基于虚拟化技术的教育云桌面的计算机实验室方案探究

◆周耀鹏



基于虚拟化技术的教育云桌面的计算机实验室方案探究

◆周耀鹏

（无锡科技职业学院物联网与软件技术学院 江苏 214028）

传统实验室机房因其教学系统部署、升级和维护困难，计算机性能赶不上软件更新速度等种种缺陷在应对新形势下的教育信息化已经捉襟见肘。如何进行学校实验室机房的改革已经迫在眉睫，学校需要一种行之有效的，与时俱进的技术开辟一条改革实验室机房设备的合理化道路。云计算是一种新的网络计算模型，也是下一代网络计算平台的核心技术。本文主要设计介绍了一种基于虚拟化技术的教育云桌面的应用方案，并阐述了该方案的意义、目标及特点。

实验室管理；教育云桌面；虚拟化；瘦客户端

1 方案计划

1.1 方案背景

中共中央、国务院在《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》以及《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》中明确指出，教育管理信息化系统建设是支撑教育管理现代化、促进教育改革发展的基础性工程，并指出信息技术对教育发展具有革命性影响。

目前，教育的信息化手段层出不穷，从早前的多媒体应用技术到如今的移动互联和云计算技术，教育基础平台日趋成熟与完善，如何创新教育技术平台从而带动深化转型教学应用方式已然摆在当今教育从业者面前。而随着云计算技术和应用的不断发展，同时带动桌面虚拟化的应用，相较传统计算机的应用解决方案以其成本低、稳定性强、维护量低、安全性高、灵活快捷的特点，在高校教育中越来越受欢迎。

伴随国家对教育行业的资金投入越来越多，高校实验室机房的计算机更新频率也相应加快。一方面，高校中几乎每个专业都涉及到计算机使用，使得学校对计算机实验室的需求大为增加，学校需要扩大机房的规模和数量；另一方面，学校公共基础机房的计算机相比其他专业实验室计算机的利用率和使用强度高很多，这些机房除了每天完成大量的计算机基础课程教学，还承担各种涉及到计算机基本应用的课程，为各院系师生提供上机教学，各类考试、评测及培训等上机服务，有的机房在课后还向师生开放使用。因此，这类机房的管理维护工作量繁复，主要体现为如下几个方面：

（1）计算机性能跟不上软件更新迭代频率

教学软件的持续更新，一些较新的软件或操作系统无法安装运行在现有计算机上。结果导致实验室计算机用不了几年就需要更新换代。

（2）教学运行安排、维护和升级不易

学校根据教学需求，几乎每个学期的课程软件都要更新。比如紧跟技术发展，数据库软件版本需要更新，甚至有些软件不支持低版本的操作系统，所以操作系统也应走在开发环境的前沿，而传统的机房IT架构不能充分符合专业课程、教学内容多变性的要求，学生上机环境迭代频繁。因为每次对机房软硬件环境进行更新改变，都需要重新制作计算机母版再同传，费时费力。

（3）多系统环境需求

机房计算机使用密度及负荷比一般计算机要高很多，往往从上午8点开始上课，一直使用到晚自学结束。日常教学中经常下一节课的系统环境和上一节课的就不一样，学生又多且不固定机位，每台计算机一天要服务4，5个学生甚至更多。而且每个专业的学生使用习惯不一，也使得机房计算机的相关管理规程难以有效落地。

（4）机房计算机多，管理维护困难

学校机房的计算机通常通过局域网接入互联网，在给教师课堂教学和学生获取信息提供了方便的同时也给病毒和木马的传播提供了途径。然而机房管理人员数量有限，要完成软硬件环境满足教学需要的同时再考虑如何应对各类网络危害与漏洞的防护，所以必须改善机房的管理和维护以应对挑战。

1.2 方案建设意义

（1）将数据中心、计算机实验室管理推向云管理模式

云计算是一种新的网络计算模型，也是下一代网络计算平台的核心技术。云计算在校园中应用的主要是为了使学校的优质网络资源更好更高效的服务于广大师生，通过虚拟化技术的云桌面可使实验室机房真正实现云计算化。

