面向?qū)嶒灲虒W(xué)和學(xué)生創(chuàng)新活動的復(fù)合云桌面設(shè)計與構(gòu)建

胡繼華，陳薇薇，伍麗華

（1.中山大學(xué) 公共實驗教學(xué)中心，廣東 廣州 510006；2.中山大學(xué) 數(shù)據(jù)科學(xué)與計算機(jī)學(xué)院，廣東 廣州 510006）

信息技術(shù)日新月異，大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實等新技術(shù)熱點不斷出現(xiàn)和發(fā)展，對計算機(jī)實驗教學(xué)提出了更高的要求，如何快速搭建合適的實驗環(huán)境以滿足教學(xué)的需要，是計算機(jī)實驗室面臨的新挑戰(zhàn)[1-2]。同時，大學(xué)生的學(xué)習(xí)方式正在轉(zhuǎn)向主動探究性學(xué)習(xí)，訓(xùn)練動手能力與實踐能力為主，要求計算機(jī)實驗室不僅能提供合適的課堂實驗環(huán)境，課外亦能夠訪問類似的實驗環(huán)境，實現(xiàn)課內(nèi)課外無縫切換。特別是進(jìn)行創(chuàng)新活動的學(xué)生，需要工廠式的創(chuàng)新實驗場景幫助他們快速提高技術(shù)水平和創(chuàng)新能力[3]。

云桌面是云計算技術(shù)的一種，可以集中管理，靈活訪問，是計算機(jī)實驗室管理和維護(hù)的全新技術(shù)架構(gòu)和管理方式[4-5]。利用云桌面可以有效分離物理終端和邏輯桌面，集中管理與部署實驗教學(xué)和學(xué)生創(chuàng)新活動所需的實驗環(huán)境，實現(xiàn)統(tǒng)一管控與便捷訪問。部分高校已經(jīng)建設(shè)了多種云桌面，但是它們一般沒有虛擬顯卡支持，僅能用于普通計算機(jī)實驗教學(xué)工作，不能用于新技術(shù)實驗教學(xué)，也不能服務(wù)學(xué)生創(chuàng)新活動，且互相孤立，造成了一定的浪費。因此，云桌面需要提升和整合，才能更好地服務(wù)于計算機(jī)實驗教學(xué)和學(xué)生創(chuàng)新活動。

本文分析了虛擬操作系統(tǒng)VOI（virtual operatingsystem infrastructure）和虛擬桌面VDI（virtual desktop infrastructure）等主流云桌面技術(shù)，結(jié)合實驗教學(xué)和學(xué)生創(chuàng)新活動的需求，以及不同終端的特點，提出了一種復(fù)合云桌面的設(shè)計方案，包括VOI、VDI、vGPU(virtual GPU) VDI 和云桌面申請發(fā)布網(wǎng)站。VOI 和VDI是基礎(chǔ)，主要用于普通的軟件操作和編程教學(xué)；vGPU VDI 用于需要獨立顯卡的實驗環(huán)境，主要支持高級圖形圖像教學(xué)和虛擬仿真教學(xué)，以及學(xué)生創(chuàng)新活動。通過VDI+VOI+vGPU VDI 的集成，云桌面能滿足所有的計算機(jī)實驗教學(xué)需求，而云桌面申請發(fā)布網(wǎng)站將現(xiàn)有的云桌面平臺都管理起來，面向?qū)W生創(chuàng)新活動和課外學(xué)習(xí)，及時響應(yīng)師生的云桌面申請，提供相應(yīng)的服務(wù)，包括大數(shù)據(jù)、人工智能，甚至虛擬現(xiàn)實的實驗環(huán)境服務(wù)。

1 主流云桌面技術(shù)

