基于云技術(shù)的虛擬化教學(xué)系統(tǒng)搭建

郭志華++鄭舟杰++吳湘洪

摘 要：基于云技術(shù)的虛擬化教學(xué)系統(tǒng)是基于云技術(shù)的虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)系統(tǒng)的虛擬化，將原有傳統(tǒng)的相互獨(dú)立的實(shí)訓(xùn)室物理計(jì)算機(jī)桌面系統(tǒng)用云桌面來(lái)替代，在滿足教學(xué)需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)桌面終端和應(yīng)用環(huán)境的集中控制和管理，解決計(jì)算機(jī)教學(xué)中多系統(tǒng)、多應(yīng)用帶來(lái)的困擾問(wèn)題。本文主要研究虛擬化教學(xué)系統(tǒng)的搭建，包括整體架構(gòu)、前后端、軟硬件及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了可按教師、專業(yè)、班級(jí)、語(yǔ)言、分組、座位、學(xué)生、考試或者根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，任意切換的個(gè)性化教學(xué)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算 云技術(shù) 虛擬化 虛擬桌面教學(xué)系統(tǒng)

課 題：本文系廣東省人社廳2015年廣東省技工教育和職業(yè)培訓(xùn)省級(jí)教學(xué)研究課題《基于云技術(shù)的虛擬化教學(xué)系統(tǒng)搭建應(yīng)用研究》（課題編號(hào)KT201501）研究成果。

隨著校園信息化的不斷普及和推廣，各院校利用電子教室進(jìn)行教學(xué)、學(xué)習(xí)的課程越來(lái)越多，但因建設(shè)局限和使用需求的發(fā)展，傳統(tǒng)IT架構(gòu)下的PC已經(jīng)不能滿足實(shí)訓(xùn)室對(duì)IT系統(tǒng)的要求。桌面云改變了傳統(tǒng)的工作環(huán)境和信息系統(tǒng)部署方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)原本分散的眾多用戶桌面環(huán)境與數(shù)據(jù)的集中管理，使升級(jí)維護(hù)更高效、數(shù)據(jù)使用更安全、接入更靈活、業(yè)務(wù)處理能力更強(qiáng)、系統(tǒng)可靠性更高。

一、傳統(tǒng)教學(xué)系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

學(xué)?，F(xiàn)有的計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室桌面系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)PC方式，需要在每臺(tái)PC上安裝業(yè)務(wù)所需的軟件程序及客戶端，在系統(tǒng)功能、安全、使用率等方面存在較多問(wèn)題。

1.資源管理難

重要的數(shù)據(jù)分散在各PC上，不能方便地進(jìn)行集中存儲(chǔ)及備份。學(xué)生的隨堂作業(yè)與教師的授課資源沒(méi)有得到很好的規(guī)劃，導(dǎo)致課時(shí)內(nèi)教學(xué)效率不高。

2.安全隱患多

由于PC機(jī)的安全漏洞較多，客戶端安全隱患增加，一旦學(xué)生上課操作不規(guī)范，容易導(dǎo)致電腦中毒，從而影響整個(gè)教室及整個(gè)學(xué)校網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定。信息中心統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，很多攻擊是源自內(nèi)部的攻擊。

3.維護(hù)管理成本高

現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室一旦出現(xiàn)軟硬件故障，只能被動(dòng)地等待技術(shù)人員來(lái)修復(fù)。由于計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室數(shù)量多，分布廣，維護(hù)人員不足而導(dǎo)致了維護(hù)響應(yīng)能力的不足，帶來(lái)工作效率低下的問(wèn)題，嚴(yán)重影響教師教學(xué)進(jìn)度。因此，桌面終端的維護(hù)成本也不斷上升，維護(hù)人員不僅要對(duì)PC機(jī)進(jìn)行硬件維護(hù)，還要對(duì)操作系統(tǒng)環(huán)境、應(yīng)用的安裝配置和更新進(jìn)行桌面管理和維護(hù)。

