云桌面技術(shù)在高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探究

摘要：為了加快高校信息化建設(shè)，加大醫(yī)工復(fù)合型人才培養(yǎng)力度，本文針對(duì)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室在傳統(tǒng)單機(jī)管理模式下出現(xiàn)的問題，提出了云桌面技術(shù)解決方案，搭建了一套用于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和個(gè)性化學(xué)習(xí)的云桌面系統(tǒng)。該系統(tǒng)提升了實(shí)驗(yàn)室的管理效率和服務(wù)力度，改進(jìn)了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提高了學(xué)生的信息化素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：云桌面技術(shù)；VDI架構(gòu)；計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)

中圖分類號(hào)：G434"文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"論文編號(hào)：1674-2117（2025）02-0098-06

引言

隨著高校信息化建設(shè)的不斷推進(jìn)，高校對(duì)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備性能以及實(shí)驗(yàn)室管理水平的要求也越來越高。筆者所在學(xué)校生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室（以下簡(jiǎn)稱“實(shí)驗(yàn)室”）是學(xué)校信息化類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)基地，由于實(shí)驗(yàn)室多元化需求增多、實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)重，實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)了單機(jī)負(fù)載重、管理煩瑣、維護(hù)效率低下等問題。[1]同時(shí)，在“新工科”[2]背景下，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)（以下簡(jiǎn)稱“生工專業(yè)”）作為筆者所在學(xué)校具有代表性的交叉性學(xué)科[3]，對(duì)學(xué)生信息化素養(yǎng)的培養(yǎng)更是加大力度，但由于受到有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和單機(jī)固定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境限制，傳統(tǒng)的單機(jī)管理模式已經(jīng)不能更好地滿足生工專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和個(gè)性化學(xué)習(xí)需求。

近幾年，云桌面技術(shù)在高校得到廣泛應(yīng)用[4-7]，其將物理資源映射為邏輯的虛擬資源，對(duì)計(jì)算機(jī)桌面環(huán)境進(jìn)行虛擬化，使用戶在終端訪問云桌面時(shí)桌面與訪問單機(jī)環(huán)境的桌面一致。同時(shí)，云桌面技術(shù)具有資源集中管理、共享和虛擬桌面的快速部署[8-9]等特點(diǎn)，可提高桌面使用的安全性以及靈活性。

結(jié)合云桌面技術(shù)特點(diǎn)，針對(duì)當(dāng)前傳統(tǒng)的單機(jī)管理模式在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中出現(xiàn)的問題，筆者所在學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一套基于云桌面技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，既滿足了生工專業(yè)的醫(yī)工復(fù)合型人才的培養(yǎng)需求，又為計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)開辟了有效途徑。

云桌面虛擬化架構(gòu)

目前，云桌面系統(tǒng)中常見的桌面虛擬化架構(gòu)有虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)（VirtualDesktopinfrastructure，VDI）、虛擬操作系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)（VirtualOperatingsysteminfrastructure，VOI）、智能桌面虛擬化（IntelligentDesktopVirtualization，IDV）等。[10]VDI采用了集中存儲(chǔ)和集中計(jì)算的架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)硬件資源的統(tǒng)一管理和彈性分配，且能夠高效利用硬件資源。[11]因?yàn)橛?jì)算和管理都集中在服務(wù)器端，VDI的終端不運(yùn)行計(jì)算軟件也不存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，所以VDI對(duì)服務(wù)器端配置要求較高，但對(duì)終端配置要求低，同時(shí)，VDI可支持多終端硬件設(shè)備訪問云桌面。VOI采用服務(wù)器端集中存儲(chǔ)、終端分布式計(jì)算的架構(gòu)。[12]VOI將計(jì)算功能遷移到終端，因此對(duì)客戶端的硬件配置要求較高，同時(shí)在使用云桌面系統(tǒng)時(shí)，需將鏡像下載到終端才可使用，所以虛擬桌面部署速度慢于VDI。IDV也是采用服務(wù)器端集中存儲(chǔ)、終端計(jì)算的架構(gòu)[13-14]，但是相比于VOI架構(gòu)，IDV需要在終端運(yùn)行硬件虛擬化層和鏡像，對(duì)終端硬件性能要求更高。

基于以上三種云桌面架構(gòu)的特性，首先，結(jié)合目前生工專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的使用規(guī)模和計(jì)算量，考慮采用VDI，原因是不會(huì)造成服務(wù)器過載和網(wǎng)絡(luò)帶寬問題。其次，VDI云桌面系統(tǒng)可統(tǒng)一管理資源，快速部署云桌面，方便實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一管理調(diào)配資源和云桌面的維護(hù)。最后，相比于VOI和IDV，VDI對(duì)終端資源占用少，終端配置要求低，可解決目前實(shí)驗(yàn)室單機(jī)模式管理面臨的問題。因此，學(xué)校實(shí)驗(yàn)室選擇采用基于VDI架構(gòu)的云桌面系統(tǒng)。

