基于云桌面技术的计算机实验室应用研究

邓文锋

摘要：高校传统计算机实验室建设已触碰到了瓶颈，云桌面技术的出现恰到好处地破解传统计算机实验室发展的困境，该文分析了传统计算机实验室的现状，探究了云桌面技术的优势，分析了不同虚拟化技术架构模式，提出了不同应用场景下的云桌面技术架构选择方案。

关键词：计算机实验室;云桌面;虚拟化技术

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）13-0200-02

为实现国家教育信息化规划目标，着重解决国家教育信息化全局性、基础性、领域共享重大问题，教育部早在2012年3月发布了《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》，《规划》明确提出了充分整合和利用各级各类教育机构的信息基础设施，建设覆盖全国、分布合理、开放开源的基础云环境，支撑形成云基础平台、云资源平台和云教育管理服务平台的层级架构。高校作为高等教育在国民教育中处于首要位置，是先进技术研发和应用的首先场所，对推动国家教育信息化有着至关重要的作用。计算机实验室信息化建设水平是高校信息化水平的重要体现，现有的大部分计算机实验室建设和管理模式已逐渐不适应信息化要求和难于满足教学科研、实验实训的需求，其不足日显突出，利用新技术加快实验室革新，以提升高校计算机实验室信息化水平。

1 传统计算机实验室现状分析

2020年5月教育部发布的《2019年全国教育事业发展统计公报》数据显示，教学科研仪器设备总值6095.08亿元，比2018年增加562.02亿元。高校在硬件设施建设的投入不断提高，加上近几年计算机技术的发展，高校计算机实验室在这次机遇中得到了快速发展，先进的计算机技术逐渐应用在实验室中，实验室的数量和硬件配置都得到了很大的提升。但是随着计算机实验室数量增加和设备不断升级，在后期的管理上出现了诸多弊端。

1.1 管理维护困难

由于计算机的采购批次和数量不同，实验室里出现机型众多，配置参差不齐，难于集中统一管理，兼容性也越来越差;计算机实验室不仅要满足教学、科研和实践应用的差异化需求，还要满足各类机考（计算机、英语等级考试）的要求，计算机上同时装配多个系统和应用程序，装配耗时和容易冲突;实验室一般通过局域网搭建网络，师生访问外网及使用移动存储设备极易使计算机感染病毒，病毒极易网内互相传播，严重时致使实验室设备整体瘫痪;安装有保护卡的计算机虽可以快速恢复系统和应用软件，但大大限制了个性化需求，也使每一次增配或升级时，需花大量精力制作“母机”并进行拷贝传输。

1.2 升级成本巨大

以笔者所在学校为例，实验室的计算机过了维保期后，故障率就会明显升高且难于维修，传统计算机的生命周期五年左右时间，淘汰换代耗费的资金较大。近几年来，随着计算机技术迅猛发展，硬件配置越来越高，软件更新迭代越来越快，前沿课程和新版软件对计算机的整体性能要求不断提高，频繁的教学应用软件环境的部署、升级和切换，要求实验室的计算机配置需要与之匹配，以保证教学科研实训的正常开展。

1.3 用户体验性差

计算机课程多需要在实验室进行设计和测试等，良好的用户体验能够促进教学质量的提高。但因诸多因素，同一实验室也会出现不同配置的计算机，系统臃肿导致运行缓慢、不稳定，应用软件版本更新迟缓，网络拥堵等问题，同时不能提供个性化的应用环境和保存本地实验数据，更不用说提供远程网络实验和资源共享了。以上问题直接影响师生在实验室的使用效果和导致课后资源的严重浪费。

2 云技术分析

2.1 云计算

2006年谷歌首席执行官埃里克·施密特在搜索引擎大会首次提出“云计算”（Cloud Computing）。美国国家标准与技术研究院（NIST）定义：云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池，这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。工业和信息化部电信研究院（现为中国信息通信研究院）在2012年发布的《云计算白皮书（2012年）》中定义：云计算是一种通过网络统一组织和灵活调用各种ICT信息资源，实现大规模计算的信息处理方式。

2.2 云桌面

云桌面技术是基于云计算技术应用的一种服务技术，其利用服务器集群部署策略，通过虚拟化技术将各种应用程序和数据汇集到云平台中，用户可借助网络在云平台中各取所需，而不用考虑系统的硬件配置、软件安装以及数据计算和存储的问题，从而实现了客户端的轻量化。

2.3 云桌面的优缺点

云桌面实验室是通过云计算技术全面革新了计算机实验室的建设模式，云桌面实验室在架构、性能和能耗等方面与传统相比有突出的优势，但也存在技术上的不足。

2.3.1 架构对比

在设备部署管理上，多个机房的设备部署起来复杂，且网络繁多，管理需要耗费大量的人力，云桌面实验室客户端仅有显示器和接收盒，接收盒采用模块化，几乎不用维护，省下了大量的人力物力。在系统资源管理上，传统实验室的设备基本是固定配置，升级困难，资源也无法共享，而云桌面实验室可以按需分配，弹性分配硬件和网络资源，使资源利用达到最大化。

