不同形式的案頭雲 – VDI 和 Streaming

趙 俊麗, 軟體工程師, IBM
殷 實, 軟體工程師, IBM

簡介： 企業工作案頭和應用的數量、複雜度日益增長，作業系統和應用的更新日益加速，企業要花費越來越多的時間和資金來支援和管理員工的工作案頭。為了控制經營成本，企業需要找到一個高效管理工作案頭的方案。個人電腦的淘汰速度日益加快，給企業和社會帶來了很多的廢物處理成本，從綠色環保的角度考慮，企業需要找到一個能替代個人電腦的方案。案頭雲（Desktop cloud）解決方案應運而生，它將虛擬桌面技術代、遠端桌面訪問技術、瘦用戶端技術結合，使使用者在任何時候、任何地方都可以方便地訪問個人桌面，IT 部門可以方便有效地管理這些案頭，而且瘦用戶端的淘汰速度遠低於個人電腦。案頭雲解決方案的技術也得到了快速的發展，目前被廣泛推廣的案頭使用技術有虛擬桌面架構技術（Virtual Desktop Infrastructure: VDI）和流傳輸案頭技術（Steaming）。本文主要介紹兩種技術的基礎架構、適用範圍以及發展現狀。

案頭雲簡介

多年來，企業花費了大量的時間和資金來支援和管理員工的工作案頭。隨著企業對應用和工作案頭的需求的不斷增長，IT 預算的不斷縮減，這種狀況面對著越來越多的挑戰。作業系統和應用的更新、軟體補丁、安全性漏洞以及響應日常的諮詢服務，已經成為 IT 部門每天疲於應付的事務，同時 IT 部門還要控制運營成本。企業需要找到一個高效管理工作案頭的方法已經變得刻不容緩，案頭雲就是針對這種情況而出現的一種解決方案。

在案頭雲解決方案中，我們可以通過瘦客戶機、iPad 或者其它與網路連接的裝置，訪問跨平台的應用程式或者整個客戶案頭，並且得到與傳統的個人電腦同樣的使用者體驗。案頭雲的前提是有一種使用者案頭使用技術，包括虛擬桌面架構技術（Virtual Desktop Infrastructure: VDI）和流傳輸案頭技術（Steaming），因此把 VDI 和 Streaming 可以被稱為案頭雲的兩種形式。

VDI

VDI 案頭雲解決方案採用“集中計算，分布顯示”的原則，支援用戶端案頭工作負載（作業系統、應用程式、使用者資料）託管在資料中心的伺服器上，使用者通過支援遠端桌面的協議（如 Remote Desktop Protocol: RDP、Independent Computing Architecture: ICA）的用戶端裝置與虛擬桌面進行通訊。每個使用者都可以通過終端裝置來訪問個人桌面，從而大大改善案頭使用的靈活性。

VDI 案頭雲解決方案可以整合來自多家廠商的多種產品，而它們之中的每一個都存在差異，但是每個方案又都擁有相似且必要的元素， 1 所示：

圖 1.VDI 架構圖

1.虛擬化平台

    虛擬化平台是一個伺服器叢集，包括運行伺服器和儲存伺服器，用來承載全部的案頭虛擬機器執行個體。它把運行伺服器組構成一個具有 HA（High Availability）特性的虛擬化資源集區，然後將虛擬化計算資源重新劃分並分配給案頭虛擬機器的執行個體。根據同一個虛擬機器範本複製、建立而成的案頭虛擬機器執行個體具有相同的配置和功能。所有的案頭虛擬機器執行個體都存放在儲存伺服器上。運行伺服器承載計算負載，儲存伺服器承載儲存負載。當某個運行伺服器出現異常時，它上面啟動並執行案頭虛擬機器執行個體可以快速地遷移到其它運行伺服器上繼續提供服務。儲存伺服器採用安全的備份機制，保證了資料的可靠性。
2.虛擬機器管理平台

    虛擬機器管理平台用於管理虛擬化資源集區中的案頭虛擬機器執行個體。基於虛擬機器範本，虛擬機器管理平台可以批量、快速地建立出新的案頭虛擬機器執行個體。虛擬機器管理平台把所有的案頭虛擬機器執行個體分組管理，既可以實現對單個執行個體進行開啟、關機、重啟、重設、銷毀等管理操作，也可以實現對組內所有執行個體的批量管理。當宿主伺服器發生非預期的問題而停止工作時，虛擬機器管理平台可以把宿主伺服器上的案頭虛擬機器執行個體移動到另一台宿主伺服器上繼續運行。

