基于瘦客戶機(jī)的云平臺在實(shí)驗(yàn)教學(xué)及管理中的應(yīng)用

摘要：闡述采用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶云桌面的方法，有效解決瘦客戶機(jī)系統(tǒng)性能差、對服務(wù)器的運(yùn)算能力和網(wǎng)絡(luò)帶寬要求過高、多媒體播放效果差等缺點(diǎn)。介紹基于瘦客戶機(jī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺視頻傳輸效果，指出通過引入流標(biāo)簽和組播技術(shù)等概念，能夠提供更好的服務(wù)，彌補(bǔ)在多媒體應(yīng)用上的不足，有效滿足高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)多樣化的需求。

關(guān)鍵詞：瘦客戶機(jī)；云桌面；資源建設(shè)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；網(wǎng)絡(luò)教研；共享課堂

0 引 言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等學(xué)校人才培養(yǎng)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，它在學(xué)生能力培養(yǎng)中發(fā)揮著不可或缺的作用。高水平實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理是保證高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要條件：通過高水平實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與管理，實(shí)現(xiàn)對優(yōu)質(zhì)軟硬件資源的整合與共享，為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供良好的平臺保障，對提高高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量大有裨益。以高水平實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺為基地，推進(jìn)高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研的緊密結(jié)合，已經(jīng)成為很多高校的一致共識。

目前，國內(nèi)高等學(xué)校對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的管理通常采用分散管理方式，需要數(shù)量眾多的實(shí)驗(yàn)室管理人員，而管理員在日常設(shè)備管理和維護(hù)過程中需要應(yīng)對病毒、系統(tǒng)或硬件故障等問題，費(fèi)時費(fèi)力，管理效率低下。另外，高校需要定期或不定期地對計算機(jī)設(shè)備進(jìn)行更換或升級，這也造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。實(shí)驗(yàn)室管理制度限制了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的時間和地點(diǎn)，也無法提供全天候服務(wù)，無法實(shí)現(xiàn)完全開放。由于學(xué)生不能自由地選擇時間，使知識得不到實(shí)踐驗(yàn)證，很難達(dá)到融會貫通的效果。因此，我們提出將基于瘦客戶機(jī)的云平臺應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)及管理中，采用云桌面虛擬化技術(shù)，有效解決上述問題。

采用云桌面技術(shù)，使得低成本瘦客戶機(jī)用戶可以獲得與傳統(tǒng)計算機(jī)一樣的桌面系統(tǒng)，且瘦客戶機(jī)不需要安裝任何操作系統(tǒng)或軟件，所有的軟件維護(hù)均在服務(wù)器端完成，因而具有低成本、虛擬化、高可靠性、高可擴(kuò)展性等特性，比較徹底地改變了目前學(xué)校管理計算機(jī)設(shè)備和提供計算資源服務(wù)的方式。因此，基于瘦客戶機(jī)的云平臺將會在實(shí)驗(yàn)教學(xué)和管理中發(fā)揮非常重要的作用。

1 云桌面技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

近幾年，隨著計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的高速發(fā)展，云計算在世界范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展。2011年，美國頒布了《聯(lián)邦云計算戰(zhàn)略>；2012年，歐盟委員會啟動了《釋放歐洲云計算潛力》的戰(zhàn)略計劃；澳大利亞、日本等國也都在國家層面出臺了對云計算的支持政策。很多跨國IT公司（如微軟、谷歌、亞馬遜、IBM、惠普、思科等）自主研發(fā)了云計算產(chǎn)品；國內(nèi)IT公司（如阿里、百度、騰訊等）也都擁有自己的云產(chǎn)品。在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域，云計算因其虛擬化、大規(guī)模、低成本、高可擴(kuò)展性、高可靠性等優(yōu)勢，正在發(fā)揮越來越重要的作用。

云桌面技術(shù)是云計算的一個典型應(yīng)用，將其應(yīng)用到虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)中是當(dāng)下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展需要。云桌面通過瀏覽器（或類似應(yīng)用）提供與Windows或Mac等操作系統(tǒng)外觀相似的虛擬操作環(huán)境，其文件、數(shù)據(jù)以及大部分運(yùn)算均位于遠(yuǎn)端的云服務(wù)器中，這樣就可以把管理服務(wù)、虛擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)空間等以桌面化的方式提供給用戶，使學(xué)生可以不受設(shè)備和時空的限制，保證實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)授課等活動的延續(xù)性和體驗(yàn)一致性。

日前，國外已經(jīng)有一些大學(xué)為本校師生提供云桌面服務(wù)，如英國林肯大學(xué)的Cloud Desktop、美國夏威夷太平洋大學(xué)的HPU Cloud Services、美國圣克勞德州立大學(xué)的Campus/iCampusDesktop等。國內(nèi)高校對云桌面虛擬化技術(shù)的研究仍處于起步階段，目前東南大學(xué)、浙江大學(xué)、中山大學(xué)等高校在嘗試使用，并且取得了一定的應(yīng)用效果。

