虛擬化桌面在高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

◆劉永

校園網(wǎng)絡(luò)安全

虛擬化桌面在高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

◆劉永

（山東青年政治學(xué)院教務(wù)處 山東 250103）

分析了高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)室存在的問(wèn)題。針對(duì)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)室機(jī)器性能不均衡、資源嚴(yán)重浪費(fèi)、管理困難、不易滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求等現(xiàn)象，提出了可以通過(guò)桌面虛擬化技術(shù)構(gòu)建虛擬化桌面實(shí)驗(yàn)室的方式來(lái)解決。闡述了虛擬化桌面實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建思路，并以我校為例，提出了一種虛擬化桌面實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)方案。該方案架構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，具有管理方便、節(jié)約資源、安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)室日常管理工作，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，滿足各類考試需求。

桌面虛擬化；計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心；設(shè)計(jì)方案

高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心一般承擔(dān)著學(xué)院計(jì)算機(jī)專業(yè)課、全校計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)課的教學(xué)任務(wù)和全國(guó)計(jì)算機(jī)等級(jí)考試、計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)考試等各類考試任務(wù)[1]。目前，高校的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心大多停留在由普通的計(jì)算機(jī)機(jī)房構(gòu)成的階段。計(jì)算機(jī)數(shù)量多、零件容易老化等問(wèn)題給實(shí)驗(yàn)室管理工作和實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)諸多困難。為了使計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心方便管理，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)作用，可以考慮使用桌面虛擬化技術(shù)構(gòu)建虛擬化桌面實(shí)驗(yàn)室來(lái)解決[2]。桌面虛擬化技術(shù)具有配置靈活、便于管理、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)，能有效解決現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室管理不便、維護(hù)困難等問(wèn)題，可以減輕實(shí)驗(yàn)室管理人員的工作負(fù)擔(dān)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)質(zhì)量。

1 高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心存在的問(wèn)題

（1）機(jī)器性能不均衡。由于高校對(duì)實(shí)驗(yàn)中心逐年加大投入，計(jì)算機(jī)在配置上會(huì)越來(lái)越高，性能會(huì)越來(lái)越強(qiáng)，這就造成建設(shè)時(shí)間相差越大的實(shí)驗(yàn)室，在計(jì)算機(jī)硬件配置方面差異越大，性能差距越大，使得某些專業(yè)性較強(qiáng)，對(duì)硬件配置要求較高的實(shí)驗(yàn)課程只能在性能較好的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)設(shè)，而性能較低的實(shí)驗(yàn)室只能開(kāi)設(shè)對(duì)機(jī)器性能要求不高的課程，造成實(shí)驗(yàn)室設(shè)備使用不均衡，實(shí)驗(yàn)室利用不充分。

（2）資源嚴(yán)重浪費(fèi)[3]。由于計(jì)算機(jī)的使用頻繁，容易造成計(jì)算機(jī)零部件老化，計(jì)算機(jī)往往在使用1-2年后，就容易出現(xiàn)硬盤損壞、顯示器故障等問(wèn)題。并且由于計(jì)算機(jī)的更新速度較快，往往在3-5年內(nèi)，計(jì)算機(jī)的硬件配置就不能滿足新的教學(xué)軟件的需求，需要重新購(gòu)置一批配置更高的計(jì)算機(jī)，舊的計(jì)算機(jī)只能淘汰掉，造成資源嚴(yán)重浪費(fèi)。

（3）管理困難。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室都是依靠還原卡來(lái)進(jìn)行管理和維護(hù)[4]。利用還原卡可以方便安裝軟件和恢復(fù)故障系統(tǒng)，但有時(shí)還原卡使用起來(lái)也很麻煩。還原卡都是針對(duì)同型號(hào)的機(jī)器同傳，因此一般都是單個(gè)實(shí)驗(yàn)室同傳。并且還原卡對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能要求很高，網(wǎng)速過(guò)慢或網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)同傳過(guò)慢。

