УДК 004.032.26

Оценка производительности технологии частного облака на основе VDI для образования и исследований

Денисьев Александр Игоревич – магистрант МИРЭА – Российского технологического университета

Ковязин Семён Леонидович – магистрант МИРЭА – Российского технологического университета

Аннотация: Улучшение образовательной и исследовательской среды в университетах и научно-исследовательских институтах является постоянной задачей. В настоящее время образовательные организации предоставляют физические помещения для своих сотрудников и студентов. Такие помещения могут быть дорогими, негибкими и сложными в обслуживании и страдают от ограничений на услуги, предоставляемые их традиционными информационно-технологическими инфраструктурами различным конечным пользователям. Кроме того, накладные расходы, связанные с управлением, обновлением и обслуживанием всех традиционных ИТ-компонентов и услуг, очень высоки по сравнению со средами виртуализации. Цель работы - использовать и усовершенствовать одну из технологий облачных вычислений, инфраструктуру виртуальных рабочих столов (VDI), для поддержки преподавательской и исследовательской деятельности в образовательной организации. В этой статье мы исследуем платформы VDI и оценим их пригодность для университетов и исследовательских институтов. Мы изучаем производительность этих известных платформ VDI, а именно VMware Horizon и Citrix XenDesktop, используя инструмент Login VSI в качестве программного бенчмарка. Оценка производительности проводится с использованием однородных архитектурных проектов.

Ключевые слова: виртуальные рабочие столы, гипервизор, архитектура, Citrix, VMware, Login VSI, сравнительный анализ.

Многие образовательные организации перешли на облачные вычисления, в частности, учебные заведения, специализирующиеся на преподавании и исследованиях. Таким образом, облачные вычисления можно использовать в преподавании и научных исследованиях для обеспечения постоянного доступа студентов и преподавателей к содержимому различных курсов и вычислительным ресурсам удаленно как на территории кампуса, так и за его пределами, как указано в [1] и [2]. Более того, согласно [3], [2] и [4], одной из основных причин, по которым образовательные организации привлекают облачные вычисления, является резкое сокращение расходов. Например, модель лицензирования программного обеспечения с оплатой за использование может быть использована образовательными организациями для снижения затрат. Таким образом, лицензии могут быть применены экономически эффективным образом в соответствии с их использованием или неиспользованием студентами. Кроме того, можно сэкономить деньги за счет меньшего потребления электроэнергии, которое обеспечивают технологии облачных вычислений. В облачных вычислениях все образовательные услуги размещаются на серверах, которые управляются централизованно. В результате виртуальные лаборатории могут быть легко внедрены и развернуты для студентов и преподавателей, и поэтому образовательная среда всегда будет готова быстрее, чем традиционная среда.

Образовательная и исследовательская деятельность поддерживается многими облачными технологиями. Однако одна из наиболее значимых облачных технологий известна как VDI (Virtual Desktop Infrastructure), которая применяется во многих образовательных средах благодаря своим большим преимуществам. Согласно [1], [5], [6], [7], [3] и [8], риски безопасности VDI сведены к минимуму. Это связано с тем, что виртуальные диски и данные конечных пользователей хранятся централизованно на серверах.

Другие особенности VDI, упомянутые в [6], [9], [7], [3], [8] и [4], – это гибкость и доступность. Гибкость в VDI достигается, когда конечные пользователи, будь то студенты, преподаватели или сотрудники, могут использовать различные терминалы для запуска VDI для выполнения своих задач и при этом получать одну и ту же среду. Доступность в VDI означает возможность удаленного доступа к виртуальным дискам независимо от времени, места и используемого устройства, а также типа операционной системы для доступа к ВМ. Таким образом, доступ к виртуальным дискам может быть практически неограниченным, что делает рабочее пространство для конечных пользователей очень широким.

Однако есть и некоторые недостатки использования VDI, как указано в [6]. VDI – это сетевая технология, поэтому ее производительность зависит от пропускной способности используемой сети. Более того, если все конфигурации и настройки VDI будут успешно завершены, но сеть, в которой работает VDI, не будет должным образом назначена или столкнется с какими-либо техническими проблемами, вся среда VDI разрушится. Кроме того, технология VDI страдает от единой точки отказа. Однако эта проблема может быть решена благодаря ее гибкости путем своевременной миграции работающих VDI на остановленном сервере на другой активный сервер с идентичной средой платформы VDI, чтобы поддерживать их непрерывную работу независимо от используемого сервера.

