ISSN 1002-4956 CN11-2034/T
实验技术与管理
Experimental Technology and Management
第38卷第2期2021年2月
Vol.38 No.2 Feb. 2021
D O I: 10.16791/jki.sjg.2021.02.051基于IDV技术的智能云教室部署与优化
韩友前
(江苏建筑职业技术学院实验实训管理处，江苏徐州221116)
摘要：基于虚拟化技术的云桌面是计算机实验室管理维护的理想解决方案:，该文取点研究了智能桌Ifi丨虚拟化（intelligent desktop virtualization, IDV )云桌面的结构原理，介绍了基于ID V架构的智能云教室部W过程。针对云桌面终端出现的启动缓慢、运行卡顿问题进行详细分析并给出具体优化建议最后利用测试软件分别对优化前后终端的性能进行测试，结果显示优化后系统性能提升明显：
关键词：云教室；云桌面；智能桌面虚拟化；计算机实验室
中图分类号：G482;TP315 文献标识码：  A 文章编号：1002-4956(2021)02-0237-05
Deployment and optimization of intelligent cloud
classroom based on IDV technology
HAN Youqian
(Experiment and Training Management Division, Jiangsu Vocational Institute of
Architectural Technology, Xuzhou 221116, China)
A bstract: The cloud desktop based on virtualization technology is an ideal solution for computer laboratory management and maintenance. This paper focuses on the structural and principle o f IDV (intelligent desktop virtualization) cloud desktop, and introduces the deployment process o f intelligent cloud classrooms based on IDV architecture. Aiming at the slow startup and stuck operation problems o f the cloud desktop tenninal, a detailed analysis and specific optimization suggestions are presented. Finally, the performance o f the terminal before and after optimization is tested with the test software, and the results show that the system performance has been improved significantly after optimization.
Key w ords: cloud classroom; cloud desktop; intelligent desktop virtualization; computer laboratory
桌面虚拟化又称为云桌面，是虚拟化技术的一个 具体应用，它将桌面和应用进行虚拟化并以服务的形 式交付给用户，从而实现在任何时间、任何地点都可 以远程访问个人专属的桌面环境[|]。桌面虚拟化将桌 面资源集中管理，部署灵活，是计算机实验室管理的 理想解决方案。越来越多的高校尝试使用桌面虚拟化 技术对机房计算机进行管理和维护，为计算机实验室 管理的规范化、信息化、智能化进行了有益的探索。
智能桌面虚拟化（intelligent desktop virtualization, IDV)是“集中存储，集中管理，分布计算”的架构 模式。服务器端存储和管理操作系统镜像，客户端负 责计算和执行[21。首次部署时客户端从服务器下载系
收稿日期：2020-08-16
作者简介：韩友前（1977—），男，江苏徐州，硕士.实验师，主 要研究方向为计算机应用技术
E-mail: ***************统镜像并缓存至本机磁盘存储，终端通过虚拟化层运 行系统镜像。由于系统镜像和虚拟化层都在本地，可 以充分利用本机的CPU和GPU计算资源，性能接近 本地非虚拟计算机，使用习惯和传统计算机一致。系统可以不依赖服务器和网络离线运行，对服务器的配 置要求不高，一台普通
计算机即可管理数百台终端。但由于是虚拟的系统，使用体验及兼容性和传统计算 机相比稍差。不支持平板、手机等瘦终端设备，不支 持移动办公。
1D V计算分布在终端，可以离线使用，适合对终 端性能要求较高、图形计算密集型应用场景。
1基于I D V架构的智能云教室部署
1.1 1D V的逻辑结构
IDV 是一种计算分布在终端的云桌面架构形式，
238实验技术与管理
服务器端保存和管理系统镜像，终端缓存服务器推送
过来的系统镜像并在本地虚拟化层运行131:
服务器端由控制台、数据库、服务程序等组成：控
制台可以设置控制策略实现对客户端桌面和用户数据
的管理：数据库存储系统镜像文件、快照文件和用户
数据等。后台服务主要有负责文件传输的P2P服务[4]，
华为linux系统下载负责1P地址分配的DHCP服务以及实现其他功能的
一些服务。
终端是具备计算和数据缓存能力的胖终端设备，
通常为台式机或笔记本电脑等，由物理硬件、虚拟化
层、操作系统、应用程序和用户数据组成。虚拟化层
是运行在裸机之上的虚拟机管理程序，负责虚拟桌面
的实现，同时虚拟化层还负责独立于操作系统的用户
管理、策略设置、数据传输、数据封装和解析等，即
“带外管理”。虚拟化层之上就是用户使用的虚拟机部
分。1D V逻辑架构如图1所示。
mils___」
i
I
增量数据11系统快照I i
——I 用户数据11基础镜像|i _______________!