云桌面系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.云桌面系統(tǒng)模型

云桌面系統(tǒng)采用VMware公司的VMwarevSphere和VMwareHorizon進(jìn)行搭建。VMwarevSphere是虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)[15]，VMwareHorizon是基于VDI的云桌面基礎(chǔ)架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)在vSphere環(huán)境中，按需快速創(chuàng)建云桌面，并將云桌面安全交付給終端。[16]

云桌面系統(tǒng)模型分為四層（如圖1）。底層硬件資源將現(xiàn)有的硬件設(shè)備組成一個(gè)小型集群。在此基礎(chǔ)上搭建VMwarevSphere虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)，在vSphere環(huán)境中部署VMwareHorizon云桌面。終端訪問平臺(tái)借助Horizon提供的客戶端輕量級(jí)軟件或支持HTML5的瀏覽器，將PC機(jī)、筆記本電腦、平板電腦等作為瘦客戶端遠(yuǎn)程訪問云桌面。

2.云桌面系統(tǒng)構(gòu)成

云桌面系統(tǒng)主要由ESXi系統(tǒng)、vCenterServer（中心服務(wù)器）、ConnectionServer（連接服務(wù)器）、ActiveDirectory域服務(wù)器（活動(dòng)目錄域服務(wù)器）和若干云桌面構(gòu)成。

ESXi系統(tǒng)和vCenterServer是VMwarevSphere虛擬化架構(gòu)的兩個(gè)核心組件。ESXi系統(tǒng)虛擬化整個(gè)硬件系統(tǒng)，并在物理服務(wù)器上創(chuàng)建和管理虛擬機(jī)。ESXi系統(tǒng)可直接在裸機(jī)上安裝，生成ESXi主機(jī)。vCenterServer通過建立數(shù)據(jù)中心，統(tǒng)一管理資源池，將現(xiàn)有CPU、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)，包括ESXi主機(jī)、虛擬機(jī)和所有虛擬化的資源等都遷移至數(shù)據(jù)中心，并通過vSphere管理端軟件vSphereclient監(jiān)控整個(gè)vSphere的虛擬化環(huán)境。ConnectionServer是Horizon的重要組件之一，可將用戶請(qǐng)求的云桌面定向到對(duì)應(yīng)的虛擬機(jī)上，同時(shí)借助ActiveDirectory域服務(wù)器對(duì)連接終端進(jìn)行身份驗(yàn)證，管理對(duì)遠(yuǎn)程云桌面的訪問權(quán)限。

3.云桌面系統(tǒng)實(shí)施

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室云桌面系統(tǒng)具體實(shí)施如上頁圖2所示。

實(shí)驗(yàn)室將現(xiàn)有兩臺(tái)聯(lián)想服務(wù)器LenovoThinkSystemSR850、LenovoThinkSystemSR860和聯(lián)想ThinkSystemDE4000H磁盤陣列組成一個(gè)小型集群。磁盤陣列分別通過光纖通道（FiberChannel，F(xiàn)C）與兩臺(tái)服務(wù)器冗余鏈接，用作小型集群的共享存儲(chǔ)，用戶訪問的云桌面以虛擬機(jī)的形式分布在共享存儲(chǔ)上。整個(gè)小型集群作為云桌面系統(tǒng)的服務(wù)器端硬件資源。

在小型集群上安裝ESXi系統(tǒng)，生成兩臺(tái)ESXi主機(jī)，即ESXi01和ESXi02，將其規(guī)劃為云桌面系統(tǒng)的兩個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，ESXi主機(jī)通過集中式共享存儲(chǔ)方式，將虛擬化資源存儲(chǔ)在磁盤陣列上。vSphere的核心組件vCenterServer以虛擬機(jī)形式部署在ESXi01主機(jī)上，部署大小選擇“小型”，“小型”規(guī)模的主機(jī)及虛擬機(jī)上限數(shù)量分別為100和1000臺(tái)，該規(guī)模足以滿足生工專業(yè)師生使用。通過vCenterServer新建虛擬機(jī)和虛擬機(jī)模板，利用Horizon的ConnectionServer的桌面池功能將虛擬機(jī)模板批量克隆生成若干虛擬機(jī)，并自動(dòng)進(jìn)行快速配置和部署。云桌面系統(tǒng)共安裝了4個(gè)虛擬機(jī)模板，2個(gè)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的Windows和Ubuntu虛擬機(jī)模板，每個(gè)模板中安裝實(shí)驗(yàn)教學(xué)所需軟件。虛擬機(jī)配置為2個(gè)虛擬CPU資源，8GB內(nèi)存，硬盤采用精簡(jiǎn)置備，即根據(jù)使用情況彈性調(diào)節(jié)硬盤大小，最大到150GB。另外2個(gè)Windows和Ubuntu虛擬機(jī)模板用于個(gè)性化學(xué)習(xí)，依據(jù)申請(qǐng)人數(shù)可以隨時(shí)克隆生成虛擬機(jī)，虛擬機(jī)由學(xué)生自行安裝軟件，可滿足個(gè)性化學(xué)習(xí)需求。在虛擬機(jī)模板上需要安裝HorizonAgent代理服務(wù)，與Horizon客戶端程序一起實(shí)現(xiàn)云桌面監(jiān)控、云打印以及本地USB設(shè)備連接等功能。在創(chuàng)建桌面池時(shí)，HorizonAgent代理服務(wù)可自動(dòng)安裝到每一個(gè)由模板生成的虛擬機(jī)上。

