基于虛擬化技術(shù)的云桌面系統(tǒng)在職業(yè)院校教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：在職業(yè)教育專業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下，越來越多的專業(yè)實(shí)踐課程需要通過虛擬仿真系統(tǒng)或?qū)I(yè)教學(xué)軟件開展實(shí)訓(xùn)教學(xué)，專業(yè)實(shí)踐模擬軟件對學(xué)校計(jì)算機(jī)的性能要求也越來越高，學(xué)校通過傳統(tǒng)臺(tái)式計(jì)算機(jī)搭建虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，存在管理難度大、資源利用率低等問題。因此學(xué)校通過虛擬化技術(shù)搭建云桌面系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，學(xué)生可以在云桌面虛擬化環(huán)境中進(jìn)行3D模擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)，能夠更加真實(shí)地模擬實(shí)際場景，提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力。本文主要圍繞職業(yè)院校在專業(yè)實(shí)踐課程教學(xué)過程中，發(fā)揮云桌面系統(tǒng)低能耗高性能優(yōu)勢，通過虛擬化技術(shù)搭建云桌面系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，不斷提高學(xué)院信息資源的管理效率，為職業(yè)院校數(shù)字化轉(zhuǎn)型和構(gòu)建綠色節(jié)能校園創(chuàng)建條件。

關(guān)鍵詞：虛擬化技術(shù)；云桌面；GPU虛擬化；實(shí)踐教學(xué)

在大數(shù)據(jù)時(shí)代，學(xué)校搭建滿足日常教學(xué)和虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)運(yùn)行的計(jì)算機(jī)環(huán)境，需要建設(shè)大量的計(jì)算機(jī)資源來支撐數(shù)據(jù)處理和分析任務(wù)，而采用虛擬化技術(shù)可以將計(jì)算資源集中管理，構(gòu)建學(xué)校桌面一朵云模式，實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)分配和共享，可進(jìn)一步提高計(jì)算資源的利用率。另外通過GPU虛擬化技術(shù)在云桌面建設(shè)過程中的實(shí)踐與應(yīng)用，可以讓運(yùn)行在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上的虛擬機(jī)實(shí)例共享使用同一塊或多塊GPU處理器進(jìn)行圖形圖像運(yùn)算，充分利用GPU強(qiáng)大的視頻編解碼、圖形渲染、AI計(jì)算等能力，搭建高性能計(jì)算應(yīng)用場景，滿足學(xué)生上機(jī)實(shí)踐課程的實(shí)際使用需求，全面提升學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。因此通過虛擬化技術(shù)搭建云桌面系統(tǒng)的教學(xué)環(huán)境，不僅可以滿足一般的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)需求，同時(shí)可以滿足高性能計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用場景。

一、傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在教學(xué)管理中存在的問題

在學(xué)生的培養(yǎng)過程中，職業(yè)學(xué)校在人才培養(yǎng)方面更加側(cè)重于技能的培養(yǎng)，在學(xué)生實(shí)踐教學(xué)過程中，隨著學(xué)生數(shù)量的增加和教學(xué)需求的的不斷增加，功能單一的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)設(shè)備和計(jì)算機(jī)機(jī)房已無法適應(yīng)現(xiàn)代職業(yè)教育發(fā)展的需求。如何根據(jù)復(fù)雜多樣的教學(xué)需求及時(shí)調(diào)整計(jì)算機(jī)資源配置，實(shí)現(xiàn)對硬件資源的靈活應(yīng)用，提高計(jì)算機(jī)資源在實(shí)踐教學(xué)中的適應(yīng)性，已成為各職業(yè)院校亟待解決的問題。機(jī)房傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在開展實(shí)踐教學(xué)中主要存在以下問題：

（一）操作系統(tǒng)維護(hù)升級(jí)難度大

由于每個(gè)機(jī)房計(jì)算機(jī)數(shù)量較多，傳統(tǒng)機(jī)房的臺(tái)式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)管理通常采用還原卡或還原軟件的方法來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全保護(hù)。但在安裝計(jì)算機(jī)還原卡和還原軟件時(shí)，需要管理員逐臺(tái)進(jìn)行安裝調(diào)試，存在工作量大和效率低等問題。另外在后期重新安裝操作系統(tǒng)或更新應(yīng)用軟件時(shí)，將給機(jī)房管理員帶來繁重的工作壓力。

（二）設(shè)備硬件維護(hù)更新難度大

臺(tái)式計(jì)算機(jī)在使用一段時(shí)間后可能會(huì)出現(xiàn)一些硬件故障，如磁盤老化受損、內(nèi)存、主板損壞等。對于普通的機(jī)房管理員而言，維修工作量及維護(hù)難度都是比較大的，并且由于計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備更新?lián)Q代較快，部分型號(hào)硬件已經(jīng)停產(chǎn)，導(dǎo)致設(shè)備無法進(jìn)行及時(shí)維修，或者進(jìn)行整個(gè)機(jī)器更換，大大增加了機(jī)房的維護(hù)成本。