服务器端集中管理(用户数据I
丨系统镜像>
虚拟机A丨虚拟机B
用户数据用户数据
应用程序应用程序
操作系统操作系统
虚拟化层
物理硬件
客户端本地执行
图1丨D V逻辑架构
1.2基于ID V架构的智能云教室部署
智能云教室是基于IDV架构的云桌面管理系统。具有集中管理、高效跨网段部署、多系统快速切换、支持离线运行等诸多优点，可以快速构建一个安全、稳定、智能的云教室管理平台。
1.2.1智能云教室部署实例
某高职院校有15间公共机房共1 000余台计算机，采用联想EDU硬盘保护同传系统管理。其中两间机房 162台计算机使用时间较长、老化严重，需要更换新 机器。由于使用传统的硬盘保护卡管理维护效率不高，新机器决定采用技术先进的云桌面进行管理。综合考 虑计算机性能需求、机器品牌、离线运行、经费预算 等因素，最终选择基于IDV技术的联想智能云教室解 决方案。部署环境如下。
(1 )网络环境。需要部署云桌面的两间计算机实 验室位于同一楼层，每个房间有81个机位。机房内布 线为UTP六类网线，接入层交换机和汇聚交换机之间 通过光纤连接。终端到服务器之间为千兆局域网。其 网络拓扑如图2所示.，
图2云教室网络拓扑结构
(2 )硬件配置：计算机实验室主要服务于建筑类 专业，终端安装图形计算密集的建筑信息模型（building information modeling,BIM)类软件较多，所以需要 较高的硬件配置。服务器的主要作用是镜像管理，对 性能要求不高，一般的人门级服务器即可胜任。硬件 配置见表1。
表1硬件型号配置
名称型号配置参数数量
服务器
ThinkSystem
ST558
CPU: Xeon 3104；内存：16 GB
D D R4；硬盘：1TSAS
1
终端
计算机
联想
启天M620
CPU: Core i7-8700；内存：8 GB
D D R4；硬盘：HDD IT SATA3;
显卡：GeForce GT730
82
接入层华为端口：48 个Base-T，4 个SFP；背
4
交换机S652-E板带宽：336(G b.sV2.56(T b.s—丨>
汇聚层
交换机
华为
S7706
背板带宽：3.84(Tb s i)/5.12(Tb.s-i);
包转发率：1152(Mpacket.s 一丨)/
2 880(Mpacket-s ')
1
(3 )软件安装规划。机房需要安装的软件和考试 客户端较多，应根据软件性质和服务G业提前做好安 装
规划，避免软件冲突，同一系统节点下不宜安装过 多大型软件。为了稳定和安全，各个考试客户端软件 应尽量安装在纯净的系统中。软件配置见表2:
表2软件安装规划
基础类B IM类考试MS Office 2010AutoCAD 2016汁算机等级考试
AutoCAD 2010Revit 2016技能鉴定考试
Photoshop CS6Manage 2016会计资格考试
Visual studio 20153ds MAX 2016法律资格考试
SQL Server 2014广联达BIM英语口语考试
1.2.2云教室部署步骤
智能云教室采用的是客户机/服务器架构，分为服 务器和客户端两部分，重点是基础镜像的制作，云教 室的部署主要分为以下6个步骤15]、
(丨）服务器端安装。服务器安装微软
Windows
韩友前：基于ID V 技术的智能s 教室部署与优化
239
创建虚拟磁盘创建系统快照创建操作系统创建分组
r
设置分组属性
客户端应用后台自动部署
本 ~
操作系统启动网络PXE 引导
丰
.BIOS 引导设置
样机
基础镜像
镜像管理
服务器
Server  12操作系统，设置静态IP 地址，安装智能云教 室服务端。
(2 )基础镜像制作。基础镜像是虚拟机操作系统 镜像，它是生成用户操作系统的模板。选择任意一台 终端计算机作为样机，安装WindowslO 操作系统和 Office 、WinRAR 、PDF 阅读器等常用软件。安装云教 室客户端将系统虚拟化，通过控制台分別上传系统分 区和数据分区到服务器，完成基础镜像制作。