2 基于云計算的瘦客戶機(jī)桌面虛擬化技術(shù)

瘦客戶機(jī)（thin client）指的是在客戶機(jī)一服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)體系中，通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和服務(wù)器通信接入局域網(wǎng)的一個基本無需應(yīng)用程序的計算機(jī)終端。在應(yīng)用瘦客戶機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)中，服務(wù)器端安裝有服務(wù)于瘦客戶機(jī)的多用戶虛擬化應(yīng)用程序，用戶不能在瘦客戶機(jī)上安裝軟件，只能在登錄后的虛擬機(jī)環(huán)境下安裝軟件。

筆者提出的桌面虛擬化特點(diǎn)在于將桌面虛擬化，不限制訪問“個人虛擬桌面”系統(tǒng)的時間和地點(diǎn)，用戶使用任何終端設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)接入云平臺后，都可以正常地使用任何網(wǎng)絡(luò)資源，獲得和個人計算機(jī)棚同的效果，但是卻比傳統(tǒng)桌面更加靈活和安全，所以基于瘦客戶機(jī)的云平臺技術(shù)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1）高效的課件管理，集中管理控制。

在服務(wù)器端集中設(shè)定應(yīng)用程序，采用虛實(shí)結(jié)合的技術(shù)，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。提供集中和統(tǒng)一的管理平臺，能夠?qū)?shí)驗(yàn)設(shè)備、教師桌面、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件、教學(xué)終端進(jìn)行高效的統(tǒng)一管理，系統(tǒng)管理員可以僅使用一臺電腦，足不出戶地解決所有運(yùn)維管理問題。

2）提高教學(xué)連續(xù)性。

學(xué)生和教師的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)以及教學(xué)環(huán)境系統(tǒng)會自動保留，以備后續(xù)的課程學(xué)習(xí)、使用和回顧。用戶桌面具備超過“還原卡”功能的“還原”能力，用戶可以自行選擇是否還原、還原到哪個斷點(diǎn)，而非系統(tǒng)強(qiáng)制還原到某一點(diǎn)。

3）豐富完整的用戶體驗(yàn)。

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)桌面跟普通PC無差別的使用習(xí)慣和體驗(yàn)，減少了培訓(xùn)成本。此外，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺不僅提供普通的辦公環(huán)境、課件環(huán)境.教學(xué)環(huán)境，而且提供高端的設(shè)計類虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境、豐富的多媒體教學(xué)環(huán)境等，為用戶提供豐富、完整的用戶體驗(yàn)。

4）使用靈活。

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺采用“客戶機(jī)一服務(wù)器”工作方式，因此通過虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐平臺，可以讓老師和學(xué)生在校園內(nèi)任何有網(wǎng)絡(luò)連接的地方使用自己的“個人桌面”，使移動辦公和學(xué)習(xí)成為可能。

5）低成本。

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的云終端設(shè)備具有電子器件少、體積小、零噪音的優(yōu)點(diǎn)，并且功耗低，一般只有幾十瓦，卻具有長達(dá)6-9年的使用壽命瘦客戶機(jī)主要依賴服務(wù)器端的計算資源和存儲資源，避免了硬件設(shè)備的閑置和浪費(fèi)。

6）高安全性。

因?yàn)樵朴嬎銓?shí)驗(yàn)室的軟件和數(shù)據(jù)都在云端，客戶使用的都是“云”虛擬出來的環(huán)境，這避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室因?yàn)橐慌_計算機(jī)感染病毒，導(dǎo)致整個機(jī)房癱瘓的問題；此技術(shù)杜絕了用戶隨意安裝軟件、帶走實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，從而保證了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部信息和系統(tǒng)的安全。

7）管理維護(hù)成本低。

基于瘦客戶機(jī)的虛擬化技術(shù)，不需要在瘦客戶機(jī)上安裝軟件，因而，系統(tǒng)管理員不用操作客戶端，只需在服務(wù)器端統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)，即可完成實(shí)驗(yàn)室整個系統(tǒng)的管理、維護(hù)、升級等工作。因此，負(fù)責(zé)維護(hù)和管理的工作人員負(fù)荷大大降低，有效地節(jié)約了人力成本。

3 基于瘦客戶機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的功能和結(jié)構(gòu)

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的核心是采用云計算和虛擬化技術(shù)，建設(shè)一個虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理和資源共享的云平臺，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)外的優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源充分共享和深度融合，滿足多點(diǎn)、多地和多種終端訪問的虛擬仿真教學(xué)的需求。

