基于虛擬化技術的教育云桌面的計算機實驗室方案探究

◆周耀鵬

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基于虛擬化技術的教育云桌面的計算機實驗室方案探究

◆周耀鵬

（無錫科技職業學院物聯網與軟件技術學院 江蘇 214028）

傳統實驗室機房因其教學系統部署、升級和維護困難，計算機性能趕不上軟件更新速度等種種缺陷在應對新形勢下的教育信息化已經捉襟見肘。如何進行學校實驗室機房的改革已經迫在眉睫，學校需要一種行之有效的，與時俱進的技術開辟一條改革實驗室機房設備的合理化道路。云計算是一種新的網絡計算模型，也是下一代網絡計算平臺的核心技術。本文主要設計介紹了一種基于虛擬化技術的教育云桌面的應用方案，并闡述了該方案的意義、目標及特點。

實驗室管理；教育云桌面；虛擬化；瘦客戶端

1 方案計劃

1.1 方案背景

中共中央、國務院在《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)》以及《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》中明確指出，教育管理信息化系統建設是支撐教育管理現代化、促進教育改革發展的基礎性工程，并指出信息技術對教育發展具有革命性影響。

目前，教育的信息化手段層出不窮，從早前的多媒體應用技術到如今的移動互聯和云計算技術，教育基礎平臺日趨成熟與完善，如何創新教育技術平臺從而帶動深化轉型教學應用方式已然擺在當今教育從業者面前。而隨著云計算技術和應用的不斷發展，同時帶動桌面虛擬化的應用，相較傳統計算機的應用解決方案以其成本低、穩定性強、維護量低、安全性高、靈活快捷的特點，在高校教育中越來越受歡迎。

伴隨國家對教育行業的資金投入越來越多，高校實驗室機房的計算機更新頻率也相應加快。一方面，高校中幾乎每個專業都涉及到計算機使用，使得學校對計算機實驗室的需求大為增加，學校需要擴大機房的規模和數量；另一方面，學校公共基礎機房的計算機相比其他專業實驗室計算機的利用率和使用強度高很多，這些機房除了每天完成大量的計算機基礎課程教學，還承擔各種涉及到計算機基本應用的課程，為各院系師生提供上機教學，各類考試、評測及培訓等上機服務，有的機房在課后還向師生開放使用。因此，這類機房的管理維護工作量繁復，主要體現為如下幾個方面：

（1）計算機性能跟不上軟件更新迭代頻率

教學軟件的持續更新，一些較新的軟件或操作系統無法安裝運行在現有計算機上。結果導致實驗室計算機用不了幾年就需要更新換代。

（2）教學運行安排、維護和升級不易

學校根據教學需求，幾乎每個學期的課程軟件都要更新。比如緊跟技術發展，數據庫軟件版本需要更新，甚至有些軟件不支持低版本的操作系統，所以操作系統也應走在開發環境的前沿，而傳統的機房IT架構不能充分符合專業課程、教學內容多變性的要求，學生上機環境迭代頻繁。因為每次對機房軟硬件環境進行更新改變，都需要重新制作計算機母版再同傳，費時費力。

（3）多系統環境需求

機房計算機使用密度及負荷比一般計算機要高很多，往往從上午8點開始上課，一直使用到晚自學結束。日常教學中經常下一節課的系統環境和上一節課的就不一樣，學生又多且不固定機位，每臺計算機一天要服務4，5個學生甚至更多。而且每個專業的學生使用習慣不一，也使得機房計算機的相關管理規程難以有效落地。

（4）機房計算機多，管理維護困難

學校機房的計算機通常通過局域網接入互聯網，在給教師課堂教學和學生獲取信息提供了方便的同時也給病毒和木馬的傳播提供了途徑。然而機房管理人員數量有限，要完成軟硬件環境滿足教學需要的同時再考慮如何應對各類網絡危害與漏洞的防護，所以必須改善機房的管理和維護以應對挑戰。

1.2 方案建設意義

（1）將數據中心、計算機實驗室管理推向云管理模式

云計算是一種新的網絡計算模型，也是下一代網絡計算平臺的核心技術。云計算在校園中應用的主要是為了使學校的優質網絡資源更好更高效的服務于廣大師生，通過虛擬化技術的云桌面可使實驗室機房真正實現云計算化。