（2）打造兼容性与扩展性并重的绿色实验室机房软硬件系统环境

虚拟云桌面是具有单一视图的集中化管理平台，绿色环保的低能高效设备终端，可灵活分配资源，利用云管理方式打造更方便整合与扩展的软硬件系统。

1.3 方案设计目标

1.3.1用户体验

虚拟云桌面能够提供与目前学生使用的计算机一样的各种功能：如顺畅的使用教学所需要的软件等。

1.3.2可靠性

（1）保持教学进程的连贯性，不会因单体产生故障而影响整体架构，致使系统瘫痪。

（2）支持实时监控服务和报警机制，支持负载冗余共享或故障备份切换机制，能实现数据和连接无缝转移与对接。

1.4 可管理性

（1）通过管理监控机能对整个系统平台进行管理，包括服务器、终端机、虚拟机操作系统等。

（2）能将教学过程中的所需的操作系统与专业应用软件进行统一管理，这样就可根据教学需要及时部署教学环境，从而简化教学终端的教学环境构建过程。

（3）在控制端能按需查看整个系统平台的运行状况，包括服务器日志、终端状态和网络运行情况。

2 教育云桌面解决方案

2.1方案概述

教育云桌面根据学校桌面虚拟化技术采用以使用者为中心的运行模式、符合教学进程安排满足教学需要，促进学生养成良好的上机习惯，保证友好的使用体验，同时满足统一教学管理与数据的采集，解决机房管理面临的难题。

虚拟桌面：使用瘦客户端，多个瘦终端通过网络同时访问服务器上的VM虚拟机，各个客户端间相互隔离，每个用户都有独立的桌面体验，都能够访问并使用VM里所安装的软件和存储的数据。

存储：所有的桌面应用软件包括操作系统及用户数据都是集中存储在服务端的高性能云存储上，一旦物理服务器出现故障，平台会及时将VM动态迁移到冗余服务器上并确保运行，使得瘦客户端的访问使用不间断。

图1 方案设计图

图2 物理拓扑图

2.2解决方案探究

2.2.1构建虚拟化的IT架构

教育云桌面可为学校单个或多个实验室机房网络和服务器共建若干个资源池，通过B/S架构方便统一管理，跟踪教学进程和需要可动态创建、删除、备份虚拟机，快速便捷部署虚拟教学环境。同时为了保证数据统一管理存储，可在存储上动态迁移虚拟机从而保障教学进程的连续和稳定。

2.2.2统一视图的云维护管理平台

教育云桌面采用B/S架构，采用简洁统一的UI用户和管理界面，学生可在任意联网的计算机上通过浏览器即可访问平台，而无需安装客户端。在此基础上可实现服务器、师生教学桌面、系统镜像、瘦客户端、存储等的统一管理。

教育云桌面平台的集中部署模式将虚拟桌面环境部署在数据中心，瘦客户端仅负责调用操作处理，学生使用这些终端可通过局域网访问相应的虚拟桌面环境，几乎没有学习成本。而后台管理人员只需在平台上对网内数据中心的软硬件环境进行重构、发布等管理，实现了云维护管理的模式。

2.2.3快捷部署针对性教学环境

利用教育云桌面管理人员可根据不同专业、教师、学生的需求快捷的制作虚拟系统快照镜像，通过快照镜像可实现云桌面的批量创建、发布或更新，数百台瘦客户端在短时间内即可拥有相应的教学环境。将以往需要在硬件层面考虑的速度、性能等制约因素通过管理服务端软件层面就解决了，简化了教学环境的配置的步骤，缩短了部署的时间。

2.2.4多虚拟桌面使用模式

在传统计算机的实际教学场景，不同专业根据课程会将教学系统划分到不同的分区。教育云桌面同样支持多教学桌面的使用场景，有的桌面场景学生在上机过程中所做修改和使用痕迹在下次使用登录时即自动丢弃，系统还原为初始状态，从而可避免文件损坏和丢失，防止病毒或木马侵扰造成系统奔溃等影响教学使用的状况出现。还有的桌面环境下，学生在学习使用过程中产生的数据和应用软件设置可以被保留，以满足考试、实习等特殊情况下使用。

2.2.5教学秩序管理的支持

（1）动态教室管理

教育云桌面可动态自定义教室信息，如将机房内的瘦客户端按需划分到不同的教室中，那么不同的教室可以上不同的课程（分配了不同的虚拟云桌面）。当然多个教室也可以上同一门课程，此时在实际教学中这些教室相当于一个整体教室（分配了相同的虚拟云桌面）。

（2）课表场景计划

教师可提前在平台上部署好教学云桌面环境，然后在系统里输入课表安排，包括上下课时间、教师信息、学生班级等信息。课表场景计划创建好后，场景按计划自动启用，学生开启瘦客户端即可调用获取云桌面环境使用。

