云模式多媒體教室自動化管理系統設計與實現

焦飛，黃天文，杜堯東

（1.肇慶學院計算機中心，肇慶 526061；2.廣東省肇慶市氣象局，肇慶 526040；3.廣東省氣候中心，廣州 510080）

云模式多媒體教室自動化管理系統設計與實現

焦飛1，黃天文2，杜堯東3

（1.肇慶學院計算機中心，肇慶 526061；2.廣東省肇慶市氣象局，肇慶 526040；3.廣東省氣候中心，廣州 510080）

針對學校多媒體教室管理中面臨的一系列問題，提出并開發一種基于云模式的多媒體教室自動化管理系統。充分利用現有設備，在校園網的基礎上應用桌面虛擬化技術，自主開發自動化管理系統，并按階段應用于實際工作。對系統應用效果進行分析，其應用和推廣能夠方便學校統一管理，提高管理員工作效率，節約大量的人力和財力。

云模式；虛擬化；自動化；多媒體教室

0 引言

隨著高校教育信息化和數字化校園建設的不斷推進，高等學校教育教學改革的不斷深入，多媒體已經成為高等學校教學過程中的主要手段。多媒體教學在許多方面具有不可取代的優勢，彌補了許多傳統教學手段的不足，其地位日趨重要[1]。但隨著多媒體教室數量不斷增加、使用頻率的增加和復雜度的提升導致多媒體教室的管理壓力倍增。傳統采用分散的人工管理辦法，管理員疲以應對，而不斷增加人力只會讓“精兵簡政”陷入困境。加上多媒體設備逐漸折舊，新的設備數量不斷增加，Windows 7升級迫在眉睫，系統軟件和應用軟件安全漏洞層出不窮，眾多學校要發展，就要面臨巨大的資金壓力。

針對現存的問題，可從現代化技術手段入手，對多媒體教室管理模式進行革新。利用現有的校園網絡，結合虛擬化技術開發設計一套經濟、實用的“云模式多媒體教室自動化管理系統”具有很強的必要性。隨著高校數字化、網絡化進程不斷地加快，基于云模式的VMware桌面虛擬化技術的發展突飛猛進，陳慧芬等進行了虛擬化云計算在高校多媒體教學中的應用研究[2]，各種基于云模式的視頻監控系統和訪問控制模型層出不窮[3]，加上數據庫管理、網絡通信和遠程控制技術的不斷成熟，系統的設計與實現是可行的。

1 國內外研究現狀

最新發展起來的云計算（Cloud Computing）模式是分布式計算(Distributed Computing)、并行計算(Parallel Computing)和網格計算(Grid Computing)的發展[4]，維基百科（Wikipedia.com）認為，云計算是一種基于互聯網的計算方式，通過這種方式，共享的軟硬件資源和信息可以按需求提供給計算機和其他設備。云計算的資源是動態易擴展而且虛擬化的，通過互聯網提供，終端用戶不需要了解“云”中基礎設施的細節，不必具有相應的專業知識，也無需直接進行控制，只關注自己真正需要什么樣的資源以及如何通過網絡來得到相應的服務。

云計算具有分布式存儲和計算、用冗余方式提供可靠性、高層次的編程模型、高可用性、經濟性、服務多樣性等特點。美國國家標準和技術研究院（NIST）明確定義了云計算的三種服務模式：基礎設施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）、軟件即服務（SaaS）。NIST還提出了四種不同的云部署方式：公用云（Public Cloud）、私有云（Private Cloud）、社區云（Community Cloud）、混合云（Hybrid Cloud）。

當前中國的云計算的發展正進入成長期，預期在2015年之后，中國云計算產業將真正進入成熟期，云計算服務模式將被廣大用戶接受。埃森哲2010年云計算研究報告給出，未來兩年內更多的中國大企業將開始使用云計算[5]。云計算的高安全性在多媒體教室管理上有著實際意義。項國富等針對基于虛擬化安全監控的相關工作進行了研究，提出利用虛擬機管理器在單獨的虛擬機中部署安全工具，從而保證監控工具的有效性和防攻擊性[6]。

