基于KVM的桌面虚拟化架构设计与实现优秀毕业论文.pdf

申请上海交通大学工程硕士专业学位论文 基于 kvm 的桌面虚拟化 架构设计与实现 基于 kvm 的桌面虚拟化 架构设计与实现 学 校： 学 校： 上海交通大学 院 系：院 系： 计算机科学与工程系 班 级：班 级： z0903322 学 号：学 号： 1090332026 工程硕士生：工程硕士生：徐燕雯 工程领域：工程领域： 计算机技术 导 师：导 师： 邓倩妮 副教授 导 师：导 师： 王志刚 博士 上海交通大学电子信息与电气工程学院上海交通大学电子信息与电气工程学院 2012 年 6 月 2012 年 6 月 a dissertation submitted to shanghai jiao tong university for master degree of engineering the design and implementation of kvm-based virtual desktop infrastructure author： xu yanwen specialty: computer technology advisor : prof. deng qianni advisor : prof. wang zhigang school of electronic, information and electrical engineering shanghai jiao tong university shanghai, p.r.china june 5, 2012 上海交通大学 学位论文原创性声明 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注 明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论 文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 i 基于 kvm 的桌面虚拟化架构设计与实现 摘 基于 kvm 的桌面虚拟化架构设计与实现 摘 要要 随着各行业信息化的普及，很多企业的电脑终端数量都在快速增加。然而在 it 架构管理上，传统的桌面 pc 机技术始终未有任何大的变革，如何解决 pc 模式下安 全性低、数据零散、难于管理、维护工作量大等问题已经变得日益突出，而桌面虚拟 化就是解决这些问题的重要方式之一。 桌面虚拟化， 其核心思想就是采用 “集中计算， 分布显示”的原则，通过虚拟化技术，将所有客户端的运算合为一体，在企业数据中 心内进行集中处理，而桌面用户采用瘦客户端的方式，仅负责输入输出与界面显示， 不参与任何计算和存储。 论文首先总体设计了基于 kvm 的桌面虚拟化架构系统， 并选择采用 spice 作为 架构中的桌面显示协议。然后详细探讨了桌面虚拟化架构中三大组成部分：虚拟桌面 服务器端、连接管理中间件和终端用户桌面端，并重点研究了在服务器端实现的内核 级虚拟化管理平台 kvm、用于 pc 平台模拟的虚拟化软件 qemu、桌面显示协议 spice 服务端、支持 qemu 设备驱动的 libvirt 虚拟化环境管理套件（host agent）、 向 broker 中间件提供虚拟机信息的 guest agent 等关键组件的具体实现细节。 论文从应用的角度分析了 xx 公司实施桌面虚拟化的成功案例。 论文根据 xx 公 司的项目需求论述了桌面虚拟化架构系统中硬件选择方案及其实施配置过程。 随后通 过和普通pc模式的对比总结得出企业在部署实施桌面虚拟化架构系统后所获得的诸 多效益，并用实际数据分析了桌面虚拟化架构的虚拟化性能和投资收益。 论文研究工作的意义在于通过中小型企业的实际应用验证了桌面虚拟化架构方 案具有实用价值，论文的学术价值在于采用 kvm、qemu、libvirt 和 spice 等创新 技术为桌面虚拟化架构的设计提供了良好的开源解决方案。 关键词：关键词：虚拟化技术，桌面虚拟化架构，kvm 上海交通大学工程硕士学位论文 abstract ii the design and implementation of kvm-based virtual desktop infrastructure abstract with the popularity of information technology, the number of terminals in many companies is rapidly increasing. however, the traditional pc technology hasnt got any breakthrough in it infrastructure management for many years. the traditional pc mode has got many problems: unsafety, scattered data, difficult management, heavy maintenance workload and so on. how to solve these problems has become increasingly prominent, and thus, the introduction of desktop virtualization is one of the important ways to solve these problems. the core idea of desktop virtualization is based on the principle of centralized computing, distributed displaying, which can help the enterprise data center process all the clients operations intensively, while the