（3）教学场景计划

教育云桌面可创建不同的教学场景，如实习场景、考试场景等，每种场景都可创建独立的虚拟云桌面，并根据课表场景安排自动安排调用相应的镜像并激活相应场景。

（4）批量更改设置

在制作完虚拟镜像后发布桌面环境时，系统平台可为瘦客户端批量绑定计算机名与IP地址，从而实现机房系统快速部署管理。

同样在考试或测评等特殊条件下，也可批量修改虚拟桌面系统环境的计算机名、IP地址、登陆用户名和密码，便于教学管理。

2.2.6便携个性化云桌面

使用云桌面平台教师可拥有自己专属的办公桌面环境，不论在办公室还是家中，任何一台计算机、瘦客户端，只要满足相应的网络条件，教师都可以通过互联网访问自己的云桌面环境进行办公和备课。

2.2.7流畅的应用体验

如大量学生同时使用云桌面上课，此时系统会开启自动平衡负载，将一部分负载迁移至冗余服务器，保证使用性能。同时采用高效的桌面虚拟化协议，确保MSOFFICE，高清视频播放软件等各类应用软件流畅运行。

2.2.8多重保障机制

（1）水平扩展

教育云桌面是一个分布式虚拟化平台，内置实现了群集功能，在平台中每台服务器称为一个计算节点。当办公和教学使用规模扩大时，可方便地通过在平台中增加新的计算节点来进行水平扩展，从而扩展整个云桌面平台的承载力和计算能力。

（2）动态迁移

通常平台建设中会使用两台或两台以上的服务器和共享存储，在实际使用过程中如出现一台服务器运行失效的状况，系统会即时将该服务器上的虚拟机整体迁移至另一台物理服务器上并重启，在终端上该过程几乎感觉不出，从而保证教学的稳定和连续。而当服务器修复重新上线时，平台还会自动恢复至迁移前的服务器运行状态。

（3）均衡负载

使用过程中管理控制端负责收集监控各个计算节点的动态信息，如CPU状态、内存占用和虚拟机个数等信息并与进行相应处理。当有新建桌面请求时，将自动转至负载较轻的计算节点上进行均衡负载，减少因平台服务端资源利用不均引起的系统故障。

（4）备份与恢复

步骤一：创建虚拟云桌面的同时即创建备份系统快照镜像；

步骤二：使用虚拟机快照可快速恢复云桌面，避免因系统问题导致的教学进程中断；

步骤三：同时做好监控端数据库备份和日志记录，以便服务端在出现故障时查看完整系统信息并尽早恢复，减少故障处理时间。

3 方案特点

3.1兼容性强

根据教学环境不同可给瘦客户端加载相应的教学云桌面环境，目前支持Windows 7等常用操作系统，适应不同的专业课程需要。

3.2支持离线使用

将传统计算机作为瘦客户端使用即可拥有的双系统设计，在不使用虚拟云桌面情况下，还可使用本地计算机上的系统进行教学，互补有无、相得益彰。

3.3支持数据保存与还原

虚拟云桌面支持多种使用场景，在支持数据保存的同时满足个性化需求，在支持数据还原的同时满足教学需求。

3.4安装部署简易

教育云桌面安装部署简易，首先在服务器操作系统上安装虚拟机软件，然后使用一台计算机进行多服务器配置、虚拟云桌面环境构建和管理维护。

3.5提高资源利用效率

集中管理平台数据资源，并进行统一管理调度，可使软硬资源弹性分配，快速灵活部署，按需申请并发放，统一接入，将资源的利用效率最大化。

3.6服务端、终端各司其职，提高系统安全性

使用虚拟云桌面，终端只负责输入和输出显示，系统与软件的安装，使用数据存储都由服务器端负责，运行和计算都由服务器承载，规避了传统计算机模式中各种移动拷贝、网络攻击等造成的系统风险。

3.7节能减排，打造绿色机房环境

虚拟云桌面的瘦客户端功率只有15W左右，远低于一般计算机动则300W左右的运行功率。并且瘦客户端体积小巧，易于放置，无内置风扇和机械硬盘，也就不会产生普通计算机的运行噪声，为建成绿色环保的实验室机房环境提供了有利条件。

[1]马博峰．VMware.Citrix和Microsoft虚拟化技术详解与应用实践[M].机械工业出版社，2012.

[2]李刚健.基于虚拟化技术的云计算平台架构研究[J].吉林建筑工程学院学报，2011.

[3]章泽昂,邬家炜.基于云计算的教育信息化平台的研究[J].中国远程教育，2010.

[4]窦立莉.基于云计算的高校信息化建设应用[J].中国高新技术企业，2011.

[5]王国霞,徐银梅.云计算在实验室建设及管理中的应用探究[J].中国教育技术装备，2011.

[6]黄健,阮灿华,舒兆港.探索桌面虚拟化在全国计算机等级考试中的应用[J].实验技术与管理，2014.

[7]王祖析,包巨南,基于云计算技术的高职计算机实验室建设探析[J].电子世界，2012.