基于云桌面技術的計算機實驗室應用研究

鄧文鋒

摘要：高校傳統計算機實驗室建設已觸碰到了瓶頸，云桌面技術的出現恰到好處地破解傳統計算機實驗室發展的困境，該文分析了傳統計算機實驗室的現狀，探究了云桌面技術的優勢，分析了不同虛擬化技術架構模式，提出了不同應用場景下的云桌面技術架構選擇方案。

關鍵詞：計算機實驗室;云桌面;虛擬化技術

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）13-0200-02

為實現國家教育信息化規劃目標，著重解決國家教育信息化全局性、基礎性、領域共享重大問題，教育部早在2012年3月發布了《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》，《規劃》明確提出了充分整合和利用各級各類教育機構的信息基礎設施，建設覆蓋全國、分布合理、開放開源的基礎云環境，支撐形成云基礎平臺、云資源平臺和云教育管理服務平臺的層級架構。高校作為高等教育在國民教育中處于首要位置，是先進技術研發和應用的首先場所，對推動國家教育信息化有著至關重要的作用。計算機實驗室信息化建設水平是高校信息化水平的重要體現，現有的大部分計算機實驗室建設和管理模式已逐漸不適應信息化要求和難于滿足教學科研、實驗實訓的需求，其不足日顯突出，利用新技術加快實驗室革新，以提升高校計算機實驗室信息化水平。

1 傳統計算機實驗室現狀分析

2020年5月教育部發布的《2019年全國教育事業發展統計公報》數據顯示，教學科研儀器設備總值6095.08億元，比2018年增加562.02億元。高校在硬件設施建設的投入不斷提高，加上近幾年計算機技術的發展，高校計算機實驗室在這次機遇中得到了快速發展，先進的計算機技術逐漸應用在實驗室中，實驗室的數量和硬件配置都得到了很大的提升。但是隨著計算機實驗室數量增加和設備不斷升級，在后期的管理上出現了諸多弊端。

1.1 管理維護困難

由于計算機的采購批次和數量不同，實驗室里出現機型眾多，配置參差不齊，難于集中統一管理，兼容性也越來越差;計算機實驗室不僅要滿足教學、科研和實踐應用的差異化需求，還要滿足各類機考（計算機、英語等級考試）的要求，計算機上同時裝配多個系統和應用程序，裝配耗時和容易沖突;實驗室一般通過局域網搭建網絡，師生訪問外網及使用移動存儲設備極易使計算機感染病毒，病毒極易網內互相傳播，嚴重時致使實驗室設備整體癱瘓;安裝有保護卡的計算機雖可以快速恢復系統和應用軟件，但大大限制了個性化需求，也使每一次增配或升級時，需花大量精力制作“母機”并進行拷貝傳輸。

1.2 升級成本巨大

以筆者所在學校為例，實驗室的計算機過了維保期后，故障率就會明顯升高且難于維修，傳統計算機的生命周期五年左右時間，淘汰換代耗費的資金較大。近幾年來，隨著計算機技術迅猛發展，硬件配置越來越高，軟件更新迭代越來越快，前沿課程和新版軟件對計算機的整體性能要求不斷提高，頻繁的教學應用軟件環境的部署、升級和切換，要求實驗室的計算機配置需要與之匹配，以保證教學科研實訓的正常開展。

1.3 用戶體驗性差

計算機課程多需要在實驗室進行設計和測試等，良好的用戶體驗能夠促進教學質量的提高。但因諸多因素，同一實驗室也會出現不同配置的計算機，系統臃腫導致運行緩慢、不穩定，應用軟件版本更新遲緩，網絡擁堵等問題，同時不能提供個性化的應用環境和保存本地實驗數據，更不用說提供遠程網絡實驗和資源共享了。以上問題直接影響師生在實驗室的使用效果和導致課后資源的嚴重浪費。

2 云技術分析

2.1 云計算

2006年谷歌首席執行官埃里克·施密特在搜索引擎大會首次提出“云計算”（Cloud Computing）。美國國家標準與技術研究院（NIST）定義：云計算是一種按使用量付費的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網絡訪問，進入可配置的計算資源共享池，這些資源能夠被快速提供，只需投入很少的管理工作，或與服務供應商進行很少的交互。工業和信息化部電信研究院（現為中國信息通信研究院）在2012年發布的《云計算白皮書（2012年）》中定義：云計算是一種通過網絡統一組織和靈活調用各種ICT信息資源，實現大規模計算的信息處理方式。