(3)
建立虚拟磁盘3虚拟磁盘是客户端云桌面系
统的存储载体，通过控制台创建虚拟磁盘，设置磁盘 名称和空间大小，虚拟磁盘容量应小于或等于客户端物 理硬盘，通过对虚拟磁盘的属性设置可以实现对客户 端硬盘的统一管理。
(4)
创建操作系统。先创建系统快照，在控制台 创建系统根快照，然后引用该快照，在虚拟磁盘上创 建操作系统，多系统的创建可以重复上述步骤。
(5 )分组管理。在控制台分组管理界面创建分组， 设置本组终端引用的虚拟磁盘，IP 起始地址、计算机 名等属性完成分组创建。服务器端开启部署服务，勾 选默认分组，完成部署准备工作，等待终端计算机 登录。
(6 )客户端部署。在终端i |'算机BIO S 中设置网 络启动为第一启动项，安装底层系统，计算机重启后 进人系统桌面，服务器通过P 2P 协议在后台快速部署 数据到客户端。部署流程如图3所示。
图3智能云教室部署流程
2云教室应用中的问题及优化
2.1存在问题
基于IDV 的智能云教室部署高效、管理灵活， 足了目前机房软件复杂、系统环境需求多样和快速部 署的需求。然而将[D V 云桌面技术应用于计算机实验 室管理的实践中还存在一些问题需要解决，例如软件
满的易用性、兼容性和保护卡类软件相比有较大的差距； 管理人员需要具备一定的虚拟化和云桌面专业知识，否
则很难发挥ID V 云桌面的技术优势；最突出的问题是 终端使用体验欠佳，特别是在机械硬盘和WindowslO  系统环境下，终端计算机启动时间过长，从加电开机 到打开软件需要近10 min ；进人桌面后操作卡钝、系 统运行不流畅等。
2.2问题分析
在运行软件时，发现硬盘指示灯频繁闪烁，查看 Windows 任务管理器“性能” 一项，CPU 和内存利用 率均在合理范围，而“磁盘处理读取或写人请求的时 间百分比”一项则经常接近100%，因此初步判断系 统运行卡顿的主要原因是由于硬盘频繁读写，I /O 负
荷接近饱和造成的。主要原因有以下几个。
(1 )虚拟化造成的性能损耗。虚拟化是将硬件资 源进行逻辑化处理的过程，是用软件模拟硬件的技术。 虽然现在虚拟化技术已非常成熟，但是无论采用何种 虚拟化方案，虚拟的计算机和本地非虚拟计算机相比，
都不可避免地造成一定程度上的性能损耗。QEMU  (quick  emulator )是用软件虚拟出硬件的一种计算机
开源虚拟化技术，是纯软件实现的硬件模拟，所有的 虚拟机指令都需要经过Q EM U 重新编译后在物理硬 件上执行，这样一方面让QEMU 具备了跨平台的通用 性，另一方面使得QEMU 的执行效率较低|6]。在实际 应用中 QEMU  通常是通过 KVM  ( kernel-based  virtual  machine )模块加速后使用，KVM 是硬件辅助的虚拟 化技术，它集成在Linux 内核中，执行速度快、效率
高，KVM 主要负责高速计算的CPU 和内存的虚拟化， 而硬盘、网卡、显卡等I/O 设备的虚拟化则由QEMU  负责完成。智能云教室终端采用的是KVM-QEMU 虚 拟化技术方案，架构如图4所示。
Linux Applications Virtual
Machine 1
App Guest OS
Virtual Drive
QEMU
Virtual Machine2QEMU Linux Kernel
KVM
]□
Hardware Drive X86 Hardware
图4
K V M -Q E M U 架构
(2 )文件索引冲突。由ID V 云桌面的架构原理可 知，ID V 云桌面数据是分层结构，由基础镜像、用户 程序、用户数据3层组成[7]。为了标识用户产生的数
Virtual Drive App Guest OS
磁盘管理
分
组管理
终端计算机
240实验技术与管理
据文件，丨
D V底层文件系统监控进程需要不停地对增 量数据进行索引，这些变化的数据会根据差异同步 Rsync算法去重、加密、压缩后同步到服务器存储