thin-clients are only responsible for input and output interface display and do not participate in any computing and storage. firstly, the thesis gives the overall planning and design of the kvm-based vdi (virtual desktop infrastructure) and selects spice as the remote display protocol. then the thesis describes a detailed implementation of the three components in vdi architecture: the virtual-desktop server side, broker middleware and end-user desktop side, especially focusing on several key components that realized on the server side such as kernel-based virtualization management platform kvm, virtualization software qemu which can simulate the pc platform, spice protocol server, virtual environment management suite libvirt(host agent) which can support qemu devices driver, guest agent which provides the information of the virtual machine to the broker middleware. then the thesis introduces a successful application case in xx corp.s data center. according to the xx corp.s project background and needs, the thesis gives a hardware selection and its implementation of the software configuration in the whole vdi solution. with the comparison of normal pc mode, the paper summarizes many benefits obtained by the enterprises in vdi deployment, and especially analyses the virtualization performance and roi(return on investment) through the actual data in the vdi solution. 上海交通大学工程硕士学位论文 abstract iii the significance of the thesis is to verify the practical value of vdi solution through the application of small and medium enterprises, and the academic value of the thesis is that the adoption of open source and innovative technology such as kvm, qemu, libvirt, spice ,etc provides a good solution to virtual desktop infrastructure design. key words: virtualization technology, virtual desktop infrastructure, kernel-based virtual machine 上海交通大学工程硕士学位论文 符号说明 iv 符号说明 abbreviations full spelling chinese explanation 缩略语 英文全名 中文解释 ad active directory 活动目录 dhcp dynamic host configuration protocol 动态主机设置协议 dns domain name system 域名系统 ept extended page tables 扩展页表 ext extended file system 日志式文件系统 gfs global file system 分布式文件系统 gpa guest physical adress 客户机物理地址 guest os guest operating system 客户机操作系统 gva guest virtual adress 客户机虚拟地址 host os host operating system 宿主机操作系统 hpa host physical adress 宿主机物理地址 hypervisor hypervisor 虚拟化管理平台 ica independent computing architecture 独立计算架构 kvm kernel-based virtual machine 基于内核的虚拟机 ldap lightweight directory access protocol 轻量目录访问协议 pc personal computer 个人电脑 pcoip pc-over-ip 基于 ip 的 pc 协议 raid redundant array of