Как известно, университеты и исследовательские институты в реальности обычно не заинтересованы в использовании виртуальных сред с открытым исходным кодом в своих локальных центрах обработки данных по многим причинам. Основная причина заключается в том, что они всегда нуждаются в поддержке, обновлениях и обслуживании своих новых виртуальных ИТ-инфраструктур для предоставления постоянных и стабильных услуг своим преподавателям, студентам и исследователям. Это делает выбор только проприетарных поставщиков более значимым. Поэтому рамки данной работы будут ограничены двумя известными поставщиками в области виртуализации VDI, Citrix и VMware.

Реализация экспериментов оценивалась с точки зрения типа архитектуры гипервизора, а также характера экспериментальных сред – однородных или неоднородных. Кроме того, были точно учтены различные продукты программных гипервизоров и платформ VDI.

Исследователи в [5] использовали только платформу XenDesktop VDI на гипервизоре XenServer от производителя Citrix. Гипервизор Citrix XenServer работает только на архитектуре типа 1 и имеет закрытый исходный код. Также не учитывается сравнение с другими различными гипервизорами и соответствующими им платформами VDI. Оценка их экспериментов проводилась с использованием программного инструмента для бенчмаркинга в терминах сетевого эмулятора, и конкретное название инструмента упоминается в статье – Wlinee.

В [10] авторы использовали для своих экспериментов платформу XenDesktop VDI на гипервизоре XenServer от производителя Citrix, а также платформу Horizon VDI на гипервизоре vSphere от производителя VMware. Кроме того, они провели эксперименты с использованием платформы XenDesktop VDI на гипервизоре vSphere. Гипервизоры Citrix XenServer и VMware vSphere работают только на архитектуре типа 1 и являются закрытыми. Кроме того, действительно учитывается сравнение с другими различными гипервизорами и соответствующими им платформами VDI. Кроме того, все эксперименты, проведенные в данной статье, рассматриваются как однородные, так и неоднородные только с одной стороны. Оценка экспериментов проводилась с использованием двух бенчмаркинговых программных инструментов для моделирования рабочей нагрузки, конкретные названия которых указаны в статье: Microsoft Remote Desktop Load Simulation и Login VSI.

Авторы в [7] использовали для своих экспериментов только платформу Horizon VDI на гипервизоре vSphere от производителя VMware. Гипервизор VMware vSphere работает только на архитектуре типа 1 и имеет закрытый исходный код. Также не учитывается сравнение с другими различными гипервизорами и соответствующими им платформами VDI. Кроме того, все эксперименты, проведенные в данной работе, считаются однородными. Оценка экспериментов проводилась с использованием аппаратного средства мониторинга (физического устройства).

Рисунок 1. Архитектура необходимых слоев для проведения экспериментов.

Следует знать, что уровни, необходимые для тестирования любой среды VDI, показаны ниже на рисунке 1. Они состоят из слоя серверного оборудования, слоя гипервизора и слоя виртуальных машин. Платформа VDI должна быть установлена на одной или нескольких виртуальных машинах, образующих среду VDI, и инструмент бенчмаркинга Login VSI тоже. По этой причине виртуальные машины, работающие на уровне гипервизора, должны существовать как основа для самой среды VDI, а также для инструмента бенчмаркинга Login VSI, хотя последний может также использоваться и работать на отдельных физических машинах в качестве альтернативы использованию виртуальных машин. Хотя вся среда VDI построена на базе виртуальных машин, в конечном итоге она будет создавать виртуальные рабочие столы, а не новые виртуальные машины.

