基于VOI模式的高校多媒体教室桌面云的应用与分析

杨 楠，赵 骥，郑红英，吕 欣

(华北理工大学 现代技术教育中心，河北 唐山 063210)

一、研究背景

随着移动互联网时代到来给人类生活思维带来的巨大变革，在高校教学过程中智能化学习工具的普及，线上互联网教学的开展，基于数据挖掘技术的大数据分析日益智能化，学习环境的不断创新变更已成为高校教育技术变革的重要内容。如何将多媒体技术教学管理平台的应用和革新与传统教育教学设计课堂有机整合发展起来，既发挥高校教师传统课堂上的引导、启发的主导作用，同时全面改进多媒体教室设备的管理和维护，提升高校教师课堂时间的利用率和创新教学效果成为了亟待解决的重要内容。

由于网络多媒体教学模式越来越多的应用于高校教学环境之中，高校教师采用的教学模式也更侧重于多向互动，日趋个性化和多样化，但传统功能单一、地域限制、模式老旧、维护困难的教室使得高校互联网时代智慧校园的建设出现阻碍,传统模式已逐渐不能满足当今高校的教学发展需求。

总之，随着高校多媒体教室使用率的不断提高，设备数量和使用率都在不断增长，管理任务趋向复杂，而目前普遍管理模式在使用过程中无法满足当下的管理需求，在设备调度、日常管理等方面面临着诸多挑战。

多媒体教室作为学校重要的信息化教学信息平台，承载着学校所有老师的上课教学活动。师生在体验先进教育方式的同时，也为多媒体教室的维护和管理提出了更高的要求。传统的多媒体教室具有如下非便利条件。

多媒体教室分布区域不集中。大部分传统高校多媒体教室，具有数量多、分布广的特点，教室地理位置较分散，多媒体教师机分布在各个楼栋和各个教室之间，分散不集中是最大的特点。再加上不同专业不同计算机配置多样化、校园网络不稳定、系统更新维护时间长等一系列问题，给多媒体教室的设备系统管理和机器维护工作带来了诸多困扰。

多媒体教师机配置差异大。多媒体教室计算机数量众多，造成各机器的机型、配置、操作系统、软件环境不能完全相同，存在差异，当对教师机进行软件更新和系统维护时，工作量特别大，需要管理人员逐个教室去更新安装，劳动强度大，工作效率不高。所以给管理员部署多媒体教室软件环境造成困难，需要对每个终端逐个部署。

软件安装、更新困难。面对更换操作系统、升级常用软件等提高计算机性能的操作，管理工作出现速度慢、易掉线、成功率的现象。并且电脑操作系统占用空间都较大，电脑运行缓慢，给教师在日常教学使用过程中也带来了诸多困扰。同一教室需要承担多个专业的教学任务，需要针对不同专业的教学安装不同的教学软件，这样容易造成计算机由于安装程序过多而出现运行缓慢甚至死机现象。如果临时更换教室，计算机软件往往不能满足教学需求，需要重新部署才能开始教学，占用正常教学时间。急需一种通用性强、稳定性高且易于管理的新模式来满足高校各学院全学科的各类教学需求。

二、基于VOI模式下的多媒体教学环境背景

在虚拟技术和云平台环境不断发展和进化的过程中，基于VOI架构的多媒体教室的应用逐渐受到关注。所谓VOI架构，全称Virtual OS Infrastructure，指的是虚拟技术操作系统基础架构，也被称为虚拟终端管理系统。近些年，作为虚拟操作系统技术的一种创新型架构，VOI模式逐渐成为了计算机虚拟化管理的主导发展方向。

VOI模式的基本特征是集中管理、分布式运算和本地运行。VOI利用终端的运算能力，采取前端运算，属于非虚拟机桌面形态；与此相对的VDI使用共享服务器的计算能力，进行后端运算，属于虚拟机桌面形态。桌面云作为电脑桌面部署与管理的新型技术架构，其中和传统模式最大的不同在于可以让云桌面结合服务器端，远程实施统一部署和管理。这种模式既可以减少维护成本还能够优化运维流程。当多媒体教室客户端启动关机或是需要日常维护、软件更新的时候，远程服务器能够将操作指令和教学资源以数据流的形式传输至多台分散的客户端教师机，在客户端执行运算的同时能够实现按需交付给服务端并缓存给本地客户端。