整個(gè)云桌面系統(tǒng)采用Windows的ActiveDirectory域服務(wù)器（簡(jiǎn)稱AD域服務(wù)器）管理，AD域服務(wù)器主要負(fù)責(zé)標(biāo)識(shí)系統(tǒng)中的主機(jī)及虛擬機(jī)，同時(shí)存儲(chǔ)和驗(yàn)證用戶信息。在AD域服務(wù)器上建立域2j402.vdi，并配置DHCP服務(wù)，可在生成的虛擬機(jī)上自動(dòng)分配IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)和DNS等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。在AD域服務(wù)器下創(chuàng)建USER組，設(shè)置50個(gè)用戶，分別用于驗(yàn)證登錄云桌面系統(tǒng)訪問虛擬機(jī)的50個(gè)用戶。

實(shí)驗(yàn)室管理員通過vSphereClient管理端遠(yuǎn)程訪問vCenterServer服務(wù)，管理和監(jiān)控整個(gè)vSphere運(yùn)行環(huán)境。

在校園網(wǎng)內(nèi)，用戶可采用Horizon客戶端軟件或者直接使用支持HTML5的瀏覽器訪問云桌面。

云桌面系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及硬件配置具體如上頁表1所示。

4.終端接入方式

Horizon提供了兩種終端接入方式，即終端軟件HorizonClient和直接使用支持HTML5的瀏覽器訪問云桌面。HorizonClient可運(yùn)行在不同的物理機(jī)平臺(tái)上，支持Windows、Linux、MacOS、Android和IOS等系統(tǒng)，Horizon一般會(huì)先將最新的功能在終端軟件上實(shí)現(xiàn)。如果沒有安裝終端軟件，可直接使用瀏覽器訪問云桌面。兩種接入方式均提供窗口或全屏幕訪問，全屏幕訪問可以做到本地機(jī)與云桌面無差別訪問；兩種接入方式同時(shí)支持VMwareBlastExtreme顯示協(xié)議，該協(xié)議具有優(yōu)質(zhì)的顯示效果和低帶寬占用，同時(shí)對(duì)CPU損耗低，延長(zhǎng)了物理設(shè)備使用壽命。在兩種接入方式中，HorizonClient功能更全，操作更方便，但是需要安裝，瀏覽器接入方式訪問靈活，但是支持的功能有限。

以PC機(jī)安裝HorizonClient終端軟件為例，PC機(jī)首先設(shè)置DNS服務(wù)器地址為AD域服務(wù)器的IP地址172.31.238.114，本機(jī)IP地址選擇“自動(dòng)獲得IP地址”，然后打開HorizonClient終端軟件，添加服務(wù)器，服務(wù)器名為“cs.2j402.vdi”，地址為“https：//cs.2j402.vdi/”，單擊已添加的服務(wù)器“cs.2j402.vdi”，輸入客戶端訪問的用戶名和密碼，登錄云桌面系統(tǒng)，選擇相應(yīng)的云桌面登錄。Windows和Ubuntu云桌面如圖3所示。

云桌面系統(tǒng)應(yīng)用

云桌面系統(tǒng)在2023—2024第一學(xué)期分別在21級(jí)和23級(jí)生工專業(yè)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用，表2列出了21級(jí)和23級(jí)生工專業(yè)師生使用云桌面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程、使用人數(shù)、上課周次以及在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)外登錄云桌面的時(shí)長(zhǎng)對(duì)比。

