基于云技術的虛擬化教學系統搭建與應用研究

鄭舟杰 郭志華 吳湘洪 趙國源

[摘 要] 隨著云技術的發展，將之應用于教學實踐中，并作為智慧校園建設的重要組成部分已成必然趨勢。借大數據發展理念，結合云技術、綜合管理平臺等軟硬件的前沿發展，搭建了虛擬化教學系統，通過云計算和虛擬技術，完成信息資源的集成和優化，共享云計算“資源池”。實現了桌面終端和應用環境的集中控制和管理、OS&AP以及個性化計算環境隨需分配，提高了系統的安全性、可靠性，解決了計算機教學中多系統、多應用帶來的困擾和管理難題，充分體現了先進、簡潔、靈活、高效、可靠、環保等特點。

[關 鍵 詞] 云技術；虛擬化；資源池；對象管理

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）35-0010-02

隨著信息技術的發展，桌面云改變了傳統的工作環境和信息系統部署方式，實現了對原本分散的眾多用戶桌面環境與數據的集中管理，使升級維護更高效、數據使用更安全、接入更靈活、業務處理能力更強、系統可靠性更高；人機分離，桌面的無縫切換，低溫無燥的綠色環保的實驗環境，更加適用于人群較集中的課堂教學。

一、研究意義

借大數據發展理念，結合云技術、綜合管理平臺等軟硬件的前沿發展，搭建了虛擬化教學系統，開展相關的研究、實施和推廣工作，對新技術在教學中的應用，具有較強的理論意見和現實意義：

（一）推進教育教學改革，提高辦學水平

對公共教學資源統一整合和管理，培養了一支掌握前沿技術的專業教師隊伍，有效推進教育教學改革，提高整體辦學水平。學生在使用中不斷增強對新技術的學習和了解，感受新技術帶來的變革，開闊了視野。

（二）提高教學業務連續性

虛擬資源架構中的虛擬機遷移服務、資源分配管理服務、高可用性服務可以很好地實現教學業務數據保護、高可用性以及災難恢復，做到桌面隨人走。

（三）資源開放共享，提高教學資源使用效益

保證資源應用實效性的同時，實現資源的最大共享，提高教學資源使用和管理效益。

（四）創新開放的計算機教學網絡管理架構

更輕松的教學環境建制、管理和維護；更快、更高效、個性化的教學環境調整，可以滿足多元化教學模式。

（五）集中部署減少維護

通過自動化管理流程，80%的維護工作將自動完成，不但減少了大量的維護工作量，還提供了迅捷的故障處理能力；在面臨各種認證考試、職業考試需要不同版本的操作系統以及應用軟件等復雜業務場景里，能完成便捷、快速的專業要求部署。

（六）示范引領作用

將當前信息化主流的、先進的技術應用到實際教學中，在一定范圍和區域內起到引領、示范作用，推動新技術在教學領域的應用和推廣。

二、理論依據

云計算（CloudComputing）是基于互聯網的相關服務的增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯網來提供動態易擴展且經常是虛擬化的資源。云技術發展至今已經非常成熟，具有以下特點：

（一）超大規模

“云”具有相當的規模，能賦予用戶前所未有的計算能力。

（二）虛擬化

云計算支持用戶在任意位置、使用各種終端獲取應用服務。所請求的資源來自“云”，而不是固定的有形的實體。

（三）高可靠性

“云”使用了數據多副本容錯、計算節點同構可互換等措施來保障服務的高可靠性，使用云計算比使用本地計算機可靠。

（四）通用性

云計算不針對特定的應用，在“云”的支撐下可以構造出千變萬化的應用，同一個“云”可以同時支撐不同的應用運行。

（五）高可擴展性

“云”的規模可以動態伸縮，能滿足應用和用戶規模增長的需要。

（六）按需服務

“云”是一個龐大的資源池，按需分配資源。

三、研究內容和目標

搭建“基于云技術的虛擬化教學系統”并應用于教學實踐中。以“學習、實訓、管理和服務”為主線，面向教學者、學習者、管理者3類用戶群體，提升教學水平，滿足學生自主式個性化學習需求，制訂基于對象管理的《基于云技術的虛擬化教學系統建設方案》。

