計算機桌面虛擬化技術在教學及管理中的實現路徑研究

韓 芳，袁宇賓

(重慶理工大學計算機科學與工程學院，重慶 400054)

計算機桌面虛擬化技術在教學及管理中的實現路徑研究

韓 芳，袁宇賓

(重慶理工大學計算機科學與工程學院，重慶 400054)

大數據時代，高校計算機教學及管理平臺的規模越來越大，信息的扁平化程度越來越高，原有的教學管理模式弊端日益凸顯。在介紹計算機虛擬桌面技術的基礎上，結合高校計算機教學及管理的實踐，重點研究計算機虛擬桌面技術在計算機教學和管理平臺的應用原理和實現路徑。實踐研究結果表明:計算機虛擬桌面技術在計算機教學及管理中的實現路徑運行有效，對提升教學管理水平有現實意義。

云計算;計算機管理平臺;桌面虛擬化

大數據時代，高校計算機教學及管理平臺的規模越來越大，信息的扁平化程度越來越高，原有的計算機教學及管理模式弊端日益凸顯［1］。計算機教學及管理人員重復著枯燥、低技術含量的維護工作，導致計算機教學及管理需要的人力資源投入多，整體工作效率低下。其具體表現為:

1)機房日常維護工作量增大。計算機實驗室是面向全校師生、涉及多個專業或多門課程的實驗基地;每門課程經常要花費大量的時間安裝和更新計算機操作系統、各類應用軟件;而采用傳統的保護卡網絡同傳功能相當費時，造成機房使用率下降;同時，由于還原卡的不穩定或網絡丟包問題，有些機器需要2次、3次同傳，維護人員做的重復性工作較多。

2)很多軟件安裝后需要單獨注冊，否則無法正常使用。現在越來越多的計算機專業軟件(UGS NX4.0、AUTOCAD2006、Photoshop CS4.0等)加密，經過網絡同傳后，注冊失效，需要逐臺重新注冊。一個大機房如果有90臺學生機，每臺學生機需同時對幾個軟件單獨注冊，則給管理員帶來的工作量可想而知。

3)實驗室機器的品牌、配置各異，給管理帶來了極大困難。由于實驗室不同品牌、型號計算機的操作系統要單獨安裝，因此制作“母機”(用于網絡同傳安裝其他計算機的樣板計算機)的工作量較繁重，且每臺計算機又需要安裝多個操作系統(解決軟件版本沖突)，極容易出錯。

4)長期網絡同傳會導致交換機和硬盤壽命降低。雖然沒有官方說明，但從長期實踐經驗可知，經常進行網絡同傳的計算機硬盤和交換機故障率相對較高。

5)計算機硬件損壞更新后，很多機器還原卡不兼容。目前的還原卡雖然可以支持同時在一臺PC上安裝多個操作系統，但仍需花費時間，且難以適應應用的發展。由于計算機發展較快，對于已經使用多年的計算機，極難購置到原配件，而且這些計算機都需要逐臺安裝驅動程序。

6)無法提供便捷的考試環境。對于國家計算機等級考試，其軟件要求是每臺機器都需要不同的用戶名登錄。在以往考試前，需安排大量的人力手工打開保護卡添加用戶，考試完再恢復，費時費力，且容易出錯。另外，很多技能鑒定考試中的每臺學生機都有一個單獨的考試文件，它們各不相同，也無法通過還原卡同傳部署。

由此可見，原有的計算機技術還原管理模式已成為發展瓶頸，積極探索新的計算機技術管理模式成為必然。

1 計算機桌面虛擬化技術

自2005年開始，云計算、云服務、虛擬化的聲音漸漸興起，但是由于技術的成熟性、可靠性尚未得到較好的驗證，因此計算機虛擬化技術未能廣泛推廣。近年來，隨著世界幾大虛擬化廠家加大研發和推廣力度，虛擬化技術已步入成熟期［2］。計算機服務器虛擬化、存儲虛擬化、桌面虛擬化是計算機技術虛擬化的幾個組成部分。近年來，高校在服務器虛擬化、存儲虛擬化技術方面有了一定的應用，也解決了一些實際問題。但學校卻并未從動輒上千臺PC的管理應用中受益。桌面虛擬化技術的成熟為解決這一難題提供了良好的技術保證，也為其在高校計算機教學及管理中的運用贏得了契機。

1.1 桌面虛擬化的特點

桌面虛擬化是指將計算機的桌面進行虛擬化，以達到桌面使用的安全性和靈活性要求。其最大特點是可以通過任何設備，在任何地點、任何時間訪問網絡上屬于個人的桌面系統［3］。桌面虛擬化依賴于服務器虛擬化，可在數據中心的服務器上進行服務器虛擬化，生成大量的獨立的桌面操作系統(虛擬機或者虛擬桌面)，同時根據專有的虛擬桌面協議發送給終端設備。用戶終端通過以太網登陸到虛擬主機上，只需記住用戶名和密碼(或者網關信息)即可隨時隨地通過網絡訪問自己的桌面系統，從而實現單機多用戶或者單機多系統。