    虛擬機器管理平台還負責維護使用者和案頭虛擬機器執行個體的對應關係，此關係分為靜態和動態兩種。靜態關係是指一個使用者對應的案頭虛擬機器執行個體是固定的，使用者自己決定訪問哪個案頭虛擬機器執行個體。動態關係是指一個使用者對應的案頭虛擬機器類型是固定的，使用者自己只能決定訪問哪種類型的案頭，不能決定訪問哪個案頭虛擬機器執行個體。

    虛擬機器管理平台監控虛擬機器執行個體的運行狀態，維護使用者與案頭機執行個體的對應關係，用戶端串連調度平台根據這些資料，為使用者指派合理地案頭虛擬機器執行個體。
3.用戶端串連調度平台

    用戶端串連調度平台是用戶端串連請求散發者。用戶端用統一的串連入口發送串連請求到串連調度平台，串連調度平台根據調度策略從虛擬化資源集區中分配一個案頭虛擬機器執行個體與用戶端裝置進行對接。

    當用戶端裝置發出與案頭虛擬機器中斷連線的請求時，串連調度平台會斷開此串連，根據策略釋放虛擬機器資源，並調用虛擬機器管理平台對案頭虛擬機器執行個體做相應的處理，比如重設虛擬機器。用戶端串連調度平台會主動式監控用戶端裝置與案頭虛擬機器的串連狀態，當它發現未經請求就已斷開的串連時，用戶端串連調度平台同樣會釋放此虛擬機器資源，並調用虛擬機器管理平台處理此虛擬機器。
4.用戶端裝置

    用戶端裝置可以是普通 PC、瘦客戶機、諸如 iPad 的行動裝置等。瘦客戶機是使用專用嵌入式處理器、本地記憶體、精簡版作業系統，基於 PC 工業標準設計的專用商用 PC。瘦客戶機通常使用壽命比較長，而且其購買費用比台式 PC 的費用低。

    用戶端裝置將滑鼠、鍵盤等輸入傳送到伺服器處理，伺服器再把處理結果回傳給用戶端顯示，這種傳送過程需要高效的通訊協議支援。不同的用戶端可以同時登入到伺服器上，並擁有獨立的工作環境。用戶端裝置無論是在區域網路還是廣域網路中都可以串連到案頭虛擬機器執行個體，這使使用者在任何時候、任何地方都可以使用相同的案頭環境。
5.通訊協議

    使用者體驗是決定案頭解決方案生命力的關鍵，通訊協議的效率決定了案頭虛擬機器的使用者體驗。目前比較通用的通訊協議有遠端桌面通訊協定（Remote Desktop Protocol：RDP）和獨立計算體繫結構（Independent Computing Architecture：ICA）。

    RDP 和 ICA 都是終端服務的協議，RDP 適用於 TCP/IP 協議，ICA 適用於 TCP/IP、 IPX/SPX、 NetBEUI 等協議。通常情況下，ICA 協議的效率要高於 RDP 協議，在區域網路環境下，一般的應用（不包括視頻、玩遊戲以及 3D 製圖等）在 RDP 和 ICA 上都能正常運行，只不過是 RDP 協議造成網路佔用較多，但對於效能還不至於產生很大影響；但是在廣域網路甚至是互連網上，RDP 協議與 ICA 協議的效能差距很大。而在視頻觀看、Flash 播放、3D 設計等應用上，即使是區域網路，ICA 的使用者體驗會比 RDP 流暢很多。

Streaming

Streaming 是一種資料傳送技術，它把作業系統、應用程式和使用者資料變成一個穩定連續的流，源源不斷地輸出到用戶端，使使用者在資料傳送完成之前就可以運行作業系統和應用。Steaming 虛擬桌面解決方案採用“集中管理，分布計算”的原則，把用戶端案頭工作負載（作業系統、應用程式、使用者資料）打包並存放於資料中心的伺服器。當用戶端通過網路連接到資料中心時，伺服器按需地傳送用戶端需要的作業系統和應用，然後用戶端由負責計算。

Steaming 虛擬桌面解決方案中有大資料量的傳輸，所以通常部署在區域網路內。Steaming 虛擬桌面解決方案的架構 2 所示。

圖 2：. Streaming 架構圖

1.案頭打包服務

    Steaming 虛擬桌面解決方案的核心是資料流的分發與傳輸，案頭打包服務決定了資料流的粒度，資料流的粒度決定了分發和傳輸的效率。案頭打包服務把作業系統、應用程式和使用者資料分別打包成穩定連續的資料流，使資料流可以最大限度地支援按需分發。