討論

從計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和個(gè)性化學(xué)習(xí)方面來看，云桌面系統(tǒng)的應(yīng)用保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的正常進(jìn)行，同時(shí)提供了靈活的訪問方式，除了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)借助終端軟件或?yàn)g覽器訪問云桌面以外，還可以在校園網(wǎng)內(nèi)使用瘦客戶端隨時(shí)隨地登錄云桌面。通過問卷調(diào)查顯示，91%的學(xué)生認(rèn)為使用云桌面系統(tǒng)中的軟件比較流暢，78%的學(xué)生認(rèn)為在校內(nèi)使用瘦客戶端登錄云桌面系統(tǒng)十分便捷，97%的學(xué)生認(rèn)為使用云桌面鞏固了課堂所學(xué)的計(jì)算機(jī)知識(shí)，64%學(xué)生認(rèn)為云桌面的使用拓展了課外計(jì)算機(jī)相關(guān)知識(shí)，滿足了個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，提升了個(gè)人信息化素養(yǎng)。從總體上看，有約89%的學(xué)生對(duì)云桌面系統(tǒng)的整體評(píng)價(jià)是滿意及非常滿意。

從實(shí)驗(yàn)室管理方面來看，原有硬件系統(tǒng)維護(hù)需要管理員拆卸機(jī)箱進(jìn)行部件更換。軟件系統(tǒng)維護(hù)主要以硬件還原卡為主，復(fù)制一套完整實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境時(shí)間較長(zhǎng)，不能高效解決突發(fā)的單機(jī)故障。在云桌面系統(tǒng)投入使用后，只在實(shí)驗(yàn)室單機(jī)環(huán)境中安裝了輕量級(jí)的客戶端軟件HorizonClient，降低了單機(jī)負(fù)載，減少了硬件故障發(fā)生，同時(shí)延長(zhǎng)了終端硬件使用壽命。在原有單機(jī)管理模式下，實(shí)驗(yàn)室管理員在巡檢時(shí)需檢查每一臺(tái)單機(jī)使用情況，在云桌面系統(tǒng)投入使用后，管理員可遠(yuǎn)程監(jiān)控云桌面狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題時(shí)，可在遠(yuǎn)端及時(shí)對(duì)云桌面進(jìn)行重置、重啟、開機(jī)或關(guān)機(jī)等操作，縮短了傳統(tǒng)單機(jī)管理模式下的巡檢時(shí)長(zhǎng)，降低了解決單機(jī)故障的平均時(shí)長(zhǎng)。具體實(shí)驗(yàn)室使用云桌面系統(tǒng)前后的運(yùn)維管理對(duì)比如表3所示。

從云桌面系統(tǒng)的安全性方面來看，由于云桌面系統(tǒng)采用VDI架構(gòu)，數(shù)據(jù)在服務(wù)器端統(tǒng)一管理，因此服務(wù)器端的安全成為云桌面系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重點(diǎn)。vSphere提供了保障服務(wù)器端數(shù)據(jù)安全方法。vSphere集群服務(wù)（vSphereClusterServices，vCLS）可確保在vCenterServer變得不可用時(shí)，仍可維護(hù)在集群中運(yùn)行的工作負(fù)載的資源和運(yùn)行狀況，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，為了平衡負(fù)載，在集群上開啟vSphereDRS和vSphereHA兩個(gè)服務(wù)，其中vSphereDRS服務(wù)可監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)載情況，自動(dòng)遷移主機(jī)上的虛擬機(jī)，用于平衡主機(jī)上的資源，防止過載。vSphereHA服務(wù)保證如果其中一臺(tái)ESXi主機(jī)出現(xiàn)故障，可自動(dòng)將故障ESXi主機(jī)上的虛擬機(jī)遷移至集群中另一臺(tái)ESXi主機(jī)上。

結(jié)語

筆者將云桌面虛擬化技術(shù)應(yīng)用到所在學(xué)校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室原有的單機(jī)管理模式，打破了實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的時(shí)空限制，實(shí)現(xiàn)了快速部署，統(tǒng)一管理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，有助于實(shí)驗(yàn)教學(xué)與信息化建設(shè)深度融合，為生工專業(yè)構(gòu)建了一個(gè)安全、高效、便利的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和個(gè)性化學(xué)習(xí)的云桌面系統(tǒng)。云桌面系統(tǒng)的應(yīng)用在培養(yǎng)高校復(fù)合型醫(yī)工人才的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革上，以及在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的信息化建設(shè)上具有一定的借鑒價(jià)值。

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第一作者簡(jiǎn)介：楊淼，實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理及計(jì)算機(jī)應(yīng)用。通訊作者簡(jiǎn)介：劉文艷，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理及計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

基金項(xiàng)目：首都醫(yī)科大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目“云桌面在生工專業(yè)計(jì)算機(jī)類系列課程教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用”（2023JYY058）。