基于華為桌面云的高校云教室的設(shè)計與應(yīng)用

摘 ?要：桌面云技術(shù)與高校多媒體教室相結(jié)合，可以滿足課程教學(xué)、等級考試等重點(diǎn)需求，并解決傳統(tǒng)機(jī)房能耗高、管理效率低等問題。通過對主流桌面云架構(gòu)及商業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行對比分析，選擇華為桌面云解決方案構(gòu)建云教室具有實際應(yīng)用價值。建立需求分析并在服務(wù)器集群上部署桌面云系統(tǒng)，使用桌面云平臺對云主機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理，教師與學(xué)生通過瘦終端接入即可使用云主機(jī)桌面。該方案為課堂教學(xué)提供了良好的環(huán)境，并有效保證數(shù)據(jù)安全、高效管理和智能運(yùn)維。

關(guān)鍵詞：桌面云;虛擬化;終端接入

中圖分類號：TP39;G434 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）13-0124-04

Design and Application of Cloud Classroom in Colleges and Universities Based on Huawei Desktop Cloud

ZHANG Peihao

（Nanjing Vocational University of Industry Technology， Nanjing ?210023， China）

Abstract： The combination of desktop cloud technology and multimedia classroom in colleges and universities can meet the key needs such as course teaching and grade examination， and solve the problems of high energy consumption and low management efficiency in traditional computer rooms. Through the comparative analysis of mainstream desktop cloud architecture and commercial products， choosing Huawei desktop cloud solution to build cloud classroom has practical application value. Establish demand analysis and deploy desktop cloud system on the server cluster. Use the desktop cloud platform to uniformly manage the cloud hosting. Teachers and students can use the cloud hosting desktop through thin terminal access. The scheme provides a good environment for classroom teaching and effectively ensures data security， efficient management and intelligent operation and maintenance.

Keywords： desktop cloud; virtualization; terminal access

0 ?引 ?言

全球教育行業(yè)的信息化浪潮下，使用傳統(tǒng)計算機(jī)構(gòu)建多媒體教室逐漸凸顯出信息化管理人員缺乏、PC機(jī)資源利用率低、數(shù)據(jù)安全性低、維護(hù)成本高等一系列問題。高校多媒體教室承擔(dān)了各類教學(xué)、考務(wù)、培訓(xùn)等需求，成為高校信息化建設(shè)的重點(diǎn)。隨著辦學(xué)規(guī)模不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)多媒體教室資源受限的問題逐漸暴露[1]。越來越多的高校嘗試使用桌面云技術(shù)對計算資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和維護(hù)，將傳統(tǒng)的PC機(jī)教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)樽烂娼虒W(xué)模式，在提供完整虛擬桌面服務(wù)和豐富教學(xué)軟件功能的同時，降低云教室的管理工作量。新型多媒體云教室具備資源集中化、管理智能化、維護(hù)簡單化等特點(diǎn)，可以為師生提供高效良好的教學(xué)體驗，在節(jié)省投資成本的同時，也契合國家提倡的教育公平、均衡化發(fā)展的戰(zhàn)略方針[2]。

1 ?桌面云概述

1.1 ?桌面云定義

桌面云是一種采用云計算技術(shù)提供虛擬桌面的服務(wù)，將用戶的計算機(jī)運(yùn)行在云端的數(shù)據(jù)中心，用戶通過終端設(shè)備聯(lián)網(wǎng)即可登錄使用，用戶體驗與本地使用PC機(jī)保持一致。桌面云具有集中管理、安全可靠、節(jié)約成本、綠色節(jié)能等優(yōu)勢。用戶可以突破時間、地點(diǎn)、終端、應(yīng)用的限制，隨時隨地接入到云端桌面，有效解決遠(yuǎn)程辦公、網(wǎng)絡(luò)授課等場景遇到的各種難題[3]。尤其在新冠疫情期間，高校采用網(wǎng)課模式授課時，學(xué)生在家上課無法接入學(xué)校內(nèi)網(wǎng)環(huán)境做實驗，借助桌面云可以完美解決該難題。桌面云可以廣泛應(yīng)用于高校業(yè)務(wù)場景并具有實際價值。

1.2 ?桌面云架構(gòu)

