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基于QEMU-KVM的办公桌面云系统的设计与实现

论文编号:lw202006171215126106 所属栏目:软件工程硕士论文 发布日期:2020年06月25日 论文作者:无忧论文网

本文是一篇软件工程硕士论文,本文在对 QEMU-KVM 虚拟技术、SPICE 桌面传输协议及 RDP 传输协议研究的基础上,实现了一种基于 QEMU-KVM 的办公桌面云方案,主要工作有以下几点:1.通过对虚拟化技术的研究和学习,并深入了解虚拟化技术对 CPU 虚拟化、内存虚拟化、硬件 I/O 设备虚拟化等资源虚拟化实现原理,确立了采用开源 QEMU-KVM 虚拟化技术。2.通过对桌面传输协议实现原理的研究,对比不同传输协议优缺点,深入了解影响桌面传输协议效率的因素,确立了采用采用 SPICE 桌面传输协议与 RDP 传输协议相结合的实现方式。3.通过调研分析,了解用户需求,对需求进行建模,桌面云架构采用 VDI,办公桌面云系统整体架构采用 C/S 客户端服务端方式,确立系统登陆身份为员工、管理员两个角色,员工的主要目的就是使用虚拟机进行办公操作相对来说功能简单,而管理员的功能相对来说就比较复杂了,对服务器集群管理、用户信息管理、虚拟机管理、部门信息管理、镜像管理等,设计系统整体功能模块,对各个功能模块做详细的设计与实现,并详细的设计的办公桌面云系统的数据库。


第一章  绪论


1.1  研究背景与意义

在大数据以及云计算技术日益成熟的当下,各种相关的产品层出不穷。各行各业为了信息化发展需要,也都购置了大量的台式机。人们的生活、工作和学习与电脑紧密相关。随着企业电脑增多,在原有的 IT 架构下,给企业设备运维管理人员带来了诸多不便。比如,为了满足员工个性化桌面需求,为员工配置的电脑版本多样化,员工也会在自己的电脑装各种系统以及不同软件,这就为管理员无形中增加了大量维护工作。管理员也无法对所用的用户上机操作做监控,一些员工的不安全上网,导致电脑中毒,企业内部都是局域网环境,有可能造成大量的内部电脑感染病毒以及电脑数据被损坏等安全事故。对于批量购买的新设备安装、部署、配置网络、安装不同部门所需的软件,到最后用户能够正常使用也会消耗大量时间,同时也浪费了员工大量的工作时间。用户使用过程中电脑死机,存储在本地电脑上的数据有可能无法恢复,数据的安全性得不到保障[1]。企业为了节约能耗,下班后除了服务器运行外,也会要求员工关闭电脑,有时员工想远程办公也不可能,必须等到第二天上班必须回到自己的办公区开启自己的电脑工作,换台电脑就不能工作,其他人也不能使用自己的电脑,这就导致不能更灵活的使用终端设备,进行移动办公。员工可以随意的拷贝终端设备上的企业数据,对企业信息数据安全也造成的威胁。服务器资源利用率并不高并且服务器能耗大,造成资源的浪费[2]。基于以上问题,企业迫切的需要一种更好的 IT 架构来解决这些问题。而桌面虚拟化技术的出现很好地解决了当前企业面临的问题。

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1.2  国内外研究现状

1.2.1  国外研究现状

虚拟化技术的快速发展,而作为虚拟化技术的一个重要应用桌面虚拟化也得到了很好的推广与应用,很多企业都参与其中,在国外主要是 Citrix、VMware 以及微软三大企业也推出了相当成熟的桌面虚拟化解决方案。

通过容器分发虚拟机中的桌面应用以及快配置用户的个性化桌面,只需几秒就能生成用户虚拟机,消耗更少的内存,节省更多的磁盘资源,实现了应用与桌面环境解耦和。同时也推出了全新的远程桌面协议 Blast Extreme 协议[13],并且与原先与 Tcradici 公司合作开发的 PCoIP 协议[14]相比,Blast Extreme 协议对网络的支持更加友好,占用更少的带宽,更短的响应延迟,降低 CPU 负载。而且 Blast Extreme 协议也对移动设备支持,还能降低功耗延长了电池使用时长,还能更加充分的使用 GPU 资源加速处理视频流的压缩与编码工作,能够提高数据的传输效率[15] 。 

Citrix 是一家相当著名虚拟化方案提供商,实力雄厚,虚拟化产品相当完善。在桌面虚拟化领域也推出了新一代的产品 Citrix  Virtual  Desktops 采用 FlexCast  Management Architecture  体系架构,该架构也可以实现与 Citrix  Virtual  Apps 共享。Citrix  Virtual Desktops 使用的自研高性能的 ICA(Independent Computing Architecture)独立计算架构协议,该协议不仅传输速度快,而且支持扩展,使用广域网也有很好的效果,也能够动态的调整适应网络的变化,为了支持更高清晰度的用户体验,Citrix 推出了 HDX 技术用来增强远程桌面性能[16],HDX 技术一方面通过对传输数据的分析采用最优的数据压缩技术及硬件资源 GPU、CPU 使用率最优搭配,另一方面对传输的重复数据进行删除,让用户体验达到本地效果。