VMware是在虛擬化方面市場的領先者，全球84%的虛擬化應用都是應用在VMware上的。目前，VMware View方案成功應用于多所高校，預測將來會吸引更多的學校、機關、公司等單位逐步投資實施。其方案中的“瘦客戶端”（Thin Client），以下簡稱瘦機，是一種體積小、功耗低的接入終端，提供輸入、輸出設備接口，提供與服務器端的網絡通信功能。瘦機除了比購置計算機節約費用，還具備設備輕巧、部署方便、統一配置、安全性高、集中管理、升級簡單和綠色環保等特點。隨著高校改革、中國經濟的發展，從Windows XP向Windows 7遷移將是眾多學校和企業面臨的頭疼問題，同時也為云模式管理系統的研制和發展帶來機遇。

針對高校多媒體教室管理的需求，把VMware View虛擬化、自動控制、視頻采集、語音聊天等技術綜合起來，利用計算機和瘦機的串口，通過現有中控來控制多媒體設備的系統目前并不多見。綜合借鑒前人的研究成果，嘗試加入自動控制技術，2010年開始開發了自動化管理系統。至今系統經過不斷改進，引入云計算的概念，采用虛擬化技術，充分利用了校園網資源，硬件的投入資金節約很多。

2 系統設計

云模式多媒體教室自動化管理系統由云計算管理平臺、瘦客戶端和交換機構成，利用校園網和學校目前使用的奕星YX3300中控，實現遠程自動控制和管理的目標。

2.1 系統結構

云計算系統是整個體系架構的服務端，通過云計算管理平臺生成多種虛擬機以滿足不同教師不同課程的虛擬機模板。每個教師擁有自己的帳號和密碼，如同擁有自己的“虛擬的筆記本電腦”，隨時隨地制作適合自己的虛擬機模板，減少了軟件沖突，減輕了多媒體教室管理員的軟件維護工作。各教室上課前系統通過虛擬機克隆或快照的方式快速將虛擬機模板部署到各個虛擬機，任課教師就能用瘦客戶端通過交換機連接到虛擬機。

系統從結構上可分為管理和控制兩大部分，結構如圖1所示。管理部分主要是數據庫的管理，對用戶信息、課程表、設備參數和狀態等信息實時監控，并根據最新的數據為遠程自動控制提供依據。控制部分通過校園網，按預設的時間表和參數表對各個教室的瘦機發布指令和接收反饋信息。瘦機接收到指令后通過串口來控制中控，從而實現遠程控制連接在中控的一系列多媒體設備的功能。

圖1 系統組成結構圖

2.2 功能設計

根據學校多媒體教室管理工作的實際所需，設計的系統功能按類別可以分成三大模塊：數據庫管理模塊、遠程控制模塊和串口控制模塊。系統功能模塊結構如圖2所示：

圖2 系統功能模塊結構圖

3 關鍵技術及實現

3.1 云模式應用

在云模式中，私有云具備許多公用云環境的優點，例如彈性、適合提供服務，兩者差別在于私有云服務中，數據與程序皆在組織內管理，且與公用云服務不同，不會受到網絡帶寬、安全疑慮、法規限制影響，數據、軟件不再存放在本地計算機中，而是通過網絡訪問云來獲得所需數據或軟件服務。因此，云計算是一種超級瘦客戶端模式。云計算將轉變數據中心資源使用的方式和管理模式，把原有數據中心孤島型系統，經過虛擬化使得資源整合、降低綜合成本，最終達到私有云按需服務的目標。本系統中，在服務器上安裝VMware WorkStation軟件。通過該軟件進行虛擬機的創建，每臺虛擬機作為一個節點，建立虛擬化服務器集群，并完成虛擬機上操作系統(Windows XP和Windows 7等)的安裝[7]。

