下一代云桌面在教育行業(yè)應(yīng)用的實(shí)踐探索

何林

摘 要：NGD（Next Generation Desktop，下一代云桌面）采用了混合計(jì)算技術(shù)，既支持服務(wù)器的后端計(jì)算資源池彈性分配，又支持客戶機(jī)前端計(jì)算資源的分布式運(yùn)算，從福建省教育行業(yè)的應(yīng)用案例效果來看，在脫離服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的條件下，這種技術(shù)具有更強(qiáng)、更符合用戶環(huán)境的適應(yīng)性，也體現(xiàn)出其可用性和安全性，且有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：NGD；桌面虛擬化；教育應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1673-8454（2016）14-0083-03

基于NGD的桌面虛擬化，既具備在部署、管理、交付上的簡(jiǎn)捷性，又可以實(shí)現(xiàn)集中管理和安全性。同時(shí)，充分利用計(jì)算機(jī)資源、節(jié)省建設(shè)成本、減輕信息化部門的維護(hù)成本，更好地保障業(yè)務(wù)連續(xù)性。目前，在教育行業(yè)計(jì)算機(jī)終端作為承載各類應(yīng)用的基礎(chǔ)，一直處于松散的管理模式之下，包括多媒體教室、機(jī)房、電子閱覽室、行政辦公等各類應(yīng)用場(chǎng)景，在管理和運(yùn)行上存在不少難題。

一、教育終端桌面面臨的問題

1.公共電子機(jī)房和閱覽室面向廣大學(xué)生開放，學(xué)生在使用過程中容易濫用資源，下載安裝和教學(xué)無關(guān)軟件，刪除重要系統(tǒng)文件，時(shí)常導(dǎo)致終端電腦崩潰。

2.多媒體教室區(qū)域位置分布廣，應(yīng)用個(gè)性化強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性較差，任課教師自行安裝軟件，容易出現(xiàn)病毒木馬的傳播感染。

3.農(nóng)村中小學(xué)地域偏遠(yuǎn)，缺乏計(jì)算機(jī)專業(yè)維護(hù)人員，一旦出現(xiàn)系統(tǒng)故障，任課教師束手無策，且縣（區(qū)）教育局也無足夠人手提供技術(shù)支撐，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)長(zhǎng)期因故障擱置，影響教育信息化的應(yīng)用效果。

二、傳統(tǒng)教育終端桌面管理技術(shù)的缺陷

1.（網(wǎng)絡(luò)）還原卡存在的問題

還原卡是教育行業(yè)最常見的一種教學(xué)終端管理技術(shù)，有基于網(wǎng)卡的，也有基于硬盤IDE接口的，但基礎(chǔ)原理基本一樣。主要缺陷包括：

（1）還原卡完全依賴計(jì)算機(jī)本地硬件，一旦出現(xiàn)計(jì)算機(jī)硬盤故障，計(jì)算機(jī)就無法開機(jī)工作。

（2）還原卡是一個(gè)硬件產(chǎn)品，容易出現(xiàn)硬件單點(diǎn)故障，損壞后更新維護(hù)麻煩。同時(shí)還原卡本身的安全機(jī)制并不完善，機(jī)器狗、磁碟機(jī)等病毒都可以穿透還原卡，導(dǎo)致系統(tǒng)中毒崩潰。

（3）同一批還原卡只支持相同型號(hào)、相同版本、相同計(jì)算機(jī)配置的硬盤管理，不能實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同計(jì)算機(jī)型號(hào)的連網(wǎng)管理，由于教學(xué)需要，發(fā)生教學(xué)應(yīng)用更新時(shí)，對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)、不同型號(hào)計(jì)算機(jī)只能逐個(gè)機(jī)房進(jìn)行更新，工作量很大。

（4）由于還原卡對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行了保護(hù)，造成計(jì)算機(jī)性能下降，還原卡進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)下，不能保留病毒定義碼或補(bǔ)丁升級(jí)，要想實(shí)現(xiàn)病毒庫(kù)及教學(xué)應(yīng)用更新或升級(jí)需要全部對(duì)傳，且無法跨網(wǎng)對(duì)傳，工作量大。

（5）還原卡通常需要保留本地硬盤上的一個(gè)重啟不還原的分區(qū)，用于學(xué)生存放個(gè)人資料。資料容易感染或攜帶病毒，導(dǎo)致病毒在校園網(wǎng)中交叉感染。