简单来说，VOI是一种集中存储和分布式计算的模式。这种虚拟模式可以在服务器端存储管理系统进行数据分析并在客户机上加载操作系统和应用到本地缓存。VOI模式的应用，从桌面应用程序交付转向操作系统标准化和按需即时分发的能力不再仅仅依赖于CPU的虚拟化技术，如传统的VDI架构方式，并将数据从物理存储介质直接重定向到I/O输入输出层，以确保虚拟化操作系统完全高于本地物理硬件。VOI模式以客户端虚拟容器技术为底层基础，而所谓的虚拟容器，实际上是将终端彻底的虚拟化，建成一个虚拟的容器池，在这个容器池上再部署操作系统，由于终端已经被虚拟化，所以从操作系统角度来看，它们面对的“硬件”已经是虚拟的，没有差别了。[1]

近些年，虚拟化技术和桌面云系统在教育界内的发展十分迅猛，一种能够应用在高校多媒体教室的维护管理和更新升级过程中的创新型管理模式和技术架构应运而生。智能化教学、便捷式运维、绿色化的环境逐渐成为了改善传统教学环境并构建新型教学模式的建设目标。基于VOI模式的桌面云的应用使得高校教学中的便捷性和连续性得以保障，逐步实现了便捷地维护管理和数据的有效融合，用户教师机的操作系统也呈现出个性化、多性能的特征，以此实现了教学系统运维的集中管理。

在把基于VOI模式下的桌面云应用于高校多媒体教室的教学管理的过程中，为了使本地计算机能够按时按需工作，只需在要启动设备时把操作系统和软件应用通过服务器加载到本地缓存即可。它的应用在网络中断或离线状态下同样支持运行，并且能够集中并具安全性地管理桌面系统；兼容性的问题得到有效解决的同时还能与传统PC保持同样的性能和操作体验。对于数据的安全性、硬件的精简化也做出了进一步的改善。在启动状态下，根据多媒体教室的各类应用需求，服务器会用数据流传输的方法把需要更新的操作系统和软件应用导入至客户端便于高效有序地运行。同时，也能够脱离网络进行本地离线运行。这种技术不仅投资小，而且具备极强的图像密集型运算能力。

三、基于VOI架构桌面云与VDI架构的异同及其优势和局限性

将基于VOI模式下的桌面云应用到高校多媒体教室的运维管理中，能够使得整个管理过程变得智能化和集中化，兼具统一性和灵活性，在保证工作效率的同时还可以有效的降低运维成本，实现运维管理双赢。VOI模式一方面具有将分散在各处的多媒体教师机的操作系统和软件应用转换成为镜像文件进行集中化管理的优点，另一方面还能通过将终端资源缓存在客户端的方式，减小对网络和服务器依赖。[2]这种创新型架构能够很好的克服虚拟桌面基础架构VDI模式下产生的很多问题。在实际操作中由于服务器亦不需要传统模式下过多的运算量，可以直接利用虚拟终端资源运行操作系统，来减少数据中心较重的负荷。

(一)基于VOI架构桌面云与VDI架构的异同

1.对于高校教室多媒体教师机配置差异大的情况

云桌面在服务器上统一制作满足教学要求的镜像，然后分发给各个终端，VDI架构由于使用的虚拟机，不存在配置差异大导致的兼容性问题。而VOI架构，逐渐已经发展出了适应与异构机型的方案，如自动学习模式，可以在学习各机型的硬件配置后，各桌面各自加载需要的驱动，达到一个镜像适配多种机型的目的。

2.多媒体教师机硬件外设多的现状

VDI架构桌面是服务器上的虚拟机，虚拟机对各种硬件外设的支持要通过一个透传的过程，难免遇到兼容性的问题，兼容性问题无疑会增加更多的维护和管理的成本，与高校教师的诉求不符。与PC机相似，VOI架构桌面是直接运行在终端上的，具备相对优化的外设兼容性。

(二)基于VOI架构桌面云的优势及其局限性

由服务器来管理操作系统镜像，并下发给终端，操作系统运行于终端本地硬件上。计算任务完全由终端承担，服务器只负责镜像管理、镜像上传下载、以及终端的管理工作(VOI省掉了本地虚拟化，操作系统直接工作在硬件上)，基于VOI架构的桌面云优势细则整理如下(如表1)。

