虛擬化技術(shù)與終端融合的云教學(xué)系統(tǒng)

葉艾彥

【摘 要】為了解決現(xiàn)有模式的教學(xué)管理系統(tǒng)中視頻廣播大量占用云主機(jī)的資源而影響傳輸速率和質(zhì)量的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了面向云環(huán)境下的教學(xué)控制系統(tǒng)，采用虛擬化技術(shù)和終端技術(shù)融合的方式，將視頻廣播類(lèi)圖像指令指向云終端處理、消息類(lèi)指令指向云桌面處理，多媒體流始終點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和一次編解碼。經(jīng)過(guò)對(duì)比測(cè)試表明，該系統(tǒng)相較于一般的兩端系統(tǒng)在視頻廣播時(shí)云主機(jī)的帶寬不受影響，可充分利用終端的圖形硬解碼能力來(lái)提高用戶體驗(yàn)，并且即使在云桌面系統(tǒng)宕機(jī)的情況下仍可實(shí)現(xiàn)廣播教學(xué)。

【關(guān)鍵詞】云計(jì)算 教學(xué)系統(tǒng) 虛擬化技術(shù) 終端技術(shù) VDI

1 引言

教學(xué)管理工具是在電腦教室、電子教室、多媒體教室、多媒體網(wǎng)絡(luò)教室上實(shí)現(xiàn)同步屏幕廣播教學(xué)、多媒體音視頻教學(xué)、教師和學(xué)生互動(dòng)教學(xué)、屏幕監(jiān)視、電腦的集中控制與管理等諸多功能。其發(fā)展已超過(guò)10年，屬于針對(duì)PC教學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，國(guó)外產(chǎn)品如NetSupportSchool、Impero、LanSchool等，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品如紅蜘蛛、極域、藍(lán)創(chuàng)、凌波、博智、金碟等。上述各產(chǎn)品以PC時(shí)代架構(gòu)過(guò)渡到云時(shí)代已是捉襟見(jiàn)肘，傳統(tǒng)的架構(gòu)不能適應(yīng)云桌面下的教學(xué)管理。若在云計(jì)算環(huán)境下仍沿用傳統(tǒng)兩端模式的部署，將導(dǎo)致媒體流的二次轉(zhuǎn)發(fā)和二次編解碼，不僅耗費(fèi)雙倍網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算資源，影響云計(jì)算環(huán)境的擴(kuò)展性，而且?guī)?lái)的質(zhì)量劣化和時(shí)延增加，將不可避免地影響用戶體驗(yàn)。因此，教學(xué)互動(dòng)也需要針對(duì)云計(jì)算環(huán)境進(jìn)行架構(gòu)的變革。

2 基于VDI技術(shù)的兩端教學(xué)系統(tǒng)

VDI（Virtual Desktop Infrastructure，虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)）技術(shù)中，學(xué)生終端通過(guò)遠(yuǎn)程連接上虛擬機(jī)，學(xué)生在使用機(jī)器時(shí)直接操作的是虛擬桌面，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和使用軟件等所需消耗的計(jì)算資源全部由虛擬機(jī)提供，這樣使得學(xué)生可以不依賴于特定的計(jì)算機(jī)終端，只要能連接局域網(wǎng)，便可獲取自己的操作系統(tǒng)環(huán)境；另一方面，服務(wù)器可對(duì)虛擬機(jī)資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，因此能夠有效滿足學(xué)生對(duì)存儲(chǔ)資源和計(jì)算資源的隨機(jī)需求，較大程度地節(jié)省了資源預(yù)分配過(guò)大造成的浪費(fèi)。

在傳統(tǒng)的VDI技術(shù)中，學(xué)生端軟件安裝在虛擬機(jī)上，處理流程中服務(wù)器的每個(gè)虛擬機(jī)均需對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這樣服務(wù)器側(cè)的CPU和內(nèi)存資源會(huì)消耗巨大，即服務(wù)器側(cè)的負(fù)載較大，承載虛擬機(jī)的Hyper-V會(huì)因資源消耗過(guò)多而無(wú)法正常運(yùn)行。

3 虛擬化技術(shù)與終端融合的教學(xué)控制系統(tǒng)

3.1 總體架構(gòu)

面向云環(huán)境下的教學(xué)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循多媒體流始終點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和一次編解碼。系統(tǒng)具體由以下組件構(gòu)成：

（1）教學(xué)控制系統(tǒng)-教師機(jī)：部署在教師側(cè)電腦中，是整個(gè)教室管理的中心，負(fù)責(zé)發(fā)起屏幕廣播、視頻廣播、屏幕監(jiān)控、屏幕鎖定、同屏共控、討論交流、測(cè)試問(wèn)答、收集作業(yè)、舉手通知和學(xué)生廣播指令等功能；

