云模式多媒体教室自动化管理系统设计与实现

焦飞，黄天文，杜尧东

（1.肇庆学院计算机中心，肇庆 526061；2.广东省肇庆市气象局，肇庆 526040；3.广东省气候中心，广州 510080）

云模式多媒体教室自动化管理系统设计与实现

焦飞1，黄天文2，杜尧东3

（1.肇庆学院计算机中心，肇庆 526061；2.广东省肇庆市气象局，肇庆 526040；3.广东省气候中心，广州 510080）

针对学校多媒体教室管理中面临的一系列问题，提出并开发一种基于云模式的多媒体教室自动化管理系统。充分利用现有设备，在校园网的基础上应用桌面虚拟化技术，自主开发自动化管理系统，并按阶段应用于实际工作。对系统应用效果进行分析，其应用和推广能够方便学校统一管理，提高管理员工作效率，节约大量的人力和财力。

云模式；虚拟化；自动化；多媒体教室

0 引言

随着高校教育信息化和数字化校园建设的不断推进，高等学校教育教学改革的不断深入，多媒体已经成为高等学校教学过程中的主要手段。多媒体教学在许多方面具有不可取代的优势，弥补了许多传统教学手段的不足，其地位日趋重要[1]。但随着多媒体教室数量不断增加、使用频率的增加和复杂度的提升导致多媒体教室的管理压力倍增。传统采用分散的人工管理办法，管理员疲以应对，而不断增加人力只会让“精兵简政”陷入困境。加上多媒体设备逐渐折旧，新的设备数量不断增加，Windows 7升级迫在眉睫，系统软件和应用软件安全漏洞层出不穷，众多学校要发展，就要面临巨大的资金压力。

针对现存的问题，可从现代化技术手段入手，对多媒体教室管理模式进行革新。利用现有的校园网络，结合虚拟化技术开发设计一套经济、实用的“云模式多媒体教室自动化管理系统”具有很强的必要性。随着高校数字化、网络化进程不断地加快，基于云模式的VMware桌面虚拟化技术的发展突飞猛进，陈慧芬等进行了虚拟化云计算在高校多媒体教学中的应用研究[2]，各种基于云模式的视频监控系统和访问控制模型层出不穷[3]，加上数据库管理、网络通信和远程控制技术的不断成熟，系统的设计与实现是可行的。

1 国内外研究现状

最新发展起来的云计算（Cloud Computing）模式是分布式计算(Distributed Computing)、并行计算(Parallel Computing)和网格计算(Grid Computing)的发展[4]，维基百科（Wikipedia.com）认为，云计算是一种基于互联网的计算方式，通过这种方式，共享的软硬件资源和信息可以按需求提供给计算机和其他设备。云计算的资源是动态易扩展而且虚拟化的，通过互联网提供，终端用户不需要了解“云”中基础设施的细节，不必具有相应的专业知识，也无需直接进行控制，只关注自己真正需要什么样的资源以及如何通过网络来得到相应的服务。

云计算具有分布式存储和计算、用冗余方式提供可靠性、高层次的编程模型、高可用性、经济性、服务多样性等特点。美国国家标准和技术研究院（NIST）明确定义了云计算的三种服务模式：基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）、软件即服务（SaaS）。NIST还提出了四种不同的云部署方式：公用云（Public Cloud）、私有云（Private Cloud）、社区云（Community Cloud）、混合云（Hybrid Cloud）。

当前中国的云计算的发展正进入成长期，预期在2015年之后，中国云计算产业将真正进入成熟期，云计算服务模式将被广大用户接受。埃森哲2010年云计算研究报告给出，未来两年内更多的中国大企业将开始使用云计算[5]。云计算的高安全性在多媒体教室管理上有着实际意义。项国富等针对基于虚拟化安全监控的相关工作进行了研究，提出利用虚拟机管理器在单独的虚拟机中部署安全工具，从而保证监控工具的有效性和防攻击性[6]。

VMware是在虚拟化方面市场的领先者，全球84%的虚拟化应用都是应用在VMware上的。目前，VMware View方案成功应用于多所高校，预测将来会吸引更多的学校、机关、公司等单位逐步投资实施。其方案中的“瘦客户端”（Thin Client），以下简称瘦机，是一种体积小、功耗低的接入终端，提供输入、输出设备接口，提供与服务器端的网络通信功能。瘦机除了比购置计算机节约费用，还具备设备轻巧、部署方便、统一配置、安全性高、集中管理、升级简单和绿色环保等特点。随着高校改革、中国经济的发展，从Windows XP向Windows 7迁移将是众多学校和企业面临的头疼问题，同时也为云模式管理系统的研制和发展带来机遇。

针对高校多媒体教室管理的需求，把VMware View虚拟化、自动控制、视频采集、语音聊天等技术综合起来，利用计算机和瘦机的串口，通过现有中控来控制多媒体设备的系统目前并不多见。综合借鉴前人的研究成果，尝试加入自动控制技术，2010年开始开发了自动化管理系统。至今系统经过不断改进，引入云计算的概念，采用虚拟化技术，充分利用了校园网资源，硬件的投入资金节约很多。

