使用桌面虛擬化技術構建多媒體教室

文 /孫志 趙宏強 王鵬

隨著院校中多媒體教室應用的日益普及，其管理和維護的問題日漸突出。在分析當前多媒體教室管理和使用中存在問題的基礎上，提出了使用桌面虛擬化技術來建設多媒體教室的實現方案。實踐證明，基于桌面虛擬化技術的多媒體教室能夠有效克服管理難題。

隨著現代教育技術的不斷發展，傳統教學手段已經無法較好地滿足日常教學活動的需要。在課堂中引入多媒體技術，由于表現手段豐富、信息量大，近些年在院校的日常教學活動中得到了廣泛應用，并取得了良好的教學效果，各院校中多媒體教室的數量也越來越多。多媒體教室中的設備運行是否正常，直接影響著師生教學活動能否正常進行。然而由于種種原因，在多媒體教室的維護、管理和使用過程中還存在一些不盡如人意的方面。如何提高多媒體教室管理效率和使用效益，保證其運行的穩定性，已成為各院校當前普遍面臨的一個難題。

多媒體教室現存問題

多媒體教室的維護是一項繁雜的工作，管理難度較大，集中體現在以下幾個方面：

1. 硬件不統一，管理維護困難

由于經費投入、建設時間等諸多原因，多媒體教室通常是多批次建設的，不同批次的設備通常品牌、型號和性能差異很大，這對于管理人員來說，顯然增加了維護難度。例如，需要區分記錄和備份不同計算機的驅動程序，以便在計算機發生故障需要重新安裝系統時使用；即使是同一批次的計算機，當硬件損壞時，也可能需要使用不同型號的零部件來替換。硬件配置不統一給維護工作帶來很大的不便，因為維護人員無法使用相同的系統鏡像來快速安裝系統。

2. 軟件安裝與更新工作量大

為滿足不同教師的需要，多媒體教室的計算機中需要安裝多種不同的系統和軟件。部署完成后，為保護系統不受病毒感染或人為破壞，通常需要安裝硬盤還原保護卡。雖然這樣做能在一定程度上保護計算機安全可靠，但也存在被破解移除的可能。更重要的是，在有新的安裝或升級需求時，安裝和移除保護卡也會帶來相當大的維護工作量，通常需要維護人員逐臺為計算機去除保護卡，待程序安裝完成后，再逐臺設置保護卡密碼并加以保護。如果學校內的多媒體教室數量較多，并且此類軟件更新需求較為頻繁時，對于維護人員來說，這是頗為繁瑣費時的一項工作。

3. 維護人員少，教室分布廣

多媒體教室通常分布于多棟不同的教學樓內，并且在教室維護崗位的人員編配普遍較少。在做教室維護工作時，需要在不同的教學樓之間奔波，并且當接到設備故障報告時，有時難以做到及時處理。例如，由于電路、設備故障或使用者自身問題，在每個教學日的第一節課開始時，通常是故障高發期，當同時有多個教室發生問題時，如果人手不夠，就難免會出現顧此失彼的現象，影響教學效果，嚴重時甚至會造成教學事故。

4. 計算機硬件使用周期短，建設投入大

由于軟、硬件更新和升級的周期越來越短，通常多媒體教室內的計算機使用4~5年時間后，便需要進行更新換代。所以多媒體教室雖然建設時投資較大，但使用周期并不長，需要不斷對設備進行升級重建，造成較大的資源、財力和精力的浪費。

桌面虛擬化技術分析

雖然通過增加人力和強化管理可以在一定程度上緩解多媒體教室在維護使用上的突出矛盾，但效果并不十分理想。近幾年逐漸興起的虛擬化技術可以有效解決上述四個問題，作為虛擬化核心技術之一，桌面虛擬化技術（Desktop Virtualization）可以在不影響用戶終端體驗的前提下，方便地實現多媒體教室的集中化管理，減輕維護工作量，并且可以有效降低建設和運維成本。

桌面虛擬化

桌面虛擬化是一種基于服務器的計算模型，同時借用了傳統的瘦客戶端模型，將計算機的用戶桌面進行虛擬化，在服務器端進行托管并統一管理。也就是說，桌面虛擬化技術將數據的運行存儲與桌面呈現進行分離，用戶可以通過瘦客戶端設備或其他任何可以連接網絡的設備（平板電腦、智能手機等），通過專用程序或者瀏覽器，在不同的時間和地點，訪問駐留在服務器端的個人桌面以及各種應用，并且用戶體驗與使用傳統PC幾乎是完全一樣的。由于桌面虛擬化技術本身是一種利用網絡、實現模式對用戶透明的虛擬化資源計算模式，符合云計算的特點，所以通常也稱桌面虛擬化技術為桌面云技術。