2.3.2 性能对比

云桌面实验室客户端性能主要由服务器和网络性能决定，相对传统计算机实验室，性能优勢主要体现在：一是集中方便的WEB后台管理方式，实现“单点”管理向“整面”管理转变，可以节约管理大量的人力和时间成本;二是采用链接克隆技术使系统环境部署能够快速完成，系统环境升级能够一键操作;三是系统资源实现共享共分、灵活分配;四是移动桌面使用户使用不受时空限制，实现用户桌面、软件、数据统一;五是硬件扩展仅针对服务器，升级更加方便快捷;六是在安全防护上，仅需做好服务器和交换机端的病毒防范，不用担心用户端的病毒感染。

2.3.3 能耗对比

以100台终端的实验室为例，每天按8小时的使用时间计算，传统实验室每天的耗电量约为240KW，云桌面实验室每天的耗电量约为40KW（其中终端耗电量约为12KW，服务器端按24小时计算耗电量约为28KW），传统实验室的耗电量约是云桌面实验室的六倍。由此可见，云桌面实验室的能耗远低于传统实验室，能够大大减轻实验室的运行成本，同时达到节能减排效果。

2.3.4 存在不足

云桌面技术的应用主要依赖于服务器和网络，因此对服务器和网络资源要求大和高，服务器资源不足、网络不稳定等都会直接影响云桌面的使用。此外，云端服务器对图形图像的处理能力不强，如对图形化要求高，则还需配置GPU服务器，性能高端的显卡昂贵，投入成本高。

3 云桌面在计算机实验室应用

3.1 虚拟化技术

虚拟化技术是为了整合和共享计算机资源的一种计算机技术应用方案，云计算就是虚拟化技术的一种典型应用。虚拟化技术最早是由IBM公司为了充分利用大型计算机资源而研发的一种技术。经过多年技术的迭代和应用，该技术越来越成熟，应用场景及行业也越来越广泛。其中，云计算就是利用该技术，将集中的服务器集群进行资源整合和池化，再按终端需求进行统一分配和管理，最终通过网络传输以桌面化形式显示在终端。

3.2 虚拟化技术架构

移动办公需求推动了虚拟化技术在云桌面中的应用，云桌面技术近几年在高校信息化建设中开始广泛应用，其突出的优势恰好能够解决困扰计算机实验室建设多年的使用需求复杂、运维繁重和扩容升级困难等问题。当前，主流云桌面技术构架主要包括：VDI、IDV和VOI。

3.2.1 VDI 架构

VDI（Virtual Desktop Infrastructure，虚拟桌面基础架构）是桌面虚拟化最初的架构模式，也是目前桌面虚拟化的主流模式。这种架构将管理和运算集中在服务器端，对服务器性能和网络质量要求较高，而客户端则实现轻量化。

3.2.2 IDV架构

IDV（Intelligent Desktop Virtualization，智能桌面虚拟化架构）是服务器端集中管理，客户端分布运算的桌面虚拟化技术，它充分利用客户端资源运行虚拟桌面，从而减轻了服务器端的负担，但要求客户端需要相同配置来支持。

3.2.3 VOI架构

VOI（Virtual Operating-system Infrastructure，虚拟操作系统基础架构）是IDV架构上的一种优化模式，都属于“胖终端”，客户端需要配置齐全的硬件来支持从服务器上下载的操作系统镜像和应用程序，与传统计算机的使用体验相差无几，对服务器性能要求不高，但需要客户端有较好的数据和图像等处理能力。

3.3 云桌面技术架构选用

就高校而言，计算机实验室承担着不同的教学、科研和考试等任务，针对不同的需求，不同的应用场景应采用不同的云桌面解决方案，以达到资金投入最合理、资源利用最充分以及运行维护最便捷。

VDI架构方案对服务器和网络的要求较高，且需专业的运维队伍，前期投入较大，后期升级管理方便，适合对计算机运算性能不高、图像处理要求不高、应用环境单一以及需实现移动访问需求的实验室场景;IDV架构方案对客户端硬件要求较高，需要客户端配置统一且支持虚拟环境，对服务器的要求则不高，适合资金投入较少，数量较少的实验室场景;VOI架构方案是“胖终端”，需要客户端设备支持，可对实验室原有设备充分利旧，适合用户个性化需求高、无移动访问需求，运算和图像处理性能较强的实验室场景。

4 结束语

高校计算机实验室通常要完成教学、科研和实训等任务，不同任务需要的设备配置和性能又不尽相同，多场景和多应用是计算机实验室建设的基本需求，而各种云桌面技术架构均存在不同短板，综合考虑建设成本、旧设备利用、设备兼容、师生体验等因素，可尝试融合各种架构的功能优势，通过云服务器实施资源统一调度，根据资源池负载情况，为不同需求进行分配，让系统资源充分利用。例如，对于公共计算机实验室建设选用VDI 技术构架，对于专业计算机实验室建设选用VOI 技术构架，各子网汇集在云平台上，用户根据需求在云平台中选用不同架构，实现云桌面架构之间的灵活切换。

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