行全方位对比,结果如表1所示。

表1 3种建设方案性能对比

从表1可以看出,VOI在硬件性能上与还原卡方案一样,但是有更高的网络要求,同时会增加一定的服务器和存储投入。

与VDI相比,有更好的性能处理能力,同时支持离线使用模式,保证实训室在服务器故障时也能正常使用。同时,不需要太大的服务器和存储投入。

4 结语

大数据、云计算、人工智能等前沿技术的兴起,不仅推动了各学科的转型升级,同时也推动了计算机实训室管理技术的更新换代。目前,基于VOI的计算机实训室方案,已在深圳职业技术大学的公共基础实训室进行了部分试点。方案可以较好地兼顾性能和维护工作量的平衡,同时具备较强的容灾能力,有效地保障了教学的高性能、高响应要求,是一种高效、稳定、可靠的建设方案,值得进一步推广。