桌面虚拟化技术在高校计算机实验室管理中的应用研究

何春莲，李志勇，胡 元

（红河学院信息技术中心，云南蒙自 661199）

桌面虚拟化技术在高校计算机实验室管理中的应用研究

何春莲，李志勇，胡 元

（红河学院信息技术中心，云南蒙自 661199）

计算机实验室设备的高效管理和维护是提升实验教学质量的重要条件，针对从实验室管理过程中的主要问题出发，以红河学院云计算实验室为例，采用先进的桌面虚拟化技术改善传统实验室管理中存在的问题，为计算机教学实验的顺利开展提供了重要保障。同时阐述该技术在实验室的使用和管理中的优劣，为同类高校实验室建设和管理提供一些可借鉴的应用模式。

云计算；集中管理；桌面虚拟化；移动学习

引 言

高校实验教学是培养学生实践能力和创新能力的重要平台，是实现学校培养本科应用型人才的重要手段之一，是学校信息化发展程度的一个重要标志。随着大数据时代的到来，信息技术与课程的深度融合，计算机实验室的设备增多、管理规模越来越大，随之而来的是传统管理模式的弊端日渐凸显。[1]如何提高高校计算机实验室的管理和使用效率，充分发挥实验室设备的价值,完成重要的教学实验任务和科研任务,是值得管理者深思的一个问题。而桌面虚拟化技术的出现使我们可以换一种方式建设计算机实验室,提高管理的效率和服务的质量。

一 传统计算机实验室的现状分析

在信息化发展越来越深入的今天，高校越来越重视信息化的教学应用，计算机实验室的管理部门既要保障现有设备桌面环境高效、安全和稳定的运行，也要随时做好准备，为随需而变的教学实验需求业务提供弹性调整的部署方案。在实际工作中，计算机实验室的管理人员重复着枯燥、技术含量低的运维工作。其主要存在以下几个问题：

（一）工作量大，效率不高

计算机实验室是面向全校师生，涉及不同专业或多门课程的实验基地。每个学期开课前每门课程需要花费大量的时间更新计算机系统和安装教师教学实验的应用软件，作为管理人员基本上必须保障将所有授课教师需要的软件都进行安装，导致软件冲突不断，系统运行缓慢；而采用传统的网络同传功能耗时，使用率不高。[2-3]同时，由于还原卡的不稳定性，导致网络丢包问题严重，维护人员必须重复性工作，才能完成软件的维护与安装。

（二）设备分散，故障率高

传统计算机实验室以PC机为主，PC机硬件构成繁多，位置分散，用户分布广泛，导致单点故障率上升。要想管理到位，保障计算机实验室中每一台PC机设备的硬件正常运行，就必须增加管理人员定期对硬件设备进行巡检和软件的升级，由于管理人员的严重不足及个人技术能力水平参差不齐，无法按照统一的标准进行集中管理，导致管理效率低下，故障率上升将成为必然。

（三）静态部署，资源利用率低下

学校的计算机实验室原则上是教师有课才允许学生进入开展教学实验，授课时间到就结束实验，不管实验内容有没有完成，师生都必须离开实验室，导致开放式实验教学模式很难开展，而且随着信息化的发展，师生希望可以随时随地的访问其桌面环境，传统的静态部署无法实现课后师生继续共同探究、协作完成实验任务，导致计算机实验室整体的资源利用率不高。

二 桌面虚拟化技术的应用探索与实践

为解决学校实验室重复建设、使用率低、运维管理成本高等问题，同时实现学校培养本科应用型人才的目标，适应教育信息化和信息技术日益发展的现实需要，通过不断探索将桌面虚拟化技术应用到具体的计算机实验室建设与管理实践中，建立了红河学院云计算实验室，以一种全新的方式管理机房，提高了工作效率，为学校实验教学的有效开展提供了保障。