云桌面技術(shù)在高校計算機(jī)實驗教學(xué)領(lǐng)域得到快速發(fā)展，每個學(xué)校都有多種云桌面。最早的是云桌面的前身——增霸卡克隆方式，這種方式充分利用本地機(jī)計算資源，但是耗時長，工作量大，維護(hù)業(yè)務(wù)繁瑣，僅適用于機(jī)房教學(xué)。其次是虛擬操作系統(tǒng)VOI，其與增霸卡方式類似，可以充分利用客戶端的計算資源，對服務(wù)器要求不高，但是要求服務(wù)器在同一網(wǎng)段內(nèi)，也僅適用于機(jī)房教學(xué)[6]。第三是虛擬桌面VDI 方式，所有的計算和存儲都在服務(wù)器端進(jìn)行，客戶端僅僅是顯示和交互[7]，其對服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求高，對客戶端要求較低，普通電腦、瘦客戶端和平板電腦都可以。這種方式是主流云桌面，能夠提供普通軟件操作和編程實驗環(huán)境，可以進(jìn)行個性化定制，但是沒有獨立的顯存，不能提供高端圖像和仿真實驗教學(xué)環(huán)境。第四是虛擬顯卡vGPU VDI，相當(dāng)于為每臺虛擬機(jī)安裝了獨立顯卡，虛擬機(jī)達(dá)到甚至超過臺式電腦的性能，能夠提供高端圖像和仿真實驗教學(xué)環(huán)境[8]，但是這種方式需要另外購置GPU 顯卡，并需要額外的顯卡虛擬化授權(quán)，成本更高。因此，vGPU VDI+VDI 能夠滿足當(dāng)前的實驗課程需求，又有虛擬計算服務(wù)器和GPU 服務(wù)器的功能，支持大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實的實驗環(huán)境要求。

以上云桌面基本覆蓋了全部的實驗教學(xué)場景，但是不能及時響應(yīng)學(xué)生創(chuàng)新場景實驗構(gòu)建的需求，因為這些云桌面的管理都由教師完成，學(xué)生沒有入口；此外，高校里面一般都有多個云桌面系統(tǒng)，但是它們都是獨立的孤島，不能互相支持，造成很多資源浪費，有必要把閑置資源發(fā)布出來供學(xué)生學(xué)習(xí)使用或開展創(chuàng)新活動。

2 復(fù)合云桌面設(shè)計

復(fù)合云桌面是將VOI、VDI、vGPU VDI 等幾種云桌面通過云桌面申請發(fā)布網(wǎng)站組織起來形成一個有機(jī)整體，提高實驗教學(xué)環(huán)境的可靠性，既能滿足計算機(jī)實驗教學(xué)的需要，又能及時支持學(xué)生創(chuàng)新活動等需求，特別是滿足大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實等方面的實驗環(huán)境要求。

2.1 業(yè)務(wù)需求分析

計算機(jī)實驗室電腦種類多，如各種臺式電腦、瘦終端等，新舊各異，性能差別大。性能較好的臺式電腦，本身可以滿足實驗教學(xué)需求，對云桌面要求較低；瘦終端和性能差的電腦，則對云桌面要求較高。為了提高計算機(jī)實驗室的管理水平，同時滿足實驗教學(xué)需求和個性化實驗環(huán)境定制要求，云桌面應(yīng)適應(yīng)不同的實驗場景，提供不同的使用方式。

（1）普通軟件操作和編程實驗教學(xué)。這是主要的實驗教學(xué)場景，性能好的臺式電腦能夠滿足要求，瘦客戶端和性能較差的電腦，則需要云桌面支持，按照教學(xué)需要部署對應(yīng)的場景。

（2）圖形圖像和仿真模擬實驗教學(xué)。該場景是重要的教學(xué)場景，特別是近年來3D 建模和仿真模擬相關(guān)課程越來越多。該場景可由性能好的臺式電腦支持，或由虛擬顯存的云桌面支持，創(chuàng)建有虛擬顯存的教學(xué)場景，滿足教學(xué)需要。

（3）學(xué)生創(chuàng)新活動。學(xué)生創(chuàng)新活動多種多樣，可能是大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實或其他任意方面。對于大數(shù)據(jù)，需要創(chuàng)建多個虛擬機(jī)協(xié)同工作，而虛擬現(xiàn)實和人工智能對顯存的要求比較高。這些需求本地終端難以直接支持，需要開發(fā)部署云桌面申請和發(fā)布服務(wù)，整合已有的云桌面平臺，及時提供相應(yīng)的實驗環(huán)境。

（4）考試和實訓(xùn)?？荚囈蠼y(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的軟件環(huán)境，發(fā)布不同的考試場景，需要云桌面支持。實訓(xùn)則對軟件環(huán)境和顯存要求更高，類似學(xué)生創(chuàng)新活動的需求。

（5）異構(gòu)云桌面集成。不同時期建設(shè)的云桌面，其技術(shù)架構(gòu)、服務(wù)方式、許可數(shù)量各不相同，且互相孤立，造成資源浪費。把它們集成起來，統(tǒng)一調(diào)度云桌面許可，同時為更多的實驗課程提供桌面，或提供課程桌面?zhèn)浞荨?/p>