表1 VOI架构下的桌面云优势

高校多媒体教室的管理在基于VOI架构云平台的环境下，存在着诸多优势。首先，解决了传统多媒体教室繁冗的运维管理工作，在多媒体教室的管理过程中，可以一键安装大部分相应组件，从而使高校多媒体教学环境运维管理环节变得更智能化、高效化。教师机的操作平台能够通过系统镜像集中部署和分发桌面云，具备便捷性。管理人员的远程管理有效缩短了传统教室管理中的故障排查时间以提升系统维修效率。实时监测的性能亦能够实现，可以即时即刻监控到多媒体教室桌面云系统的使用状况和故障问题。桌面云系统的创新型技术可兼容不同种类不同配置的异构终端系统，对异构终端能够实施集中的排查和管理，利用统一的操作系统镜像来配适各种不同类型的计算机，对全部终端的更新和维护可以通过更新虚拟镜像系统来实现，也可以对系统进行批量部署。运维人员对其中一台计算机进行安装应用或是更新操作系统的操作就能实现全部终端桌面环境的改变，在无需中断教学的前提下可以只更新磁盘差异的数据，减免了不必要的操作。桌面云系统通过客户端资源，将所有桌面环境制作成模板镜像上传至主服务器上，部署到一个虚拟磁盘中，从而实现集中管理并部署，同一分发和收回。每个虚拟磁盘都包含一个桌面环境，多台客户端可以同时使用一个桌面环境的虚拟磁盘。与此同时，主服务器能够交付也可以收回客户端所提供的桌面环境的服务。在数据更新方面可以实现桌面环境的随时更新并且不会中断或影响教学过程。

其次，云平台的安全性能有所保障，关于涉及到移动存储设备的管理中，创新型加密通道的投入使用实现了客户机与服务器之间数据的安全传输，安全管控能够有效实行。在网络状况不佳甚至是断网情况下的离线技术有可持续性，在教学过程中即使出现网络故障也同样可以操作部分界面。

再次，基于VOI架构下的桌面云的使用过程和操作方法是灵活易掌控的，可以按用户需求调整功能配置。在无需重启系统的情况下，多个设备操作系统可以通过同一管理帐号的自由切换，从而实现桌面漫游，多个管理账号也可以在同一终端设备上切换登录并且桌面互不干扰。

但从各项指标对比，也可发现VOI架构下存在的局限性。首先，VOI架构需要安装多个镜像模板，镜像的容量变大，上传和下发时会占用更多的传输时间和带宽，部署比较耗时。其次，因为它使用前端计算，所以对于客户机的硬件配置要求较高，客户机必须支持X86的设备。再次，VOI架构在广域网的环境下无法实现桌面漫游，必须搭配其他方式，比如，可以将数据全部存储在网盘上，然后让网盘跟随系统，所有的个性化数据通过网盘的方式来传输。

表2 VOI架构下的局限性

四、基于VOI架构桌面云的实际应用

(一)桌面云管理

图1 系统架构图

现阶段传统应用PC的多媒体教室逐渐被更智能化的桌面云系统所替代。在系统运行中，桌面可以在同步用户数据的基础上，帮助教师随时随地进行科研、教学及备课等工作。如果网络出现问题，也可以直接打开终端的本地桌面缓存数据，这样不仅能保障实践教学的连续性，而且可以提升整体教学水平。[3]

对传统的多媒体教室进行改建，让现行的云计算统一的管理模式替换传统PC，管理人员可直接利用WEB管理界面对分散的计算机系统进行统一管理。为了解决传统模式下管理员环境部署难和管理难的问题可以采取批量建立新的终端环境的方式。运用VOI的技术，可以使得多媒体设备在云端部署和管理，远端对终端的操作环境进行批量快速更新和克隆，自定义对终端切换操作系统等操作。为规范教学环境并提高教学质量采取VOI的技术和桌面行为管控的技术有效相融合的方式。

VOI架构下的桌面云在构建新型的云教室的过程中，采用的是集中管理，分布式运算的方法。服务器一方面负责系统镜像的管理操作工作并下发给终端，由终端来进行数据计算，另一方面负责镜像文件的输入输出和管理终端数据。[4]采用VOI模式的多媒体教室终端将彻底虚拟化的系统镜像统一加载到教师机的操作桌面上，这样的管理模式具备更强的稳定性，可拓展性和兼容性。避免断网对上课造成的影响，操作系统直接通过硬件运行，减去了本地虚拟化这个步骤。支持单系统多频道，相同操作系统下只存储不同的软件，可提高电脑运行速度及性能。