引入光交換的拓撲方案的優勢在于依靠光交換網絡提供的高帶寬、網絡資源動態配置等為上層應用提供靈活的服務，而且有效地降低了組網的復雜度。OSA[8]的最大特點是利用光網絡配置靈活的特點，能夠根據實際需求動態調整拓撲，大大提高了應用的靈活性。一般高校已經擁有光纖，云模式系統有著良好的網絡和軟硬件環境適應性，當然良好的效果又依賴優質的網絡環境。本系統中分布在各多媒體教室的瘦機，連接到校園網使用RG-S1908+可網管交換機，值班室使用RG-S2928G-E交換機，既便于管理維護，又充分利用了校園網光纖的優勢，提高監控質量。可網管交換機有簡單實施網絡控制功能，允許客戶分配IP地址，為網段配置虛擬局域網(VLAN),通過IEEE802.1p標記指定流量優先級，并通過Web界面監控狀態。另外，瘦機出廠時要求內含簡單的操作系統，當學校網絡故障時仍能使用該操作系統上課，不會耽誤教學工作，保證了系統的穩定性。

3.2 網絡編程技術要點

網絡協議的選擇上，本系統的遠程控制模塊，包括屏幕監控、發送控制指令和聊天室等功能，采用了TCP和UDP混合協議。不采用單一的協議是因為：TCP協議的優點是數據傳輸可靠，但它是面向連接的，連接雙方建立連接（或斷開）時需經過三次握手，較為耗時；而UDP用戶報文協議是面向無連接的，發出數據不需對方確認，這樣速度比TCP快，但數據有可能丟失，因此它不可靠。遠程控制中對被控端實現的關機、重啟、注銷、計算機IP地址獲取等功能需要被控端及時反應，且發送這些命令的消息占用的字節較少，在傳輸距離不算太長，信號衰減較弱的情況下，考慮使用UDP協議來進行控制端與被控端之間的通信[9]。

3.3 定時開機功能

定時執行任務模塊實現每天定時運行程序，采用Windows自帶的定時任務，之后每分鐘檢測采用C#的Timer控件，從性能和節約資源方面，都是合理的解決方案。定時任務即利用服務器端智能模塊讀取課程表和“校園一卡通”數據庫，利用云模式的虛擬化技術向瘦機發送指令。在網絡中當瘦機處于關機狀態時，惟一能識別其身份的只有其所帶網卡的物理地址，即媒體訪問控制(MAC)地址。可以從本地計算機向網絡中需要開機的瘦機發送一個基于MAGICPACKET標準的喚醒數據包，該數據包中含有欲被喚醒電腦所帶網卡的物理地址[10]。

4 初步試驗效果及系統改進要點

系統初步開發期間，在本校第二教學樓68間多媒體教室投入使用。系統的開發以軟件為主，購入的硬件成本比過去節約很多。通過對2011年11月～2014年6月期間，改造前、后設備購置、維修、維護和用工數據分析，發現該系統的開發和推廣成本較低，而帶來的經濟效益顯著。

應用該系統，減少了網絡中控、網絡模塊等硬件的購入成本。2012年改造第二教學樓預算時，參考其他高校方案，平均每間改造費用需3.4萬元，而實際改造時決定使用自主開發的系統，平均每間節省1萬元。如果減去實驗研究占用的費用，加上今后更多新建教室改造帶來的規模優勢，將來使用該系統建設與改造費用可減少為平均每間教室5000元左右。

應用該系統，每年的維修費用也比過去同期減少了38.8%。例如，第二教學樓沒使用該系統時的一個學年（2012年6月～2013年8月）多媒體設備維修費用為245520元，而使用系統后的一個學年（2013年6月～2014年8月），維修費用降為149998元。維修費用能夠得到節約，其中一個重要原因就是通過校園網統一自動化管理，減少設備空閑時間的損耗和上課教師的誤操作造成的損失，從而降低了投影機燈泡等昂貴設備配件的維修幾率。