（4）不易滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求[5]。有時(shí)教師需要在課堂分享學(xué)習(xí)資料，讓學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)提交作業(yè)，需要購(gòu)買額外的電子課堂軟件才能夠滿足。電子課堂軟件還需要額外的加密狗才能夠使用，加密狗長(zhǎng)時(shí)間插到計(jì)算機(jī)上會(huì)因?yàn)榘l(fā)熱導(dǎo)致失效，管理不善的話也容易造成丟失。

2 虛擬化桌面實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建

桌面虛擬化是指將計(jì)算機(jī)的終端系統(tǒng)（也稱作桌面）進(jìn)行虛擬化，以達(dá)到桌面使用的安全性和靈活性?？梢酝ㄟ^(guò)任何設(shè)備，在任何地點(diǎn)，任何時(shí)間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)屬于我們個(gè)人的桌面系統(tǒng)。桌面虛擬化的原理圖見(jiàn)圖1。

數(shù)據(jù)中心由物理服務(wù)器集群構(gòu)成，利用桌面虛擬化技術(shù)，可以將物理服務(wù)器集群的硬件資源（CPU、內(nèi)存、硬盤等資源）形成一個(gè)硬件資源池實(shí)現(xiàn)集中統(tǒng)一管理，并在物理服務(wù)器集群上虛擬出多臺(tái)虛擬機(jī)（即虛擬出來(lái)的主機(jī)），將這些硬件資源分配給虛擬機(jī)使用，并為每臺(tái)虛擬機(jī)分配操作系統(tǒng)。每一臺(tái)虛擬機(jī)都相當(dāng)于一臺(tái)獨(dú)立的PC主機(jī)，用戶通過(guò)桌面終端（通常為一臺(tái)顯示器）就可以使用一臺(tái)虛擬機(jī)，與使用PC的體驗(yàn)完全一樣。

圖1 桌面虛擬化原理圖

3 虛擬化桌面實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)方案

3.1 虛擬化桌面實(shí)驗(yàn)室的架構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，我校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心共有5個(gè)實(shí)驗(yàn)室，計(jì)算機(jī)約400臺(tái)，其中2個(gè)實(shí)驗(yàn)室用作虛擬化桌面實(shí)驗(yàn)室并各包含90臺(tái)桌面終端。虛擬化桌面實(shí)驗(yàn)室采用VOI技術(shù)（Virtual OS Infrastructure，虛擬操作系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施），其搭建方式按照?qǐng)D2的結(jié)構(gòu)示意圖進(jìn)行搭建。服務(wù)器集群為獲得良好的降溫效果放在數(shù)據(jù)中心里。服務(wù)器集群共包含5臺(tái)服務(wù)器，每臺(tái)服務(wù)器含2顆12核Intel E5 2650V4處理器，160g內(nèi)存，4塊千兆集成網(wǎng)卡，1塊4T硬盤和1塊PCI-E400g固態(tài)硬盤。桌面終端配有一個(gè)顯示器外加X(jué)86云終端（含1顆intel J1900 CPU，2g內(nèi)存，1個(gè)USB3.0接口，5個(gè)USB2.0接口，1個(gè)千兆網(wǎng)卡）。每個(gè)實(shí)驗(yàn)室配4臺(tái)24端口千兆交換機(jī)。機(jī)房網(wǎng)線采用超五類線。

圖2 虛擬化桌面實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 虛擬化桌面實(shí)驗(yàn)室的功能設(shè)計(jì)

（1）虛擬化桌面具備的使用功能

外賣的衛(wèi)生安全較嚴(yán)重影響了外賣的發(fā)展．產(chǎn)品的衛(wèi)生安全得不到保障成為眾多年輕人對(duì)外賣望而卻步的主要原因，外賣商家需提高對(duì)衛(wèi)生安全的重視程度．部分外賣價(jià)格過(guò)高超出了學(xué)生的消費(fèi)水平，使得外賣價(jià)格成為影響外賣市場(chǎng)發(fā)展的另一個(gè)主要原因．

①操作系統(tǒng)還原保護(hù)功能。對(duì)桌面終端的操作系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)終端重啟后，之前學(xué)生在系統(tǒng)盤做的所有操作都不會(huì)保存，可以保證系統(tǒng)完好如初。學(xué)生的作業(yè)等資料可以放到存儲(chǔ)盤，這樣重啟之后資料也不會(huì)丟失。

