虛擬化云桌面在高校計算機實驗中心建設中的應用

傅務謹

摘要： 全球教育行業(yè)的信息化浪潮伴隨著云計算的成熟席卷而來，隨著教育信息化的深入，很多高校已開始應用云計算的虛擬技術來降低教學成本，以提高教育教學資源的利用率。該文在介紹虛擬化技術和云桌面技術的基礎上，對高校計算機實驗中心云桌面系統(tǒng)的總體架構進行了分析與部署，提出了一種適用的構建方案，并對教育應用場景進行了規(guī)劃與分析。

關鍵詞：云計算；虛擬化云桌面；實驗中心

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）30-0213-02

隨著云計算技術的快速發(fā)展，云計算產品、技術和服務在市場引起了新一輪的產業(yè)變革。虛擬化云桌面應用現已在政府、金融、教育、醫(yī)衛(wèi)等行業(yè)領域占據了相當份額，優(yōu)秀的國產虛擬化產品在國內市場上已具有較大的影響力，在未來幾年，針對教育行業(yè)的桌面產品將是云桌面的爆發(fā)式增長點。虛擬化云桌面使人們獲取軟硬件資源、數據應用方式的發(fā)生了改變，越來越多的高校關注到這一技術并利用它帶動現代教育和管理的發(fā)展，為師生提供優(yōu)質的資源和訪問體驗。本文以我校為例，闡述了云桌面在高校計算機實驗中心建設中的具體應用。

1 什么是虛擬化云桌面

云計算的典型應用模式可分為3類：IaaS（基礎架構即服務）、PaaS（平臺即服務）、SaaS（軟件即服務）。其中，基于遠程桌面視圖交付的SaaS層云桌面技術是將數據計算由傳統(tǒng)終端（臺式機等）轉移到后端服務器，終端側僅負責圖形顯示及鼠標鍵盤操作的桌面虛擬化技術。云桌面是云計算的一種應用形態(tài)，它具備云計算的三大特征：對用戶呈現為桌面服務、資源可彈性管理、通過網絡提供，是一種云化的服務。我們只需要一個瘦客戶端設備，或者其他任何可以連接網絡的設備，通過專用程序或者瀏覽器，就可以訪問駐留在服務器端的個人桌面以及各種應用，且用戶體驗和我們使用傳統(tǒng)的個人電腦是等同的。

虛擬化云桌面依賴于服務器虛擬化，在數據中心的服務器上進行服務器虛擬化，生成大量的獨立的桌面操作系統(tǒng)（虛擬機或者虛擬桌面），同時根據專有的虛擬桌面協(xié)議發(fā)送給終端設備。用戶終端通過網絡登錄到虛擬主機上，只需要記住用戶名和密碼及網關信息，即可隨時隨地通過網絡訪問自己的桌面系統(tǒng)。個人桌面環(huán)境所需的計算、存儲資源集中于中央服務器上，以取代客戶端的本地計算、存儲資源；中央服務器的計算、存儲資源同時也是共享的、可伸縮的，使得不同個人桌面環(huán)境資源按需分配、交付，達到提升資源利用率，降低整體擁有成本的目的。

2 高校計算機實驗中心運維中存在的問題

那么在傳統(tǒng)PC機組成的計算機實驗教學中心中引入云桌面的意義何在呢？我們先來分析一下目前高校計算機實驗教學中心（非云桌面）日常運維中存在的問題。高校在投入計算機數據中心的建設時，服務器虛擬化幾乎都是必選的方案，但傳統(tǒng)終端在云計算時代開始時顯得單薄無力，終端仍然采用分散管理的PC模式。在大多數情況下，傳統(tǒng)PC終端模式提供了性價比與功能的最佳組合。但在實際應用過程中也存在諸多弊端：

1） 設備維護成本較高，專業(yè)實驗室限定了使用對象，設備利用率提高途徑受限；

2） 實驗室軟件平臺維護工作量居大，集中管理困難，人力、物力耗費高；

3） 對軟件系統(tǒng)的保護及使用對象的流動性造成了數據存儲困難，信息安全存在隱患；

4） 服務器閑置現象嚴重，云資源沒有合理地規(guī)劃利用。

云桌面解決方案能解決上述問題。云桌面將PC桌面環(huán)境通過云計算模式從物理機器分離出來，成為一種可以對外提供的桌面服務。桌面環(huán)境所需的計算、存儲資源集中于中央服務器上，云桌面通過網絡傳送到終端。實驗云桌面和傳統(tǒng)PC機的效能對比如表1所示：