Программное средство для бенчмаркинга Login VSI состоит из двух основных компонентов для тестов. Это Login VSI Management Console (MMC) и Login VSI Launcher. Мониторинг производительности экспериментов не может быть осуществлен, если оба компонента не используются в тестах вместе. Кроме того, Login VSI Analyzer – это еще один компонент для автоматического анализа результатов, собранных MMC. MMC – это консольная платформа, в которой специалист по оценке VDI может настроить тест на свою целевую среду VDI. Launcher – это компонент, который отвечает за запуск виртуальных рабочих столов в каждое определенное время, в течение которого тест выполняется в соответствии с настройками. Все основные компоненты Login VSI должны быть установлены на отдельных машинах. Кроме того, оба компонента должны быть частью активного каталога и подключены к домену.

Первым шагом к реализации сред виртуализации VDI является установка программного гипервизора непосредственно поверх аппаратного обеспечения, обычно на мощных серверах. Следующим шагом является внедрение полной платформы VDI, которая должна быть реализована на гипервизоре в рамках некоторых виртуальных машин на базе операционной системы, чтобы предоставлять виртуальные рабочие столы в качестве услуги. Наконец, на изолированной виртуальной машине или отдельной физической машине должно быть установлено программное средство бенчмаркинга, чтобы можно было отслеживать все работающие виртуальные рабочие столы и оценивать их производительность на основе метрик, доступных в программном средстве бенчмаркинга. Каждый эксперимент будет проводиться на идентичном отдельном сервере, чтобы все аппаратные ресурсы сервера были полностью выделены для среды VDI и полученные результаты могли быть честно и надежно проанализированы.

1. Технические характеристики аппаратного обеспечения: Для проведения предлагаемых экспериментов необходимо выделить пять серверов. Все эксперименты могут проводиться только последовательно, а не параллельно в одно и то же время. Однако один сервер будет выделен для установленного и запущенного на нем инструмента бенчмаркинга для моделирования поведения конечных пользователей путем вызова различных рабочих нагрузок и мониторинга VDs в сессии. В таблице 1 описаны аппаратные характеристики пяти используемых серверов.

Таблица 1. Аппаратные характеристики пяти серверов.

Specifications	Server #1	Server #2	Server #3	Server #4	Server #5
Hardware Model	Intel Xeon
Processor Speed	2 GHz
CPU Processors	12 Cores
Logical Processors	24 cores
Main Memory	64 GB	96 GB	64 GB	96 GB	32 GB
Storage Capacity	1.08 TB				280 GB

1. Спецификации программного обеспечения: В таблице 2 выше используются только два типа гипервизоров: Citrix XenServer и VMware vSphere вместе с их администрирующими клиентами. Также используются две платформы VDI: Citrix XenDesktop и VMware Horizon. Инструмент бенчмаркинга – коммерческий продукт, Login VSI. Кроме того, будут использоваться три версии операционных систем Windows: Windows server 2016 R2, 10 и 11.

Таблица 2. Спецификации программного обеспечения, установленного на пяти серверах.

Software	Type	Version	Installed Location
VMware vSphere	Hypervisor	6.5	Servers: #1 and 2
Citrix XenServer		7.0	Servers: #3 and 4
VMware Horizon	VDI platform	7.0	Server #1
Citrix XenDesktop		7.9	Server #3
VMware vSphere Client	Administrating Tool	6.5	Administrator Machine
Citrix XenCenter Client		7.0	Administrator Machine
Login VSI	Benchmarking Tool	4.1	Server #5
Microsoft Windows Server	Operating System	2012 R2	Servers: #1,3 and 5
Microsoft Windows		8	Server #5
Microsoft Windows		7	Servers: #2 and 4

A. Эксперимент №1 [10 ВМ, 2,5-минуты]

Платформа VMware VDI достигла максимальной производительности, которая составляет 10 из 10 ВМ, в то время как платформа Citrix VDI достигла только 8 из 10 ВМ. В результате платформа VMware VDI значительно превосходит платформу Citrix VDI на 25 % в данном конкретном тесте.

Платформа VMware VDI не имеет неактивных или застрявших сессий, в то время как платформа Citrix VDI имеет. Количество активных сессий платформы Citrix VDI составляет 10 из 10 VD. Две из этих десяти активных сессий находились в застрявшем состоянии. Однако точка насыщения обеих платформ VDI не была достигнута.