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第二章  虚拟化技术和概念


2.1  虚拟化

早在上世纪 60 年代已经有了虚拟化[23]用于 IBM 的大型机实现了分时系统,虚拟化技术是从 2008 年开始越来越成熟,经过学术界与企业界共同推进,得到了突飞猛进的发展。对于云计算的云端系统而言,其本质就是分布式系统。通过虚拟化技术在一个真实的物理平台上生成更多的虚拟平台,对于每个虚拟平台可以作为独立的终端运行在云端的分布式系统上。构建云基础架构关键技术之一就是虚拟化。虚拟化主要是通过一些技术将一个物理平台虚拟出多个虚拟平台,而且虚拟平台之间相互隔离[24],共享一台物理平台上的资源,系统能够依据用户具体的使用情况动态的调整资源,从而达到更高效的利用物理资源,更好的避免资源的浪费现象。对于企业来说,利用虚拟化可以直接在原先的基础架构上安装部署云基础架构,更大程度上节省企业成本。

虚拟化技术对物理平台上底层资源(如:CPU、内存、I/O 设备等)进行抽象,屏蔽硬件具体实现细节,对底层物理资源进行隔离,为上层提供统一的管理调度等服务工作。具体实现大致为:在原先的直接运行在物理硬件资源上的操作系统进行隔离,在操作系统与底层硬件之间加入了虚拟化层。在虚拟化技术中,新加入的虚拟化层被称作虚拟机监视器(Virtual Machine Monitor,简称 VMM,有时也被叫作 Hypervisor),物理平台被称之为宿主机(Host  Machine),而运行在宿主机内部的系统被称之为宿主机的操作系统,虚拟出来的平台被称之为客户机(Guest  Machine)  或者虚拟机(Virtual  Machine),运行在虚拟机内部的系统被称之为虚拟机的操作系统[25]。虚拟化架构如图 2-1 所示:

图 2-1  虚拟化基本架构

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2.2  桌面虚拟化

桌面虚拟化,又被称之为桌面云,是虚拟化技术的应用之一。是指通过服务器虚拟化技术,让更多的虚拟桌面运行在服务器上,通过桌面传输协议,使用户可以在本地客户端上使用。桌面虚拟化将桌面环境、用户所使用的软件与客户端物理设备隔离开来,实现桌面环境与终端设备解耦和。让用户更加便捷使用自己桌面。桌面环境以虚拟机的形式运行在服务器上,服务器负责任务的执行处理以及存储数据信息,客户端的作用就是一个显示器,客户端如果出现故障并不会影响到用户桌面环境和数据,这样就避免了数据丢失、桌面环境破坏等重大问题。决定桌面虚拟化性能两个最重要的技术为服务器虚拟化与桌面传输协议。

服务器虚拟化,简而言之,就是对服务器硬件资源的虚拟池化,对服务器资源更好的分割管理,在一个服务器上可以运行多个虚拟机,而且虚拟机之间相互隔离,互不影响。对于某个虚拟机出现故障,运行在同一台服务器上的虚拟机还能正常使用。

桌面传输协议的职责就是连接终端用户与服务器,传输图像、音频、鼠标等封装的数据信息,数据在服务器上处理,客户端仅仅作为显示界面,让用户感觉像操作真实的物理机一样。

VDI 架构是最早提出的桌面虚拟化技术架构,得益于当时服务器的硬件配置提升带来的计算能力增强以及服务器虚拟化技术支持,使得 VDI 架构的桌面云更好的普及运用。VDI  架构的特点为“集中存储,集中管理,集中计算”。通过服务器虚拟化技术对云端服务器资源池化,为上层运行的用户桌面环境提供虚拟化资源进行运算与数据存储等工作,对于终端用户使用桌面传输协议访问自己桌面环境[27]。也即是说,用户使用的并不是本地桌面环境,而是通过瘦客户端或移动终端利用桌面传输协议连接服务器上的虚拟桌面,利用服务器强大的计算能力更高效的完成任务,而且服务器利用虚拟化技术能支撑很多的虚拟桌面环境,让更多的用户同时使用自己的虚拟桌面环境。

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第三章  桌面云系统核心技术研究 ......................................... 14

3.1 QEMU-KVM 虚拟化技术 ......................................... 14

3.1.1 KVM 虚拟化技术 ......................................... 14

3.1.2 QEMU  硬件设备模拟器 ....................................... 20

第四章  办公桌面云系统的需求分析、设计与实现 ...........

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