目前桌面云的實現(xiàn)主要包括三種架構(gòu)：虛擬桌面架構(gòu)（Virtual DesktopInfrastructure， VDI）、智能桌面虛擬化（IntelligentDesktop Virtualization， IDV）以及虛擬操作系統(tǒng)架構(gòu)（VirtualOperationSystemInfrastructure， VOI）。三種架構(gòu)采用不同的實現(xiàn)方式，并適用于特定的應(yīng)用場景：（1）VDI架構(gòu)：所有桌面以虛擬機(jī)的形式運(yùn)行在服務(wù)器上，桌面以圖像傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到客戶端顯示。該架構(gòu)在桌面云領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，對服務(wù)器資源、網(wǎng)絡(luò)帶寬等要求比較高，適用于具備獨(dú)立數(shù)據(jù)中心的機(jī)構(gòu)組織和大規(guī)模用戶日常使用的場景，例如大型企業(yè)辦公、大學(xué)的教室和電子閱覽室等[4]。（2）IDV架構(gòu)：服務(wù)器端僅存儲桌面鏡像，客戶端從服務(wù)端下載鏡像并在本地虛擬化系統(tǒng)上運(yùn)行桌面。該架構(gòu)要求客戶端具備虛擬化能力且硬件必須統(tǒng)一，在性能和兼容性等方面接近傳統(tǒng)PC機(jī)，適用于中小型企業(yè)研發(fā)的場景，例如專業(yè)繪圖、個人辦公等[5]。（3）VOI架構(gòu)：服務(wù)器端僅存儲系統(tǒng)鏡像、驅(qū)動以及其他配置文件，客戶端先從服務(wù)器端獲取操作系統(tǒng)的啟動數(shù)據(jù)，再逐步獲取完整的操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)。該架構(gòu)最大優(yōu)勢在于取消了虛擬化層，從而集中管理系統(tǒng)鏡像和數(shù)據(jù)，并最大化的使用本地資源，適用于局域網(wǎng)管理的場景，例如無盤工作站、醫(yī)院自助設(shè)備等[6]。

以上三種架構(gòu)各具特點(diǎn)，基于VDI架構(gòu)的桌面云在簡化管理、數(shù)據(jù)安全、降本增效、綠色節(jié)能等維度具備顯著優(yōu)勢。因此，VDI架構(gòu)比其他兩種架構(gòu)更適用于高校業(yè)務(wù)場景。

1.3 ?華為桌面云解決方案

目前基于VDI架構(gòu)的主流桌面云解決方案包括：思杰XenDesktop、VMwareHorizon、華為FusionAccess等。思杰和VMware的桌面云產(chǎn)品基于自研協(xié)議開發(fā)，具備較好的終端用戶數(shù)字化工作空間體驗，但通常將軟件與硬件捆綁銷售，高昂的軟件授權(quán)費(fèi)對于高校來說是很大的開支。華為FusionAccess基于華為自研開發(fā)的虛擬桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議，具有文字與圖像顯示更清晰細(xì)致、視頻播放更清晰流暢、聲音音質(zhì)更真實飽滿、兼容性更好、帶寬低等特點(diǎn)，且授權(quán)費(fèi)低于思杰和VMware[7]。

華為桌面云解決方案通過前后端軟硬件深度融合提供極致體驗，并具有清晰的分層結(jié)構(gòu)：在底層使用通用的服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)等硬件設(shè)備;在虛擬化層部署華為自研的桌面云系統(tǒng)FusionAccess用于發(fā)放和管理桌面;在用戶層通過各種終端設(shè)備接入使用桌面[8]。華為桌面云解決方案邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

高校部署云教室時選擇華為FusionAccess桌面云解決方案的重點(diǎn)優(yōu)勢有：（1）部署方案靈活，支持區(qū)域集中建設(shè)、校園集中建設(shè)、單教室建設(shè)方案，打破地理位置對學(xué)校獲取資源能力的限制，為教職工和學(xué)生提供流暢的體驗。（2）采用業(yè)界領(lǐng)先的高清保真桌面協(xié)議，聯(lián)合華為存儲硬件和極域、紅蜘蛛等教學(xué)軟件廠商，為教師提供豐富多樣的教學(xué)軟件，使教學(xué)活動簡便易行，有利于開展多樣化教學(xué)。（3）數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)桌面資源的集中部署，實現(xiàn)統(tǒng)一運(yùn)維和彈性調(diào)度，并支持系統(tǒng)高可用和故障快速恢復(fù)，提供智能診斷平臺，實現(xiàn)精準(zhǔn)快速定位問題根源，節(jié)約故障查找成本[9]。

