基于云桌面的应用分层与快速启动机制研究_朱正国.pdf

收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（），年安徽省教育厅拔尖人才学术资助重点项目（）。作者简介：朱正国（），男，安徽合肥人，硕士，副教授，从事数据挖掘、云计算应用的教学与研究。第 卷第期安徽水利水电职业技术学院学报 年月 基于云桌面的应用分层与快速启动机制研究朱正国（安徽城市管理职业学院，安徽 合肥 ）摘要：针对云桌面升级维护工作复杂，存在启动风暴风险的问题，文章提出应用分层技术和链接克隆技术，可减少升级维护工作量，提升集群桌面的启动性能。关键词：云桌面；应用分层；启动风暴；链接克隆 ：中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，：；当前各高校除了有供全校学生进行一些公共的计算机课程的公共机房，还有学院根据自身的特点，建设的多个隶属于本学院供专业课程生产实习的教学机房。大多数院校正在打造具有自身特色的、弹性的、移动的实验教学环境，。但是，随着 设施规模的不断扩大，如何管理这些 设施，提高这些设施的利用率成为亟待解决的问题。由于用户使用过的桌面系统会保留一些自己安装的应用和数据，如果此时管理员对原来已经分发过的系统重新编辑更新再分发，就会导致用户安装的应用和数据丢失的问题。管理员为了保留用户桌面上个性化的数据，需要对每个用户的桌面系统进行处理，运维工作量十分庞大。针对这个问题，本文提出“基于云桌面的应用分层技术”。该技术将管理员管理的操作系统、程序和数据与用户自己管理的程序和数据分离。管理员对桌面系统操作（更新、升级）不会影响到用户自己的程序与数据，可以在用户无感的情况下升级系统，这样可以进一步提升管理员对云桌面系统运维的效率。此外，当用户达到一定规模后，必须面对启动风暴的问题。即当大量用户同时登录系统，会造成系统反应缓慢的问题。当大量桌面同时开机，磁盘占用率急剧增长，登陆系统耗时较长，用户体验大打折扣。针对该问题本文将使用“基于影子克隆机制的分布式块存储系统”，利用缓存技术加速访问，解决克隆技术的性能瓶颈，大大提升集群桌面的启动性能。分层技术 应用分层技术应用分层技术的“层”对于 等操作系统而言其实是一堆文件和注册表项的集合，这些文件和注册表项在软件安装过程中将被捕获并存储为虚拟磁盘，。当一个“层”被分配给虚拟桌面时，该层所对应的虚拟磁盘中的相关应用和数据会被自动加入到系统中。操作系统通过该技术将所有这些层合并在一起，让用户看到的最终系统就是由多个这样的层拼装之后的完整桌面。其中，操作系统层和应用程序层是只读的，个性层是可写的。使用应用分层技术后，用户桌面的操作系统被逻辑分层多个层。其中“原生操作系统”和“管理员的应用和配置”这个层是由管理员来统一编辑和管理的，能够单独下发更新给用户。应用分层技术会将更新后的这些层自动和用户自管理的层合并。文件系统分层技术文件系统分层是通过文件系统虚拟化实现的。无论是在 还是虚拟机上运行 操作系统，都存在一个安装 的系统盘。这个系统盘包含了一些具有一定层次结构的文件和文件夹。它们确保 被正常引导并可以正常使用 服务或应用程序。图合并视图图文件系统视图对盘的文件系统分层是按照一系列的层创建一个虚拟的逻辑盘视图。这些层可能是一系列的虚拟磁盘也可能是一系列的虚拟文件系统文件。在系统启动时这一系列的虚拟磁盘或虚拟文件通过文件系统过滤驱动（也被称为联合文件系统驱动）被附加合并到盘内，组成一个虚拟合并的盘逻辑视图，在任何情况下通过盘看到的是一个由所有虚拟磁盘（或者是文件系统）的合并视图，如图所示。每层包含个或多个应用程序，它们分别有个文件：和 。每个层都在单独的虚拟磁盘中，把这些虚拟磁盘挂载到虚拟机上，然后通过文件系统虚拟化驱动工具，将各个层次的文件在逻辑上合并到系统的盘中。整个系统看上去就好像这个层中的文件系统本来是 盘的文件一样。这时用户感知 盘的文件系统如图所示。整个系统文件是 盘原有文件和个层文件的虚拟合并。在 的资源管理器中可以看到类似于图的结构。我们看到来自不同层文件和目录被并在一起，有 ，和来自许多层的公共文件夹以及公共文件夹中来自不安徽水利水电职业技术学院学报第 卷同层的文件 。联合文件系统驱动是通过文件系统 过滤驱动程序实现的。在逻辑上所有的文件都存在于文件系统中。文件系统层本身在虚拟磁盘中是 格式，通过虚拟化文件系统的名称空间，以拦截“”请求文件，并将它们重定向到对应的层。比如，如果双击 ，对文件系统的调用实际上进入了 文件系统微过滤驱动，它将请求传递到对应的虚拟磁盘上。当通过 查看这些层文件时，它将遵循一个自上而下的模型，越上层优先级越高。