4.課堂控制難

老舊計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室為了控制學(xué)生的上課行為，使用了各種手段進(jìn)行控制，包括封USB口等極端的手段，然而效果并不理想。

因此，簡(jiǎn)化客戶端環(huán)境，實(shí)施集中化部署、管理和運(yùn)行維護(hù)，實(shí)施桌面虛擬化教學(xué)系統(tǒng)是有效解決當(dāng)前學(xué)校計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室管理維護(hù)問(wèn)題的辦法。

二、虛擬化教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)需求分析

本次研究主要針對(duì)滿足復(fù)雜教學(xué)環(huán)境及職業(yè)考試上機(jī)操作使用。

一是滿足包括辦公軟件，網(wǎng)絡(luò)管理軟件、網(wǎng)絡(luò)開發(fā)軟件以及其他一些非圖形化設(shè)計(jì)及渲染、影視剪輯等的教學(xué)應(yīng)用。

二是完成基于“對(duì)象管理”的、強(qiáng)大且理念先進(jìn)的專用軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)與學(xué)籍管理系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享。學(xué)生從進(jìn)校就擁有自己獨(dú)立的系統(tǒng)空間，在任意機(jī)房只需用學(xué)號(hào)登記，即可享用專屬空間，直至畢業(yè)。

三是在面臨各種認(rèn)證考試、職業(yè)考試需要不同版本的操作系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件等復(fù)雜業(yè)務(wù)場(chǎng)景里，能完成便捷、快速的專業(yè)要求部署。

三、虛擬化教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

虛擬化教學(xué)系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成，前端就是用戶終端，包括通常的顯示器、鼠標(biāo)鍵盤以及虛擬化專用的瘦終端；中間是傳輸部分，即網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；后端是服務(wù)端，包括計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、備份資源等。其架構(gòu)示意圖如下。

2.虛擬化教學(xué)系統(tǒng)后端設(shè)計(jì)

虛擬化目前有幾種主流的應(yīng)用架構(gòu)，機(jī)架式服務(wù)器+共享存儲(chǔ)，機(jī)架式服務(wù)器做虛擬化存儲(chǔ)；刀片服務(wù)器+共享存儲(chǔ)，刀片服務(wù)器做虛擬化存儲(chǔ)。但單純從硬件角度，其實(shí)就是兩種，即共享存儲(chǔ)架構(gòu)和虛擬存儲(chǔ)架構(gòu)。

共享存儲(chǔ)架構(gòu)是服務(wù)器配搭傳統(tǒng)的存儲(chǔ)陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬化。服務(wù)器通過(guò)虛擬化成為計(jì)算資源池（包括CPU資源池、內(nèi)存資源池、網(wǎng)絡(luò)資源池），存儲(chǔ)陣列作為物理的存儲(chǔ)資源池。服務(wù)器與存儲(chǔ)之間通過(guò)光纖交換網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通讀，并通過(guò)虛擬化平臺(tái)的劃分管理，實(shí)現(xiàn)虛擬化的目標(biāo)。

共享存儲(chǔ)的架構(gòu)，服務(wù)器、存儲(chǔ)、光纖交換機(jī)都最少需要兩臺(tái)以上才能有效保證滿足需求，投入成本相對(duì)較高。虛擬存儲(chǔ)的架構(gòu)則可以將多臺(tái)服務(wù)器的本次磁盤單獨(dú)抽出來(lái)形成虛擬存儲(chǔ)使用，并可以實(shí)現(xiàn)雙副本甚至多副本的數(shù)據(jù)備份。如果服務(wù)器本地硬盤數(shù)量及容量可以滿足實(shí)際需求，則整個(gè)架構(gòu)的性價(jià)比會(huì)更高?？紤]到服務(wù)器數(shù)量以及能耗，本文后端系統(tǒng)架構(gòu)將采用基于刀片服務(wù)器的虛擬存儲(chǔ)的整體架構(gòu)。