表1 實驗云桌面和傳統(tǒng)PC機的效能對比

[效能對比＼&實驗云桌面＼&傳統(tǒng)PC機＼&功耗＼&非常低，19W＼&高，200W＼&安裝部署＼&1分鐘/臺＼&75分鐘/臺＼&操作系統(tǒng)＼&支持windows、linux等多系統(tǒng)靈活切換＼&部署多操作系統(tǒng)復雜，維護量大。＼&安全性＼&100%免疫病毒和木馬等惡意程序＼&硬軟件故障率高造成維護量較大；易感染病毒，系統(tǒng)維護繁瑣。＼&可管理性＼&非常好，可以對所有的云終端的操作系統(tǒng)、應用和數據統(tǒng)一管理，支持遠程協(xié)助維護系統(tǒng)。＼&非常差。經常因為誤操作、病毒而癱瘓，應用無法集中管理，只能依靠本校技術人員。＼&可靠性＼&非常好，高度集成化設計，低功耗，硬件損壞的可能性低，使用壽命長。＼&非常差，機械部件多，易損件多，維護工作量非常大，維護成本高。＼&人力成本＼&只需維護服務器，維護量非常小，成本較低。＼&由于PC數量多、位置分散，品牌型號配置不同，涉及軟硬件問題也各不一致，需要安排專人對硬件、系統(tǒng)進行管理與維護。＼&]

3 基于云桌面的計算機教學中心建設模型

3.1 云桌面系統(tǒng)的整體架構

虛擬桌面基礎架構VDI（Virtual Desktop Infrastructure）是目前部署云桌面常用的技術。高校計算機教學中心一般承擔全校計算機專業(yè)課程及各專業(yè)計算機輔助軟件應用課程，所需軟件多樣化、實訓環(huán)境復雜。計算機教學中心的用戶群有實驗教學（基礎和專業(yè)）、科研機構、行政辦公四部分，既有集中的、又有地點零散的應用場景，因此將整個虛擬化平臺做成集群模式（具有高可用性）是比較恰當的。該模式采用超融合VDI架構，虛擬桌面、虛擬化服務器、虛擬化分布式存儲均整合為一個軟件包內置于底層虛擬化平臺hypervisor中，hypervisor直接安裝在硬件計算資源上，不用綁定操作系統(tǒng)便可搭建虛擬化平臺。存儲系統(tǒng)可采用外置光纖FC/IP-SAN或DAS存儲，存儲系統(tǒng)通過交換機和服務器集群連接，服務器集群與核心交換機直連，每個分支機構（各專業(yè)實驗室）的PC或者瘦客戶端接入交換機再通過匯聚交換機與核心交換機連接。整體架構如圖1所示。endprint

圖1 高校計算機教學中心云桌面系統(tǒng)架構圖

3.2 硬件資源整體配置

服務器采用18臺戴爾（DELL）2U服務器主機R730 ，雙路16核心Intel Xeon E5-2683v4處理器16*16GB DDR4內存+3*6T SAS硬盤+480G固態(tài)硬盤，配置4路千兆以太網卡?？紤]到以后不斷增長的個人數據存儲需求，資金充裕的情況下還可配置DELL MD3800i iSCSI磁盤陣列（雙控制器+4個10Gb 以太網口 +4T SAS 7.2K *12塊），支持多級緩存機制，能實現高頻率讀寫數據。整個計算機中心云桌面系統(tǒng)采用分布式存儲結構，分布在18臺服務器中，每臺服務器實例最高56 VCPU 224G內存。云桌面終端一部分采用瘦終端，一部分采用利舊方案可節(jié)省不必要的開支，網絡均為千兆連接。

4 云桌面在計算機教學中心的應用

云桌面系統(tǒng)能在統(tǒng)一的B/S架構的單一管理視圖中，用戶通過任意聯網的PC使用瀏覽器直接訪問主控機的虛擬桌面管理平臺，實現服務器虛擬化IT架構以及虛擬桌面的統(tǒng)一管理。目前提供虛擬化軟件產品的廠家較前些年有了更多的選擇，國外如思杰、VMware；國內針對高校教育的廠家有銳捷、OS-easy、H3C等，在開源虛擬化平臺的基礎上開發(fā)了第三方軟件比較適合在教育云中的應用。