因此，如果同一个文件存在于个层的同一路径中，根据优先级原则只有一个文件会被呈现给一个执行的 环境，用户看到是优先级高的文件。克隆技术 完整克隆、链接克隆存储系统中克隆是指卷某时刻的完整物理拷贝。在分裂后对克隆卷的读写操作不会影响源卷上的数据。克隆技术可分为完整克隆（完整复制）与链接克隆两类。完整克隆对原始卷完全拷贝，因此克隆虚拟机和源虚拟机是两个完全独立的实体，源虚拟机的修改乃至删除都不会影响到克隆虚拟机的运行，但缺点是不同虚拟机需要各自占用完全独立的磁盘空间，如图所示。图完整克隆示意图图链接克隆示意图链接克隆是指将链接克隆母卷和链接克隆差分卷组合映射为一个链接克隆卷，再提供给虚拟机使用。其中，链接克隆母卷为源卷的只读快照，此快照为多个链接克隆虚拟机共同访问；链接克隆差分卷是可写卷，每个链接克隆虚拟机一份，保存了每个虚拟机差异化的数据，如图所示。链接克隆技术有以下优点：创建速度快，只需秒级就能完成虚拟机的快速发放；占用存储空间小，降低成本；适合同质化用户、桌面高度标准化场景；可手工强制还原，删除链接克隆差分卷数据，可使虚拟机恢复初始状态；维护简单，若对虚拟机进行软件更新操作，仅需完成链接克隆母卷的更新。快速并发启动技术链接克隆母卷“”和母卷所在节点的“”是启动风暴的两个性能瓶颈。分布式块存储系统采用以下方案解决启动风暴的问题。链接克隆母卷数据因频繁被访问，其热点数据会被缓存到本地内存 中，虚拟机运行需要读取链接克隆母卷数据前，会先到内存 中读取，减少对链接克隆母卷存储本身的读写压力，降低了对后端分布式存储池的“”压力，同时进一步加速了 桌面的性能，有效缓解批量链接克隆虚拟机启动时造成的启动风暴问题。链接克隆技术是快速并发的关键技术，通过母卷共享方式减少存储资源开销，通过提高母卷读性能提升虚拟机性能。分布式块存储系统引入影子克隆机制，采用本地 加速母卷访问，能够有效解决启动风暴的问题。第期朱正国：基于云桌面的应用分层与快速启动机制研究应用场景将以上技术应用于个常用场景中。场景：安全补丁升级批量分发；在很多用户工作的网络环境中，出于安全等各方面的考虑往往都是采用内网的工作环境，用户工作环境与互联网隔离，导致用户的工作环境中的云桌面无法通过 进行在线升级。管理员可下载好补丁编辑镜像安装。场景：软件、系统设置批量下发；云桌面运维过程中，可能会需要对一些办公软件进行升级，增加、删除或者配置操作系统，比如配置浏览器，配置网络等。针对以上两个应用场景，希望云桌面每次关机后能自动还原系统到管理员下发的初始状态。比如出于安全考虑避免上次桌面使用者的数据残留，或者为了避免长期运行后系统臃肿变慢，每次还原可以让系统更干净、稳定和流畅等等。但是这些场景下不同的桌面因为完成的任务和工作环境不同，往往需要对桌面进行一些特殊的配置，即无法由管理员统一配置。比如教师的桌面、收费窗口桌面连接了不同的打印机或其它外设，各用户打印材料的格式不同（有打发票的，有打清单，有打文档的）需要对打印机进行个性化设置。再比如多媒体教室中云桌面连接的触控显示屏，每块触控显示屏的校准信息各不相同，这类信息无法由管理员通过基础系统镜像设置和下发，需要每个桌面分别配置。然而这些桌面又希望使用还原的桌面，但是如果使用还原桌面，那么个性化的设置不能被保存。此时可以利用应用分层技术，可以很好解决这一矛盾。通过在还原桌面模式下开启应用分层，对桌面按照用户需求进行还原模式下的个性化设置，比如在一台还原桌面中配置打印机设置的各种参数，配置默认打印机等。另外还可以在还原模式下对某些特定软件配置自动登录、记录用户名和密码等。这样就可以满足既能保留用户个性化配置，又能在重启后还原非个性化配置的要求。结束语应用分层实现的模块是以底层驱动的方式驻留在 系统中，为了保证各个层中的文件或注册表信息对操作系统的可见性，该驱动必须保证各个层中应用启动的时间点晚于应用分层驱动启动的时间点，否则操作系统会找不到这些层的文件，将导致相关应用启动失败。下一步主要针对应用分层存在的限制，对于这些应用场景不支持或有条件支持的问题进一步深入研究。参考文献黄长江，詹柳春高校云机房建设方案研究信息与电脑（理论版），（）：李季明，高猛猛经管类实验室智慧云服务平台建设分析软件工程，（）：，罗成，李少康，张祎濛 产教融合培养工业设计创新人才的新模式 设计，（）：朱宁贤 新一代桌面虚拟化技术即时桌面交付 办公自动化，（）：，华为云 年全球表现优异中国信息化，（）：吴兆东论分层技术在计算机软件开发中的应用电子测试，（）：郑辉 计算机软件开发中分层技术的应用 科技资讯，（）：李毅伦，宋虹，王大成，等基于应用程序分层技术的镜像管理机制研究计算机应用与软件，（）：黄超虚拟桌面系统桌面管理模块的设计与实现广州：中山大学，（责任编辑汪明磊）安徽水利水电职业技术学院学报第 卷