綜上，華為桌面云解決方案具有功能豐富、穩(wěn)定性高、占用資源少、成本低、部署簡單等優(yōu)點(diǎn)。選擇該方案構(gòu)建高校云教室，更符合高校信息化建設(shè)的需求。

2 ?云教室需求分析

云教室是一種利用桌面云技術(shù)，為學(xué)校教學(xué)辦公提供IT資源的整體解決方案。該方案服務(wù)端使用數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器集群，客戶端則采用綠色節(jié)能的云終端。教師和學(xué)生通過云終端即可使用集中部署于數(shù)據(jù)中心的桌面云主機(jī)，用戶體驗與PC機(jī)一致。通過這種方式，學(xué)校的辦公室、實驗室的計算資源都可以放在云端進(jìn)行統(tǒng)一部署和管理，實現(xiàn)教學(xué)資源處處通。云教室提供可隨時隨地訪問的個性化教學(xué)環(huán)境，提升運(yùn)維管理效率并降低總體擁有成本，有效保障教育信息化的可持續(xù)發(fā)展。云教室具備集中管控、資源快速發(fā)放與回收、低功耗等優(yōu)勢。以南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院為例，早期一個標(biāo)準(zhǔn)的多媒體教室配備50臺PC機(jī)，這些設(shè)備占用了大量空間并增加了布線復(fù)雜度。每臺PC上通常安裝多個系統(tǒng)，例如課程系統(tǒng)、考務(wù)系統(tǒng)等，每次計算機(jī)等級考試需要監(jiān)考教師手動還原系統(tǒng)，增加運(yùn)維的工作量。為了提升學(xué)校的信息化建設(shè)水平，提高運(yùn)維效率，促進(jìn)課堂教學(xué)，本次云教室建設(shè)項目核心需求如下：（1）桌面軟件快速更新。高校課程對應(yīng)的軟件通常需要定期更新，任課教師對課程軟件的需求也具有個性化的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的逐臺機(jī)器升級的方式在大規(guī)模機(jī)器場景下毫無效率可言。桌面云通常根據(jù)課程模板進(jìn)行桌面的批量發(fā)布，做到更新模板即更新桌面，即管理員更新模板并重新發(fā)布后，該模板對應(yīng)的所有桌面的軟件均完成更新。（2）保證用戶使用體驗。桌面云需要具備流暢的使用性能，并在用戶體驗上與PC基本一致。學(xué)生和教師平時比較習(xí)慣臺式機(jī)或筆記本的基本操作，引入桌面云替代傳統(tǒng)PC后不應(yīng)額外增加使用者的學(xué)習(xí)成本。桌面云的基本操作包括開關(guān)機(jī)、重啟、聯(lián)網(wǎng)、外接設(shè)備等，要求具備良好的外設(shè)兼容性，讓用戶可以使用U盤、打印機(jī)、攝像頭、麥克風(fēng)等外設(shè)。（3）保證可靠性。桌面云運(yùn)行在數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器上，而非運(yùn)行在云教室的客戶端上，客戶端通過網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)器獲取云主機(jī)的桌面圖像并呈現(xiàn)在云教室的用戶側(cè)。因此服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)的可靠性對云教室的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，通常會對服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備做高可用設(shè)置，預(yù)防單點(diǎn)故障造成的影響。（4）終端管理零維護(hù)。PC若保持長期運(yùn)行會出現(xiàn)卡頓或死機(jī)等現(xiàn)象，用戶必須手動重啟才能恢復(fù)正常，終端運(yùn)維工作量巨大。桌面云主機(jī)長期運(yùn)行同樣存在該現(xiàn)象，但可以通過自動化方式解決。對于運(yùn)維管理，可以在桌面云管理平臺設(shè)定桌面電源策略，例如每天凌晨自動重啟、節(jié)假日自動關(guān)機(jī)、工作日自動開機(jī)等。通過設(shè)置自動化策略，可以避免桌面故障，減少用戶開關(guān)機(jī)的操作，提升用戶的使用體驗。