另外由于計(jì)算機(jī)主板接口在出廠時(shí)已經(jīng)固化，進(jìn)而導(dǎo)致單臺(tái)計(jì)算機(jī)的CPU、內(nèi)存、顯卡等資源配置達(dá)到上限，計(jì)算機(jī)硬件升級(jí)難度較大。后期在使用過程中隨著各類應(yīng)用軟件不斷升級(jí)，對硬件性能的需求也不斷增加，而計(jì)算機(jī)硬件資源升級(jí)難度較大，部分教學(xué)軟件無法進(jìn)行安裝，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)房的使用率不斷降低。

（三）網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)管理難度大

傳統(tǒng)機(jī)房中臺(tái)式計(jì)算機(jī)由于使用單機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)，容易受到計(jì)算機(jī)病毒的感染和攻擊，若不及時(shí)處理可能會(huì)影響整個(gè)機(jī)房甚至校園網(wǎng)絡(luò)的安全，或者影響校園內(nèi)其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全，造成重大損失，因此學(xué)校需要投入大量人力和精力進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)防范。

二、虛擬化技術(shù)在云桌面系統(tǒng)中的拓展與革新

虛擬化技術(shù)，作為一種把物理的硬件資源通過技術(shù)手段虛擬化成多個(gè)虛擬資源的技術(shù)，使得多個(gè)操作系統(tǒng)可以共享同一套物理硬件資源。虛擬化技術(shù)作為信息技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，已經(jīng)在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。而云計(jì)算則是虛擬化技術(shù)的延伸和發(fā)展，將虛擬化技術(shù)應(yīng)用到更大的范圍和更廣泛的領(lǐng)域。虛擬化技術(shù)早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)誕生了，但該技術(shù)在誕生之初并沒有得到廣泛的應(yīng)用和推廣。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于裸金屬架構(gòu)和宿主主機(jī)架構(gòu)的虛擬化技術(shù)出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中，虛擬化技術(shù)在云計(jì)算時(shí)代得到了廣泛的應(yīng)用。從本質(zhì)意義上來分析，虛擬化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要來源于虛擬機(jī)技術(shù)，所謂虛擬機(jī)的主要實(shí)現(xiàn)原理是通過一個(gè)應(yīng)用程序運(yùn)行于Windows或Linux操作系統(tǒng)上的，通過通過軟件模擬計(jì)算機(jī)的各個(gè)硬件組件，在同一個(gè)物理計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)多個(gè)虛擬計(jì)算機(jī)運(yùn)行，其中每個(gè)虛擬機(jī)都有著與實(shí)體計(jì)算機(jī)類似的運(yùn)行環(huán)境。從結(jié)構(gòu)模式上來看，虛擬計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)主要通過軟件技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，無須新增其它硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多個(gè)操作系統(tǒng)的需求。虛擬系統(tǒng)通過技術(shù)生成現(xiàn)有操作系統(tǒng)的全新虛擬鏡像，和真實(shí)的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)完全一樣的功能，進(jìn)入計(jì)算機(jī)虛擬系統(tǒng)后，所有操作都是在這個(gè)全新而獨(dú)立的虛擬系統(tǒng)中進(jìn)行，不會(huì)對真正的系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響，同時(shí)還具有能夠在現(xiàn)有系統(tǒng)與虛擬鏡像系統(tǒng)之間靈活切換，當(dāng)前虛擬化技術(shù)在國內(nèi)教育行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用市場，虛擬化技術(shù)是學(xué)校建設(shè)高質(zhì)量數(shù)字校園和開展專業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)。

三、虛擬化技術(shù)在云桌面系統(tǒng)應(yīng)用中的優(yōu)勢

基于虛擬化技術(shù)的云桌面系統(tǒng)是一種新型計(jì)算模式，它將操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和用戶數(shù)據(jù)等關(guān)鍵資源從本地設(shè)備中分離出來，充分利用中心機(jī)房服務(wù)器資源，使用戶通過網(wǎng)絡(luò)可以隨時(shí)隨地通過任意終端設(shè)備訪問自己的工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，多系統(tǒng)、多場景任意切換?；谔摂M化技術(shù)的云桌面系統(tǒng)采用“集中存儲(chǔ)、分布計(jì)算、盤網(wǎng)融合、數(shù)據(jù)分流”的獨(dú)特架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化管理的同時(shí)，滿足桌面的高性能體驗(yàn)需求，并且提供穩(wěn)定可靠的桌面及應(yīng)用環(huán)境，保留用戶現(xiàn)有使用習(xí)慣，實(shí)現(xiàn)桌面系統(tǒng)的無縫改造，不僅提高了教師的工作效率，同時(shí)有效降低了學(xué)校的信息化建設(shè)成本。通過虛擬化技術(shù)搭建的云桌面系統(tǒng)在實(shí)踐教學(xué)中存在以下方面的優(yōu)勢。