該平臺提供了非常全面的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能，主要包括：實(shí)驗(yàn)課管理、教學(xué)計劃制定、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺門戶網(wǎng)站、實(shí)驗(yàn)時間和地點(diǎn)預(yù)約、實(shí)驗(yàn)成績增刪改與查看、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理等。其中，門戶網(wǎng)站也可以服務(wù)當(dāng)?shù)亟逃姓块T，為全區(qū)教師提供專業(yè)發(fā)展平臺，達(dá)到為基層學(xué)校提高教育教學(xué)質(zhì)量服務(wù)、推進(jìn)教育教學(xué)改革的目的。開放式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺在學(xué)校的管理、科研、教研、培訓(xùn)等工作中發(fā)揮著非常重要的作用。圖1為基于瘦客戶機(jī)的開放式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺架構(gòu)圖，系統(tǒng)的工作方式如下。

（l）通過瘦客戶機(jī)等終端設(shè)備，用戶可以方便地連接到系統(tǒng)服務(wù)器端的虛擬化集中工具——會話管理中心，為桌面環(huán)境與服務(wù)器提供統(tǒng)一的管理平臺 。

（2）在用戶登錄時，服務(wù)器會根據(jù)不同的用戶分配不同的桌面環(huán)境。用戶通過身份驗(yàn)證進(jìn)入云數(shù)據(jù)中心后臺，實(shí)現(xiàn)了虛擬桌面的無縫登錄。

（3）用戶登錄后，可以進(jìn)行一系列活動，包括預(yù)定實(shí)驗(yàn)室、查詢實(shí)驗(yàn)情況、查詢實(shí)驗(yàn)課表等。另外，每個實(shí)驗(yàn)室配有相應(yīng)的監(jiān)視器，用來顯示實(shí)驗(yàn)臺的使用情況。

（4）如果用戶選擇的是預(yù)定實(shí)驗(yàn)室或?qū)嶒?yàn)臺操作，則要在預(yù)定的時間內(nèi)，通過一卡通刷卡進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。筆者教學(xué)中使用ZigBee控制實(shí)驗(yàn)臺電源，在用戶刷卡后，對應(yīng)的已預(yù)定實(shí)驗(yàn)室或?qū)嶒?yàn)臺的電源轉(zhuǎn)到“開”狀態(tài)，而監(jiān)控器上會顯示相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)臺的狀態(tài)。

4 基于瘦客戶機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺中視頻傳輸應(yīng)用效果

傳統(tǒng)的瘦客戶機(jī)系統(tǒng)對服務(wù)器性能和網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了過高的要求。在以往的應(yīng)用實(shí)踐中，雖然瘦客戶機(jī)系統(tǒng)能夠滿足用戶的大部分需求，但是多媒體通信的體驗(yàn)無法令用戶滿意。在校園網(wǎng)絡(luò)中，在線用戶多、在線時間長，用戶帶寬和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相對于商業(yè)網(wǎng)絡(luò)和小區(qū)網(wǎng)絡(luò)更復(fù)雜。現(xiàn)在市場上大部分云終端或瘦客戶機(jī)在虛擬桌面使用中只支持窗口化的標(biāo)清視頻；而基于云計算平臺的瘦客戶機(jī)系統(tǒng)，通過引入流標(biāo)簽和組播技術(shù)等概念，不僅可以提供更好的服務(wù)質(zhì)量，還可以彌補(bǔ)多媒體應(yīng)用上的不足，使用戶通過“云”體驗(yàn)到非常理想的流媒體播放效果。筆者采用的辦法足對瘦客戶機(jī)的硬件進(jìn)行重新開發(fā)，降低服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)的壓力，使虛擬機(jī)播放高清視頻非常流暢，并且支持HDMI高清接口、1080P高清電影播放，提供不低于30FPS的幀速率，虛擬桌面顏色大于32位，每臺虛擬機(jī)占用帶寬400-600KB，支持遠(yuǎn)程播放視頻。因而，改進(jìn)后的瘦客戶機(jī)系統(tǒng)有效地改進(jìn)了多媒體性能，很好地支持虛擬云平臺環(huán)境下的多媒體應(yīng)用。

5 結(jié)語

通過基于瘦客戶機(jī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的建設(shè)，教學(xué)受時間和空間限制、人力資源短缺、運(yùn)行維護(hù)難、信息安全等問題都得到了有效解決此外，平臺還提供了開放的、多維的、互動的、和諧的教學(xué)環(huán)境，使實(shí)驗(yàn)室以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備得到了高效利用，有效提高了學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識以及自主學(xué)習(xí)能力。另外，隨著電子技術(shù)和云計算技術(shù)的發(fā)展，基于瘦客戶機(jī)的云平臺將會更好地滿足高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)市場的需求，所以從應(yīng)用的角度來說，其在教學(xué)市場的前景非常廣闊。