3 ?云教室的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 ?硬件規(guī)劃設(shè)計

南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院于2017年構(gòu)建基于華為FusionAccess桌面云的生產(chǎn)環(huán)境，該環(huán)境應(yīng)用于教學(xué)區(qū)的多個云教室并穩(wěn)定運(yùn)行。本文以建設(shè)一個包含50個用戶的標(biāo)準(zhǔn)云教室為例進(jìn)行介紹，使用3臺服務(wù)器搭建桌面云平臺。桌面云平臺硬件資源使用通用的x86服務(wù)器、交換機(jī)和路由器即可，服務(wù)器組網(wǎng)后在上層安裝虛擬化系統(tǒng)和搭建桌面云平臺。單臺服務(wù)器硬件的關(guān)鍵配置如下：2顆Intel Xeon E5-2620處理器，128 GB內(nèi)存，1塊600 GB SAS盤用作系統(tǒng)盤，4塊1 TB固態(tài)硬盤用作數(shù)據(jù)盤，3塊千兆網(wǎng)卡（分別對應(yīng)管理、業(yè)務(wù)及存儲平面）。云教室硬件組網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計如圖2所示。

在數(shù)據(jù)中心區(qū)域，使用3臺服務(wù)器連接交換機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)，構(gòu)成計算集群。在教室區(qū)域，每個教室的50個云終端連接交換機(jī)完成組網(wǎng)。數(shù)據(jù)中心交換機(jī)與教室交換機(jī)連通，并上聯(lián)到數(shù)據(jù)中心的路由器，該路由器可實現(xiàn)校園網(wǎng)與數(shù)據(jù)中心桌面云環(huán)境的互通，即學(xué)生在宿舍也可以使用桌面云，實現(xiàn)隨時接入。

3.2 ?軟件架構(gòu)設(shè)計

云教室建設(shè)的重點(diǎn)在于服務(wù)端軟件架構(gòu)，一個完整的桌面云架構(gòu)通常包括虛擬化系統(tǒng)、桌面云系統(tǒng)、域控制器以及業(yè)務(wù)桌面。華為桌面云采用分層架構(gòu)，各層協(xié)同工作。底層使用華為自研虛擬化系統(tǒng)FusionCompute，用于將服務(wù)器的硬件資源抽象成虛擬化的資源池提供給上層使用。上層創(chuàng)建2臺虛擬機(jī)分別部署FusionAccess桌面云系統(tǒng)和Windows域控制器。其中FusionAccess桌面云系統(tǒng)由多個組件構(gòu)成，主要包括桌面控制器、數(shù)據(jù)庫、用戶接入界面、負(fù)載均衡器等。Windows域控制器基于WindowsServer部署服務(wù)，用于管理用戶權(quán)限和桌面設(shè)備等。FusionAccess桌面云系統(tǒng)需要與Windows域控制器對接，協(xié)同完成桌面發(fā)放的任務(wù)。最終，業(yè)務(wù)桌面通過終端供用戶使用。云教室軟件架構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

3.3 ?方案實現(xiàn)

3.3.1 ?安裝虛擬化系統(tǒng)

虛擬化系統(tǒng)用于將服務(wù)器的硬件資源抽象成邏輯資源池，為上層用戶提供計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲資源。3臺服務(wù)器均安裝華為FusionCompute 6.3版本的虛擬化系統(tǒng)，將系統(tǒng)安裝到服務(wù)器的第一塊硬盤，并根據(jù)數(shù)據(jù)中心的物理網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為第一塊網(wǎng)卡配置網(wǎng)絡(luò)信息，最后將3臺服務(wù)器添加到同一集群中進(jìn)行統(tǒng)一管理。若需要預(yù)防單點(diǎn)故障并提高集群穩(wěn)定性，可以使用共享存儲或分布式存儲。

3.3.2 ?部署域控制器

域控制器用于存儲用戶環(huán)境中的域賬戶、計算機(jī)設(shè)備等資源信息，并為用戶環(huán)境提供賬號鑒權(quán)、域名解析、動態(tài)分配IP地址等基礎(chǔ)服務(wù)。基于虛擬化系統(tǒng)創(chuàng)建一臺WindowsServer 2019版本的虛擬機(jī)，在該虛擬機(jī)上安裝活動目錄（ActiveDirectory， AD）、域名系統(tǒng)（Domain Name System， DNS）、動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（Dynamic Host Configuration Protocol， DHCP）等服務(wù)。域控制器將教學(xué)區(qū)視為一個獨(dú)立的域，管理員在該域中為教師和學(xué)生創(chuàng)建域賬號，該域中所有桌面用戶和桌面計算機(jī)均由該域控制器統(tǒng)一管理，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。

3.3.3 ?部署桌面云系統(tǒng)