2.2 實施方法

根據(jù)前述業(yè)務(wù)需求和技術(shù)特點，確定了 VOI+VDI+vGPU VDI+云桌面申請發(fā)布網(wǎng)站的復(fù)合云桌面方案。該方案覆蓋了本科實驗教學(xué)的所有場景，可以進(jìn)行統(tǒng)一管理和及時個性化服務(wù)，同時將學(xué)校內(nèi)各種云桌面的空閑資源發(fā)布出來供學(xué)生創(chuàng)新和學(xué)習(xí)使用，實現(xiàn)云桌面資源共享。

（1）對于性能較好的臺式電腦，以VOI 部署模式為主，通過專用模板方式進(jìn)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的管理，包括VDI 客戶端的部署。這種方式承擔(dān)大部分實驗教學(xué)工作，主要用于滿足教學(xué)需求。

（2）對于瘦客戶端或性能較差的電腦，以VDI部署方式為主，利用服務(wù)器的計算資源和存儲資源，滿足普通軟件操作和編程實驗教學(xué)工作的需要。這些電腦的操作系統(tǒng)管理仍采用VOI 方式，因為不同種類的電腦硬件配置各不相同，只能部署各自的專用模板。除了滿足日常教學(xué)工作外，VDI 也可以為師生提供個人桌面甚至高性能的虛擬服務(wù)器服務(wù)，用于教師備課、學(xué)生創(chuàng)新活動和自主學(xué)習(xí)，特別是大數(shù)據(jù)和云計算方面的創(chuàng)新活動[9-10]。

（3）vGPU VDI 主要部署在瘦客戶端，用于滿足3D 建模、人工智能和虛擬現(xiàn)實等課程的實驗教學(xué)，也為學(xué)生提供高級個人桌面或虛擬GPU 服務(wù)器，滿足人工智能或虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域的學(xué)生創(chuàng)新活動需求[11-12]。

（4）云桌面申請發(fā)布服務(wù)。云桌面申請發(fā)布網(wǎng)站集成異構(gòu)云桌面平臺，調(diào)用桌面創(chuàng)建、模板管理等云桌面服務(wù)端的核心功能，以網(wǎng)站或手機(jī)APP 的方式為學(xué)生和老師提供服務(wù)。服務(wù)包括云桌面平臺管理、模板管理、服務(wù)發(fā)布、服務(wù)申請與審批等功能，及時響應(yīng)學(xué)生申請，提供個人桌面、虛擬服務(wù)器、虛擬GPU服務(wù)等，提供全面的創(chuàng)新實驗環(huán)境。

2.3 復(fù)合云桌面系統(tǒng)架構(gòu)

復(fù)合云桌面系統(tǒng)采用可動態(tài)擴(kuò)展的集群式架構(gòu)，如圖1 所示。在后臺配置VDI 服務(wù)器和GPU 服務(wù)器集群，以及云桌面申請發(fā)布網(wǎng)站。VDI 服務(wù)器設(shè)一個控制節(jié)點，系統(tǒng)鏡像保存在控制節(jié)點；其他服務(wù)器都是計算節(jié)點，均衡地存貯課程桌面虛擬機(jī)。VOI 服務(wù)器采用普通的臺式電腦，每個實驗室配置一臺，管理各個系統(tǒng)各個版本的鏡像。云桌面申請發(fā)布網(wǎng)站部署在獨立服務(wù)器，實現(xiàn)云桌面申請和發(fā)布功能，對VDI和VOI 的系統(tǒng)鏡像進(jìn)行備份存儲，實現(xiàn)系統(tǒng)鏡像的異地備份，提高安全性。實驗室內(nèi)，每個終端都安裝配置VOI 客戶端和VDI 客戶端軟件；個人筆記本電腦等終端則按需部署VDI 客戶端或vGPU VDI 客戶端。

圖1 復(fù)合云桌面系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

網(wǎng)絡(luò)方面，服務(wù)器端是萬兆交換機(jī)，客戶端的匯聚交換機(jī)也是萬兆交換機(jī)，其通過千兆接入交換機(jī)連接到實驗室終端。服務(wù)器交換機(jī)和客戶端匯聚交換機(jī)通過光纖連接起來，組成一個大局域網(wǎng)。這樣終端可以快速地加載課程桌面，保證考試或上課等大數(shù)據(jù)量、高并發(fā)場景時云桌面能夠提供穩(wěn)定的實驗環(huán)境。對于個性化教學(xué)和學(xué)生創(chuàng)新活動，數(shù)據(jù)量和并發(fā)量都比較少，云桌面網(wǎng)絡(luò)完全能夠滿足需求，只要在校園網(wǎng)內(nèi)，就可以接入云桌面。