而 SysMain、Windows Search、Windows Defender等 系统服务进程也M时会对变化的数据进行跟踪索引，这些进程同时对义件进行索引就会引起冲突，造成磁 盘频繁的读写，使终端系统运行缓慢，反应迟钝。
(3 >过多快照影响系统性能：在已部署系统的终 端安装新软件并上传到服务器时，在当前系统快照下 会自动生成一个新的数据增M子快照，其他终端开机 时会自动同步增M数据，此时终端系统数据由基础镜 像数据和增量数据组成快照的使用给不同操作系统 环境之间的切换带来了便利，但如果增量快照节点数 量过多，当系统有读写请求时就会在基础镜像和多个 快照之间来回检索，从而延迟系统的响应时间，导致 系统运行变慢[9]。
(4 )加载虚拟化层延长启动时间。IDV终端启动 (从加电开机，到系统能正常使用）较慢主要原因是 终端开机启动包括两个过程，一个是虚拟化层Linux 系统的启动，另一个就是用户使用的Windows虚拟系 统的启动[1(>1。另外使用未优化的WindowslO系统启动 时会加载大量后台服务和程序，同时终端系统镜像数 据还需要和服务器端镜像数据进行比对以确认是否有 新的增量数据需要部署，使得开机进人桌面
后34min 内磁盘占有率一直处于接近100%状态，这段时间内用户 是无法操作的。
(5 )WindowslO启动后台服务过多。WindowslO 操作系统启动时冇许多服务进程和用户程序在后台运 行，如超级预读服务SysMain、微软智能助理Cortana、文件索引Windows Search、微软云存储服务OneDrive、杀毒软件Windows Defender等，这些服务和程序在系 统启动时加载到内存，占用较多的系统资源，延长了 系统启动时间:，
(6 )机械硬盘读写性能较差。终端硬件配置存在 短板，存储设备是机械硬盘，读写性能较弱_台式计 算机机械硬盘读写速度通常只有100 MB/s左右，而同 态硬盘读写速度基本都在500 MB/s以上。机械硬盘的 读写速度已经成为制约计算机性能发挥的瓶颈z
2.3优化措施
1D V终端启动时间过长，运行卡顿，影响了用户 的使用体验，不利于IDV石桌面的推广和应用，必须 对其进行优化通过分析IDV云桌面系统运行缓慢的 原因，对造成系统运行卡顿和启动缓慢的可能W素进 行有针对性的优化，减少不必要的性能损耗环节，可 以有效提高系统流畅度，加快系统启动时间。主要有 以下优化措施。
(1 )优化基础镜像，减少后台服务丨动基础镜 像是生成终端系统的模板，仵安装样机时对基础镜像 系统
的后台服务和程序进行适当梢简和优化，可以提 升终端系统的启动速度和运行效书4关闭对系统性 能影响较大而不影响正常使用的一些后台服务，例如 SysMain,Windows Search,Windows Defender等服务 进程I/O操作频繁，对磁盘性能影响较大，可以禁止 开机启动有■^服务例如Windows Update、Security Center、Windows Firewall等无法j1丨：接/l；服务管理窗口 中修改启动类型，可以通过修改注册衣、组策略或借 助第S方优化T具予以关闭其他提升系统性能的方 法还有，关闭Windows外观视觉效果，禁用智能助理 Cortana、微软云存储服务OneDrive以及禁止其他第 三方应用的开机启动：
(2 )选择功能简化的WindowslO LTSC版本该
版本是微软提供给企业用户使〗I；!的功能简化版WindowslO系统，和其他WindowslO版本相比，仅有 安全更新，没有内置Edge浏览器、符能助手Cortana、应用商店和任何磁贴程序，后台服务后动极少使用该版本作为终端系统安全稳定，刊'以心效提高系统运 行效率。
(3 )将应用软件安装在基础镜像屮/I：桌面虚拟 化系统中，通常基础镜像使用的是渎写性能较好的全 镜像模式镜像格式，而增童文件则使川读写性能稍弱 的稀疏模式镜像格式[11]将软件安装在读写性能较好 基础镜像中n r以提尚软件后动速度和运行效牛.