（2）打造兼容性與擴展性并重的綠色實驗室機房軟硬件系統環境

虛擬云桌面是具有單一視圖的集中化管理平臺，綠色環保的低能高效設備終端，可靈活分配資源，利用云管理方式打造更方便整合與擴展的軟硬件系統。

1.3 方案設計目標

1.3.1用戶體驗

虛擬云桌面能夠提供與目前學生使用的計算機一樣的各種功能：如順暢的使用教學所需要的軟件等。

1.3.2可靠性

（1）保持教學進程的連貫性，不會因單體產生故障而影響整體架構，致使系統癱瘓。

（2）支持實時監控服務和報警機制，支持負載冗余共享或故障備份切換機制，能實現數據和連接無縫轉移與對接。

1.4 可管理性

（1）通過管理監控機能對整個系統平臺進行管理，包括服務器、終端機、虛擬機操作系統等。

（2）能將教學過程中的所需的操作系統與專業應用軟件進行統一管理，這樣就可根據教學需要及時部署教學環境，從而簡化教學終端的教學環境構建過程。

（3）在控制端能按需查看整個系統平臺的運行狀況，包括服務器日志、終端狀態和網絡運行情況。

2 教育云桌面解決方案

2.1方案概述

教育云桌面根據學校桌面虛擬化技術采用以使用者為中心的運行模式、符合教學進程安排滿足教學需要，促進學生養成良好的上機習慣，保證友好的使用體驗，同時滿足統一教學管理與數據的采集，解決機房管理面臨的難題。

虛擬桌面：使用瘦客戶端，多個瘦終端通過網絡同時訪問服務器上的VM虛擬機，各個客戶端間相互隔離，每個用戶都有獨立的桌面體驗，都能夠訪問并使用VM里所安裝的軟件和存儲的數據。

存儲：所有的桌面應用軟件包括操作系統及用戶數據都是集中存儲在服務端的高性能云存儲上，一旦物理服務器出現故障，平臺會及時將VM動態遷移到冗余服務器上并確保運行，使得瘦客戶端的訪問使用不間斷。

圖1 方案設計圖

圖2 物理拓撲圖

2.2解決方案探究

2.2.1構建虛擬化的IT架構

教育云桌面可為學校單個或多個實驗室機房網絡和服務器共建若干個資源池，通過B/S架構方便統一管理，跟蹤教學進程和需要可動態創建、刪除、備份虛擬機，快速便捷部署虛擬教學環境。同時為了保證數據統一管理存儲，可在存儲上動態遷移虛擬機從而保障教學進程的連續和穩定。

2.2.2統一視圖的云維護管理平臺

教育云桌面采用B/S架構，采用簡潔統一的UI用戶和管理界面，學生可在任意聯網的計算機上通過瀏覽器即可訪問平臺，而無需安裝客戶端。在此基礎上可實現服務器、師生教學桌面、系統鏡像、瘦客戶端、存儲等的統一管理。

教育云桌面平臺的集中部署模式將虛擬桌面環境部署在數據中心，瘦客戶端僅負責調用操作處理，學生使用這些終端可通過局域網訪問相應的虛擬桌面環境，幾乎沒有學習成本。而后臺管理人員只需在平臺上對網內數據中心的軟硬件環境進行重構、發布等管理，實現了云維護管理的模式。

2.2.3快捷部署針對性教學環境

利用教育云桌面管理人員可根據不同專業、教師、學生的需求快捷的制作虛擬系統快照鏡像，通過快照鏡像可實現云桌面的批量創建、發布或更新，數百臺瘦客戶端在短時間內即可擁有相應的教學環境。將以往需要在硬件層面考慮的速度、性能等制約因素通過管理服務端軟件層面就解決了，簡化了教學環境的配置的步驟，縮短了部署的時間。

2.2.4多虛擬桌面使用模式

在傳統計算機的實際教學場景，不同專業根據課程會將教學系統劃分到不同的分區。教育云桌面同樣支持多教學桌面的使用場景，有的桌面場景學生在上機過程中所做修改和使用痕跡在下次使用登錄時即自動丟棄，系統還原為初始狀態，從而可避免文件損壞和丟失，防止病毒或木馬侵擾造成系統奔潰等影響教學使用的狀況出現。還有的桌面環境下，學生在學習使用過程中產生的數據和應用軟件設置可以被保留，以滿足考試、實習等特殊情況下使用。

2.2.5教學秩序管理的支持

（1）動態教室管理

教育云桌面可動態自定義教室信息，如將機房內的瘦客戶端按需劃分到不同的教室中，那么不同的教室可以上不同的課程（分配了不同的虛擬云桌面）。當然多個教室也可以上同一門課程，此時在實際教學中這些教室相當于一個整體教室（分配了相同的虛擬云桌面）。