為進一步提升教學條件，推進教育教學改革，提高辦學水平，實現統一集中管理，減少物理基礎架構成本和運營維護成本，應做到：（1）虛擬桌面系統支持安裝當前教學和實訓室所需的軟件程序及客戶端。（2）滿足學生和教師在任何時候任何地點登錄，都能訪問自己的桌面及用戶數據。（3）桌面資源可彈性擴展，按需為用戶分配虛擬桌面，虛擬桌面獨享且相互隔離，確保數據的安全性。（4）支持統一運維平臺，降低維護成本。（5）數據集中存儲，方便備份和恢復。（6）開發《云桌面實訓室網絡管理軟件》，并投入使用。

四、虛擬化教學系統設計要求

（一）設計要求

虛擬化教學系統主要由三個部分組成，前端是用戶終端，包括通常的顯示器、鼠標鍵盤以及虛擬化專用的瘦終端；中間是傳輸部分，即網絡系統；后端是服務端，包括計算資源、存儲資源、備份資源等。開發云桌面實訓室網絡管理軟件，與整個系統結合。實現桌面終端和應用環境的集中控制和管理、OS&AP以及個性化計算環境隨需分配，提高系統的安全性、可靠性，解決計算機教學中多系統、多應用帶來的困擾。

基于“對象管理”的、強大且理念先進的專用軟件平臺設計，可根據教師、專業、班級、語言、分組、座位、學生、考試或者實驗需要，任意切換的個性化教學環境，甚至可以做到讓共用機房的每個學生都有自己的專有學習系統、互不干擾，達到專屬教學、考試、學習和實驗環境的和諧統一。

（二）主要功能要求

桌面資源統一管理、維護；平臺集群化，提高了資料的利用率和可靠性；實現了網絡萬兆主干互聯，鏈路冗余負載；桌面系統與用戶文件存儲分離，系統存儲實現雙副本備份，用戶存儲采用Raid陣列保護；前端設備全部采用12V低壓安全供電，低耗環保系統功能實現前端瘦客戶機來電自啟，桌面資源定時開關機并自動還原；通過云桌面實訓室網絡管理軟件，實現虛擬桌面與個人文件夾單點登錄、網絡聯動認證（統一身份）；支持靈活擴展，為未來建設預留擴展性能及對接接口。

網絡方面采用UCS-SPL-FI48P控制矩陣，數據中心服務器與核心網絡交換采用萬兆網絡冗余互聯設計，核心網絡到匯聚網絡采用萬兆網絡冗余互聯設計，匯接到接入采用雙千兆網絡冗余互聯設計，接入采用百兆網絡互聯設計，網絡主干均實現冗余備份，負載分擔的性能效果。

前端設備均采用12V供電方式，保證低功耗的同時，可以有效避免因電力使用問題存在的師生人身安全風險。

（三）系統先進性

與同類成果相比，具有以下優勢和創新突破：

1.人機環境

實訓室的空間設計充分利用和體現了云桌面的簡潔性，改變了傳統機房的臃腫；同時考慮用電的安全性及可控性，設計了低壓直流集中供電。

2.基于對象的設計理念

針對對象流動性大、使用頻繁、應用環境多變等特點，結合統一身份驗證（LDAP），基于對象進行管理，采用虛擬化平臺靈活的身份驗證方式，對人的行為管理方面取得突破。

3.整體安全架構

為保障桌面云系統安全，系統采用了完整的安全架構，避免出現安全真空，強化了網絡隔離和虛擬化隔離，在安全架構層面主要采用了分層和縱深防御。

4.桌面資源靈活性

構建若干虛擬桌面池資源，將桌面按需索取動態調配分發給學生用戶。讓所有的用戶都能夠擁有標準化的教學桌面，同時擁有個性化的個人云存儲空間，實現教學資源共享。終端采用Android系統，具有很強的二次開發和擴展性。

五、實用性分析

云技術在教學實訓中的實踐應用，TCO（總擁有成本）大幅度降低35%；動態綠色節能設計，桌面云能耗降低30%；基于云平臺，IT系統的資源利用率提高65%。依托教育云龐大的規模效應，最大限度地實現教育資源的共享，實現教育資金社會效益的最大化。

基于云技術的虛擬化教學系統采用集中管理的新模式，有利于解決當前公共計算機實訓室的管理難題；桌面虛擬化技術的應用有利于學校緊跟技術發展腳步，樹立良好的社會形象，促進學校與企業的交流合作；桌面虛擬化技術主應用，進一步深化信息化建設，有利于走在技術前沿，在實踐中培養了一支技術領先、理念超前的專業團隊，并在工作中加以完善，探索出一條低成本、高效能的公共計算機實訓室建設和管理新新路徑；為各院校提供借鑒，也適合于企業、行政單位、圖書館等日常辦公、電子閱覽等，示范帶動相關新技術的廣泛應用。