（一）桌面虚拟化技术

虚拟化是一个广义的术语，在计算机方面通常是指计算元件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行。虚拟化技术可以扩大硬件的容量，简化软件的重新配置过程。桌面虚拟化Desktop virtualization(或者译为Virtual Desktop Infrastructure)是一种基于服务器的计算模型，并且借用了传统的瘦客户端的模型，但是让管理员与用户能够同时获得两种方式的优点：桌面虚拟化技术将数据的运行存储和桌面分开，所有用户桌面虚拟在数据中心进行托管并统一管理的同时，通过桌面虚拟化技术生成大量的独立的桌面操作系统，所有用户终端通过专有虚拟桌面协议，输入用户名和密码，就可以随时随地的通过校园网络访问个性化桌面，从而实现用户能够获得完整PC的使用体验。

（二）桌面虚拟化技术在计算机实验室建设中应用

1.需求分析

为了让不同学院及其不同专业的学生掌握使用音视频处理、大型图像处理、网络实验、网页制作、数学教学、office应用、数据库、编程语言、统计学软件等应用型技能，要求新的实验室平台要能够动态、快速的搭建一个数量多、复杂度高的共享型实验环境，更好地满足和支持学校多门类多学科的实验实训教学工作。平台技术架构要简单且开放，通过构建一个动态资源基础平台，从而实现整合计算资源，提高设备利用率，降低应用复杂性，增强存储资源的共享能力和节约能耗等目标，重要的是要能够满足随需而变的教学要求，同时又被轻松的统一部署、管理和维护。

2.建设规划

（1）桌面虚拟化技术原理

经过大量实地调研、技术方案测试分析，红河学院决定采用Citrix(思杰)的桌面虚拟化技术来建设新型、动态、共享的云计算实验平台，整个实验室共有306台计算机，新建机房4间，共计242台计算机。同时积极利用旧计算机改造机房1间，64台计算机。新建机房终端使用瘦客户机，旧机房改造使用原有的计算机终端，实验室的桌面云，以XenServer为基础，构建桌面虚拟化和应用虚拟化的资源池，两种不同的终端，两种不同的工作原理，具体如图1、图2所示。

图1 新建终端（瘦客户机）工作原理

图2 旧终端（旧计算机工作原理）

（2）桌面虚拟化技术部署

高校云计算实验室的建设以简化、动态、共享为原则，充分使用虚拟化、多级存储和负载均衡等技术，建立一个动态资源基础平台，从而实现整合计算资源，提高设备利用率，降低应用复杂性，增强存储资源的共享能力和节约能耗等目标，最终使得在此基础之上构建的数字校园业务应用管理更简单、更全面，运行更可靠、更稳定，并能更加灵活便捷的为师生提供“随需而变”的应用服务。[4]具体拓扑结构如下（图3）：

图3 云计算实验室-拓扑结构图

在桌面虚拟化技术部署实施过程中，核心是服务器虚拟化，通过在数据中心的服务器上进行服务器虚拟化，根据虚拟桌面协议将传统PC机呈现的桌面环境发送给终端设备。用户只需安装客户端通过网络登录到虚拟主机上，只需记住用户名和密码即可随时随地通过网络访问自己的桌面系统，从而实现单机多用户或者单机多系统的虚拟化应用服务。[5]

（3）软硬件配置

为了合理地利用教学资源及资金，充分发挥服务器的性能，降低管理和维护成本，按照306个用户并发处理普通软件最高峰值为例，根据现场实际测试数据计算，一台服务器带客户端35-50台，图形资源类应用25-35台的需求，硬件服务器可以采购4颗Intel(R) 8核英特尔至强处理器E7-4820，配置64GB内存，部署为虚拟化基础服务器。采购2颗六核英特尔至强处理器E7-2820，配置64GB内存的服务器部署为虚拟化管理服务器，考虑到最大程度地发挥硬件的性能及与Citrix XenDesktop硬件兼容性问题，选择型号为C10L1的Wyse瘦客户机作为终端设备。在软件方面，我们采用了思杰（Citrix）XenDesktop企业版的桌面虚拟化软件。