3 云桌面實現(xiàn)

公共實驗教學(xué)中心采用VDI 服務(wù)器+vGPU VDI服務(wù)器+VOI 服務(wù)器+云桌面軟件+云終端+普通電腦+云桌面申請發(fā)布網(wǎng)站的方式，將13 間計算機(jī)實驗室和3 間電子電工實驗室改造成云桌面環(huán)境。其中云終端實驗室5 間，采用VOI+VDI 客戶端部署模式，即本機(jī)系統(tǒng)采用VOI 進(jìn)行管理，每個系統(tǒng)上都部署VDI客戶端軟件；普通計算機(jī)實驗室9 間，其中4 間采用VOI+VDI 客戶端部署模式，另外5 間本機(jī)系統(tǒng)仍采用增霸卡進(jìn)行管理，然后在系統(tǒng)上部署VDI 客戶端軟件。vGPU VDI 客戶端主要部署在云終端上，提供高端圖形教學(xué)和仿真模擬實驗環(huán)境。同時設(shè)計開發(fā)云桌面申請發(fā)布網(wǎng)站，將其他已有的云桌面平臺也納入管理，為學(xué)生提供云桌面申請、定制和發(fā)布服務(wù)。

3.1 服務(wù)器端部署

服務(wù)器端部署包括VDI、vGPU VDI 和VOI 服務(wù)端的部署。對于VDI，首先，在服務(wù)器上安裝操作系統(tǒng)和VDI 服務(wù)器端軟件，建立VDI 服務(wù)器端集群管理環(huán)境，然后設(shè)置虛擬桌面的硬件配置，加載ISO 格式的操作系統(tǒng)安裝包以及常用應(yīng)用軟件，完成基礎(chǔ)模板的創(chuàng)建。其次，按照課程的要求，在基礎(chǔ)模板上安裝不同課程的專用軟件，建立課程模板。第三，根據(jù)課程的課室和上課時段，使用課程模板批量建立課程桌面，學(xué)生上課時可以直接進(jìn)入桌面；同時根據(jù)教師和學(xué)生的要求，建立相應(yīng)的個人桌面，師生可以使用賬號密碼登錄。

vGPU VDI 部署類似，但是需要取得GPU 的虛擬顯卡授權(quán)許可，才能在對應(yīng)的虛擬桌面上安裝虛擬顯卡驅(qū)動，使用虛擬顯存。

VOI 服務(wù)器端部署的過程首先亦是軟件安裝，軟件安裝完成后，按照IP 地址對課室進(jìn)行設(shè)置，然后為每個課室每種操作系統(tǒng)建立系統(tǒng)模板，并按照課程要求安裝專用軟件。當(dāng)課室的終端連接上服務(wù)器后，服務(wù)器自動按照設(shè)置向終端下發(fā)課程桌面。當(dāng)某個終端課程桌面更新并上傳后，服務(wù)器會將該桌面保存為模板，終端可以當(dāng)前的版本為課程桌面，也可以歷史上任意時間的模板為課程桌面，這樣如果終端當(dāng)前版本崩潰了，就可以用歷史版本快速恢復(fù)。

3.2 客戶端接入

客戶端接入包括課室終端接入、學(xué)生和教師的電腦接入。課室終端分為3 種，增霸卡管理的電腦、普通電腦和瘦終端。對于增霸卡管理的電腦，在其上部署VDI 客戶端即可；對于普通電腦和瘦終端，則部署VOI 客戶端和VDI 客戶端，以及vGPU VDI 客戶端，并與對應(yīng)的服務(wù)器端聯(lián)通起來，以方便更新終端系統(tǒng)，或鏈接課程桌面。

學(xué)生和教師需要在自己電腦上安裝VDI 客戶端或vGPU VDI 客戶端，以賬號密碼的方式接入個人桌面。如果需要，每個教師或?qū)W生可以接入多個個人桌面。

