虛擬化技術(shù)與終端融合的云教學系統(tǒng)

葉艾彥

【摘 要】為了解決現(xiàn)有模式的教學管理系統(tǒng)中視頻廣播大量占用云主機的資源而影響傳輸速率和質(zhì)量的問題，設(shè)計了面向云環(huán)境下的教學控制系統(tǒng)，采用虛擬化技術(shù)和終端技術(shù)融合的方式，將視頻廣播類圖像指令指向云終端處理、消息類指令指向云桌面處理，多媒體流始終點對點和一次編解碼。經(jīng)過對比測試表明，該系統(tǒng)相較于一般的兩端系統(tǒng)在視頻廣播時云主機的帶寬不受影響，可充分利用終端的圖形硬解碼能力來提高用戶體驗，并且即使在云桌面系統(tǒng)宕機的情況下仍可實現(xiàn)廣播教學。

【關(guān)鍵詞】云計算 教學系統(tǒng) 虛擬化技術(shù) 終端技術(shù) VDI

1 引言

教學管理工具是在電腦教室、電子教室、多媒體教室、多媒體網(wǎng)絡(luò)教室上實現(xiàn)同步屏幕廣播教學、多媒體音視頻教學、教師和學生互動教學、屏幕監(jiān)視、電腦的集中控制與管理等諸多功能。其發(fā)展已超過10年，屬于針對PC教學的標準化產(chǎn)品，國外產(chǎn)品如NetSupportSchool、Impero、LanSchool等，國內(nèi)產(chǎn)品如紅蜘蛛、極域、藍創(chuàng)、凌波、博智、金碟等。上述各產(chǎn)品以PC時代架構(gòu)過渡到云時代已是捉襟見肘，傳統(tǒng)的架構(gòu)不能適應云桌面下的教學管理。若在云計算環(huán)境下仍沿用傳統(tǒng)兩端模式的部署，將導致媒體流的二次轉(zhuǎn)發(fā)和二次編解碼，不僅耗費雙倍網(wǎng)絡(luò)和計算資源，影響云計算環(huán)境的擴展性，而且?guī)淼馁|(zhì)量劣化和時延增加，將不可避免地影響用戶體驗。因此，教學互動也需要針對云計算環(huán)境進行架構(gòu)的變革。

2 基于VDI技術(shù)的兩端教學系統(tǒng)

VDI（Virtual Desktop Infrastructure，虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)）技術(shù)中，學生終端通過遠程連接上虛擬機，學生在使用機器時直接操作的是虛擬桌面，存儲數(shù)據(jù)和使用軟件等所需消耗的計算資源全部由虛擬機提供，這樣使得學生可以不依賴于特定的計算機終端，只要能連接局域網(wǎng)，便可獲取自己的操作系統(tǒng)環(huán)境；另一方面，服務(wù)器可對虛擬機資源進行動態(tài)分配，因此能夠有效滿足學生對存儲資源和計算資源的隨機需求，較大程度地節(jié)省了資源預分配過大造成的浪費。

在傳統(tǒng)的VDI技術(shù)中，學生端軟件安裝在虛擬機上，處理流程中服務(wù)器的每個虛擬機均需對視頻數(shù)據(jù)進行處理，這樣服務(wù)器側(cè)的CPU和內(nèi)存資源會消耗巨大，即服務(wù)器側(cè)的負載較大，承載虛擬機的Hyper-V會因資源消耗過多而無法正常運行。

3 虛擬化技術(shù)與終端融合的教學控制系統(tǒng)

3.1 總體架構(gòu)

面向云環(huán)境下的教學控制系統(tǒng)設(shè)計應遵循多媒體流始終點對點和一次編解碼。系統(tǒng)具體由以下組件構(gòu)成：

（1）教學控制系統(tǒng)-教師機：部署在教師側(cè)電腦中，是整個教室管理的中心，負責發(fā)起屏幕廣播、視頻廣播、屏幕監(jiān)控、屏幕鎖定、同屏共控、討論交流、測試問答、收集作業(yè)、舉手通知和學生廣播指令等功能；

（2）教學控制系統(tǒng)-云終端：部署在云終端中，是教室管理的啞終端，負責接收教師端的指令，配合教師端執(zhí)行屏幕廣播、視頻廣播、屏幕監(jiān)控、屏幕鎖定和學生廣播的接收等功能；

（3）教學控制系統(tǒng)-云桌面：部署在云桌面中，是教室管理的學生互動端，除配合教師端執(zhí)行同屏共控和學生廣播的發(fā)起等功能以外，學生還可操作其舉手、討論交流、測試問答和提交作業(yè)等功能。

在教師PC端安裝教學控制系統(tǒng)-教師機軟件，每個學生云終端與一個云桌面連接，分別部署教學控制系統(tǒng)-云終端和教學控制系統(tǒng)-云桌面，并一一綁定。教學控制系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示：

3.2 系統(tǒng)方案實現(xiàn)