    通常的作業系統、應用程式、使用者資料檔案容量大，在網路中傳輸花費時間長，若遇到網路繁忙，還會造成傳輸中斷。因此，需要把作業系統、應用程式、使用者資料進行預先處理，將檔案壓縮為支援流形式傳輸的檔案。預先處理過程中有兩點非常重要，一點是選用適當的壓縮方法進行壓縮，這樣產生的檔案容量較小，另一點是需要在檔案中添加流格式資訊。
2.案頭分發服務

    案頭分發服務是由一個伺服器叢集提供的，用於分發虛擬桌面資料流到用戶端裝置。用戶端裝置連入網路後，案頭分發服務根據預先定義的策略向它分發作業系統。用戶端開啟應用時，案頭分發服務向它分發應用程式。案頭分發服務具有 HA 特性，當一個案頭散發者出現異常時，另一個案頭散發者可以自動地替代它為與其串連的用戶端裝置服務。出於分發效率的考慮，案頭散發者叢集通常採用金字塔結構，上層的伺服器服務於下層伺服器，只有最下層的伺服器直接服務於用戶端裝置。
3.用戶端裝置

    用戶端裝置可以是普通 PC、瘦客戶機或者特定的應用程式。在 Streaming 虛擬桌面解決方案中，用戶端需要具有較高的計算能力和高效的緩衝能力，支援網路啟動的網卡。特定的應用程式是 Streaming 案頭解決方案的一個用戶端軟體，使用者通過它來使用 Streaming 的應用程式。服務端把作業系統、應用程式、使用者資料傳送到用戶端，用戶端負責計算，並處理滑鼠、鍵盤等裝置的輸入，然後把計算結果傳送至服務端。

    Streaming 虛擬桌面解決方案支援用戶端裝置離線工作。如果用戶端裝置需要離線工作，使用者需要為用戶端裝置配置存放裝置，比如本地硬碟、移動硬碟等。當用戶端裝置線上工作時作業系統、應用程式、使用者資料被儲存在存放裝置中，一旦處於離線狀態用戶端會利用存放裝置中的資料繼續工作。當用戶端裝置再次線上工作時，服務端與用戶端的資料會進行同步。
4.啟動技術

    用戶端啟動後會向網路中的所有電腦發送廣播，案頭散發者收到廣播後根據預先定義的分發策略向用戶端傳送作業系統映像。用戶端接收映像後開始啟動作業系統，作業系統啟動後系統會按需地載入應用程式。根據接收映像的介質不同，啟動技術可以分為硬啟動和緩啟動兩種。

    硬啟動利用網卡上的啟動晶片與伺服器通訊。對於 BIOS 中空閑較多並支援寫入的主板，可以將啟動晶片代碼寫入主板 BIOS 中，現在幾乎所有的 BIOS 都支援這種操作。目前比較通用的啟動晶片有 RPL 和 PXE。RPL 晶片可用於十兆和百兆網卡，PXE 通常用於百兆網卡。

    緩啟動利用特定的啟動軟體。這類軟體可以儲存在本地硬碟或者移動存放裝置上，此類軟體隨用戶端啟動然後伺服器進行通訊。啟動軟體通常是服務提供者定製的，它比硬啟動更加靈活，實現的功能也更加豐富。
VDI 和 Streaming 的適用範圍

VDI 和 Streaming 這兩種解決方案，在實現、運行上都各有特點，因而它們有不同的使用範圍。下表是對兩種方案的主要特點的比較。

方案類型	計算模式	管理員模式	儲存模式	用戶端顯示	支援的網路	離線操作
VDI	集中計算	統一管理 OS 和 App	使用者資料與案頭可一起儲存，也可分開儲存	顯示服務端傳來的影像	廣域網路、區域網路	不支援
Streaming	分散計算	獨立管理 OS 和 App	使用者資料與案頭分開儲存	獨立顯示	區域網路	支援

對於平時辦公只需要運行 office、IT 開發工具、郵件用戶端等輕量級應用案頭系統的使用者，比如財務部門、人力資源部門、話務中心的員工，VDI 在提供運行快速的個人桌面的同時還支援案頭系統個人化的配置。VDI 在區域網路和廣域網路內都可以使用，使用者在任何地方都可以登入到相同的案頭環境中，因此 VDI 非常適合於遠程異地辦公的使用者。例如在典型的網路教學環境中，教師除授課以外還需要為學生準備相應的作業環境，而學生使用的裝置和網路通常是參差不齊的。在這種情況下使用 VDI 解決方案，教師只需要點幾下滑鼠就可以為所有學生準備好相同的作業環境。