桌面虛擬化框架包括存儲層、虛擬化平臺層、桌面和會話管理層、終端接入層，如圖1所示。存儲層主要提供桌面虛擬化平臺的存儲資源池；虛擬化平臺層采用服務器和虛擬化平臺來為提供虛擬機提供資源池，虛擬化平臺主要包括VMvarev Sphere、Citrix XenServer、Microsoft Hyper-V和Sun Virtual Box等；桌面會話管理層負責用戶接入會話管理和桌面分配管理，與虛擬化平臺層相對應的主要產品有VMvare View、Citrix Xen Desktop和Microsoft Windows2008、Sun VDI等；接入層采用瘦客戶端，以客戶端方式或Web方式實現虛擬桌面的接入。

當前在桌面虛擬化應用領域主要有三個廠商的產品：微軟、思杰（Citrix）和VMware。微軟的桌面虛擬化產品出現時間較短，目前市場份額較小，目前桌面虛擬化市場主要被Citrix和VMware占有。

桌面虛擬化與無盤工作站系統的比較

目前也有一些多媒體教室采用了無盤工作站技術，與虛擬桌面技術相對比，兩者雖然在形式上有類似之處，如兩者都需要通過網絡支持，后臺都有服務器的支持，用戶數據和操作系統都存放在服務器端，但是兩者還是有著根本性的差異。主要體現在無盤工作站數據的運算處理是在前端計算機進行的，所以要求前端計算機有強大的運算能力和內存空間；而桌面虛擬化方式由于運算處理任務幾乎全部在服務器端進行，前端設備只是將運算結果呈現出來，所以對前端設備的性能幾乎沒有要求，可以使用瘦客戶機、平板電腦或者智能手機來運行虛擬機。通過兩種方式的比較，桌面虛擬化方式比無盤方式更適合多媒體教室的實現。

1.無盤工作站要求前端硬件型號及配置一致，擴展性較差。并且用戶終端除了沒有硬盤外，幾乎具有與普通計算機幾乎相同的大部分缺點。例如，終端管理比較復雜、成本較高、易損壞等。虛擬桌面時采用的是統一架構與協議，對瘦客戶機及后端服務器品牌及型號均無要求，硬件采購成本較為低廉，易于維護。

2.在可靠性方面，采用無盤工作站方式對客戶端及服務器的資源要求均很高，當無盤工作站數量達到一定數量時，速度會變得緩慢，同時整體系統的穩定性不高，由此帶來的維護成本也較高。

3.在安全性方面，無盤工作站與傳統計算機的唯一不同就是將本地的硬盤移除，但用戶數據仍會駐留在工作站的內存中，非常容易被竊取。而虛擬桌面的運算均駐留在數據中心的服務器上，保證了數據及應用的安全性。無盤服務器一旦服務器停機或網絡中斷將造成前端用戶的工作會話及數據丟失。而虛擬桌面后端的服務器可以實現如高可用性、在線遷移、實時容災等企業級關鍵特性。即使前端瘦客戶機損壞或網絡中斷，用戶的所有操作及數據均駐留在數據中心服務器上。

圖1 桌面虛擬化框架結構

虛擬化技術應用

某校通過虛擬化技術實現了30個多媒體教室的桌面虛擬化建設，基礎網絡主干帶寬為萬兆，千兆交換到教室客戶端。數據存儲層使用2TB的HP P6300存儲磁盤陣列。根據需要，購置2臺物理服務器，配置為2顆四核2.0G Xeon CPU，64G內存，4塊300G硬盤，4張千兆網卡。虛擬化平臺層采用VMwarev Sphere解決方案，vSphere有兩個核心組件：VMware ESXi和VMware vCenter Server，前者是用于創建和運行虛擬機的虛擬化平臺，后者提供連接到ESXi主機的中心管理員服務。在VMware ESXi創建出7個虛擬服務器，分別用于安裝2個域服務器和DHCP服務器、SQL Server2008數據庫、vCenter、Composer、2個View連接服務器。其中域服務器包括主域控制器和備份域控制器，View連接服務器分別用于連接管理服務器外網、連接管理服務器內網，二者互為備用。配置了2個ESXi主機，這樣當有一個不能正常工作時，其上運行的各虛擬機會自動遷移到另一臺主機，正常后會自動恢復。桌面會話管理層相應地采用了VMware View用于實現虛擬化桌面，在接入層則采用了升騰E9110，整套虛擬化方案的物理結構如圖2所示。