3.后端硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

作為現(xiàn)代化的教學(xué)系統(tǒng)，其穩(wěn)定性及性能必須是首要保證的。因此，硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)要選擇穩(wěn)定可靠的硬件平臺(tái)。通過(guò)多次硬件平臺(tái)的架構(gòu)及性能測(cè)試對(duì)比，思科公司的UCS（統(tǒng)一計(jì)算系統(tǒng)）比傳統(tǒng)簡(jiǎn)單整合的刀片服務(wù)器更具備優(yōu)勢(shì)。

統(tǒng)一計(jì)算系統(tǒng)是一種新的計(jì)算模式，在一個(gè)緊密結(jié)合的系統(tǒng)中整合了計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)接入與虛擬化功能，降低總體擁有成本的同時(shí)提高業(yè)務(wù)靈活性。該系統(tǒng)具有一個(gè)單一的系統(tǒng)整合、統(tǒng)一的管理模式、高效的擴(kuò)展和低成本等特點(diǎn)。

將交換資源集中在一起，通過(guò)消除刀片機(jī)箱內(nèi)部的交換，減少了網(wǎng)絡(luò)接入層分段。該架構(gòu)采用了統(tǒng)一以太網(wǎng)交換陣列，在一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上傳輸局域網(wǎng)、存儲(chǔ)和高性能計(jì)算流量。該方法能夠整合或完全消除多個(gè)服務(wù)器適配器、機(jī)箱多個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、線纜及其他支外圍基礎(chǔ)設(shè)施。

4.后端軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)endprint

虛擬化教學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分就是虛擬化軟件平臺(tái)。由于硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)使用的是基于虛擬存儲(chǔ)的硬件架構(gòu)，因此，在軟件平臺(tái)上，也必須有虛擬存儲(chǔ)功能的支持才能滿足實(shí)際需求。

經(jīng)過(guò)對(duì)多個(gè)虛擬化平臺(tái)的測(cè)試與功能了解、功能聯(lián)系、定制開方等方面的調(diào)研，綜合功能、性能、價(jià)格等方面因素，本文選用深信服VMP4.8系統(tǒng)的桌面虛擬化軟件平臺(tái)。該平臺(tái)除了當(dāng)前的軟件功能外，還能為學(xué)校提供配套的結(jié)合學(xué)校實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩ㄖ品?wù)，從而實(shí)現(xiàn)虛擬化教學(xué)系統(tǒng)及智慧校園建設(shè)規(guī)劃的功能需求。

5.虛擬化教學(xué)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計(jì)

在傳輸網(wǎng)絡(luò)方面，后端UCS平臺(tái)通過(guò)交換矩陣與核心交換機(jī)進(jìn)行萬(wàn)兆互聯(lián)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊。服務(wù)器內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換自成體系，不參與學(xué)校原網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，只有服務(wù)數(shù)據(jù)才會(huì)與原有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行交換。原有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，核心交換機(jī)與匯聚交換機(jī)通過(guò)萬(wàn)兆互聯(lián)，匯聚交換機(jī)到每間云實(shí)訓(xùn)室的接入交換機(jī)，通過(guò)兩條雙絞線鏈路實(shí)現(xiàn)聚合互聯(lián)。接入交換機(jī)通過(guò)百兆網(wǎng)絡(luò)與云實(shí)訓(xùn)室虛擬化教學(xué)系統(tǒng)的前端設(shè)備互連。

6.虛擬化教學(xué)系統(tǒng)前端設(shè)計(jì)

前端硬件平臺(tái)包括瘦終端、顯示器和鼠標(biāo)鍵盤這三樣。其中，瘦終端為實(shí)現(xiàn)批量管理、配置功能，并結(jié)合虛擬化軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)特定功能，采用深信服aDesk瘦終端設(shè)備。該設(shè)備使用12 V供電，支持1080 P高清輸出，具有6個(gè)USB接口及音頻出接口，1個(gè)千兆網(wǎng)絡(luò)接口，完全滿足常規(guī)教學(xué)需求。顯示器支持1080 P高清分辨率，同樣使用12 V供電的顯示器。