1.2 虛擬桌面技術原理

虛擬桌面采用服務器網絡推送的模式，在服務器端安裝各種用戶所需的應用系統鏡像，所有客戶機采用網絡啟動模式，開機后由服務器推送操作系統與服務［4］。這種推送模式的分層結構如圖1所示。

結構的最上層是操作系統容器(OS Container)。在容器中可以容納多個操作系統包，操作系統包通過操作系統推送器(OS Delivery Layer)進行服務器和客戶機之間的系統推送;網絡媒體可以是局域網(LAN)或者是互聯網(Internet)，操作系統推送到客戶機后，由操作系統執行器(OS Executive)或虛擬機(VMS)執行，從而驅動電腦硬件。

圖1 推送模式的分層結構

1.3 桌面虛擬化的優勢

由于計算發生在數據中心(服務器)，所有桌面的管理和配置都在數據中心進行，因此管理員可在數據中心對所有桌面和應用進行統一配置和管理［5］，例如系統升級、應用安裝等。這就避免了傳統的由于終端分布造成的管理困難和成本高昂等缺點，尤其適合于學校機房、教學中心等規模大、需求多變的應用場景。和傳統軟件保護相比，虛擬桌面具備一些不可比擬的優勢，兩者的各項主要性能指標如表1所示［6］。

表1 傳統軟件保護和虛擬桌面的性能指標比較

桌面虛擬化項目實施后，能達到以下目標:①簡化計算機實驗室的管理，提高系統部署效率，實現操作系統與具體硬件無關性。②為教師和學生提供個性化操作系統界面，放權讓教師和學生管理自己的個性化操作系統，且個性化操作系統界面與物理計算機無關，而是隨使用者的不同而不同。③對計算機實驗室內的計算機操作系統統一管理和維護，為教師和學生提供高性能的個性化桌面服務，既降低了管理人員的工作量和管理難度，又能為教師和學生安裝應用軟件提供方便。④切實利用好計算機本地硬盤，解決目前市面上一些虛擬化產品對網絡、后臺服務器過度依賴的問題。在特殊情況下，前臺計算機可獨立運行，實現向前端PC推送多操作系統的能力。⑤在不重新批量安裝操作系統和應用軟件的條件下，實現批量升級操作系統、應用軟件以及新應用軟件的安裝。

2 計算機桌面虛擬化技術實現路徑

當前桌面虛擬化領域的廠商非常多，國外有微軟、思杰(Citrix)和 VMware等，國內有奧易、PNS、網眾和銳起BSD等。這些軟件各有優勢，可按照需求和預算來選擇解決方案?？偟膩碚f，桌面虛擬化對于網絡和服務器的依賴性非常強。國產的虛擬化軟件對于服務器的要求一般，品牌服務器中等配置即可滿足要求，對于存儲的要求也不高，數據可以緩沖到本地硬盤;微軟等國外的虛擬化軟件對服務器配置要求極高，若高校機房節點較多，還需部署海量存儲。若涉及三維圖形的課程，則要部署圖形服務器，性價比低于國產虛擬化軟件。

根據實驗室的實際情況和經費預算，選擇PNS作為虛擬化的解決方案。

PNS虛擬桌面把多用戶、多桌面、多環境的用戶系統集中在一起統一管理，可根據各種用戶的不同需求制作多種應用環境［7］。當學生打開電腦后，系統為用戶提供選擇菜單，由學生自行選擇所需要的應用環境。選擇完畢后，系統自動推送使用者其選擇的虛擬桌面。這樣可以幫助學校的計算機管理部門在原有計算機設備投資的基礎上，建立高效、快捷的管理架構，把原有的只能分散管理的計算機全部納入部門集中管控。

2.1 PNS的軟硬件系統框架

PNS虛擬桌面應用簡單，只需在服務器端安裝管理軟件，所有客戶機采用網絡優先啟動模式。一般在服務器配置多個應用系統鏡像，當客戶機開機后，服務器會根據客戶機選擇的啟動菜單，為其分配私有應用系統和桌面，推送個性化服務。PNS虛擬桌面的系統框架如圖2所示。

圖2 PNS軟硬件系統框架圖

2.2 服務器鏡像制作

PNS系統提供分類虛擬桌面，根據各種課程實驗的不同應用需求，可在服務器端制作不同的虛擬桌面，這種虛擬桌面調用的實際就是鏡像文件。PNS的鏡像文件可分以下幾種:

1)基本鏡像。當系統首次安裝時，需要一臺客戶機安裝相應的操作系統和基本運行軟件。安裝完畢后，把該操作系統發布到服務器上，即形成了基本鏡像。

2)增量快照鏡像。當管理人員在原有基本鏡像上新增了部分軟件后，可在服務器上形成快照增量鏡像。此鏡像由兩部分組成:基本鏡像和增量部分，因此使用者可以在基本鏡像和增量部分進行切換。