虛擬機后臺管理使用VMwarev Sphere Client，輸入vCenter服務器的IP地址和賬號密碼即可登錄，通過這套軟件可以創建、刪除、備份、恢復虛擬機等操作，還可以修改VMware ESXi主機配置、資源池及虛擬機的配置及屬性等，界面如圖3所示。

虛擬桌面的管理，可以登錄View Connection Server，即View連接服務器完成。在IE瀏覽器中輸入“https://View Connection Server的IP地址/admin”即可訪問控制臺，輸入域用戶名和密碼登錄。登錄成功后可以創建或者刪除虛擬桌面池、分配生成的虛擬桌面并對相關的屬性進行設置，如圖4所示。

當教師在多媒體教室打開計算機后，首先啟動本地系統，然后自動通過VMware View Client接入該教室的虛擬桌面，整個過程全部自動運行，使用非常方便。

由于虛擬桌面完全依賴網絡，所以當網絡出現問題時，虛擬桌面將無法使用，為防止發生這類問題時影響教學，在瘦客戶機上配備了80GB的本地硬盤，并安裝了能夠滿足一般教學使用的操作系統和應用軟件（如Office、視頻播放器等）。如果發生斷網故障，可通過屏幕上的連接管理工具選擇斷網注銷，即可啟動本地瘦客戶機自帶的系統來臨時應急使用。

圖2 VMwarev Sphere虛擬化方案的物理結構

圖3 VMwarev Sphere Client

圖4 VMware View Administrator

應用缺點分析

目前該套桌面虛擬化多媒體教室已使用一年多，整體運行穩定，性能良好，數據存儲效率較高，對于各種硬件及接口的虛擬也比較穩定，尤其在播放高清視頻時，畫質、連續性和穩定性都與普通本機播放方式幾乎相同，完全能夠滿足課堂教學需要，并且維護管理非常方便快捷。與傳統多媒體教室相比，其優點主要體現在以下幾個方面。

1. 終端購置成本低，使用壽命長

采用桌面虛擬化技術后，大量計算任務在服務器端進行，終端計算機只顯示運算結果，所以對終端的性能要求較低，可以使用較低價格的瘦客戶機作為多媒體教室的終端計算機，甚至可以使用面臨淘汰的計算機作為運行虛擬機的物理主機；另外，由于終端計算機對性能要求較低，所以其淘汰周期也較長，可以節省大量的建設成本。

2. 集中管理，維護方便

虛擬化桌面技術使得維護人員能夠在服務器端對客戶機系統進行統一部署，安裝和升級軟件較為快捷方便，還可以做到不同的用戶根據自己的需求獲得不同的桌面環境或者個性化需求。用戶也可以使用自己的賬號，運行自己的個性化界面和數據，為用戶帶來較好的一致性體驗。另外集中式的用戶數據存儲也便于維護人員進行數據備份和快速恢復。

3. 便于實施全局安全策略

由于用戶數據從原來的分散式終端節點存放改為集中式數據中心內存儲，從本質上降低了用戶數據所面臨的安全風險。數據訪問集中化能夠緩解數據泄漏和失竊的風險，這對于某些涉密院校顯得尤為重要。此外，為提高多媒體教室計算機的穩定性，通常會在計算機上安裝網絡和病毒防火墻，甚至部署一些組安全策略。無論是防火墻的庫升級，還是組安全策略的下發部署，均可在服務器端進行統一執行，大大提高了維護效率，降低了安全風險。

4. 降低能耗，節約運行成本

一臺瘦客戶機的功率通常小于30W，而普通計算機的功率通常在200W左右，如果多媒體教室的數量較多，從長期運行的角度考慮，能夠大大降低電能損耗，有效節約運行成本。

采用虛擬化技術能夠有效降低多媒體教室維護和管理的復雜性，雖然目前仍然存在一些問題，如服務器端初期投資較大、對網絡依賴性高、虛擬化軟件較為昂貴等，但隨著硬件成本的不斷降低和虛擬化技術的不斷成熟，這些缺點都會逐漸得到解決，將虛擬化桌面技術應用于多媒體教室的建設必將有著廣闊的應用前景。