（三）教学应用情况

目前，红河学院云计算实验室已经稳定运行应用5年多，共安装40余个应用软件，主要承担了学校25个本科专业、40门左右学科、每周140-160学时、4027人次的实验教学任务，其中课程包括大学外语、数学实验、报关实务、财务管理软件、文献检索、电脑图像创意、微机原理与接口技术、专业实践、自动化控制原理、程序设计与数据结构和生物信息学，均已开始在云计算机实验室开展教学。此外，云计算实验室还承担了学生毕业论文设计（实践）、教师科研和社会服务等任务。对比传统计算机实验室体现出低维护量、高可用性、低功耗、快速部署和更新的较大优越性，云计算实验室终端的数量和性能，可以根据教师的教学需要随时改变。整套系统保持了稳定、高效的运行状态，重要的是平台后台服务器资源可直接服务于学校正在推进的移动支持学习环境。

（四）桌面虚拟化技术的应用优势

将桌面虚拟化技术引入到计算机实验室的建设与管理中，加强了计算机实验室的统一管理，提高了管理人员的工作效率及实验室的资源利用率。其主要体现在以下几个方面：

1.统一管理与配置，使用安全便利

由于数据的运算发生在数据中心，用户的所有桌面管理以及设备的配置都在数据中心进行，整个云计算实验室的系统升级和应用安装的问题，管理员都可以通过数据中心对所有用户桌面和应用进行统一配置和管理。这样的管理模式避免了传统计算机实验室由于终端分散造成的管理困难和高昂人工成本，尤其对于学校机房这种大规模的、教学需求多变的应用环境（频繁更换操作系统和应用软件）非常适合，且将原来需要3-7天的系统调试及软件安装时间缩减至几小时就可以完成。由于用户桌面传递的只是最终运行的是结果图像，所有的数据和过程计算都发生在数据中心，因此系统数据和信息不需要通过占用网络带宽传递，增加了安全性和快捷性，降低了病毒感染且人为干扰等因素的影响。

2.耗电量低和节能减排，减少管理成本。

传统PC终端的耗电量一般在200W以上，而采用瘦客户端以后耗电量在25w左右，耗电量降低12.5%，而服务器的计算压力会带来一定程度上耗电量的升高，但是与大规模客户端相比，基本可以忽略。因此一年下来的电费也会降低90%左右。[6]而实验室耗电量的减少，就必然导致碳排放的减少，适应了智慧校园绿色环保的建设要求。桌面虚拟化技术在高校计算机实验室建设与管理中的优势，具有典型的规模效应，终端数量越多，集中管理的效益和优势就越明显。

3.动态部署和随需而变，提供方便灵活的教学授课环境

通过使用桌面虚拟化技术，系统升级和应用安装等问题可以在实验过程中来动态部署，不影响实验教学的任务和进度，满足授课教师在教学过程中随需而变的应用需求。同时，师生访问虚拟桌面的方式变得更加灵活和自由，只有在校园内有网络的条件下，授课教师在任何地方都可以通过用户名和密码快速连接个人桌面进行课程实验的设计、上课内容的准备和课后讨论的安排。与传统的实验模式相比，使得教师可以从计算机实验室解放出来，实现移动、泛在的访问和学习，学生也不会被限制在课堂的时间内，只要在校园里面有网络的地方，学生就可以通过客户端输入用户名和密码将学生桌面连接到计算机实验中，通过远程桌面的方式获取虚拟个人桌面环境继续进行教学实验，从而实现了随需而变的访问和使用。[7]重要的是保证了教学实验的连续性和先进性。

4.简化管理和多终端支持，提高工作效率

使用桌面虚拟化技术，简化管理，将传统计算机实验室针对单个PC机的分散管理集中到服务器端，管理人员通过服务器端一个人就可以轻松管理成百上千的客户端，降低了工作强度，提高了工作管理的效率，同时降低了系统对终端设备的硬件要求,师生可以使用普通的台式机、笔记本、平板电脑和智能手机等设备作为终端来承载虚拟桌面环境。[8]

5.实验室开放及门禁管理

云计算实验室实行开放式管理，即该云计算实验中心结合红河学院手机一卡通系统进行门禁权限管理下发。授课教师在上课之前将自己的上课时段输入学校一卡通系统，授课教师在有课程实验的时候轻轻一刷就可以打开教室，不用等待教室管理员开门。授课教师也可以在授课之余，申请使用云计算实验室，管理人员将所有的服务打开，师生在实验室之外就可以通过终端设备链接到实验室的虚拟桌面开展实验任务。为师生提供了一个开放、泛在的实验教学环境，有利于培养学生的实践动手能力和创新性思维。

