基于華為桌面云的高校云教室的設計與應用

摘 ?要：桌面云技術與高校多媒體教室相結合，可以滿足課程教學、等級考試等重點需求，并解決傳統機房能耗高、管理效率低等問題。通過對主流桌面云架構及商業產品進行對比分析，選擇華為桌面云解決方案構建云教室具有實際應用價值。建立需求分析并在服務器集群上部署桌面云系統，使用桌面云平臺對云主機進行統一管理，教師與學生通過瘦終端接入即可使用云主機桌面。該方案為課堂教學提供了良好的環境，并有效保證數據安全、高效管理和智能運維。

關鍵詞：桌面云;虛擬化;終端接入

中圖分類號：TP39;G434 ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）13-0124-04

Design and Application of Cloud Classroom in Colleges and Universities Based on Huawei Desktop Cloud

ZHANG Peihao

（Nanjing Vocational University of Industry Technology， Nanjing ?210023， China）

Abstract： The combination of desktop cloud technology and multimedia classroom in colleges and universities can meet the key needs such as course teaching and grade examination， and solve the problems of high energy consumption and low management efficiency in traditional computer rooms. Through the comparative analysis of mainstream desktop cloud architecture and commercial products， choosing Huawei desktop cloud solution to build cloud classroom has practical application value. Establish demand analysis and deploy desktop cloud system on the server cluster. Use the desktop cloud platform to uniformly manage the cloud hosting. Teachers and students can use the cloud hosting desktop through thin terminal access. The scheme provides a good environment for classroom teaching and effectively ensures data security， efficient management and intelligent operation and maintenance.

Keywords： desktop cloud; virtualization; terminal access

0 ?引 ?言

全球教育行業的信息化浪潮下，使用傳統計算機構建多媒體教室逐漸凸顯出信息化管理人員缺乏、PC機資源利用率低、數據安全性低、維護成本高等一系列問題。高校多媒體教室承擔了各類教學、考務、培訓等需求，成為高校信息化建設的重點。隨著辦學規模不斷擴大，傳統多媒體教室資源受限的問題逐漸暴露[1]。越來越多的高校嘗試使用桌面云技術對計算資源進行統一管理和維護，將傳統的PC機教學模式轉變為桌面教學模式，在提供完整虛擬桌面服務和豐富教學軟件功能的同時，降低云教室的管理工作量。新型多媒體云教室具備資源集中化、管理智能化、維護簡單化等特點，可以為師生提供高效良好的教學體驗，在節省投資成本的同時，也契合國家提倡的教育公平、均衡化發展的戰略方針[2]。

1 ?桌面云概述

1.1 ?桌面云定義

桌面云是一種采用云計算技術提供虛擬桌面的服務，將用戶的計算機運行在云端的數據中心，用戶通過終端設備聯網即可登錄使用，用戶體驗與本地使用PC機保持一致。桌面云具有集中管理、安全可靠、節約成本、綠色節能等優勢。用戶可以突破時間、地點、終端、應用的限制，隨時隨地接入到云端桌面，有效解決遠程辦公、網絡授課等場景遇到的各種難題[3]。尤其在新冠疫情期間，高校采用網課模式授課時，學生在家上課無法接入學校內網環境做實驗，借助桌面云可以完美解決該難題。桌面云可以廣泛應用于高校業務場景并具有實際價值。

1.2 ?桌面云架構

目前桌面云的實現主要包括三種架構：虛擬桌面架構（Virtual DesktopInfrastructure， VDI）、智能桌面虛擬化（IntelligentDesktop Virtualization， IDV）以及虛擬操作系統架構（VirtualOperationSystemInfrastructure， VOI）。三種架構采用不同的實現方式，并適用于特定的應用場景：（1）VDI架構：所有桌面以虛擬機的形式運行在服務器上，桌面以圖像傳輸的方式發送到客戶端顯示。該架構在桌面云領域廣泛應用，對服務器資源、網絡帶寬等要求比較高，適用于具備獨立數據中心的機構組織和大規模用戶日常使用的場景，例如大型企業辦公、大學的教室和電子閱覽室等[4]。（2）IDV架構：服務器端僅存儲桌面鏡像，客戶端從服務端下載鏡像并在本地虛擬化系統上運行桌面。該架構要求客戶端具備虛擬化能力且硬件必須統一，在性能和兼容性等方面接近傳統PC機，適用于中小型企業研發的場景，例如專業繪圖、個人辦公等[5]。（3）VOI架構：服務器端僅存儲系統鏡像、驅動以及其他配置文件，客戶端先從服務器端獲取操作系統的啟動數據，再逐步獲取完整的操作系統數據。該架構最大優勢在于取消了虛擬化層，從而集中管理系統鏡像和數據，并最大化的使用本地資源，適用于局域網管理的場景，例如無盤工作站、醫院自助設備等[6]。