（2）教學(xué)控制系統(tǒng)-云終端：部署在云終端中，是教室管理的啞終端，負(fù)責(zé)接收教師端的指令，配合教師端執(zhí)行屏幕廣播、視頻廣播、屏幕監(jiān)控、屏幕鎖定和學(xué)生廣播的接收等功能；

（3）教學(xué)控制系統(tǒng)-云桌面：部署在云桌面中，是教室管理的學(xué)生互動(dòng)端，除配合教師端執(zhí)行同屏共控和學(xué)生廣播的發(fā)起等功能以外，學(xué)生還可操作其舉手、討論交流、測(cè)試問(wèn)答和提交作業(yè)等功能。

在教師PC端安裝教學(xué)控制系統(tǒng)-教師機(jī)軟件，每個(gè)學(xué)生云終端與一個(gè)云桌面連接，分別部署教學(xué)控制系統(tǒng)-云終端和教學(xué)控制系統(tǒng)-云桌面，并一一綁定。教學(xué)控制系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示：

3.2 系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)包含教學(xué)軟件的教師端和學(xué)生端、終端操作系統(tǒng)、云桌面系統(tǒng)，其涉及的硬件單元如下：

（1）云主機(jī)：作為集中部署的硬件單元，采用高性能、高擴(kuò)展性、高穩(wěn)定性和長(zhǎng)生命周期的服務(wù)器，作為云桌面所需vCPU、vRAM、vDisk、vNet和vGPU的最終供應(yīng)者；

（2）云終端：作為大規(guī)模部署的硬件單元，采用低功耗、低故障的精簡(jiǎn)PC，灌制定制化、高安全的操作系統(tǒng)，充分挖掘其處理芯片的硬件加速能力，實(shí)現(xiàn)云終端低配高效能。

（3）教師機(jī)：作為教師的操作控制臺(tái)，除實(shí)現(xiàn)課程選擇之后的云桌面推送到所有云終端以外，還作為教學(xué)管理的中央控制器運(yùn)行各類(lèi)教學(xué)軟件以及教學(xué)管理軟件。

（4）交換機(jī)：作為各方交互的數(shù)據(jù)鏈路載體，提供多端口高背板帶寬。

3.3 控制系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)具體如下：

（1）教師機(jī)開(kāi)啟，從Web管理界面讀取云終端和云桌面的對(duì)應(yīng)關(guān)系存入數(shù)據(jù)庫(kù)中；

（2）當(dāng)教師機(jī)發(fā)送指令給指定的單個(gè)或部分學(xué)生時(shí)，若判斷指令為消息類(lèi)指令，如討論交流、文件收發(fā)等，則將指令發(fā)送至云桌面；

（3）若判斷指令為視頻圖像類(lèi)指令，如屏幕廣播、視頻廣播、屏幕鎖定，則將指令發(fā)送至學(xué)生云終端處理，從而達(dá)到教師機(jī)、云終端、云桌面三端分離的效果。在教師端和學(xué)生端軟件中，實(shí)現(xiàn)具體的通道建立和媒體流處理。

教學(xué)控制系統(tǒng)的三端功能分解如圖2所示。

本教學(xué)控制系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)，利用終端的資源對(duì)視頻圖像在本地機(jī)器上分別進(jìn)行處理，免受其他學(xué)生機(jī)的干擾。由于教學(xué)控制系統(tǒng)只占用終端資源，終端數(shù)目根據(jù)教室學(xué)生數(shù)目增加，可擴(kuò)展至多臺(tái)學(xué)生機(jī)；又因不占用過(guò)多虛擬機(jī)資源，視頻傳輸僅依賴于終端硬件，故傳輸質(zhì)量和速率將不受影響。系統(tǒng)健壯性良好，當(dāng)云桌面系統(tǒng)宕機(jī)時(shí)，廣播功能不受影響。

4 系統(tǒng)部署、測(cè)試與分析

在教師PC端安裝教師機(jī)軟件，每個(gè)虛擬機(jī)與一個(gè)終端連接，在終端PC1～PCn及其分別對(duì)應(yīng)的虛擬桌面VM1～VMn安裝學(xué)生機(jī)軟件。具體如圖3所示：

下面采用Windows性能監(jiān)測(cè)工具，在兩端和三端的情況下，以屏幕廣播為例，對(duì)終端和虛擬機(jī)各自的帶寬占用情況進(jìn)行計(jì)數(shù)。

4.1 傳統(tǒng)的兩端部署測(cè)試

對(duì)于兩端部署的情況，教師端發(fā)送屏幕廣播指令由虛擬機(jī)執(zhí)行。如圖4所示，當(dāng)對(duì)1臺(tái)學(xué)生機(jī)Stu2進(jìn)行廣播時(shí)，監(jiān)測(cè)到對(duì)應(yīng)虛擬機(jī)所在云主機(jī)的帶寬數(shù)據(jù)由5萬(wàn)Bytes/s以下升至50萬(wàn)Bytes/s上下浮動(dòng)。