B. Эксперимент №2 [10 ВМ, 2,5 минуты]

Платформа VMware VDI достигла максимальной производительности, которая составляет 10 из 10 ВМ, в то время как платформа Citrix VDI достигла только 5 из 10 ВМ. В результате, платформа VMware VDI значительно превосходит платформу Citrix VDI на 100 % в этом конкретном тесте.

Платформа VMware VDI не имеет неактивных или застрявших сессий, в то время как платформа Citrix VDI имеет. Количество активных сессий платформы Citrix VDI составляет 10 из 10 ВМ. Пять из этих десяти активных сессий находились в застрявшем состоянии. Однако точка насыщения обеих платформ VDI не была достигнута.

Этот вывод можно рассматривать как начальный шаг к использованию облачных сред в учебной и исследовательской деятельности с помощью технологии платформы VDI от поставщиков VMware или Citrix для улучшения образовательных сред. Сравнение двух экспериментов между платформами VMware и Citrix VDI с точки зрения VSImax показывает, что платформа VMware VDI больше подходит для образовательных сред, чем платформа Citrix VDI в их однородной среде. Однако, в качестве будущей работы, текущая работа ограничена использованием продуктов, предоставляемых только двумя поставщиками. Поэтому данная работа может быть расширена за счет включения в нее других платформ VDI, предоставляемых другими поставщиками, которые также будут оцениваться. Это поможет университетам и институтам иметь более широкий выбор, а не только два, из которых можно легко и безопасно сделать правильный выбор.

Список литературы

1. Конвергентная инфраструктура [Электронный ресурс]. URL: https://selectel.ru/blog/vdi-technology-review/ (дата обращения: 18.05.2023).
2. Три типа пользователей компьютеров [Электронный ресурс]. URL: https://secretmag.ru/enciklopediya/chto-takoe-vdi-obyasnyaem-prostymi-slovami.htm (дата обращения: 19.05.2023).
3. Recession Is Good For Cloud Computing Microsoft Agrees [Электронный ресурс]. URL: https://azure.microsoft.com/ru-ru/resources/cloud-computing-dictionary/what-is-virtual-desktop-infrastructure-vdi/ (дата обращения: 18.05.2023).
4. КThe Characteristics of Cloud Computing, Int. Conf. on Parallel Proc. Workshops (ICPPW), [Электронный ресурс]. URL: https://cloud.mts.ru/cloud-thinking/blog/vdi-chto-eto-takoe/ (дата обращения: 20.05.2023).
5. Безопасность данных в мире облачных вычислений, [Электронный ресурс]. URL: https://www.vmware.com/topics/glossary/content/virtual-desktop-infrastructure-vdi.html (дата обращения: 18.05.2023).
6. Анализ проблем безопасности и конфиденциальности в архитектурах программного обеспечения Smart Grid в облаках [Электронный ресурс]. URL: https://www.cloud4y.ru/blog/what-is-vdi/ (дата обращения: 20.05.2023).
7. Преимущества Horizon [Электронный ресурс]. URL: https://vc.ru/u/1193668-fenixhost/461879-kak-ustroena-tehnologiya-vdi (дата обращения: 21.05.2023).
8. Внедрение VMware Horizon View 5.2. [Электронный ресурс]. URL: http://www.v-grade.ru/doku.php?id=vmware-view-deploy (дата обращения: 21.05.2023).
9. Bench-marking of Structured Peer-to-Peer Overlays for Network Virtual Environments, in Proc. of the IEEE Int. Conf. on Parallel and Dist. Systems [Электронный ресурс]. URL: https://vm-guru.com/news/vmware-horizon-view-52-announcement (дата обращения: 22.05.2023).
10. The Impact Of The P2P Paradigm on the New Media Industries, in [Электронный ресурс]. URL: http://onreader.mdl.ru/MasteringVMWareHorizon2ed/content/Ch01.html (дата обращения: 22.05.2023).
11. Надежное резервирование ресурсов в ненадежных системах P2P [Электронный ресурс]. URL: https://udsenterprise.com/en/solutions-vdi-sectors/vdi-education-sector/ (дата обращения: 23.05.2023).