前端瘦終端通過(guò)DHCP自動(dòng)分配IP地址，并連接到VDC數(shù)據(jù)中心后，可以獲取到相關(guān)的桌面資源。

四、虛擬化教學(xué)系統(tǒng)的效益分析

使用虛擬化來(lái)支持桌面工作負(fù)荷，提升了IT管理效率、降低設(shè)備及管理成本、功能更加完善高效。

第一，客戶端的利用。因?yàn)樽烂嫣摂M化環(huán)境的邊緣很少發(fā)生計(jì)算執(zhí)行過(guò)程，所以計(jì)算體系結(jié)構(gòu)對(duì)終端設(shè)備處理能力的依賴性降低。這使得終端硬件成本可以大幅降低，且瘦客戶端設(shè)備的生命周期通常是標(biāo)準(zhǔn) PC 的兩倍。

第二，與學(xué)校網(wǎng)絡(luò)及管理系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一單點(diǎn)認(rèn)證和動(dòng)態(tài)的安全準(zhǔn)入管理，保證接入桌面云的設(shè)備和用戶安全，默認(rèn)設(shè)置訪問(wèn)學(xué)校內(nèi)網(wǎng)，通過(guò)對(duì)學(xué)校網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備策略設(shè)定結(jié)合單點(diǎn)登錄實(shí)現(xiàn)一次登錄即可訪問(wèn)桌面、網(wǎng)盤以及策略指定的互聯(lián)網(wǎng)，提高了虛擬桌面系統(tǒng)的安全防護(hù)水平及學(xué)生課堂行為的規(guī)范。

第三，改進(jìn)數(shù)據(jù)安全性。由于能夠?qū)?shù)據(jù)從IT環(huán)境的邊緣（傳統(tǒng)的PC硬盤）移到數(shù)據(jù)中心（服務(wù)器）內(nèi)，從本質(zhì)上降低了管理部門在計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室的維護(hù)中所面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)據(jù)訪問(wèn)集中化能夠緩解數(shù)據(jù)丟失、破壞的風(fēng)險(xiǎn)并簡(jiǎn)化合規(guī)性工作程序。

第四，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)備份。集中化虛擬桌面完全駐留在數(shù)據(jù)中心內(nèi)，所以更容易確保完全遵守備份策略。而且，使用合并的映像和增量存儲(chǔ)文件可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化重要數(shù)據(jù)的提取和收集，從而簡(jiǎn)化備份流程。

第五，簡(jiǎn)化問(wèn)題恢復(fù)。維護(hù)人員能夠快速輕松地將虛擬桌面還原到上次所知良好的狀態(tài)，虛擬機(jī)大大簡(jiǎn)化了問(wèn)題恢復(fù)工作。

第六，縮短部署時(shí)間及變更時(shí)間。當(dāng)在桌面虛擬化體系結(jié)構(gòu)中使用瘦客戶端時(shí)，由于不需要在終端設(shè)備上安裝任何內(nèi)容，因此圍繞部署的流程明顯得到簡(jiǎn)化。無(wú)論是增加應(yīng)用程序，還是更改某項(xiàng)配置，只需要在母盤鏡像做出修改，統(tǒng)一發(fā)布即可，無(wú)須再逐個(gè)安裝修改。

總體來(lái)看，基于桌面虛擬化技術(shù)的教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)使得學(xué)校對(duì)資源的利用更加高效、管理手段靈活、數(shù)據(jù)中心更加智能和強(qiáng)壯，桌面安全靈活。有利于進(jìn)一步推進(jìn)了學(xué)校信息化建設(shè)，為學(xué)校智慧校園的建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。endprint