一是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)桌面的集中管理。將計(jì)算機(jī)終端原有的傳統(tǒng)模式桌面系統(tǒng)，統(tǒng)一放到服務(wù)端上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理，所有終端改為使用服務(wù)端上集中管理的虛擬操作系統(tǒng)，只需通過對服務(wù)端上的系統(tǒng)鏡像進(jìn)行維護(hù)管理，即可完成所有終端桌面系統(tǒng)的維護(hù)管理。另外通過虛擬化教學(xué)管理平臺(tái)，將學(xué)校的課程數(shù)據(jù)導(dǎo)入到管理平臺(tái)，云桌面平臺(tái)根據(jù)課表提前自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的模板資源，啟動(dòng)對應(yīng)的教學(xué)場景，在教師和學(xué)生進(jìn)入機(jī)房和實(shí)訓(xùn)場地之前完成教學(xué)場景的準(zhǔn)備工作，進(jìn)一步提升教學(xué)效率。二是虛擬化技術(shù)可以很好的解決日常運(yùn)維問題。批量部署應(yīng)用軟件工作量大是長期以來傳統(tǒng)機(jī)房遇到的痛點(diǎn)。在虛擬化技術(shù)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的云桌面，以統(tǒng)一模板自動(dòng)下發(fā)的方式很好的解決了這一痛點(diǎn)，配合OpenStack可視化管理界面，對系統(tǒng)鏡像、應(yīng)用軟件、應(yīng)用模板和教學(xué)場景進(jìn)行了分層分類的管理，在解決大批量部署和還原的同時(shí)，還降低了運(yùn)維門檻。三是虛擬化技術(shù)可以輕松地解決磁盤受損而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的問題。在虛擬化技術(shù)中其中一項(xiàng)重要技術(shù)就是對存儲(chǔ)介質(zhì)的虛擬化，存儲(chǔ)虛擬化可以將整體的專業(yè)存儲(chǔ)設(shè)備，根據(jù)用戶對資源需求進(jìn)行靈活劃分與調(diào)配。在實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)過程中，每個(gè)學(xué)生都可以一個(gè)完整的桌面操作系統(tǒng)，學(xué)生在各自計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)中的所有軟件均具有獨(dú)立性。在計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)課程中學(xué)生可以根據(jù)實(shí)踐課程操作要求，在運(yùn)行的虛擬機(jī)上進(jìn)行系統(tǒng)安裝、硬盤格式化、硬盤分區(qū)、數(shù)據(jù)備份等實(shí)訓(xùn)任務(wù)，所有的操作對計(jì)算機(jī)原有系統(tǒng)的硬件不會(huì)造成損害。四是虛擬化技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)方面具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，各類計(jì)算機(jī)病毒對網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)信息信息安全構(gòu)成了一定的威脅，無論是在傳播方式，還是破壞能力上均具有多復(fù)雜化、多元化、網(wǎng)絡(luò)化和的特點(diǎn)?；谔摂M化技術(shù)的云桌面系統(tǒng)能夠監(jiān)測每一臺(tái)虛擬機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)問題后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，管理員可以根據(jù)實(shí)際情況對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行還原處理，減少病毒的大面積傳播，為學(xué)生上機(jī)教學(xué)提供安全可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

