虚拟化技术与终端融合的云教学系统

叶艾彦

【摘 要】为了解决现有模式的教学管理系统中视频广播大量占用云主机的资源而影响传输速率和质量的问题，设计了面向云环境下的教学控制系统，采用虚拟化技术和终端技术融合的方式，将视频广播类图像指令指向云终端处理、消息类指令指向云桌面处理，多媒体流始终点对点和一次编解码。经过对比测试表明，该系统相较于一般的兩端系统在视频广播时云主机的带宽不受影响，可充分利用终端的图形硬解码能力来提高用户体验，并且即使在云桌面系统宕机的情况下仍可实现广播教学。

【关键词】云计算 教学系统 虚拟化技术 终端技术 VDI

1 引言

教学管理工具是在电脑教室、电子教室、多媒体教室、多媒体网络教室上实现同步屏幕广播教学、多媒体音视频教学、教师和学生互动教学、屏幕监视、电脑的集中控制与管理等诸多功能。其发展已超过10年，属于针对PC教学的标准化产品，国外产品如NetSupportSchool、Impero、LanSchool等，国内产品如红蜘蛛、极域、蓝创、凌波、博智、金碟等。上述各产品以PC时代架构过渡到云时代已是捉襟见肘，传统的架构不能适应云桌面下的教学管理。若在云计算环境下仍沿用传统两端模式的部署，将导致媒体流的二次转发和二次编解码，不仅耗费双倍网络和计算资源，影响云计算环境的扩展性，而且带来的质量劣化和时延增加，将不可避免地影响用户体验。因此，教学互动也需要针对云计算环境进行架构的变革。

2 基于VDI技术的两端教学系统

VDI（Virtual Desktop Infrastructure，虚拟桌面基础架构）技术中，学生终端通过远程连接上虚拟机，学生在使用机器时直接操作的是虚拟桌面，存储数据和使用软件等所需消耗的计算资源全部由虚拟机提供，这样使得学生可以不依赖于特定的计算机终端，只要能连接局域网，便可获取自己的操作系统环境；另一方面，服务器可对虚拟机资源进行动态分配，因此能够有效满足学生对存储资源和计算资源的随机需求，较大程度地节省了资源预分配过大造成的浪费。

在传统的VDI技术中，学生端软件安装在虚拟机上，处理流程中服务器的每个虚拟机均需对视频数据进行处理，这样服务器侧的CPU和内存资源会消耗巨大，即服务器侧的负载较大，承载虚拟机的Hyper-V会因资源消耗过多而无法正常运行。

3 虚拟化技术与终端融合的教学控制系统

3.1 总体架构

面向云环境下的教学控制系统设计应遵循多媒体流始终点对点和一次编解码。系统具体由以下组件构成：

（1）教学控制系统-教师机：部署在教师侧电脑中，是整个教室管理的中心，负责发起屏幕广播、视频广播、屏幕监控、屏幕锁定、同屏共控、讨论交流、测试问答、收集作业、举手通知和学生广播指令等功能；

（2）教学控制系统-云终端：部署在云终端中，是教室管理的哑终端，负责接收教师端的指令，配合教师端执行屏幕广播、视频广播、屏幕监控、屏幕锁定和学生广播的接收等功能；

（3）教学控制系统-云桌面：部署在云桌面中，是教室管理的学生互动端，除配合教师端执行同屏共控和学生广播的发起等功能以外，学生还可操作其举手、讨论交流、测试问答和提交作业等功能。

在教师PC端安装教学控制系统-教师机软件，每个学生云终端与一个云桌面连接，分别部署教学控制系统-云终端和教学控制系统-云桌面，并一一绑定。教学控制系统总体架构如图1所示：

3.2 系统方案实现

系统包含教学软件的教师端和学生端、终端操作系统、云桌面系统，其涉及的硬件单元如下：

（1）云主机：作为集中部署的硬件单元，采用高性能、高扩展性、高稳定性和长生命周期的服务器，作为云桌面所需vCPU、vRAM、vDisk、vNet和vGPU的最终供应者；

（2）云终端：作为大规模部署的硬件单元，采用低功耗、低故障的精简PC，灌制定制化、高安全的操作系统，充分挖掘其处理芯片的硬件加速能力，实现云终端低配高效能。

（3）教师机：作为教师的操作控制台，除实现课程选择之后的云桌面推送到所有云终端以外，还作为教学管理的中央控制器运行各类教学软件以及教学管理软件。

（4）交换机：作为各方交互的数据链路载体，提供多端口高背板带宽。

3.3 控制系统流程设计

控制系统流程设计具体如下：

（1）教师机开启，从Web管理界面读取云终端和云桌面的对应关系存入数据库中；

（2）当教师机发送指令给指定的单个或部分学生时，若判断指令为消息类指令，如讨论交流、文件收发等，则将指令发送至云桌面；

（3）若判断指令为视频图像类指令，如屏幕广播、视频广播、屏幕锁定，则将指令发送至学生云终端处理，从而达到教师机、云终端、云桌面三端分离的效果。在教师端和学生端软件中，实现具体的通道建立和媒体流处理。