系統(tǒng)包含教學軟件的教師端和學生端、終端操作系統(tǒng)、云桌面系統(tǒng)，其涉及的硬件單元如下：

（1）云主機：作為集中部署的硬件單元，采用高性能、高擴展性、高穩(wěn)定性和長生命周期的服務(wù)器，作為云桌面所需vCPU、vRAM、vDisk、vNet和vGPU的最終供應者；

（2）云終端：作為大規(guī)模部署的硬件單元，采用低功耗、低故障的精簡PC，灌制定制化、高安全的操作系統(tǒng)，充分挖掘其處理芯片的硬件加速能力，實現(xiàn)云終端低配高效能。

（3）教師機：作為教師的操作控制臺，除實現(xiàn)課程選擇之后的云桌面推送到所有云終端以外，還作為教學管理的中央控制器運行各類教學軟件以及教學管理軟件。

（4）交換機：作為各方交互的數(shù)據(jù)鏈路載體，提供多端口高背板帶寬。

3.3 控制系統(tǒng)流程設(shè)計

控制系統(tǒng)流程設(shè)計具體如下：

（1）教師機開啟，從Web管理界面讀取云終端和云桌面的對應關(guān)系存入數(shù)據(jù)庫中；

（2）當教師機發(fā)送指令給指定的單個或部分學生時，若判斷指令為消息類指令，如討論交流、文件收發(fā)等，則將指令發(fā)送至云桌面；

（3）若判斷指令為視頻圖像類指令，如屏幕廣播、視頻廣播、屏幕鎖定，則將指令發(fā)送至學生云終端處理，從而達到教師機、云終端、云桌面三端分離的效果。在教師端和學生端軟件中，實現(xiàn)具體的通道建立和媒體流處理。

教學控制系統(tǒng)的三端功能分解如圖2所示。

本教學控制系統(tǒng)擴展性強，利用終端的資源對視頻圖像在本地機器上分別進行處理，免受其他學生機的干擾。由于教學控制系統(tǒng)只占用終端資源，終端數(shù)目根據(jù)教室學生數(shù)目增加，可擴展至多臺學生機；又因不占用過多虛擬機資源，視頻傳輸僅依賴于終端硬件，故傳輸質(zhì)量和速率將不受影響。系統(tǒng)健壯性良好，當云桌面系統(tǒng)宕機時，廣播功能不受影響。

4 系統(tǒng)部署、測試與分析

在教師PC端安裝教師機軟件，每個虛擬機與一個終端連接，在終端PC1～PCn及其分別對應的虛擬桌面VM1～VMn安裝學生機軟件。具體如圖3所示：

下面采用Windows性能監(jiān)測工具，在兩端和三端的情況下，以屏幕廣播為例，對終端和虛擬機各自的帶寬占用情況進行計數(shù)。

4.1 傳統(tǒng)的兩端部署測試

對于兩端部署的情況，教師端發(fā)送屏幕廣播指令由虛擬機執(zhí)行。如圖4所示，當對1臺學生機Stu2進行廣播時，監(jiān)測到對應虛擬機所在云主機的帶寬數(shù)據(jù)由5萬Bytes/s以下升至50萬Bytes/s上下浮動。

如圖5所示，當對6臺學生機同時進行屏幕廣播時，監(jiān)測服務(wù)器交換機所發(fā)出的總帶寬數(shù)據(jù)升至700萬Bytes/s上下浮動，說明流量數(shù)據(jù)將成倍疊加到云主機，需要更多的服務(wù)器成本和維護成本。

4.2 三端融合部署測試

在三端部署的情況下，屏幕廣播操作將轉(zhuǎn)移至學生機終端執(zhí)行。如圖6所示，當對Stu2單臺廣播時，檢測到Stu2終端接收帶寬數(shù)據(jù)在40萬Bytes/s上下浮動，與兩端模式下作用于虛擬機的數(shù)據(jù)相當。

在上述情況下，停止對Stu2的廣播，開始對6臺學生機同時進行屏幕廣播時，Stu2的帶寬數(shù)據(jù)在停止廣播后下降至5萬Bytes/s以下；當重新收到廣播時，數(shù)據(jù)量回歸至40萬Bytes/s附近。此時無論是對于1臺或者6臺廣播的情況，虛擬機的服務(wù)器帶寬情況保持穩(wěn)定水平5萬Bytes/s以下，這表明三端模式下屏幕廣播作用在終端上而并不作用在服務(wù)器上，因此服務(wù)器的資源情況不受影響。具體如圖7所示。

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計的教學系統(tǒng)采用虛擬化技術(shù)與終端融合的方式，將對資源消耗較大的視頻圖像類操作在學生云終端執(zhí)行，消息類指令在學生云桌面端執(zhí)行。實驗表明，本系統(tǒng)可有效降低對服務(wù)器的資源占用，保證了視頻傳輸?shù)乃俾屎唾|(zhì)量；由于不占用云主機資源，降低了運維成本，且具有較強的可擴展性；即使云桌面系統(tǒng)宕機，廣播也不受影響。經(jīng)過長期的開發(fā)和完善，系統(tǒng)已成功在大學和小學多媒體教室等試點運行，功能也將得到進一步優(yōu)化。

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