2.無盤工作站

無盤工作站也是早期教育終端管理的常見手段之一，利用PXE啟動(dòng)原理，所有終端客戶機(jī)上不需要硬盤，都通過讀取服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)磁盤來進(jìn)行工作。主要缺陷：

（1）無盤工作站完全通過網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)啟動(dòng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)依賴性極強(qiáng)，一旦出現(xiàn)斷網(wǎng)或者服務(wù)器宕機(jī)，所有客戶機(jī)無法啟動(dòng)；

（2）由于無盤工作站在啟動(dòng)時(shí)需要將操作系統(tǒng)的引導(dǎo)文件讀取到本地內(nèi)存，數(shù)據(jù)傳輸量大，工作站啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，師生使用體驗(yàn)差；

（3）無盤工作站無法支持多節(jié)點(diǎn)疊加模式，一旦需要大量的操作系統(tǒng)鏡像模板時(shí)無法支持；

（4）無盤工作站無法支持移動(dòng)設(shè)備的接入，終端硬件資源固定，無法彈性擴(kuò)展終端計(jì)算性能，無法在多媒體教室、教師辦公室等環(huán)境中部署。

三、傳統(tǒng)云桌面的利弊

VDI（Virtual Desktop Infrastructure，即虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)）桌面虛擬化是近幾年來出現(xiàn)的新技術(shù)，也稱為傳統(tǒng)云桌面，有的企業(yè)稱其為“云課堂”、“云學(xué)堂”或者“云教室”。其總體技術(shù)模式一樣，都是通過瘦客戶機(jī)連接到服務(wù)器，利用服務(wù)器的計(jì)算資源，包括CPU、內(nèi)存、硬盤和顯卡等，然后通過遠(yuǎn)程顯示協(xié)議在前端瘦客戶機(jī)顯示器上展示出來。結(jié)構(gòu)圖見圖1。

由于采用了虛擬桌面方式，可以實(shí)現(xiàn)集中管理和分發(fā)，計(jì)算機(jī)故障容易解決、軟件環(huán)境部署靈活、云計(jì)算功能[1] 、資源彈性分配、瘦客戶機(jī)省電、占用空間小等優(yōu)點(diǎn)明顯。通過實(shí)際案例考察、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、搭建應(yīng)用環(huán)境等多種方式反復(fù)驗(yàn)證，2013年，我省曾選擇部分學(xué)校進(jìn)行試用，發(fā)現(xiàn)基于全后端計(jì)算的VDI桌面云方式暫時(shí)不具備大規(guī)模推廣的條件。

1.可靠性差

由于VDI完全依賴后端計(jì)算資源，所有的顯示都是通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷或者延遲，前端桌面就會(huì)出現(xiàn)卡機(jī)或者跳幀的情況，嚴(yán)重影響正常使用。VDI桌面云部署方式通常有兩種：一種是通過光纖將中小學(xué)和教育局連接，所有服務(wù)器集中在教育局?jǐn)?shù)據(jù)中心，中小學(xué)機(jī)房部署瘦客戶機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)器運(yùn)行桌面；一種是在每一個(gè)教室中部署一臺(tái)服務(wù)器，各自管理。前一種方式一旦出現(xiàn)教育局到中小學(xué)的網(wǎng)絡(luò)故障，都將直接導(dǎo)致教學(xué)事故。后一種方式雖然網(wǎng)絡(luò)故障率較低，但由于只有一臺(tái)服務(wù)器，萬(wàn)一宕機(jī)整個(gè)教學(xué)將完全中斷，且只能等待廠家的技術(shù)人員來解決，學(xué)校網(wǎng)絡(luò)人員則束手無策。

2.對(duì)高清和3D類應(yīng)用支持效果差

由于VDI桌面云完全是利用服務(wù)器的計(jì)算資源進(jìn)行工作，一旦涉及到高清3D類應(yīng)用就會(huì)出現(xiàn)GPU資源不足的問題。從實(shí)踐來看，只要10臺(tái)以上并發(fā)運(yùn)行3D類教學(xué)課件就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的跳幀情況，教學(xué)無法進(jìn)行。而隨著國(guó)家教育信息化的發(fā)展，高清3D應(yīng)用的課件內(nèi)容將會(huì)越來越多，特別是高校的電子教室更是如此，VDI桌面云無法滿足未來教育信息化的新需求。[2]