以上三種架構各具特點，基于VDI架構的桌面云在簡化管理、數據安全、降本增效、綠色節能等維度具備顯著優勢。因此，VDI架構比其他兩種架構更適用于高校業務場景。

1.3 ?華為桌面云解決方案

目前基于VDI架構的主流桌面云解決方案包括：思杰XenDesktop、VMwareHorizon、華為FusionAccess等。思杰和VMware的桌面云產品基于自研協議開發，具備較好的終端用戶數字化工作空間體驗，但通常將軟件與硬件捆綁銷售，高昂的軟件授權費對于高校來說是很大的開支。華為FusionAccess基于華為自研開發的虛擬桌面傳輸協議，具有文字與圖像顯示更清晰細致、視頻播放更清晰流暢、聲音音質更真實飽滿、兼容性更好、帶寬低等特點，且授權費低于思杰和VMware[7]。

華為桌面云解決方案通過前后端軟硬件深度融合提供極致體驗，并具有清晰的分層結構：在底層使用通用的服務器、存儲、網絡等硬件設備;在虛擬化層部署華為自研的桌面云系統FusionAccess用于發放和管理桌面;在用戶層通過各種終端設備接入使用桌面[8]。華為桌面云解決方案邏輯結構如圖1所示。

高校部署云教室時選擇華為FusionAccess桌面云解決方案的重點優勢有：（1）部署方案靈活，支持區域集中建設、校園集中建設、單教室建設方案，打破地理位置對學校獲取資源能力的限制，為教職工和學生提供流暢的體驗。（2）采用業界領先的高清保真桌面協議，聯合華為存儲硬件和極域、紅蜘蛛等教學軟件廠商，為教師提供豐富多樣的教學軟件，使教學活動簡便易行，有利于開展多樣化教學。（3）數據中心負責桌面資源的集中部署，實現統一運維和彈性調度，并支持系統高可用和故障快速恢復，提供智能診斷平臺，實現精準快速定位問題根源，節約故障查找成本[9]。