(4 )减少系统快照的数量，系统快照数f i过多时，会增加数据检索的时间成本，n了以采川合jf•快照的方法来减少快照数量，当软件不多时，尽M将软件都安 装在基础镜像中
(5 )用同态硬盘替换机械硬盘部署基于IDV技 术架构的云教室时，由于虚拟化带来的磁盘I/O损耗 较大，在预算充足的条件下，建议使川读写性能较好 的固态硬盘代替传统的机械硬盘来保证系统运行的流 畅度。
2.4优化效果评估
经过上述方法优化后，终端系统/r]动速度明显加 快，软件操作较为流畅，使用体验良好为评估优化效果，对系统性能指标进行量化，使用几款测试软件 对系统优化前和优化后的性能分别进行测试，®点测 试了硬盘的读写性能，同时对系统扃动时间和软件启 动时间进行了记录
2.4.1 测试环境
终端计算机、服务器及交换机配置见表1，联想 智能云教室版本为V1.2.18.110I
优化前软件环境：操作系统为WindowslO 64位专
韩友前：堪于ID V技术的智能s教室部署与优化241
业版，保持默认设置敁川软件安装OffkelO专业版、
AutoCAD2016 教育版、Revit2016 教育版、360 压缩,
Chrome浏览器，极域电子教室客户端基础镜像只安
装WindowslO系统，应用软件分3次安装和增量上传，
系统引川根快照下第3个子快照
优化后软件环境：操作系统为Windows 10 LTSC
2019 64位，应用软件安装同优化前，按照上述优化措
施优化软件都安装住基础镜像中，操作系统引用系
统镜像根快照
2.4.2 测试结果
测试方法为Windows进人桌面后静置5 mm待系
统稳定后进行测试.测试软件使用默认设置，每组数
据测试3遍取平均数，保留两位小数
(1 )硬盘读写性能测试_CrystalDiskMark是一款
硬盘读写性能测试软件，使用CrystalDiskMark (版
本:6.0.1 x64 )软件对优化前后系统盘C盘进行测试，
测试结果见表3、表4
表3硬盘读取测试结果
项冃
读取速度MB/s
性能提升/%优化前优化后
Seq Q32T187.74151.4372.59 4KiB Q8T80.430.5527.91 4KiB Q32T10.440.5422.73 4KiB Q1T10.420.5326.19
表4硬盘写入测试结果
项H
W人速度MB/s
性能提升/%优化前优化后
Seq Q32T183.55136.7763.70
4KiB Q8T80.731.1253.42
4KiB Q32T10.590.6713.56
4KiB Q lTl0.490.6532.65
(2 )综合性能测试矜大师是一款国产计算机系
统工具软件，通过模拟计算机不同使丨w场景对计算机CPU、内存、显K-和硬盘进行评估测试，最后输出测试结果使用鲁大师（版本：5.20.1190 )测试结果见表5应用的计算机综合性能基准测试软件，它提供基准、快速和扩展3种测试模式，其中快速模式包括基本功 能和生产力两个测试环节利用PCMarklO基础版（版 本：v l.0.1271 )对优化前后进行快速模式测试，结果 见表6
表6计算机性能基准测试结果
项目
得分•W：台!5斑料/〇人
优化前优化后
基本功能  6 217.00  6 729.008.24
应用启动  3 823.67  4 916.0028.57
视频会议7 162.677 315.00  2.13
网页浏览8 670.008 822.00  1.75
生产力  4 510.33  4 828.007.04
电子表格  6 160.337 893.3328.13
编写分数  3 510.00  4 229.6720.50
(4)启动时间。系统启动时间记录方法为在“启动”文件夹中新建一个文本文件，记录从按下电源开 关到开
机后自动打开文本文件所用的时间。软件启动 选择常用的Autodesk CAD2016 (局域网授权）为测试 对象，记录从双击程序图标到显示程序主界面所用时 间。测度结果见表7。
表7系统和软件启动时间
时间/S
项目一速度提升/%
优化前优化后
系统启动214.00104.0051.40
CAD2016 启动56.6743.0024.12从测试结果可以看出终端计算机虚拟化后硬盘性 能较差，经过优化后硬盘读写性能、系统和软件启动 时间都有了较大的提升，优化效果显著。其中CPU、内存、显卡优化后性能提升不明®，主要原因是虚拟 化后它们的性能损耗本来就小，所以优化后这些硬件 性能提升有限。由于条件限制，未能对更换SSD硬盘 后终端性能进行测试。
3结语
表5计算机综合性能测试结果
项II
优化前得分
优化后
件能提升/%
综合得分202 434.00205 796.67  1.66处理器性能117 764.33121 015.67  2.76显卡性能17 224.6717 574.00  2.03内ff•件能10 479.0010 508.330.28磁盘性能  2 260.00  2 770.0022.57
利用IDV云桌面技术部署和管理计算机实验室，可快速交付各种教学、考试系统环境，具有稳定、高 效、灵活的优点，满足计算机实验室软件环境复杂、管理困难的实际需求，提高了计算机实验室管理的信 息化和智能化水平：对于IDV云桌面终端系统运行缓 慢的问题，可通过多种优化措施来提高系统运行的流 畅度，从而提升用户的使用体验，促进云桌面系统在 教育领域的应用和普及。
(3 )性能基准测试PCMarklO是一款基于实际(下转第245页）

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