3.維護(hù)技術(shù)難度高

由于VDI桌面云將核心計(jì)算都放置在服務(wù)器上，前端瘦客戶機(jī)相當(dāng)于顯示器，必須要完全掌握虛擬化技術(shù)才能很好的應(yīng)對(duì)故障問題，做好維護(hù)工作。而普通中小學(xué)的技術(shù)人員很難快速全面掌握虛擬化知識(shí)，只能進(jìn)行最基礎(chǔ)的操作配置，一旦出現(xiàn)桌面云自身的系統(tǒng)故障，沒有任何方法可以快速恢復(fù)教學(xué)。

4.后期投入成本不可估量

采用VDI桌面云后，所有的桌面讀寫都是依賴服務(wù)器的磁盤I/O性能。一旦長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行讀寫后，服務(wù)器的性能會(huì)有大幅度下降。目前教育行業(yè)計(jì)算機(jī)淘汰周期普遍5-6年，而VDI桌面云的性能在3年后就嚴(yán)重下滑，省內(nèi)一些地方部署的VDI桌面云在2年10個(gè)月后桌面開機(jī)速度已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)5分鐘，同比PC電腦性能差距在50%以上，預(yù)計(jì)到第4-5年，VDI桌面云的性能幾乎不可用。要提高性能，要么升級(jí)更換服務(wù)器硬件，要么升級(jí)更換存儲(chǔ)，額外增加成本。

四、下一代云桌面應(yīng)用探究

雖然VDI桌面虛擬化存在著不少缺陷，但它也打開了教育桌面管理的新思路。我們?cè)趪L試改造升級(jí)，看看是否可以既保留桌面虛擬化的優(yōu)勢(shì)，又可以規(guī)避其劣勢(shì)。期間，在福建省的一所本科大學(xué)建設(shè)了一套虛擬化桌面管理平臺(tái)，其作為下一代云桌面技術(shù)將帶來教學(xué)信息化的新變革。

下一代云桌面（NGD）技術(shù)是在傳統(tǒng)VDI桌面虛擬化技術(shù)上融合了前端計(jì)算能力，不但可以利用服務(wù)器的計(jì)算資源，也可以同時(shí)利用前端瘦客戶機(jī)的計(jì)算資源。由于CPU芯片技術(shù)的發(fā)展，瘦客戶機(jī)的CPU和GPU能力都相當(dāng)不錯(cuò)，完全可以支持Win7以上操作系統(tǒng)和1080P高清視頻的流暢播放。下一代云桌面的技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

這所大學(xué)原來的多媒體教室存在管理分散、防護(hù)能力差[3]、地理位置分布較遠(yuǎn)等問題，網(wǎng)絡(luò)延遲情況時(shí)有發(fā)生，而移動(dòng)設(shè)備由于采用無線網(wǎng)絡(luò)接入，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性最弱。這次在12間電子教室、上百間多媒體教室以及部分移動(dòng)辦公設(shè)備共計(jì)近千臺(tái)部署了下一代云桌面產(chǎn)品，其中電子教室內(nèi)部分別采用了千兆和百兆網(wǎng)絡(luò)連接，分布在各個(gè)教學(xué)樓的多媒體教室全部是百兆網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程連接，移動(dòng)辦公設(shè)備則采用無線網(wǎng)絡(luò)接入校園網(wǎng)。電子教室按照教學(xué)需要安裝了3DMAKS、AutoCAD、會(huì)聲會(huì)影、PRO/E的大型應(yīng)用軟件，下一代云桌面可以通過前端計(jì)算模式直接調(diào)用客戶機(jī)的計(jì)算性能來運(yùn)行AutoCAD等大型軟件，由于采用的是分布式計(jì)算，即使數(shù)百臺(tái)電腦同時(shí)運(yùn)行也能夠流暢工作，完全不會(huì)有VDI桌面云的卡頓情況。通過鏡像緩存的方式，下一代云桌面可以實(shí)現(xiàn)離線運(yùn)行，即使多媒體教室的網(wǎng)絡(luò)中斷，任課教師也可以繼續(xù)使用電腦進(jìn)行多媒體教學(xué)，不會(huì)像VDI桌面云那樣宕機(jī)，影響教學(xué)業(yè)務(wù)。而需要靈活辦公的移動(dòng)終端如手機(jī)、平板則可以通過連接到下一代云桌面的遠(yuǎn)程虛擬桌面上進(jìn)行辦公，通過賬戶和密碼隨意在電腦、手機(jī)之間切換訪問桌面。