2.2 云桌面

云桌面技術是基于云計算技術應用的一種服務技術，其利用服務器集群部署策略，通過虛擬化技術將各種應用程序和數據匯集到云平臺中，用戶可借助網絡在云平臺中各取所需，而不用考慮系統的硬件配置、軟件安裝以及數據計算和存儲的問題，從而實現了客戶端的輕量化。

2.3 云桌面的優缺點

云桌面實驗室是通過云計算技術全面革新了計算機實驗室的建設模式，云桌面實驗室在架構、性能和能耗等方面與傳統相比有突出的優勢，但也存在技術上的不足。

2.3.1 架構對比

在設備部署管理上，多個機房的設備部署起來復雜，且網絡繁多，管理需要耗費大量的人力，云桌面實驗室客戶端僅有顯示器和接收盒，接收盒采用模塊化，幾乎不用維護，省下了大量的人力物力。在系統資源管理上，傳統實驗室的設備基本是固定配置，升級困難，資源也無法共享，而云桌面實驗室可以按需分配，彈性分配硬件和網絡資源，使資源利用達到最大化。

2.3.2 性能對比

云桌面實驗室客戶端性能主要由服務器和網絡性能決定，相對傳統計算機實驗室，性能優勢主要體現在：一是集中方便的WEB后臺管理方式，實現“單點”管理向“整面”管理轉變，可以節約管理大量的人力和時間成本;二是采用鏈接克隆技術使系統環境部署能夠快速完成，系統環境升級能夠一鍵操作;三是系統資源實現共享共分、靈活分配;四是移動桌面使用戶使用不受時空限制，實現用戶桌面、軟件、數據統一;五是硬件擴展僅針對服務器，升級更加方便快捷;六是在安全防護上，僅需做好服務器和交換機端的病毒防范，不用擔心用戶端的病毒感染。

2.3.3 能耗對比

以100臺終端的實驗室為例，每天按8小時的使用時間計算，傳統實驗室每天的耗電量約為240KW，云桌面實驗室每天的耗電量約為40KW（其中終端耗電量約為12KW，服務器端按24小時計算耗電量約為28KW），傳統實驗室的耗電量約是云桌面實驗室的六倍。由此可見，云桌面實驗室的能耗遠低于傳統實驗室，能夠大大減輕實驗室的運行成本，同時達到節能減排效果。

2.3.4 存在不足

云桌面技術的應用主要依賴于服務器和網絡，因此對服務器和網絡資源要求大和高，服務器資源不足、網絡不穩定等都會直接影響云桌面的使用。此外，云端服務器對圖形圖像的處理能力不強，如對圖形化要求高，則還需配置GPU服務器，性能高端的顯卡昂貴，投入成本高。

3 云桌面在計算機實驗室應用

3.1 虛擬化技術

虛擬化技術是為了整合和共享計算機資源的一種計算機技術應用方案，云計算就是虛擬化技術的一種典型應用。虛擬化技術最早是由IBM公司為了充分利用大型計算機資源而研發的一種技術。經過多年技術的迭代和應用，該技術越來越成熟，應用場景及行業也越來越廣泛。其中，云計算就是利用該技術，將集中的服務器集群進行資源整合和池化，再按終端需求進行統一分配和管理，最終通過網絡傳輸以桌面化形式顯示在終端。

3.2 虛擬化技術架構

移動辦公需求推動了虛擬化技術在云桌面中的應用，云桌面技術近幾年在高校信息化建設中開始廣泛應用，其突出的優勢恰好能夠解決困擾計算機實驗室建設多年的使用需求復雜、運維繁重和擴容升級困難等問題。當前，主流云桌面技術構架主要包括：VDI、IDV和VOI。