2 系统设计

云模式多媒体教室自动化管理系统由云计算管理平台、瘦客户端和交换机构成，利用校园网和学校目前使用的奕星YX3300中控，实现远程自动控制和管理的目标。

2.1 系统结构

云计算系统是整个体系架构的服务端，通过云计算管理平台生成多种虚拟机以满足不同教师不同课程的虚拟机模板。每个教师拥有自己的帐号和密码，如同拥有自己的“虚拟的笔记本电脑”，随时随地制作适合自己的虚拟机模板，减少了软件冲突，减轻了多媒体教室管理员的软件维护工作。各教室上课前系统通过虚拟机克隆或快照的方式快速将虚拟机模板部署到各个虚拟机，任课教师就能用瘦客户端通过交换机连接到虚拟机。

系统从结构上可分为管理和控制两大部分，结构如图1所示。管理部分主要是数据库的管理，对用户信息、课程表、设备参数和状态等信息实时监控，并根据最新的数据为远程自动控制提供依据。控制部分通过校园网，按预设的时间表和参数表对各个教室的瘦机发布指令和接收反馈信息。瘦机接收到指令后通过串口来控制中控，从而实现远程控制连接在中控的一系列多媒体设备的功能。

图1 系统组成结构图

2.2 功能设计

根据学校多媒体教室管理工作的实际所需，设计的系统功能按类别可以分成三大模块：数据库管理模块、远程控制模块和串口控制模块。系统功能模块结构如图2所示：

图2 系统功能模块结构图

3 关键技术及实现

3.1 云模式应用

在云模式中，私有云具备许多公用云环境的优点，例如弹性、适合提供服务，两者差别在于私有云服务中，数据与程序皆在组织内管理，且与公用云服务不同，不会受到网络带宽、安全疑虑、法规限制影响，数据、软件不再存放在本地计算机中，而是通过网络访问云来获得所需数据或软件服务。因此，云计算是一种超级瘦客户端模式。云计算将转变数据中心资源使用的方式和管理模式，把原有数据中心孤岛型系统，经过虚拟化使得资源整合、降低综合成本，最终达到私有云按需服务的目标。本系统中，在服务器上安装VMware WorkStation软件。通过该软件进行虚拟机的创建，每台虚拟机作为一个节点，建立虚拟化服务器集群，并完成虚拟机上操作系统(Windows XP和Windows 7等)的安装[7]。

引入光交换的拓扑方案的优势在于依靠光交换网络提供的高带宽、网络资源动态配置等为上层应用提供灵活的服务，而且有效地降低了组网的复杂度。OSA[8]的最大特点是利用光网络配置灵活的特点，能够根据实际需求动态调整拓扑，大大提高了应用的灵活性。一般高校已经拥有光纤，云模式系统有着良好的网络和软硬件环境适应性，当然良好的效果又依赖优质的网络环境。本系统中分布在各多媒体教室的瘦机，连接到校园网使用RG-S1908+可网管交换机，值班室使用RG-S2928G-E交换机，既便于管理维护，又充分利用了校园网光纤的优势，提高监控质量。可网管交换机有简单实施网络控制功能，允许客户分配IP地址，为网段配置虚拟局域网(VLAN),通过IEEE802.1p标记指定流量优先级，并通过Web界面监控状态。另外，瘦机出厂时要求内含简单的操作系统，当学校网络故障时仍能使用该操作系统上课，不会耽误教学工作，保证了系统的稳定性。

3.2 网络编程技术要点

网络协议的选择上，本系统的远程控制模块，包括屏幕监控、发送控制指令和聊天室等功能，采用了TCP和UDP混合协议。不采用单一的协议是因为：TCP协议的优点是数据传输可靠，但它是面向连接的，连接双方建立连接（或断开）时需经过三次握手，较为耗时；而UDP用户报文协议是面向无连接的，发出数据不需对方确认，这样速度比TCP快，但数据有可能丢失，因此它不可靠。远程控制中对被控端实现的关机、重启、注销、计算机IP地址获取等功能需要被控端及时反应，且发送这些命令的消息占用的字节较少，在传输距离不算太长，信号衰减较弱的情况下，考虑使用UDP协议来进行控制端与被控端之间的通信[9]。

3.3 定时开机功能

定时执行任务模块实现每天定时运行程序，采用Windows自带的定时任务，之后每分钟检测采用C#的Timer控件，从性能和节约资源方面，都是合理的解决方案。定时任务即利用服务器端智能模块读取课程表和“校园一卡通”数据库，利用云模式的虚拟化技术向瘦机发送指令。在网络中当瘦机处于关机状态时，惟一能识别其身份的只有其所带网卡的物理地址，即媒体访问控制(MAC)地址。可以从本地计算机向网络中需要开机的瘦机发送一个基于MAGICPACKET标准的唤醒数据包，该数据包中含有欲被唤醒电脑所带网卡的物理地址[10]。

4 初步试验效果及系统改进要点

系统初步开发期间，在本校第二教学楼68间多媒体教室投入使用。系统的开发以软件为主，购入的硬件成本比过去节约很多。通过对2011年11月～2014年6月期间，改造前、后设备购置、维修、维护和用工数据分析，发现该系统的开发和推广成本较低，而带来的经济效益显著。