在部署虛擬化平臺的過程中，首先就要對具體應用場景進行合理規(guī)劃，不同的場景意味著不同的資源需求，它關系到資源配置的合理性與高可用性。以我校為例，含基礎實驗室6個、專業(yè)實驗室9個，專業(yè)實訓室3個，還有部分行政辦公和教師辦公和科研場所若干，共計點數在960左右。以下是幾個常用的場景。

4.1 實驗教學應用場景

我校教學電腦機房原有18個，其中基礎實驗室6個，點數都在80左右；專業(yè)實驗室實訓室12個，點數在40左右?；A實驗室實驗環(huán)境相對單一，可以使用同一云桌面鏡像。專業(yè)實驗室對于不同的專業(yè)可配置多樣化的云桌面，考慮到很多專業(yè)課程使用的都是大型軟件，將哪些軟件優(yōu)化安裝在一個模板鏡像下是非常有必要的。即每個模版可針對不同專業(yè)有一定的偏向性，比如數學專業(yè)要用到Matlab、Lingo、SPSS、Eviews、R語言等，可以安裝在教學模版1；計算機專業(yè)要用到Java、C++、SQL、.NET、PHP等，同時還有很多購置的專用實驗教學平臺，可以歸類安裝在教學模版2、教學模版3……有時不同專業(yè)類似的課程由于教材不同需要安裝同一款軟件不同的版本，這在以前同一物理機上是很難解決的問題，現使用不同的教學模版來安裝不同版本，實驗時啟用不同的云桌面就可以使問題迎刃而解。

對于電腦設備陳舊的實驗室可以采用瘦終端的方案；對于設備較新的實驗室可采用利舊方案，即同時保留物理機，在網絡故障或實驗課程需要的情況下仍可正常啟動物理機而不選擇云桌面。

4.2 個人辦公桌面場景

行政辦公用電腦和教師日常辦公電腦都屬于個人辦公桌面場景，它屬于部分集中但會多VLAN分布的應用場景。行政辦公電腦很多時候使用不同的業(yè)務系統(tǒng)，會對瀏覽器有各種各樣的不同要求，用戶數據需要安全保存；教師辦公電腦軟件專業(yè)化、多樣化，教師還利用電腦備課、記錄學生成績、出試卷等等，異地存儲、數據安全都是需要解決的問題；通過統(tǒng)一部署功能，一次性為所有教師安裝常用軟件，教師可在個人桌面的基礎上再安裝個人使用的軟件。在桌面云系統(tǒng)中用戶數據存儲在服務器，集中進行安全管控，減少了由于用戶硬盤故障造成的損失，也防止用戶數據被非法訪問或盜取涉密信息。

4.3 移動辦公桌面場景

教師下班備課、處理行政事務、開展科研工作、在網上查閱

（下轉第219頁）學生通過教學平臺提交的作業(yè)，都可以通過登錄學校內部網絡來完成。用戶無論在任何地點、使用任何終端設備（如PC、筆記本、iPad 平板電腦、iPhone 智能手機、Android 系列平板及智能手機等）均可安全高效地接入學校內網，訪問學校內部應用，很好地滿足了移動辦公及在家辦公的應用需求。

4.4 對外服務考試開放場景

高校計算機實驗室不僅是高校教學實驗、學生自主學習、上機實踐的場所，還是承辦一些校內及社會無紙化考試的考場，如計算機課程的期中、期末考試，全國計算機等級考試、全國從業(yè)資格考試等。不同的考試要安裝不同的軟件和客戶端，且有的是B/S架構有的是C/S架構，考試期間要求客戶端USB口禁用且處于開放狀態(tài)。在云桌面系統(tǒng)下我們只用創(chuàng)建一個與考試對應的模板，完成應用系統(tǒng)的安裝和相關配置，并以該模版為母體，批量克隆出多個完全相同的桌面，從而實現考試環(huán)境的快速大規(guī)模部署。

5 結束語

云桌面技術明顯地改善了傳統(tǒng)教學環(huán)境，在擴大高校計算機教學、管理的技術研究領域邁出了重要一步，通過桌面虛擬化技術將為高校教學科研帶來更多更美好的發(fā)展前景。云桌面作為云計算應用的一種具體體現，在高校計算機實驗中心建設中可以有效降低機房建設的成本，它安全、便于管理、可擴展性強、節(jié)能環(huán)保，云桌面取代PC 是一種技術潮流和必然趨勢。如何使這一技術與高校計算機實驗教學中心建設高度契合、進而推動智慧校園的建設是未來要研究的方向。

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