綜上，華為桌面云解決方案具有功能豐富、穩定性高、占用資源少、成本低、部署簡單等優點。選擇該方案構建高校云教室，更符合高校信息化建設的需求。

2 ?云教室需求分析

云教室是一種利用桌面云技術，為學校教學辦公提供IT資源的整體解決方案。該方案服務端使用數據中心的服務器集群，客戶端則采用綠色節能的云終端。教師和學生通過云終端即可使用集中部署于數據中心的桌面云主機，用戶體驗與PC機一致。通過這種方式，學校的辦公室、實驗室的計算資源都可以放在云端進行統一部署和管理，實現教學資源處處通。云教室提供可隨時隨地訪問的個性化教學環境，提升運維管理效率并降低總體擁有成本，有效保障教育信息化的可持續發展。云教室具備集中管控、資源快速發放與回收、低功耗等優勢。以南京工業職業技術大學計算機學院為例，早期一個標準的多媒體教室配備50臺PC機，這些設備占用了大量空間并增加了布線復雜度。每臺PC上通常安裝多個系統，例如課程系統、考務系統等，每次計算機等級考試需要監考教師手動還原系統，增加運維的工作量。為了提升學校的信息化建設水平，提高運維效率，促進課堂教學，本次云教室建設項目核心需求如下：（1）桌面軟件快速更新。高校課程對應的軟件通常需要定期更新，任課教師對課程軟件的需求也具有個性化的特點，傳統的逐臺機器升級的方式在大規模機器場景下毫無效率可言。桌面云通常根據課程模板進行桌面的批量發布，做到更新模板即更新桌面，即管理員更新模板并重新發布后，該模板對應的所有桌面的軟件均完成更新。（2）保證用戶使用體驗。桌面云需要具備流暢的使用性能，并在用戶體驗上與PC基本一致。學生和教師平時比較習慣臺式機或筆記本的基本操作，引入桌面云替代傳統PC后不應額外增加使用者的學習成本。桌面云的基本操作包括開關機、重啟、聯網、外接設備等，要求具備良好的外設兼容性，讓用戶可以使用U盤、打印機、攝像頭、麥克風等外設。（3）保證可靠性。桌面云運行在數據中心的服務器上，而非運行在云教室的客戶端上，客戶端通過網絡從服務器獲取云主機的桌面圖像并呈現在云教室的用戶側。因此服務器和網絡的可靠性對云教室的穩定運行至關重要，通常會對服務器和網絡設備做高可用設置，預防單點故障造成的影響。（4）終端管理零維護。PC若保持長期運行會出現卡頓或死機等現象，用戶必須手動重啟才能恢復正常，終端運維工作量巨大。桌面云主機長期運行同樣存在該現象，但可以通過自動化方式解決。對于運維管理，可以在桌面云管理平臺設定桌面電源策略，例如每天凌晨自動重啟、節假日自動關機、工作日自動開機等。通過設置自動化策略，可以避免桌面故障，減少用戶開關機的操作，提升用戶的使用體驗。

3 ?云教室的設計與實現

3.1 ?硬件規劃設計

南京工業職業技術大學計算機學院于2017年構建基于華為FusionAccess桌面云的生產環境，該環境應用于教學區的多個云教室并穩定運行。本文以建設一個包含50個用戶的標準云教室為例進行介紹，使用3臺服務器搭建桌面云平臺。桌面云平臺硬件資源使用通用的x86服務器、交換機和路由器即可，服務器組網后在上層安裝虛擬化系統和搭建桌面云平臺。單臺服務器硬件的關鍵配置如下：2顆Intel Xeon E5-2620處理器，128 GB內存，1塊600 GB SAS盤用作系統盤，4塊1 TB固態硬盤用作數據盤，3塊千兆網卡（分別對應管理、業務及存儲平面）。云教室硬件組網的規劃設計如圖2所示。

在數據中心區域，使用3臺服務器連接交換機進行組網，構成計算集群。在教室區域，每個教室的50個云終端連接交換機完成組網。數據中心交換機與教室交換機連通，并上聯到數據中心的路由器，該路由器可實現校園網與數據中心桌面云環境的互通，即學生在宿舍也可以使用桌面云，實現隨時接入。

3.2 ?軟件架構設計

云教室建設的重點在于服務端軟件架構，一個完整的桌面云架構通常包括虛擬化系統、桌面云系統、域控制器以及業務桌面。華為桌面云采用分層架構，各層協同工作。底層使用華為自研虛擬化系統FusionCompute，用于將服務器的硬件資源抽象成虛擬化的資源池提供給上層使用。上層創建2臺虛擬機分別部署FusionAccess桌面云系統和Windows域控制器。其中FusionAccess桌面云系統由多個組件構成，主要包括桌面控制器、數據庫、用戶接入界面、負載均衡器等。Windows域控制器基于WindowsServer部署服務，用于管理用戶權限和桌面設備等。FusionAccess桌面云系統需要與Windows域控制器對接，協同完成桌面發放的任務。最終，業務桌面通過終端供用戶使用。云教室軟件架構設計如圖3所示。

3.3 ?方案實現

3.3.1 ?安裝虛擬化系統

虛擬化系統用于將服務器的硬件資源抽象成邏輯資源池，為上層用戶提供計算、網絡和存儲資源。3臺服務器均安裝華為FusionCompute 6.3版本的虛擬化系統，將系統安裝到服務器的第一塊硬盤，并根據數據中心的物理網絡環境為第一塊網卡配置網絡信息，最后將3臺服務器添加到同一集群中進行統一管理。若需要預防單點故障并提高集群穩定性，可以使用共享存儲或分布式存儲。