應用該系統，實現了自動化管理，管理員數量也比過去得到節約。例如，過去多媒體教室分布在第一、第二、第三教學樓，多媒體管理員為14人，平均每棟樓用4.7人；2014年增加了第四和第五教學樓后，初步使用該系統進行一期改造，管理員人數為16人，平均每棟樓3.2人。預計全面改造完成后，可以實現“一個人管理一棟樓”的目標。

2014年6月，自主開發的系統經過改進，增加高清攝像頭并引入VMware View虛擬化桌面技術，應用于第四和第五教學樓，建設項目經費比廣東某高校的“非云模式”建設方案所用經費節約了28%。目前學校繼續投入經費300多萬，計劃在第一教學樓建設81間多媒體教室，以便將來作為其他四棟教學樓改造的模版。

5 結語

云模式的系統具有快速部署，統一管理的優勢，云模式與高校多媒體教室建設的結合，可以有效整合高校教學資源，提高資源的利用率。云模式多媒體教室自動化管理系統的研制和實現，初步取得一定成效：減少遷移成本；減少應用程序不兼容問題；延長現有桌面軟件的使用期限；通過集中管理桌面應用程序和用戶降低成本；集中控制敏感數據；簡化桌面和應用程序部署；和校園一卡通服務銜接，結合學校教務處課程表數據庫，實現教學規范化管理。系統既降低了多媒體教室的購置、維修成本，又實現全自動化控制，大大減輕了管理員的工作量，節約了人力資源。

[1] 劉鋼.淺談高校多媒體教學存在的問題與措施[J].現代計算機，2014，(30)：19～21

[2] 陳慧芬，彭玲.虛擬化云計算在高校多媒體教學中的應用研究[J].現代計算機，2013(5)：51～58

[3] 韓海雯，齊德昱，封斌.基于云計算的廣域級視頻監控綜合業務平臺[J].計算機工程與設計，2013，34(5)：1657～1662

[4] 陳全，鄧倩妮.云計算及其關鍵技術[J].計算機應用，2009，29（9）：2562～2567

[5] 房秉毅，張云勇等.云計算國內外發展現狀分析[J].電信科學，2010，(S1)：1～5

[6] 項國富，金海等.基于虛擬化的安全監控[J].軟件學報，2012，23(8)：2173～2187

[7] 伍燕青.基于云計算的實驗室管理信息系統設計[J].實驗室研究與探索，2013，32(8)：291～296

[8] 李丹，陳貴海等.數據中心網絡的研究進展與趨勢[J].計算機學報，2014，37(2)：259～274

[9] 劉佳，鄭華等.基于TCP和UDP混合協議的遠程控制軟件的設計與實現[J].電腦應用與軟件，2010，27(3)：127～130

[10] 黃天強，徐洪智等.基于網絡的電腦遠程控制技術的機制與實現[J].懷化學院學報，2009，28(5)：73～75

Design and Implementation of Automatic Management System for Multimedia Classroom Based on Cloud Model

JIAO Fei1，HUANG Tian-wen2，DU Yao-dong3
(1.Computer Centre,Zhaoqing University,Zhaoqing 526061；2.Zhaoqing Meteorological Bureau,Zhaoqing 526040；3.Climatic Center of Guangdong Province,Guangzhou 510080）

Aiming at the series of problems in management of school multimedia classroom,develops an automatic management system for multimedia classroom based on cloud model.It makes full use of the existing equipment and uses desktop virtualization technology based on the campus network.Its software is developed independently.Applies the system to practical work according to the stage.Analyses the effect of system application.With the diffusion and application of the system,it will facilitate the school management and improve the work efficiency of administrators.It also can save a lot of human and financial resources.

Cloud Model;Virtualization;Automatic;Multimedia Classroom

1007-1423（2015）04-0066-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.04.018

焦飛（1980-），男，河南虞城人，碩士，講師/實驗師，研究方向為數據挖掘、軟件工程

黃天文（1975-），女，廣東臺山，本科，高級工程師、高級程序員，研究方向為計算機及其應用、網絡管理

2014-12-16

2015-01-06

杜堯東（1964-），男，河南許昌，博士，研究員，研究方向為農業與生態氣象