应用该系统，减少了网络中控、网络模块等硬件的购入成本。2012年改造第二教学楼预算时，参考其他高校方案，平均每间改造费用需3.4万元，而实际改造时决定使用自主开发的系统，平均每间节省1万元。如果减去实验研究占用的费用，加上今后更多新建教室改造带来的规模优势，将来使用该系统建设与改造费用可减少为平均每间教室5000元左右。

应用该系统，每年的维修费用也比过去同期减少了38.8%。例如，第二教学楼没使用该系统时的一个学年（2012年6月～2013年8月）多媒体设备维修费用为245520元，而使用系统后的一个学年（2013年6月～2014年8月），维修费用降为149998元。维修费用能够得到节约，其中一个重要原因就是通过校园网统一自动化管理，减少设备空闲时间的损耗和上课教师的误操作造成的损失，从而降低了投影机灯泡等昂贵设备配件的维修几率。

应用该系统，实现了自动化管理，管理员数量也比过去得到节约。例如，过去多媒体教室分布在第一、第二、第三教学楼，多媒体管理员为14人，平均每栋楼用4.7人；2014年增加了第四和第五教学楼后，初步使用该系统进行一期改造，管理员人数为16人，平均每栋楼3.2人。预计全面改造完成后，可以实现“一个人管理一栋楼”的目标。

2014年6月，自主开发的系统经过改进，增加高清摄像头并引入VMware View虚拟化桌面技术，应用于第四和第五教学楼，建设项目经费比广东某高校的“非云模式”建设方案所用经费节约了28%。目前学校继续投入经费300多万，计划在第一教学楼建设81间多媒体教室，以便将来作为其他四栋教学楼改造的模版。

5 结语

云模式的系统具有快速部署，统一管理的优势，云模式与高校多媒体教室建设的结合，可以有效整合高校教学资源，提高资源的利用率。云模式多媒体教室自动化管理系统的研制和实现，初步取得一定成效：减少迁移成本；减少应用程序不兼容问题；延长现有桌面软件的使用期限；通过集中管理桌面应用程序和用户降低成本；集中控制敏感数据；简化桌面和应用程序部署；和校园一卡通服务衔接，结合学校教务处课程表数据库，实现教学规范化管理。系统既降低了多媒体教室的购置、维修成本，又实现全自动化控制，大大减轻了管理员的工作量，节约了人力资源。

[1] 刘钢.浅谈高校多媒体教学存在的问题与措施[J].现代计算机，2014，(30)：19～21

[2] 陈慧芬，彭玲.虚拟化云计算在高校多媒体教学中的应用研究[J].现代计算机，2013(5)：51～58

[3] 韩海雯，齐德昱，封斌.基于云计算的广域级视频监控综合业务平台[J].计算机工程与设计，2013，34(5)：1657～1662

[4] 陈全，邓倩妮.云计算及其关键技术[J].计算机应用，2009，29（9）：2562～2567

[5] 房秉毅，张云勇等.云计算国内外发展现状分析[J].电信科学，2010，(S1)：1～5

[6] 项国富，金海等.基于虚拟化的安全监控[J].软件学报，2012，23(8)：2173～2187

[7] 伍燕青.基于云计算的实验室管理信息系统设计[J].实验室研究与探索，2013，32(8)：291～296

[8] 李丹，陈贵海等.数据中心网络的研究进展与趋势[J].计算机学报，2014，37(2)：259～274

[9] 刘佳，郑华等.基于TCP和UDP混合协议的远程控制软件的设计与实现[J].电脑应用与软件，2010，27(3)：127～130

[10] 黄天强，徐洪智等.基于网络的电脑远程控制技术的机制与实现[J].怀化学院学报，2009，28(5)：73～75

Design and Implementation of Automatic Management System for Multimedia Classroom Based on Cloud Model

JIAO Fei1，HUANG Tian-wen2，DU Yao-dong3
(1.Computer Centre,Zhaoqing University,Zhaoqing 526061；2.Zhaoqing Meteorological Bureau,Zhaoqing 526040；3.Climatic Center of Guangdong Province,Guangzhou 510080）

Aiming at the series of problems in management of school multimedia classroom,develops an automatic management system for multimedia classroom based on cloud model.It makes full use of the existing equipment and uses desktop virtualization technology based on the campus network.Its software is developed independently.Applies the system to practical work according to the stage.Analyses the effect of system application.With the diffusion and application of the system,it will facilitate the school management and improve the work efficiency of administrators.It also can save a lot of human and financial resources.

Cloud Model;Virtualization;Automatic;Multimedia Classroom

1007-1423（2015）04-0066-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.04.018

焦飞（1980-），男，河南虞城人，硕士，讲师/实验师，研究方向为数据挖掘、软件工程

黄天文（1975-），女，广东台山，本科，高级工程师、高级程序员，研究方向为计算机及其应用、网络管理

2014-12-16

2015-01-06

杜尧东（1964-），男，河南许昌，博士，研究员，研究方向为农业与生态气象