如圖5所示，當(dāng)對(duì)6臺(tái)學(xué)生機(jī)同時(shí)進(jìn)行屏幕廣播時(shí)，監(jiān)測(cè)服務(wù)器交換機(jī)所發(fā)出的總帶寬數(shù)據(jù)升至700萬(wàn)Bytes/s上下浮動(dòng)，說(shuō)明流量數(shù)據(jù)將成倍疊加到云主機(jī)，需要更多的服務(wù)器成本和維護(hù)成本。

4.2 三端融合部署測(cè)試

在三端部署的情況下，屏幕廣播操作將轉(zhuǎn)移至學(xué)生機(jī)終端執(zhí)行。如圖6所示，當(dāng)對(duì)Stu2單臺(tái)廣播時(shí)，檢測(cè)到Stu2終端接收帶寬數(shù)據(jù)在40萬(wàn)Bytes/s上下浮動(dòng)，與兩端模式下作用于虛擬機(jī)的數(shù)據(jù)相當(dāng)。

在上述情況下，停止對(duì)Stu2的廣播，開(kāi)始對(duì)6臺(tái)學(xué)生機(jī)同時(shí)進(jìn)行屏幕廣播時(shí)，Stu2的帶寬數(shù)據(jù)在停止廣播后下降至5萬(wàn)Bytes/s以下；當(dāng)重新收到廣播時(shí)，數(shù)據(jù)量回歸至40萬(wàn)Bytes/s附近。此時(shí)無(wú)論是對(duì)于1臺(tái)或者6臺(tái)廣播的情況，虛擬機(jī)的服務(wù)器帶寬情況保持穩(wěn)定水平5萬(wàn)Bytes/s以下，這表明三端模式下屏幕廣播作用在終端上而并不作用在服務(wù)器上，因此服務(wù)器的資源情況不受影響。具體如圖7所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的教學(xué)系統(tǒng)采用虛擬化技術(shù)與終端融合的方式，將對(duì)資源消耗較大的視頻圖像類(lèi)操作在學(xué)生云終端執(zhí)行，消息類(lèi)指令在學(xué)生云桌面端執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)可有效降低對(duì)服務(wù)器的資源占用，保證了視頻傳輸?shù)乃俾屎唾|(zhì)量；由于不占用云主機(jī)資源，降低了運(yùn)維成本，且具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性；即使云桌面系統(tǒng)宕機(jī)，廣播也不受影響。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的開(kāi)發(fā)和完善，系統(tǒng)已成功在大學(xué)和小學(xué)多媒體教室等試點(diǎn)運(yùn)行，功能也將得到進(jìn)一步優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1] Lombardi F， Pietro R D. Secure virtualization for cloud computing[J]. Journal of Network and Computer Applications， 2011，34（4）： 1113-1122.

[2] Behrend T S， Wiebe E N， London J， et al. Cloud computing adoption and usage in community colleges[J]. Behaviour & Information Technology， 2011，30（2）： 231-240.

[3] Ercan T. Effective use of cloud computing in educational institutions[J]. Procedia-

Social and Behavioral Sciences， 2010，2（2）： 938-942.

[4] Jeong J， Kim M， Yoo K， et al. A Content Oriented Smart Education System Based on Cloud Computing[J]. Multimedia and Ubiquitous Engineering， 2013，8（6）： 313-328.

[5] Sommerville I. Teaching cloud computing： a software engineering perspective[J]. Journal of Systems and Software， 2012，86（9）： 2330-2332.

[6] Palicherla A， Zhang T， Porter D E， et al. Teaching Virtualization by Building a Hypervisor[C]//Technical Symposium on Computer Science Education. New York： ACM Sigcse， 2015： 424-429.

[7] Pearce M， Zeadally S， Hunt R， et al. Virtualization： Issues， Security threats， and Solutions[J]. ACM Computing Surveys， 2013，45（2）： 1-39.

[8] Chrobak P. Implementation of Virtual Desktop Infrastructure in Academic Laboratories[C]//Federated Conference on Computer Science and Information Systems. Lodz： Springer， 2014： 1139-1146.

[9] Burd S D， Luo X， Seazzu A F， et al. Cloud-Based Virtual Computing Laboratories[C]//Hawaii International Conference on System Sciences. Manoa： University of Hawaii， 2013： 5079-5088.

[10] Calyam P， Patali R， Berryman A， et al. Utility-directed Resource Allocation in Virtual Desktop Clouds[J]. Computer Networks， 2011，55（18）： 4112-4130.

[11] 李梅，羅南林，蔡建軒. 基于VDI模式的桌面云管理平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)科學(xué)， 2015（S1）： 345-348.

[12] 黃東宇. 桌面虛擬化在高校計(jì)算中心管理中的應(yīng)用研究[J]. 信息系統(tǒng)工程， 2015（4）： 143-144.