桌面云系統(tǒng)用于發(fā)放用戶桌面并進(jìn)行運(yùn)維管理?；谔摂M化系統(tǒng)創(chuàng)建一臺華為FusionAccess 6.3版本的桌面云管理虛擬機(jī)，該虛擬機(jī)內(nèi)部運(yùn)行數(shù)據(jù)庫、桌面控制器、用戶接入界面等桌面云組件，采用華為桌面協(xié)議將用戶安全連接至虛擬桌面。管理員通過FusionAccess桌面云系統(tǒng)提供的管理平臺完成桌面云的管理、調(diào)配和部署等任務(wù)。若需要提高管理平臺的穩(wěn)定性，可以再發(fā)放一臺桌面云管理虛擬機(jī)，兩者形成主備模式。

以上步驟完成后即完成云教室的搭建工作，管理員根據(jù)授課教師的需求制作對應(yīng)的課程虛擬機(jī)模板，基于模板實現(xiàn)業(yè)務(wù)桌面的批量發(fā)放，桌面管理更高效。教師和學(xué)生使用域賬號登錄云終端即可使用個人桌面。只要網(wǎng)絡(luò)可訪問，用戶就可以在校園的任何區(qū)域通過各種類型的終端去訪問位于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上的個人桌面，讓用戶的訪問方式變得更靈活。

4 ?云教室的應(yīng)用

4.1 ?教學(xué)場景

云教室為教學(xué)場景提供了豐富的功能支持，包括軟件批量更新、桌面一鍵還原、師生桌面共享和個人網(wǎng)盤等。云教室使用卡片大小的云終端代替?zhèn)鹘y(tǒng)的物理PC機(jī)，學(xué)生與教師使用的桌面來源于數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器資源。師生可以通過云桌面進(jìn)行互動，體驗桌面云給課堂引入的科技感和趣味性。

課前，授課教師將課程的軟件需求告知管理員，管理員制作課程模板并基于模板快速發(fā)放桌面虛擬機(jī)，教室內(nèi)的所有桌面立即切換到該課程環(huán)境。課中，教師與學(xué)生使用管理員分配的個人域賬號登錄桌面，教師可以將自己的課程資料共享到學(xué)生桌面，學(xué)生可以將個人數(shù)據(jù)保存到域賬號所屬的網(wǎng)盤，實現(xiàn)個人數(shù)據(jù)的持久化，便于下次課程繼續(xù)使用。課后，系統(tǒng)根據(jù)課表自動將桌面切換至對應(yīng)的課程桌面，便于不同課程的學(xué)生使用。教學(xué)場景界面如圖4所示。

4.2 ?考試場景

云教室可以承擔(dān)各種考試需求，例如全國計算機(jī)等級考試、行業(yè)競賽上機(jī)考試等。在傳統(tǒng)機(jī)房安排考試時，每場考試均需要管理員在機(jī)器的考試模式與教學(xué)模式之間頻繁手動切換，這種方式不靈活且耗費(fèi)大量時間。云教室可以滿足一考試一系統(tǒng)的考試要求，并且避免同一系統(tǒng)中安裝多種考試軟件導(dǎo)致考試沖突的情形。

考前準(zhǔn)備階段，管理員選擇對應(yīng)考試的模板并發(fā)布，云教室的所有終端立即切換到對應(yīng)的考試桌面，實現(xiàn)了一個教室承擔(dān)多門考試的需求?？荚囘M(jìn)行階段，考生使用的云終端本地不保留任何數(shù)據(jù)，并且禁用USB設(shè)備防止考生將試題外泄?？荚囘^程中的數(shù)據(jù)均由數(shù)據(jù)中心的桌面云服務(wù)器統(tǒng)一存儲及備份，有效保證考試的數(shù)據(jù)安全性。考試結(jié)束階段，管理員在桌面云管理平臺一鍵切換系統(tǒng)即可更新云教室的所有終端。

5 ?結(jié) ?論

基于桌面云的云教室具備易于部署、管理維護(hù)簡便、綠色節(jié)能、數(shù)據(jù)高安全性等優(yōu)點(diǎn)，并支持高校的各種應(yīng)用場景，可以為高校課程建設(shè)提供良好的基礎(chǔ)教學(xué)環(huán)境，從而打造新型信息化教育模式。在此基礎(chǔ)上，將繼續(xù)研究桌面云vGPU（Virtual GPU）顯卡虛擬化技術(shù)，進(jìn)一步探索桌面云技術(shù)在工業(yè)制圖及人工智能等領(lǐng)域的應(yīng)用與創(chuàng)新。

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作者簡介：張沛昊（1987—），男，漢族，江蘇無錫人，助教，碩士，研究方向：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、云計算技術(shù)與應(yīng)用。