②支持多個(gè)教學(xué)桌面使用。因?yàn)椴煌慕虒W(xué)軟件，其計(jì)算機(jī)配置環(huán)境不同，為了保護(hù)軟件安裝和運(yùn)行不沖突，要在不同的教學(xué)桌面里安裝軟件，所以就會(huì)創(chuàng)建多個(gè)教學(xué)桌面。學(xué)生打開(kāi)終端后，可以選擇所使用的軟件所在的教學(xué)桌面。終端上的各個(gè)教學(xué)桌面相互獨(dú)立，不沖突，保證了軟件良好的運(yùn)行環(huán)境。

③虛擬化桌面獨(dú)立運(yùn)行。因?yàn)榉?wù)器虛擬化出來(lái)的虛擬機(jī)都是獨(dú)立分配硬件資源的，并且虛擬化技術(shù)可以保證虛擬機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，互不影響，所以學(xué)生使用虛擬化桌面如同單個(gè)的PC機(jī)一樣，功能強(qiáng)大，又互不影響。

（2）虛擬化桌面具備的管理功能

①遠(yuǎn)程控制功能。管理員通過(guò)瀏覽器直接訪問(wèn)虛擬化桌面管理平臺(tái)，可以查看遠(yuǎn)處各個(gè)機(jī)房的桌面終端狀態(tài)，遠(yuǎn)程啟動(dòng)、關(guān)閉、重啟終端，并可以按照桌面序號(hào)、終端座號(hào)、桌面IP、桌面計(jì)算機(jī)名、桌面用戶名等多種方式實(shí)現(xiàn)終端的自動(dòng)排序。設(shè)置機(jī)房的IP地址段、終端桌面分辨率等。

②資源統(tǒng)計(jì)功能。虛擬化桌面管理平臺(tái)可以自動(dòng)統(tǒng)計(jì)服務(wù)器集群硬件資源池的變化、包括CPU、內(nèi)存、硬盤的使用量和利用率等并提供可視化統(tǒng)計(jì)視圖，方便管理員了解資源使用情況，為新創(chuàng)建的虛擬機(jī)分配CPU、內(nèi)存、硬盤等硬件資源。

③批量生成虛擬化桌面功能。管理員可以先創(chuàng)建一個(gè)虛擬機(jī)模板，為該模板分配合適的CPU、內(nèi)存、硬盤等資源，并在模板上安裝操作系統(tǒng)和所需軟件，然后通過(guò)該模板，平臺(tái)可以批量生成虛擬機(jī)（即虛擬化桌面）。

④資源按需分配功能。虛擬化桌面管理平臺(tái)是按照管理員創(chuàng)建的虛擬機(jī)模板和生成的虛擬機(jī)數(shù)量分配硬件資源池中CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)等資源的。平臺(tái)資源池中的硬件資源根據(jù)生成虛擬機(jī)的數(shù)量實(shí)時(shí)變化，如果用戶關(guān)閉桌面終端，虛擬機(jī)也會(huì)被關(guān)閉，虛擬機(jī)的硬件資源就會(huì)被平臺(tái)收回，重新作為平臺(tái)資源池的資源分配給新創(chuàng)建的虛擬機(jī)。

⑤多教學(xué)桌面部署功能。管理員可以針對(duì)每個(gè)軟件所需的使用環(huán)境，分別部署系統(tǒng)環(huán)境不同的教學(xué)桌面，滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。

（3）多媒體教室管理功能

為方便教師日常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以為虛擬化桌面安裝多媒體教室軟件，這樣虛擬化桌面又增加了多媒體教室管理功能。

①屏幕廣播功能。教師可以在給學(xué)生講解的同時(shí)，把自己的操作步驟演示給所有學(xué)生，方便學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

②遙控監(jiān)看功能。教師可以在本地查看所有學(xué)生的虛擬化桌面狀態(tài)，了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況，避免學(xué)生上課做與實(shí)驗(yàn)無(wú)關(guān)的操作。