教学控制系统的三端功能分解如图2所示。

本教学控制系统扩展性强，利用终端的资源对视频图像在本地机器上分别进行处理，免受其他学生机的干扰。由于教学控制系统只占用终端资源，终端数目根据教室学生数目增加，可扩展至多台学生机；又因不占用过多虚拟机资源，视频传输仅依赖于终端硬件，故传输质量和速率将不受影响。系统健壮性良好，当云桌面系统宕机时，广播功能不受影响。

4 系统部署、测试与分析

在教师PC端安装教师机软件，每个虚拟机与一个终端连接，在终端PC1～PCn及其分别对应的虚拟桌面VM1～VMn安装学生机软件。具体如图3所示：

下面采用Windows性能监测工具，在两端和三端的情况下，以屏幕广播为例，对终端和虚拟机各自的带宽占用情况进行计数。

4.1 传统的两端部署测试

对于两端部署的情况，教师端发送屏幕广播指令由虚拟机执行。如图4所示，当对1台学生机Stu2进行广播时，监测到对应虚拟机所在云主机的带宽数据由5万Bytes/s以下升至50万Bytes/s上下浮动。

如图5所示，当对6台学生机同时进行屏幕广播时，监测服务器交换机所发出的总带宽数据升至700万Bytes/s上下浮动，说明流量数据将成倍叠加到云主机，需要更多的服务器成本和维护成本。

4.2 三端融合部署测试

在三端部署的情况下，屏幕广播操作将转移至学生机终端执行。如图6所示，当对Stu2单台广播时，检测到Stu2终端接收带宽数据在40万Bytes/s上下浮动，与两端模式下作用于虚拟机的数据相当。

在上述情况下，停止对Stu2的广播，开始对6台学生机同时进行屏幕广播时，Stu2的带宽数据在停止广播后下降至5万Bytes/s以下；当重新收到广播时，数据量回归至40万Bytes/s附近。此时无论是对于1台或者6台广播的情况，虚拟机的服务器带宽情况保持稳定水平5万Bytes/s以下，这表明三端模式下屏幕广播作用在终端上而并不作用在服务器上，因此服务器的资源情况不受影响。具体如图7所示。

5 结束语

本文所设计的教学系统采用虚拟化技术与终端融合的方式，将对资源消耗较大的视频图像类操作在学生云终端执行，消息类指令在学生云桌面端执行。实验表明，本系统可有效降低对服务器的资源占用，保证了视频传输的速率和质量；由于不占用云主机资源，降低了运维成本，且具有较强的可扩展性；即使云桌面系统宕机，广播也不受影响。经过长期的开发和完善，系统已成功在大学和小学多媒体教室等试点运行，功能也将得到进一步优化。

参考文献：

[1] Lombardi F， Pietro R D. Secure virtualization for cloud computing[J]. Journal of Network and Computer Applications， 2011，34（4）： 1113-1122.

[2] Behrend T S， Wiebe E N， London J， et al. Cloud computing adoption and usage in community colleges[J]. Behaviour & Information Technology， 2011，30（2）： 231-240.

[3] Ercan T. Effective use of cloud computing in educational institutions[J]. Procedia-

Social and Behavioral Sciences， 2010，2（2）： 938-942.

[4] Jeong J， Kim M， Yoo K， et al. A Content Oriented Smart Education System Based on Cloud Computing[J]. Multimedia and Ubiquitous Engineering， 2013，8（6）： 313-328.

[5] Sommerville I. Teaching cloud computing： a software engineering perspective[J]. Journal of Systems and Software， 2012，86（9）： 2330-2332.

[6] Palicherla A， Zhang T， Porter D E， et al. Teaching Virtualization by Building a Hypervisor[C]//Technical Symposium on Computer Science Education. New York： ACM Sigcse， 2015： 424-429.

[7] Pearce M， Zeadally S， Hunt R， et al. Virtualization： Issues， Security threats， and Solutions[J]. ACM Computing Surveys， 2013，45（2）： 1-39.

[8] Chrobak P. Implementation of Virtual Desktop Infrastructure in Academic Laboratories[C]//Federated Conference on Computer Science and Information Systems. Lodz： Springer， 2014： 1139-1146.

[9] Burd S D， Luo X， Seazzu A F， et al. Cloud-Based Virtual Computing Laboratories[C]//Hawaii International Conference on System Sciences. Manoa： University of Hawaii， 2013： 5079-5088.

[10] Calyam P， Patali R， Berryman A， et al. Utility-directed Resource Allocation in Virtual Desktop Clouds[J]. Computer Networks， 2011，55（18）： 4112-4130.

[11] 李梅，羅南林，蔡建轩. 基于VDI模式的桌面云管理平台设计与实现[J]. 计算机科学， 2015（S1）： 345-348.

[12] 黄东宇. 桌面虚拟化在高校计算中心管理中的应用研究[J]. 信息系统工程， 2015（4）： 143-144.