independent disk 独立冗余磁盘阵列 rdp remote desktop protocol 远程桌面协议 smp symmetric multiprocessor 对称多处理系统 spice simple protocol for independent computing environment 独立计算环境简单协议 tlb translation lookaside buffer 页表缓冲 ts terminal service 终端服务 vdi virtual desktop infrastructure 桌面虚拟化架构 vm virtual machine 虚拟机 vmm virtual machine monitor 虚拟机监视器 vmx virtual machine extensions instructions 虚拟机功能扩展指令 vt virtualization technology 虚拟化技术 注：在此缩略语按字母顺序排列，并非按文中出现顺序排列。 上海交通大学工程硕士学位论文 目录 v 目目 录录 摘摘 要要.i abstract.ii 符号说明符号说明.iv 第一章第一章 引言引言. 1 1.1 研究背景及问题的提出 . 1 1.2 国内外研究现状. 3 1.2.1 国外研究现状.3 1.2.2 国内研究现状.4 1.3 研究的内容及其意义. 5 1.4 本文的组织结构及其章节编排 . 6 第二章第二章 桌面虚拟化的理论基础桌面虚拟化的理论基础. 8 2.1 虚拟化技术. 8 2.1.1 虚拟化概念.8 2.1.2 服务器虚拟化技术. .9 2.1.3 基于 kvm 的虚拟化技术.11 2.2 桌面虚拟化架构. 15 2.2.1 桌面虚拟化架构组成.15 2.2.2 桌面显示协议.16 2.2.3 桌面虚拟化架构的应用场景.18 2.3 小结. 19 第三章第三章 桌面虚拟化架构系统桌面虚拟化架构系统. 20 3.1 桌面虚拟化架构总体设计 . 20 3.2 虚拟桌面服务器端功能 . 22 3.2.1 qemu-kvm 虚拟机.23 3.2.2 spice服务端.25 3.2.3 libvirt虚拟化环境管理套件(host agent).28 3.2.4 guest agent子模块.32 3.3 连接管理中间件功能. 34 3.3.1 服务器管理.34 3.3.2 虚拟机管理.36 3.3.3 云终端管理.38 3.3.4 用户管理.39 3.3.5 数据库管理.41 3.4 终端用户桌面端功能. 42 3.4.1 broker agent子模块.42 3.4.2 spice 客户端.44 3.4.3 云终端配置.44 3.5 小结. 45 上海交通大学工程硕士学位论文 目录 vi 第四章第四章 vdi 系统实施及效果分析系统实施及效果分析. 47 4.1 项目背景及需求. 47 4.2 vdi 系统的硬件选择方案. 48 4.2.1 云终端.49 4.2.2 虚拟桌面服务器.52 4.2.3 管理服务器.53 4.3 vdi 系统实施与配置. 54 4.3.1 host系统安装与配置.54 4.3.2 broker系统安装与配置.58 4.3.3 虚拟机创建.60 4.4 实施效果分析. 62 4.3.1 虚拟化性能析.63 4.3.2 投资收益分析 .66 4.5 小结. 70 第五章第五章 结论与展望结论与展望. 72 5.1 本文工作回顾. 72 5.2 成果及意义. 73 5.3 桌面虚拟化发展面临的主要问题. 74 5.4 对于未来的展望. 74 参参 考考 文文 献献. 76 致致 谢谢. 78 作者攻读学位期间发表的论文作者攻读学位期间发表的论文. 79 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 引言 1 第一章第一章 引言引言 1.1 研究背景及问题的提出研究背景及问题的提出 从有现代计算的那一天开始，多台设备协同计算就一直是个永恒的话题，并逐渐 演变出主机/终端、基于 c/s 架构的客户机/服务器、基于 b/s 架构的浏览器/服务器等 不同阶段的模式。但是无论哪种模式，它们都反映了同一个架构模式思想，那就是前 台计算和后台计算的分工与协同。后台主要是指以数据中心、计算中心为代表的核心 基础设施，通常包括服务器、存储设备、交换机、网络系统、安全系统等，其重在集 群、容错、灾难备份、应用服务器整合等解决方案的规划完善。而前台则泛指终端使 用者及其所使用的任何终端设备，如个人电脑(personal computer, pc)、工作站、笔记 本、上网本、智能手机等，其注重应用与业务的连续、安全、多样、广泛等性能表现。 随着网络的普及，基于 tcp/ip 的网络化计算已成为行业标准。一直以来，桌面 计算普遍使用的是功能全面的胖客户端 pc。在许多情况下，此类 pc 提供了在价格、 性能与功能等各方面的最佳组合。在很好地承担了各阶段的历史责任后，紧耦合的计 算模式在前台计算爆炸性增长与变化面前，面临着全新的挑战。目前在不少使用案例 中，胖客户端 pc 并不是理想的解决方案，其缺点包括如下几点： 1、难以管理 面对广泛分布的 pc 硬件，用户日益要求能在任何地方访问其桌面环境，因此集 中式的 pc 管理极难实现。此外，众所周知，由于 pc 硬件种类繁多，用户修改桌面 环境的需求各有不同，因此 pc 桌面标准化也是一个难题。 2、总体拥有成本高 pc 硬件相对较低的成本优势，通常无法抵消 pc 管理和维护工作的高昂成本。 目前，pc 管理工作包括部署软件、更新和修补程序等，由于这些工作需要对多种 pc 配置的部署进行测试和验证，因而会耗费大量的人力。同时，由于标准化程度不高， 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 引言 2 技术支持人员经常需要亲临现场解决问题，这就进一步增加了支持维护成本 【1】 。 3、难以确保数据的安全 要确保 pc 上的数据能成功备份并能在 pc 出现故障或文件丢失时恢复是一个巨 大的挑战。 