创新型桌面云的虚拟终端技术操作系统即VOI在集中管理多媒体教室终端系统镜像的过程中，通过操作系统和软件应用的虚拟化把镜像用数据流的形式定时按需分发到分散的多媒体教室里的主机中。它可以针对不同课程制定不同的系统镜像，分门别类以适应各学院教师各类课程的应用系统要求，有效避免了传统系统模式在稳定性和使用率上产生的问题。[5]教师在操作云桌面系统的过程中，其操作方式与传统PC机的操作方式并无差异，不会给教师的具体使用上带来明显的差异，从而可以实现从传统PC到VOI架构下的桌面云升级中的平稳过渡。

对于高校多媒体教室镜像系统的部署和管理工作可以批量集中地进行，也可以按照独立教室进行单独管理。在运维过程中如果采用统一部署集中管理的方法，工作效率和维护速度会更高，终端能够利用统一的虚拟镜像配适整块区域的系统。如果环境设定在多媒体计算机房，也可以采用云教室终端的单独管理，单个教室进行单独部署，由教师机下发至学生用机。这种模式对校园网络的依赖性更低，不会受到网络安全性的影响。[6]

把B/S架构应用到集中远程管理的进程中，运维人员可以远程通过手机或平板等多种设备登录WEB界面对教室服务器、计算机操作系统、应用配置等便捷有效的进行方案部署并集中管理，交互界面易操作易掌握。也可在手机上安装应用管理软件以查看多媒体教室使用情况和在线终端数量并对终端进行单独操作或者统一管理。对于各种复杂的网络环境例如跨VLAN，跨网段等，所有操作管理同局域网内操作一致，并且能够实现网络同传与硬盘保护。操作系统管理和系统安全防护的实现使得网络教学环境井然有序，操作系统的安全性也有了保障。

(二)镜像下发

VOI具备P2P和广播等多种下发方式，由于多媒体教室的终端分散、网络复杂，P2P的方式更加适合高校整体环境。

假定镜像服务器的网络带宽为N，终端的数量为M，需同时下载的镜像的大小为P，由此可以从一个公式计算出在理想情况下需要花费的时间T应为：

T=P/(N/M)可以得出如下结论：

1.当点数规模较大时，下载数据耗时非常长；

2.将镜像服务器网络带宽扩充到万兆，能有效降低下载耗时，但随着规模增加，还是会存在明显的瓶颈，且成本较高；

3.使用P2P方式进行下载，使多个计算节点同时下载同一镜像的过程中，镜像服务器不会成为瓶颈。

为了实现不依赖网络使用桌面，需要将镜像缓存到终端，当大量终端同时做缓存时，缓存速度就成了影响体验的关键因素。另外还要考虑缓存过程中占用网络带宽后对其他桌面正常使用是否会造成影响。P2P与广播混合镜像分发技术可以有效解决实际问题。

P2P是一种点对点的传输技术，利用该技术可以使得所有终端在传输网络中处于平等地位，每一个终端都将为其他终端提供数据传输，以保证传输效率的最大化。

从实际应用的角度分析，基于VOI架构下的桌面云，具有更符合高校多媒体教学环境和教学需求的适应性和实用性，深入解决了集中管控以及加密存储数据等安全性能方面的问题。一方面对网络依赖性极大的降低了，另一方面在服务器脱离的状态下也能实现正常运行，使得VOI模式的可拓展性得到了提高，拥有了更好的教学使用体验。[7]

图2 P2P体系结构图

这种基于VOI模式下的创新型桌面云虚拟终端管理模式，是通过操作系统集中管理、分布式运算的方式实现的。集中智能化地部署和维护分散的异构终端，在运维人员没有到场的情况下，系统的统一管理和更新也能通过远程操作得以完成。[8]桌面云在网络不稳定、外设多、在线考试或PC利旧等相对复杂的场景下都能发挥较好的性能优势。它使得终端可以实现精确的、可细化到分钟数的定时开关机任务，并且可使设备联动关机的操作集中完成。

五、结论

通过上述分析，面对日新月异的网络信息技术的发展，在高校教学环境中，虚拟化终端管理技术的应用，为高校现代技术教育的发展拓展了新的方向。基于VOI模式的桌面云，在客户端操作系统的部署管理工作上能够有效的进行，对教学应用资源按需分配的操作使得资源利用变得更加合理化和有效化。也能够改善运维管理传统的模式，提高了运维工作效率，并减小了操作难度。从而使得高校多媒体教室能在智能化的环境中更好地为教学活动的开展起到支撑和促进的作用，为教师的教学过程提供更稳定且便捷的服务，使得高校智慧化教学环境的建设也更近了一步。