有了高校的應(yīng)用案例之后，我們又嘗試在永安市教育局進(jìn)行了中小學(xué)環(huán)境的大規(guī)模應(yīng)用。永安教育局下屬數(shù)10所學(xué)校位置分散，有很多中小學(xué)在偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境比較差，不僅是學(xué)校外網(wǎng)帶寬低，而且內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量很差。應(yīng)用下一代云桌面的部署方案時(shí)，因沒有條件采用全光纖接入的方式進(jìn)行改造，推薦采用多級(jí)部署的方式進(jìn)行，將一級(jí)服務(wù)器部署在數(shù)據(jù)中心，將二級(jí)服務(wù)器部署在每個(gè)中小學(xué)，然后通過一級(jí)服務(wù)器進(jìn)行集中監(jiān)控和管理。這種技術(shù)方案既減少了服務(wù)器的投入（僅需要PC級(jí)服務(wù)器就可以支持200臺(tái)以上終端），又保證了瘦客戶機(jī)在低帶寬下獨(dú)立運(yùn)行。由于下一代云桌面同時(shí)支持前端計(jì)算，實(shí)現(xiàn)瘦客戶機(jī)的離線可用，因此即使在10M環(huán)境下也可以保證中小學(xué)桌面穩(wěn)定運(yùn)行，即使1000臺(tái)瘦客戶機(jī)同時(shí)開機(jī)不超過1分鐘，千臺(tái)瘦客戶機(jī)同時(shí)運(yùn)行1080P高清和3D影像無任何卡頓，完全滿足了多媒體教學(xué)的需要。

這兩個(gè)典型項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)取得較好的效果，驗(yàn)證了我們所設(shè)想的桌面云升級(jí)改造技術(shù)的可行性，完全滿足了原來預(yù)想的教育桌面云的技術(shù)要求：

1.可靠性強(qiáng)

下一代云桌面技術(shù)同時(shí)支持前端計(jì)算和后端計(jì)算，能夠做到離線可用，即使出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)延遲、中斷或者服務(wù)器宕機(jī)，都可以保證教學(xué)業(yè)務(wù)的正常開展，不會(huì)由于桌面云系統(tǒng)本身導(dǎo)致教學(xué)事故。

2.全面支持多媒體教學(xué)

下一代云桌面可以充分利用前端和后端的計(jì)算資源，可以采用分布式GPU播放1080P高清視頻和3D應(yīng)用，即使千臺(tái)并發(fā)也非常流暢，不會(huì)有卡頓死機(jī)情況發(fā)生，滿足各類多媒體課件的性能要求。

3.維護(hù)簡(jiǎn)單

下一代云桌面的架構(gòu)決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，用戶只需要會(huì)基本使用即可，即使下一代云桌面系統(tǒng)自身崩潰，終端瘦客戶機(jī)也可以正常運(yùn)行，不用等待廠家技術(shù)來維修和更換系統(tǒng)。

4.一次性投入

下一代云桌面可以同時(shí)利用前端瘦客戶機(jī)和后端服務(wù)器的性能，桌面的讀寫壓力不會(huì)完全落在服務(wù)器上，在相同使用率的情況下，也是傳統(tǒng)VDI桌面云近2倍的性能，在5-6年的教育信息化終端生命周期中不用再增加投入。

五、結(jié)束語(yǔ)

在未來的教育信息化領(lǐng)域中，單純依賴服務(wù)器集中計(jì)算的VDI桌面云模式很難滿足教育行業(yè)的發(fā)展需要，特別是網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的中小學(xué)環(huán)境無法大規(guī)模復(fù)制推廣，而下一代云桌面（NGD）充分融合了前后端計(jì)算，采用混合計(jì)算模式充分發(fā)揮前端瘦客戶機(jī)和后端服務(wù)器的性能，既可以利舊保護(hù)投資，又可以離線運(yùn)算，流暢運(yùn)行3D高清。下一代云桌面技術(shù)不論在高校機(jī)房的高性能教學(xué)業(yè)務(wù)，還是在中小學(xué)跨區(qū)域的大規(guī)模桌面集中管理，都是非常值得推廣復(fù)制的。因此，通過近幾年的理論研究和實(shí)踐探索，我們堅(jiān)信下一代云桌面技術(shù)勢(shì)必帶來教育信息化的新變革。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉劍鋒.淺談虛擬化桌面在高校的架構(gòu)和應(yīng)用[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2012（11）：63-64.

[2]邢高鋒.淺析高校計(jì)算機(jī)機(jī)房管理[J].計(jì)算機(jī)安全，2014（5）：51-53.

[3]楊鋒.桌面虛擬化在多媒體教學(xué)管理中的應(yīng)用[J].信息與電腦：理論版，2015（23）：181-182.

（編輯：魯利瑞）