3)邏輯鏡像。新增軟件后，基本鏡像和快照增量鏡像的組合形成邏輯鏡像，其余客戶機只要選擇邏輯鏡像啟動，即可自動使用新安裝的軟件。

鏡像的制作是實現虛擬化的重要環節。鏡像文件不能太大，否則會影響虛擬桌面啟動的時間。基礎鏡像安裝最基本的軟件，比如系統補丁、安防軟件、閱讀器、視頻播放器、OFFICE系列等常用軟件。然后每一門課程制作一個增量鏡像，比如程序設計基礎是在基本鏡像的基礎上增加VC++，VB或者.Net等軟件形成邏輯鏡像。每門課程都有自己的邏輯鏡像，互不影響。每個邏輯鏡像在開機后都有啟動項，學生可以自主選擇進入課程學習。這種設計方式既滿足了個性化教學的需求，同時也控制了鏡像文件的大小，改善了用戶使用感受。圖3是計算機實驗中心采用PNS后的多個教學平臺。

圖3 采用PNS后的教學平臺

2.3 網絡路徑

桌面虛擬化項目的實施需要網絡支持。網絡最低要求是桌面百兆，上聯千兆的網絡基礎架構，條件允許的話最好達到全千兆。

每個機房單獨組成網絡，每個教室單獨采用一臺服務器(如圖4所示)。這種網絡結構的優點在于網絡架構簡單，網絡設備投資小;缺點是每個機房都要配置單獨的服務器進行管理。

圖4 機房網絡拓撲

3 結束語

面對越來越多的應用管理問題，必須采用新型的管理模式和方法來解決。在云計算領域，針對桌面應用的管理，應用虛擬化技術是主流。它將應用程序與操作系統解耦合，為應用程序提供了一個虛擬的運行環境［8］。在這個環境中，不僅包括應用程序的可執行文件，還包括所需要的運行時環境。從本質上說，應用虛擬化是把應用對低層的系統和硬件的依賴抽象出來，不但可以解決版本不兼容的問題，更方便了客戶端用戶通過各種接入設備訪問應用資源。這種方法將各種應用軟件集中部署在應用服務器(集群)上，通過應用虛擬化功能，將各種應用軟件資源整合到統一的共享平臺上，供客戶端用戶通過網絡直接訪問使用。該方式解決了機房管理的瓶頸問題，同時也面臨著新的挑戰。因為這種環境需要更穩定的服務器和更可靠的網絡服務，且管理虛擬化機房的管理人員需要更多的專業知識。

［1］ 廣小明.虛擬化技術原理與實現［M］.北京:電子工業出版社，2012.

［2］ 魯松.計算機虛擬化技術及應用［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［3］ 王宇寧.虛擬技術在桌面管理中的應用和實現［J］.計算機與網絡，2009(14):62.

［4］ 赫斯.虛擬化技術實戰［M］.徐炯，譯.北京:人民郵電出版社，2012.

［5］ 《虛擬化與云計算》小組.虛擬化與云計算［M］.北京:電子工業出版社，2009.

［6］ 姚宏宇，田溯寧.云計算:大數據時代的系統工程［M］.北京:電子工業出版社，2013.

［7］ 鐘約夫.桌面虛擬化應用中虛擬環境評估與規劃的研究［J］.自動化與儀器儀表，2011(1):15－16.

［8］ 任軍.桌面虛擬化在高校實訓機房應用探討［J］.計算機光盤軟件與應用，2012(4):41－42.

(責任編輯 楊黎麗)

Application Way of Desktop Virtualization Technology in Teaching and Management

HAN Fang，YUAN Yu－bin
(Department of Computer Science and Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

In the age of big data，with the scale of computer teaching and management platform in colleges becoming larger and the degree of flattened information deepening，the defects of former teaching management model emerge.This paper focuses on the study of the applicable principles and the application way of desktop virtualization technology in computer teaching and management on the basis of introducing desktop virtualization technology and combining practical experience of computer teaching and management in colleges.It has been found that desktop virtualization technology is effective in applying computer teaching and management，and has important practical significance in improving teaching management level.

cloud computing;computer management platform;desktop virtualization

TP308

A

1674－8425(2014)07－0105－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.07.021

2014－03－08

重慶理工大學高等教育教學改革研究項目(2013YB19)

韓芳(1963—)，女，北京人，高級實驗師，主要從事計算機應用教學研究。

韓芳，袁宇賓.計算機桌面虛擬化技術在教學及管理中的實現路徑研究［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(7):105－109.

format:HAN Fang，YUAN Yu－bin.Application Way of Desktop Virtualization Technology in Teaching and Management［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(7):105－109.