3.2.1 VDI 架構

VDI（Virtual Desktop Infrastructure，虛擬桌面基礎架構）是桌面虛擬化最初的架構模式，也是目前桌面虛擬化的主流模式。這種架構將管理和運算集中在服務器端，對服務器性能和網絡質量要求較高，而客戶端則實現輕量化。

3.2.2 IDV架構

IDV（Intelligent Desktop Virtualization，智能桌面虛擬化架構）是服務器端集中管理，客戶端分布運算的桌面虛擬化技術，它充分利用客戶端資源運行虛擬桌面，從而減輕了服務器端的負擔，但要求客戶端需要相同配置來支持。

3.2.3 VOI架構

VOI（Virtual Operating-system Infrastructure，虛擬操作系統基礎架構）是IDV架構上的一種優化模式，都屬于“胖終端”，客戶端需要配置齊全的硬件來支持從服務器上下載的操作系統鏡像和應用程序，與傳統計算機的使用體驗相差無幾，對服務器性能要求不高，但需要客戶端有較好的數據和圖像等處理能力。

3.3 云桌面技術架構選用

就高校而言，計算機實驗室承擔著不同的教學、科研和考試等任務，針對不同的需求，不同的應用場景應采用不同的云桌面解決方案，以達到資金投入最合理、資源利用最充分以及運行維護最便捷。

VDI架構方案對服務器和網絡的要求較高，且需專業的運維隊伍，前期投入較大，后期升級管理方便，適合對計算機運算性能不高、圖像處理要求不高、應用環境單一以及需實現移動訪問需求的實驗室場景;IDV架構方案對客戶端硬件要求較高，需要客戶端配置統一且支持虛擬環境，對服務器的要求則不高，適合資金投入較少，數量較少的實驗室場景;VOI架構方案是“胖終端”，需要客戶端設備支持，可對實驗室原有設備充分利舊，適合用戶個性化需求高、無移動訪問需求，運算和圖像處理性能較強的實驗室場景。

4 結束語

高校計算機實驗室通常要完成教學、科研和實訓等任務，不同任務需要的設備配置和性能又不盡相同，多場景和多應用是計算機實驗室建設的基本需求，而各種云桌面技術架構均存在不同短板，綜合考慮建設成本、舊設備利用、設備兼容、師生體驗等因素，可嘗試融合各種架構的功能優勢，通過云服務器實施資源統一調度，根據資源池負載情況，為不同需求進行分配，讓系統資源充分利用。例如，對于公共計算機實驗室建設選用VDI 技術構架，對于專業計算機實驗室建設選用VOI 技術構架，各子網匯集在云平臺上，用戶根據需求在云平臺中選用不同架構，實現云桌面架構之間的靈活切換。

參考文獻：

[1] 祝智庭，楊志和.云技術給中國教育信息化帶來的機遇與挑戰[J].中國電化教育，2012（10）：1-6.

[2] 金彪，鄭小建，姚志強，等.桌面虛擬化與計算機實驗室管理[J].實驗技術與管理，2014，31（2）：85-88.

[3] 毋妙麗.基于云桌面技術的實驗室資源共享平臺建設[J].實驗室研究與探索，2014，33（12）：290-294.

[4] 任學剛，彭熒熒.基于IDV的高校計算機實驗室建設[J].實驗科學與技術，2018，16（5）：193-197.

[5] Vaquero L M，Rodero-Merino L，Caceres J，et al.A break in the clouds[J].ACM SIGCOMM Computer Communication Review，2008，39（1）：50-55.

[6] 何晉浙，徐靜波.高校實驗室資源共享機制的探索與研究[J].實驗室科學，2010，13（6）：132-135.

[7] 吳湘寧，羅勛鶴，劉遠興，等.高校云桌面計算機實驗室方案選擇與設計[J].實驗技術與管理，2020，37（6）：19-23.

[8] 宋一兵.兩種桌面虛擬化架構比較研究與應用探討[J].青島大學學報（自然科學版），2018，31（3）：52-56.

[9] 宮宇.基于IDV架構的云桌面實驗室運維管理實踐[J].中國管理信息化，2020，23（17）：191-192.

[10] 焦文歡，馮興杰.基于云桌面的實驗室虛擬化管理與應用[J].實驗技術與管理，2019，36（9）：250-253，271.

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