對於顯示品質要求很高的情況，比如平面設計、CAD 繪圖、動漫製作、大型遊戲開發等領域，Streaming 解決方案的用戶端裝置負責提供計算能力，可以提供與高影像處理能力的個人電腦同樣的顯示效果。在運行重量級應用的情況下比如大型資料處理終端，必須把處理負載分散到用戶端並把資料存放在服務端以保證資料安全和處理能力的雙向指標，此時 Steaming 解決方案是非常好的選擇。Streaming 支援離線方式，當用戶端再次接入網路時會自動實現服務端與用戶端的同步，這對於經常會離線工作的員工是非常有意義的。

結束語

VDI 作為一種案頭雲技術，將遠端桌面訪問與虛擬作業系統結合了起來，使得案頭雲的企業級應用成為可能。伺服器虛擬化技術的成熟，以及伺服器計算能力的增強，使得伺服器可以提供多台案頭作業系統的計算能力。以 4 核處理器、16G 記憶體的伺服器為例，如果使用者指派給虛擬 Windows XP 系統 1024 MB 記憶體，一個伺服器可以支撐 50-60 個案頭運行。IBM 已經可以提供完善的 VDI 解決方案，基於 IBM 資料中心的強大優勢，世界各地的使用者都可以享受到 IBM 提供的高效的案頭服務。VDI 案頭雲解決方案也可以基於企業自己的資料中心提供服務。目前 VDI 案頭雲解決方案已經在很多企業中得到了應用，Microsoft、VMware 等廠商都在積極發展自身的 VDI 技術。

在 VDI 解決方案中，案頭虛擬機器執行個體的數量較大，這樣在做軟體管理、系統升級等虛擬機器管理工作的時候，工作量很大。為了提高管理效能，Streaming 將案頭系統的運行環境與安裝環境拆分，將應用、設定檔、案頭拆分，提高了可共用的資源比例，從而降低了管理複雜度與成本，提高了管理效率。以一個有 200 個使用者的企業為例，如果不進行拆分，IT 管理員需要管理 200 個鏡像。如果進行拆分，IT 管理員可能只需要管理 20 個應用、一個作業系統鏡像、一個檔案伺服器（使用者系統管理使用者設定檔）。Streaming 作為一種新興的案頭雲技術正被越來越多的應用到案頭雲領域中的解決方案，Wyse、Citrix 等廠商對 Streaming 的投入很多。

參考資料

學習

• IBM Smart Cloud：IBM 智能雲中心包含豐富的雲端式技術的服務和系統及應用程式。

• IBM 雲端運算智能商務案頭
• IBM 雲端運算安全：IBM 雲端運算資訊安全中心介紹了大量雲技術相關的安全技術。
• “案頭雲初探”（developerWorks，2010 年 1 月）：自從雲端運算的概念推出以來，不斷有各種各樣的雲從我們身邊飄過，案頭雲（Desktop Cloud）就是其中的一朵雲。，本文主要介紹什麼是案頭雲，驅動案頭雲的業務需求是什麼，案頭雲的基礎架構，以及案頭雲現在存在的一些缺點以及案頭雲現在主要面臨的挑戰
• “案頭雲的部署”（developerWorks，2010 年 8 月）：案頭雲方案是對企業傳統案頭管理的一次重大變革，良好的使用者體驗對項目的成功非常重要，但是由於社會中存在不同類型的企業，這些不同類型的企業當中有許多不同類型的使用者，這些使用者對計算資源的需求不一樣，平時使用的習慣也不一樣，如果我們忽略了這些差異性的話會使使用者體驗很差，甚至會導致項目失敗
• “案頭雲中的安全”（developerWorks，2011 年 3 月）：許多企業在考慮把自己的傳統案頭替換成案頭雲，但是案頭雲的安全問題一直困擾他們，變成他們實施中最主要考慮的問題之一，本文主要介紹了實施案頭雲所帶來的一些天生的安全性以及在實施案頭雲架構過程中必須考慮的安全問題
• “案頭雲 - 企業 IT 管理的發展之路”（developerWorks，2011 年 8 月）：當前幾乎所有的企業和機構都面臨著一些 IT 管理方面的問題。在企業內應用案頭雲（Desktop Cloud）系統，是一條解決企業遇到的這些難題的有效途徑。本文首先介紹案頭雲系統及其架構和部署方式，然後描述案頭雲系統在 IT 管理方面的優勢和如何解決企業面臨的 IT 管理問題。本文最後闡述了案頭雲系統的發展趨勢。
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本文出處：http://www.ibm.com/developerworks/cn/cloud/library/1108_zhaojl_vdistream/