三 结语

经过5年的实践应用经验告诉我们高速稳定的校园网络环境是桌面虚拟化技术在计算机实验室建设与管理中成功的重要保障。[9]在实践的过程中存在以下两个主要问题：

一是目前来说桌面虚拟化的建设成本相对较高，需要对基础的网络架构进行改造，需要购买虚拟化软件的许可授权，对管理人员的技术要求较高；[10-11]二是桌面虚拟化产品在图像渲染和视频处理方面应用效果不是很理想。

以上存在的主要问题是红河学院在实际部署和实践过程中发现的，说明桌面虚拟化技术作为一种新型的技术依然还在发展中，许多技术上的难题需要在实践的过程中去攻克，但是桌面虚拟化技术的应用前景是非常乐观的，现在许多高校、政府和企业都愿意使用桌面虚拟化技术去解决传统技术手段无法达到的应用体验。

[1]霍迎秋,费攀峰,等.朱珊娜计算机教学实验中心信息化管理探索与实践[J].实验室研究与探索,2016(1)：125-128.

[2]熊俊.桌面虚拟化技术在实验室建设中的应用研究：以广东松山职业技术学院为例[J].工业控制计算机,2016(1)：120-122.

[3]季益龙,金炳尧.多媒体教室管理人员服务质量的实证研究[J].实验室研究与探索,2016(2)：250-254.

[4]亓文涛,孙淑强,樊 冰.基于信息化的高校实验室安全文化体系构建[J].实验室研究与探索,2016(2) ：295-299.

[5]都广斌.基于服务器虚拟化的云计算平台研究[D].西安：西安电子科技大学,2010：13-23.

[5]陈厚斌.桌面虚拟化技术在教育机房中的研究和应用[D].杭州：浙江工业大学,2014：10-13.

[6]邢嘉.桌面虚拟化技术在高校计算中心的应用研究与实现[D].青岛：中国海洋大学,2014：15-17.

[7]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,2014,31(4)：118-142．

[8]邓少华,桌面虚拟技术在多媒体教室管理中的应用[J].网络安全技术与应用,2014(1)：33-34．

[9]Hui Chiu Chen，Cherng Ying Chiou，Chun Yuan Yeh，Hui Ling Lai．A Study of the Enhancement of Service Quality and Satisfaction by Taiwan MICE Service project[J].Procedia-Social and Behavioral Sciences，2012,68(40)：382-388.

[10]林先津.桌面虚拟化技术在分布式设备管理中的研究与应用[J].实验技术与管理.2013(4)：68-70.

[11]董焱.基于虚拟化技术的实验教学中心环境构建[J].实验技术与管理,2011,28(3)：299-302

[责任编辑 舒 泳]

The Application Research and Realization of Desktop Virtualization Technology for Computer Laboratory in Universities and Colleges

HE Chun-lian,Li Zhi-yong,HU Yuan
(Information Technology Center,HongHe University,Mengzi 661199,China)

The efficient management and maintenance for Computer Laboratory equipment is an important condition to improve the experimental teaching quality,For the various problems existed in the lab management,taking the Cloud Computing Laboratory of HongHe University as an example, The advanced of desktop virtualization technology is used to improve Computer Laboratory management,It is that provides the solid foundation for the smooth progress of the computer Experimental teaching,At the same time,by discussing the advantages and disadvantages of the technology in laboratory use and management ,Which can provide some useful application models for the same university in the construction and management of laboratory.

Cloud Computing;Centralized Management;Desktop Virtualization ;Mobile Learning

TP308

A

1008-9128（2017）06-0125-04

10.13963/j.cnki.hhuxb.2017.06.031

2017-05-17

云南省教育厅科学研究基金项目：高校移动学习资源设计与开发研究（2014Y465）

何春莲（1984-），女，云南石屏人，硕士，助教，研究方向：数字化学习环境的设计与开发。