③行為管控功能。教師可以禁止學(xué)生使用U盤、光盤等?？稍O(shè)置網(wǎng)頁(yè)的白名單和應(yīng)用程序白名單等。

④影音廣播功能?？梢粤鲿硰V播MPEG1-4、amv、wmv、MP4等多種格式的視頻文件，若同時(shí)選擇多個(gè)文件，可以自動(dòng)循環(huán)播放。

⑤學(xué)生演示功能。教師可以指定某個(gè)學(xué)生進(jìn)行操作演示，其他學(xué)生通過(guò)各自的虛擬化桌面觀看。

⑥文件傳輸功能。教師可以把學(xué)習(xí)資料等發(fā)送到所有的虛擬化桌面，學(xué)生也可以在本地桌面終端向教師提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

4 虛擬化桌面應(yīng)用場(chǎng)景

（1）教學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景。學(xué)生在上課前可以啟動(dòng)桌面終端，自行選擇教學(xué)桌面進(jìn)入桌面操作系統(tǒng)。教師也可以一鍵選擇所有學(xué)生進(jìn)入指定桌面或者通過(guò)課表計(jì)劃自動(dòng)批量切換到指定桌面。學(xué)生登錄到桌面后就可以進(jìn)行各種操作。桌面的多種啟動(dòng)方式保證了開(kāi)機(jī)的靈活性和高效性。教師在上課的時(shí)候，可以利用多媒體教室軟件進(jìn)行屏幕廣播、播放影音視頻或分享學(xué)習(xí)資料等。

（2）考試應(yīng)用場(chǎng)景?？梢詰?yīng)用于全國(guó)計(jì)算機(jī)等級(jí)考試、計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)考試等。全國(guó)計(jì)算機(jī)等級(jí)考試對(duì)考試服務(wù)器和考試計(jì)算機(jī)的性能要求很高[6]。由于虛擬化桌面的硬件資源能夠按需分配，可以為考試服務(wù)器和每臺(tái)虛擬機(jī)分配較多的硬件資源以達(dá)到考試性能要求。在教師的終端創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的虛擬化桌面作為考試服務(wù)器，并為其分配充足的硬件資源，安裝操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和考試管理軟件。在學(xué)生的終端也創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的虛擬化桌面作為考試機(jī)，為其分配CPU、內(nèi)存、等硬件資源，并安裝操作系統(tǒng)和各類考試軟件。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，將服務(wù)器和考試機(jī)進(jìn)行連接?？荚嚽笆紫却蜷_(kāi)教師的終端進(jìn)入考試服務(wù)器虛擬化桌面，然后啟動(dòng)學(xué)生終端進(jìn)入考試機(jī)虛擬化桌面，就可以進(jìn)行考試了。

5 結(jié)束語(yǔ)

虛擬化桌面實(shí)驗(yàn)室是利用桌面虛擬化技術(shù)構(gòu)建虛擬化服務(wù)器集群和虛擬化桌面終端的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有資源配置靈活、管理方便、資源節(jié)約等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)室管理人員的日常管理工作，還可以借助多媒體教室管理軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的提升。虛擬化桌面實(shí)驗(yàn)室還可以用來(lái)快速靈活搭建各類考試環(huán)境，滿足各類考試需求。虛擬化桌面的廣泛應(yīng)用必會(huì)成為未來(lái)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展趨勢(shì)。

[1]張寶瑛，李書珍，沈俊輝，等.高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的部署與管理[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013.

[2]劉永，吳杰，寧玉富，等.高校虛擬化桌面實(shí)施研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2016.

[3]尹廷鈞，張立.網(wǎng)絡(luò)機(jī)房管理和維護(hù)模式的探索研究[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2019.

[4]藺俊杰.計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)維護(hù)中還原技術(shù)的應(yīng)用[J].信息與電腦（理論版），2019.

[5]姜軍平.高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在云平臺(tái)下教學(xué)改革的研究[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2019.

[6]黃健，阮燦華，舒兆港.探索桌面虛擬化在全國(guó)計(jì)算機(jī)等級(jí)考試中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014.