即使数据能成功备份， 近些年来 pc 失窃的风险也威胁着重要数据的安全。 2003 年三月上旬，航天科工集团某研究所技术人员王某违反保密管理规定，私 自将存有涉密信息的笔记本电脑和移动硬盘带回家。几天后，王某家中失窃，笔记本 电脑和移动硬盘被盗，硬盘中存储的 1 份机密级报告、2 份秘密级资料草稿和 4 份秘 密资料草稿失控，结果给公司造成了无法挽回的损失。类似 pc 失窃的事件应该足以 引起人们的高度重视。 4、资源未充分利用 pc 的分布式特性使人们难以通过集中资源的方式提高利用率和降低成本。有研 究显示一般轻度工作者 pc 的资源利用率通常低于 5%，造成了资源的极大浪费。 5、桌面环境不够灵活 通常人们喜欢按照自己的喜好在终端设备上设置桌面，比如在 windows 桌面设 置各种快捷方式 【2】 。 但是在一般情况下， 这种桌面设置只能在当前的终端设备下生效， 如果换一台终端设备，桌面环境就改变了，远程办公需要重复的桌面基础架构，移动 工作人员可能需要使用复杂的远程桌面解决方案。 针对上述几大胖客户端 pc 所存在的问题，虽然目前市场上有些方案可部分解决 上述挑战，但并不完整。从使用者的角度看，他们更需要一揽子的集成解决方案，这 样才能使 it 的优化与改进真正切合业务发展的需要。此时，桌面虚拟化技术应运而 生了。桌面虚拟化的出现可以很好地解决这些难题，桌面虚拟化其实就是将用户的桌 面环境与其使用的终端设备松耦合。服务器上存放的是每个用户的桌面环境，用户可 以使用不同的具有足够处理和显示功能的终端设备通过网络来访问该桌面环境， 每个 用户都有一个在管理程序顶端运行的桌面系统虚拟机， 每次登录时都能获得一个干净 的、个性化的全新桌面从而确保性能不会下降。桌面虚拟化技术可以帮助企业拥 有高性能、个性化的桌面虚拟化解决方案，同时也使用户能够获得与本地桌面相媲美 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 引言 3 的用户体验。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 桌面虚拟化技术成为最近几年来最为热门的技术之一， 但是该项技术并不是最近 才出现的新技术。这种技术的前身是从不同的领域产生、发展直至成熟，使得现在的 桌面虚拟化技术成为现实。该项技术通过不断地发展和演变，在摩尔定律的孕育下愈 放光芒，备受学术界和产业界的青睐，被认为是在将来的一段时间内最具影响力的技 术之一，桌面资源的充分整合、高效的灾难恢复、分布式协作等重要应用正使得桌面 虚拟化成为计算机系统技术的主流，同时树立了绿色计算、节能减排的典范。业界各 大厂商纷纷制定相应的战略，新的概念、观点和产品也不断涌现。从全球范围来看， 当前桌面虚拟化技术发展现状就是：规模虽小，但在增长。 1.2.1 国外研究现状国外研究现状 桌面虚拟化技术的前身是远程桌面技术，几乎所有从事it技术的人都使用过，这 也是今天桌面虚拟化技术的核心部分，正是有了这种技术，使得我们远程访问自己的 桌面成为了可能， 也将用户使用与后台管理两个以前难以协调的矛盾进行了有机的分 离，解决了目前用户使用灵活性与it统一安全管理的冲突。 内置在windows xp中的远程桌面技术使用的是远程桌面协议(remote desktop protocol, rdp) 【3】 ，该协议使得用户可以从其他的电脑上远程登录、访问与使用目标 桌面。rdp协议最早是微软用于windows服务器上的终端服务(terminal service, ts) 的访问协议，实现了windows服务器上的多用户模式，使得用户能够在本地不需要安 装任何应用软件的条件下，可以远程使用服务器上的各种应用。这种技术是将目标机 上运行界面传输到用户实际的操作机屏幕上，并将键盘、鼠标等一系列的外设输入， 传输到目标机实现交互。终端服务与远程桌面的不同是，前者只是操作应用，而后者 将拥有整个桌面的控制权。 在虚拟化技术兴起之后，国外提供桌面虚拟化解决方案的主要厂商包括微软、 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 引言 4 vmware、citrix，而使用的远程访问协议主要有四种协议：早期由citrix开发的，后 来被微软购买并集成在windows中的rdp协议； 第二种就是citrix自己开发的目前独有 的独立计算架构协议(independent computing architecture, ica) 【4】 ，citrix将这种协议 使用到其应用虚拟化产品与桌面虚拟化产品中；第三种协议是被vmware桌面虚拟化 产品使用的pcoip(pc-over-ip)协议 【5】 ；第四种协议是红帽引进的一套独立计算环境初 级协议(simple protocol for independent computing environment, spice) 【6】 。特别强调 的是，这四家厂商后台的服务器虚拟化技术都使用的是自己的产品，微软公司采用的 是hyper-v，citrix公司采用的是xenserver，vmware公司使用的是自己的esx，红帽 公司采用的是kvm。 常见典型的国外桌面虚拟化解决方案有vmware公司的vmware view 企业虚 拟桌面管理系统方案， 该系统方案是以托管服务的形式从专为交付整个桌面而构建的 虚拟化平台上交付丰富的个性化虚拟桌面，而不仅仅是应用程序以实现简化桌面管 理。vmware view由五大部分构成：提供构建云计算基础架构最佳平台的vmware vsphere for desktops；为vmware vsphere 提供高度可扩展管理的vmware vcenter server for desktops；集中控制桌面、应用程序用户数据和设置的vmware view manager；使用vmware链接克隆简化映像管理和减少存储需求的vmware view composer；简化应用程序管理和分配的vm