（2）課表場景計劃

教師可提前在平臺上部署好教學云桌面環境，然后在系統里輸入課表安排，包括上下課時間、教師信息、學生班級等信息。課表場景計劃創建好后，場景按計劃自動啟用，學生開啟瘦客戶端即可調用獲取云桌面環境使用。

（3）教學場景計劃

教育云桌面可創建不同的教學場景，如實習場景、考試場景等，每種場景都可創建獨立的虛擬云桌面，并根據課表場景安排自動安排調用相應的鏡像并激活相應場景。

（4）批量更改設置

在制作完虛擬鏡像后發布桌面環境時，系統平臺可為瘦客戶端批量綁定計算機名與IP地址，從而實現機房系統快速部署管理。

同樣在考試或測評等特殊條件下，也可批量修改虛擬桌面系統環境的計算機名、IP地址、登陸用戶名和密碼，便于教學管理。

2.2.6便攜個性化云桌面

使用云桌面平臺教師可擁有自己專屬的辦公桌面環境，不論在辦公室還是家中，任何一臺計算機、瘦客戶端，只要滿足相應的網絡條件，教師都可以通過互聯網訪問自己的云桌面環境進行辦公和備課。

2.2.7流暢的應用體驗

如大量學生同時使用云桌面上課，此時系統會開啟自動平衡負載，將一部分負載遷移至冗余服務器，保證使用性能。同時采用高效的桌面虛擬化協議，確保MSOFFICE，高清視頻播放軟件等各類應用軟件流暢運行。

2.2.8多重保障機制

（1）水平擴展

教育云桌面是一個分布式虛擬化平臺，內置實現了群集功能，在平臺中每臺服務器稱為一個計算節點。當辦公和教學使用規模擴大時，可方便地通過在平臺中增加新的計算節點來進行水平擴展，從而擴展整個云桌面平臺的承載力和計算能力。

（2）動態遷移

通常平臺建設中會使用兩臺或兩臺以上的服務器和共享存儲，在實際使用過程中如出現一臺服務器運行失效的狀況，系統會即時將該服務器上的虛擬機整體遷移至另一臺物理服務器上并重啟，在終端上該過程幾乎感覺不出，從而保證教學的穩定和連續。而當服務器修復重新上線時，平臺還會自動恢復至遷移前的服務器運行狀態。

（3）均衡負載

使用過程中管理控制端負責收集監控各個計算節點的動態信息，如CPU狀態、內存占用和虛擬機個數等信息并與進行相應處理。當有新建桌面請求時，將自動轉至負載較輕的計算節點上進行均衡負載，減少因平臺服務端資源利用不均引起的系統故障。

（4）備份與恢復

步驟一：創建虛擬云桌面的同時即創建備份系統快照鏡像；

步驟二：使用虛擬機快照可快速恢復云桌面，避免因系統問題導致的教學進程中斷；

步驟三：同時做好監控端數據庫備份和日志記錄，以便服務端在出現故障時查看完整系統信息并盡早恢復，減少故障處理時間。

3 方案特點

3.1兼容性強

根據教學環境不同可給瘦客戶端加載相應的教學云桌面環境，目前支持Windows 7等常用操作系統，適應不同的專業課程需要。

3.2支持離線使用

將傳統計算機作為瘦客戶端使用即可擁有的雙系統設計，在不使用虛擬云桌面情況下，還可使用本地計算機上的系統進行教學，互補有無、相得益彰。

3.3支持數據保存與還原

虛擬云桌面支持多種使用場景，在支持數據保存的同時滿足個性化需求，在支持數據還原的同時滿足教學需求。

3.4安裝部署簡易

教育云桌面安裝部署簡易，首先在服務器操作系統上安裝虛擬機軟件，然后使用一臺計算機進行多服務器配置、虛擬云桌面環境構建和管理維護。

3.5提高資源利用效率

集中管理平臺數據資源，并進行統一管理調度，可使軟硬資源彈性分配，快速靈活部署，按需申請并發放，統一接入，將資源的利用效率最大化。

3.6服務端、終端各司其職，提高系統安全性

使用虛擬云桌面，終端只負責輸入和輸出顯示，系統與軟件的安裝，使用數據存儲都由服務器端負責，運行和計算都由服務器承載，規避了傳統計算機模式中各種移動拷貝、網絡攻擊等造成的系統風險。

3.7節能減排，打造綠色機房環境

虛擬云桌面的瘦客戶端功率只有15W左右，遠低于一般計算機動則300W左右的運行功率。并且瘦客戶端體積小巧，易于放置，無內置風扇和機械硬盤，也就不會產生普通計算機的運行噪聲，為建成綠色環保的實驗室機房環境提供了有利條件。

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