3.3 新技術(shù)實驗教學(xué)環(huán)境設(shè)置

大數(shù)據(jù)和人工智能計算框架一般都有控制節(jié)點、計算節(jié)點和存儲節(jié)點，需要多服務(wù)器協(xié)同工作，因此需要虛擬多個服務(wù)器。對于大數(shù)據(jù)實驗課程，先按照大數(shù)據(jù)計算框架（如HADOOP）制作各種節(jié)點的模板，然后使用VDI 個人桌面功能虛擬多個服務(wù)器，分別擔(dān)任控制、計算和存儲節(jié)點，再配置一下就可以完成環(huán)境搭建。對于人工智能實驗課程，與大數(shù)據(jù)環(huán)境搭建類似，區(qū)別是以GPU 服務(wù)器為主，即使用vGPU VDI虛擬多個GPU 服務(wù)器擔(dān)任計算節(jié)點，其他節(jié)點仍然可以采用VDI 虛擬的服務(wù)器。虛擬現(xiàn)實實驗課程主要對顯卡有要求，為虛擬機(jī)配置足夠的顯存即可。

3.4 網(wǎng)站開發(fā)和部署

網(wǎng)站可以及時響應(yīng)學(xué)生的云桌面請求，將空閑的云桌面發(fā)布出來供學(xué)生使用，不僅將本次建設(shè)的云桌面管理起來，也可以將以前建設(shè)的云桌面管理起來。網(wǎng)站包括平臺管理、課程管理、資源掃描、服務(wù)發(fā)布、服務(wù)查詢、服務(wù)定制、統(tǒng)計、資源下載、用戶管理和系統(tǒng)設(shè)置等功能。對于用戶特別關(guān)注的功能，如服務(wù)信息、申請信息、服務(wù)指南和幫助，以及用戶的疑問及回復(fù)，分別以服務(wù)速遞、申請狀態(tài)、服務(wù)指南和學(xué)友互動的欄目發(fā)布出來，使管理者和用戶都可以及時了解相關(guān)信息。云桌面系統(tǒng)還可以和本科教務(wù)聯(lián)系起來，直接登錄本科教務(wù)系統(tǒng)，獲取學(xué)生信息和課程開設(shè)情況，為及時有效的服務(wù)提供基礎(chǔ)。

使用云桌面時，網(wǎng)站要和云桌面對接，讀取云桌面服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫，讀取該云桌面的硬件資源、課程設(shè)置、系統(tǒng)鏡像等信息，調(diào)用桌面設(shè)置服務(wù)，設(shè)置課程桌面或個人桌面，這樣才能及時響應(yīng)學(xué)生的請求。如果有其他云桌面平臺加入，則重復(fù)上述過程，將其加入網(wǎng)站。

4 復(fù)合云桌面建設(shè)的意義

（1）全面覆蓋實驗課程需求。復(fù)合云桌面既能滿足普通軟件操作和編程課程的實驗環(huán)境需求，又能滿足高端圖形圖像教學(xué)和仿真模擬課程的實驗環(huán)境需求，特別是能夠支持大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實等新技術(shù)的實驗環(huán)境需求。

（2）及時支持學(xué)生創(chuàng)新活動。復(fù)合云桌面基本能夠覆蓋學(xué)生創(chuàng)新活動的實驗環(huán)境需求，又能夠在校園內(nèi)通過申請發(fā)布網(wǎng)站隨時隨地訪問云桌面，幫助學(xué)生創(chuàng)建沉浸式不間斷的創(chuàng)新實驗環(huán)境，大幅度提高學(xué)生創(chuàng)新活動的效率。

（3）充分利用云桌面資源。云桌面申請發(fā)布網(wǎng)站將學(xué)校歷史上建設(shè)的云桌面統(tǒng)一管理起來，使這些云桌面互為備份和支撐，特別是那些并發(fā)許可少的云桌面也能夠有效參與實驗教學(xué)和學(xué)生創(chuàng)新活動，提高了云桌面資源利用效率和實驗教學(xué)環(huán)境的可靠性。

5 結(jié)語

本文提出和實現(xiàn)一種復(fù)合云桌面的設(shè)計方案，包括VOI、VDI、vGPU VDI 和云桌面申請發(fā)布網(wǎng)站。該方案按照不同的實驗課程要求和終端的特點，部署相應(yīng)的云桌面服務(wù)，并通過網(wǎng)站將各個云桌面平臺有機(jī)地集成起來。復(fù)合云桌面滿足了所有的計算機(jī)實驗教學(xué)需求，包括新技術(shù)熱點的實驗教學(xué)需求；能及時響應(yīng)學(xué)生創(chuàng)新的云桌面申請，幫助學(xué)生創(chuàng)建沉浸式不間斷的創(chuàng)新實驗環(huán)境，提高了學(xué)生創(chuàng)新活動的效率，提高了云桌面資源的使用效率和實驗教學(xué)環(huán)境的可靠性，為高校計算機(jī)實驗室的建設(shè)和管理提供了新思路。