3.3.2 ?部署域控制器

域控制器用于存儲用戶環境中的域賬戶、計算機設備等資源信息，并為用戶環境提供賬號鑒權、域名解析、動態分配IP地址等基礎服務。基于虛擬化系統創建一臺WindowsServer 2019版本的虛擬機，在該虛擬機上安裝活動目錄（ActiveDirectory， AD）、域名系統（Domain Name System， DNS）、動態主機配置協議（Dynamic Host Configuration Protocol， DHCP）等服務。域控制器將教學區視為一個獨立的域，管理員在該域中為教師和學生創建域賬號，該域中所有桌面用戶和桌面計算機均由該域控制器統一管理，增強了系統的安全性。

3.3.3 ?部署桌面云系統

桌面云系統用于發放用戶桌面并進行運維管理?；谔摂M化系統創建一臺華為FusionAccess 6.3版本的桌面云管理虛擬機，該虛擬機內部運行數據庫、桌面控制器、用戶接入界面等桌面云組件，采用華為桌面協議將用戶安全連接至虛擬桌面。管理員通過FusionAccess桌面云系統提供的管理平臺完成桌面云的管理、調配和部署等任務。若需要提高管理平臺的穩定性，可以再發放一臺桌面云管理虛擬機，兩者形成主備模式。

以上步驟完成后即完成云教室的搭建工作，管理員根據授課教師的需求制作對應的課程虛擬機模板，基于模板實現業務桌面的批量發放，桌面管理更高效。教師和學生使用域賬號登錄云終端即可使用個人桌面。只要網絡可訪問，用戶就可以在校園的任何區域通過各種類型的終端去訪問位于數據中心服務器上的個人桌面，讓用戶的訪問方式變得更靈活。

4 ?云教室的應用

4.1 ?教學場景

云教室為教學場景提供了豐富的功能支持，包括軟件批量更新、桌面一鍵還原、師生桌面共享和個人網盤等。云教室使用卡片大小的云終端代替傳統的物理PC機，學生與教師使用的桌面來源于數據中心的服務器資源。師生可以通過云桌面進行互動，體驗桌面云給課堂引入的科技感和趣味性。

課前，授課教師將課程的軟件需求告知管理員，管理員制作課程模板并基于模板快速發放桌面虛擬機，教室內的所有桌面立即切換到該課程環境。課中，教師與學生使用管理員分配的個人域賬號登錄桌面，教師可以將自己的課程資料共享到學生桌面，學生可以將個人數據保存到域賬號所屬的網盤，實現個人數據的持久化，便于下次課程繼續使用。課后，系統根據課表自動將桌面切換至對應的課程桌面，便于不同課程的學生使用。教學場景界面如圖4所示。

4.2 ?考試場景

云教室可以承擔各種考試需求，例如全國計算機等級考試、行業競賽上機考試等。在傳統機房安排考試時，每場考試均需要管理員在機器的考試模式與教學模式之間頻繁手動切換，這種方式不靈活且耗費大量時間。云教室可以滿足一考試一系統的考試要求，并且避免同一系統中安裝多種考試軟件導致考試沖突的情形。

考前準備階段，管理員選擇對應考試的模板并發布，云教室的所有終端立即切換到對應的考試桌面，實現了一個教室承擔多門考試的需求。考試進行階段，考生使用的云終端本地不保留任何數據，并且禁用USB設備防止考生將試題外泄?？荚囘^程中的數據均由數據中心的桌面云服務器統一存儲及備份，有效保證考試的數據安全性?？荚嚱Y束階段，管理員在桌面云管理平臺一鍵切換系統即可更新云教室的所有終端。

5 ?結 ?論

基于桌面云的云教室具備易于部署、管理維護簡便、綠色節能、數據高安全性等優點，并支持高校的各種應用場景，可以為高校課程建設提供良好的基礎教學環境，從而打造新型信息化教育模式。在此基礎上，將繼續研究桌面云vGPU（Virtual GPU）顯卡虛擬化技術，進一步探索桌面云技術在工業制圖及人工智能等領域的應用與創新。

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作者簡介：張沛昊（1987—），男，漢族，江蘇無錫人，助教，碩士，研究方向：計算機網絡、云計算技術與應用。