四、基于虛擬化技術(shù)的云桌面系統(tǒng)在教學(xué)與節(jié)能中的優(yōu)勢

通過虛擬化技術(shù)建設(shè)云桌面系統(tǒng)計(jì)算機(jī)機(jī)房，不僅可以滿足教學(xué)過程中對計(jì)算資源的多場景、多用途需求，同時(shí)可以發(fā)揮計(jì)算機(jī)資源集中管理的優(yōu)勢，進(jìn)一步提升云桌面機(jī)房管理運(yùn)維的效率。虛擬化技術(shù)在云桌面機(jī)房的應(yīng)用中主要體現(xiàn)出低成本、高使用率、良好的網(wǎng)絡(luò)拓展等優(yōu)勢。一是采用虛擬化技術(shù)建設(shè)的云桌面機(jī)房的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建相比傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)比較簡單，維護(hù)難度和成本較低。二是通過云桌面機(jī)房計(jì)算機(jī)開展實(shí)踐教學(xué)的過程中，通過虛擬化平臺(tái)可以同時(shí)虛擬出多個(gè)版本和性能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模版，教師可以根據(jù)實(shí)際需求在不同虛擬系統(tǒng)模版之間進(jìn)行自由切換，滿足不同實(shí)踐教學(xué)對計(jì)算機(jī)軟硬件資源的要求。三是在校園桌面一朵云的基礎(chǔ)上，多個(gè)實(shí)訓(xùn)機(jī)房之間資源實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，云桌面系統(tǒng)管理員在短時(shí)間能夠完成資源的合理調(diào)配和應(yīng)用軟件的安裝與更新，減少機(jī)房運(yùn)維的人工成本。四是在網(wǎng)絡(luò)安全方面，管理員可以通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程開展巡檢與維護(hù)，虛擬化技術(shù)具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)防護(hù)能力和靈活的安全策略管理機(jī)制，可以有效防止病毒傳播和非法訪問等安全威脅。五是學(xué)?；谔摂M化技術(shù)的云桌面系統(tǒng)中，采用集中部署瘦終端調(diào)用資源的模式，其中瘦終端功耗低，與傳統(tǒng)單主機(jī)計(jì)算機(jī)相比，這種基于虛擬化技術(shù)的云桌面系統(tǒng)能夠每年節(jié)約能耗約60%左右，并且隨著計(jì)算終端部署規(guī)模的不斷增加，每年節(jié)約的能耗數(shù)量不斷增加。因此學(xué)校選擇基于虛擬化技術(shù)建設(shè)的云桌面計(jì)算機(jī)機(jī)房和虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室，每年在能耗方面帶來的收益都是非?？捎^的。

五、基于GPU虛擬化技術(shù)的云桌面系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用

普通的云桌面系統(tǒng)方案由于缺少vGPU能力，在教學(xué)應(yīng)用過程中無法滿足對高性能圖形處理的需求，在發(fā)展中遇到了較大的阻力。為了解決這一問題，學(xué)校一般采用胖客戶端方案進(jìn)行云桌面系統(tǒng)的搭建，也就是通過云桌面終端本地的顯卡來提供圖形處理服務(wù)，而在實(shí)際使用中胖客戶端存在著部署效率低、硬件故障率高、建設(shè)成本高等問題。因此在圖形圖像處理專業(yè)教學(xué)軟件和虛擬仿真運(yùn)行等教學(xué)方面，學(xué)校迫切需要支持vGPU的云桌面解決方案來應(yīng)對實(shí)踐課程中的實(shí)際需求。GPU虛擬化通俗來講就是顯卡虛擬化，顯卡虛擬化就是將顯卡進(jìn)行切片，并將這些顯卡時(shí)間片分配給虛擬機(jī)使用的過程。由于支持顯卡虛擬化的顯卡一般可以根據(jù)需要切分成不同的規(guī)格的時(shí)間片，可以分配給多臺(tái)云桌面系統(tǒng)虛擬機(jī)使用?；贕PU虛擬化技術(shù)云桌面系統(tǒng)以出色的圖形處理能力和高性能計(jì)算能力提供極致的計(jì)算性能，合理解放計(jì)算壓力，有效解決云桌面終端圖形處理能力不足的問題。

近年來GPU虛擬化在實(shí)際需求應(yīng)用中也逐漸發(fā)展成熟，特別是在學(xué)校教學(xué)中的圖形圖像處理、3D虛擬仿真軟件等應(yīng)用場景中發(fā)揮了很大的應(yīng)用優(yōu)勢。因此，在虛擬化技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)踐中，為了滿足不同教學(xué)對高性能圖形處理能力的應(yīng)用需求，學(xué)校在建設(shè)高性能虛擬化云桌面系統(tǒng)時(shí)可以考慮通過GPU虛擬化技術(shù)，用于滿足各教學(xué)過程中一些對圖形處理性能要求較高的實(shí)踐課程需要。另外通過云桌面管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多場景下對顯卡虛擬化資源的動(dòng)態(tài)調(diào)整，可以根據(jù)教師的需求動(dòng)態(tài)調(diào)整虛擬GPU的計(jì)算和顯存資源，實(shí)現(xiàn)資源的彈性擴(kuò)展，有效減少學(xué)校在云桌面系統(tǒng)建設(shè)過程中的成本。

六、結(jié)束語

綜上所述，在大數(shù)據(jù)背景下采用虛擬化技術(shù)，可以快速實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源集中管理，滿足學(xué)校大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用中數(shù)據(jù)處理和分析任務(wù)的需求。另外隨著職業(yè)院校傳統(tǒng)專業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中對數(shù)字資源和虛擬仿真資源的利用和需求不斷增加，學(xué)校在計(jì)算機(jī)機(jī)房建設(shè)或虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)過程中，選擇基于虛擬化技術(shù)的云桌面系統(tǒng)的建設(shè)方案，可以有效解決學(xué)校在日常計(jì)算機(jī)管理與教學(xué)過程中的資源浪費(fèi)和管理不便的問題，全面助力學(xué)校傳統(tǒng)專業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)，為學(xué)校信息化資源利用和節(jié)能減排工作開辟新的路徑。

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