基于混合云的高校计算机实训室建设

杨衡亮

摘  要： 将混合云的技术理念引入高校计算机实训室建设，力图解决传统计算机实训室在教学管理和运行维护上存在的短板，满足现代计算机教学和保障的需求。分析现有计算机实训室弊端，结合目前云计算技术发展和近几年计算机实验室建设经验，将VDI和IDV两种技术有机结合，提出基于混合云的建设方案。基于混合云的高校计算机实训室技术先进，优点多，能满足高校计算机教学和各项保障的需要。

关键词： 混合云; 高校; 计算机实训室; 建设

中图分类号：TP399          文献标识码：A     文章编号：1006-8228（2022）04-117-04

Construction of computer laboratory in university based on hybrid cloud

Yang Hengliang

（College of Information Engineering， Engineering University of PAP， Xi'an， Shaanxi 710086， China）

Abstract： The technical concept of hybrid cloud is introduced into the construction of computer laboratories in universities to solve the shortcomings of traditional computer laboratory in teaching management and maintenance， and meet the needs of modern computer teaching and security. In this paper， the disadvantages of the existing computer laboratory are analyzed. According to the development of cloud computing technology and the construction experience of computer laboratory， by organically combining the two technologies of VDI and IDV， a construction scheme based on hybrid cloud is proposed. The computer laboratory in university based on hybrid cloud has advanced technology and many advantages， which can meet the needs of college computer teaching and various security.

Key words： hybrid cloud; university; computer laboratory; construction

0 引言

目前大部分高校的计算机实训室，由于建设时间比较长，仍然采用传统单机计算机技术，在长期的运行使用中，管理维护困难、硬件不断老化、更新换代成本高、教学改革支撑弱，越来越不能满足教学的需要。云计算和虚拟化等新兴技术的发展和广泛应用，为高校计算机实训室建设提供了一种新的可能[1]。

1 传统计算机实训室运行管理中的弊端

目前高校大量正在使用的计算机实验室，一般建设运行有五年以上，个别的时间更长，大部分采取的是传统计算机或者无盘工作站的技术模式建设[2]，在管理上和使用上面临诸多弊端。

1.1 管理运维难

目前计算机实验室大部分采取的硬盘克隆同传和定期恢复的方式批量管理计算机。这种管理方式，通常一个机房安装一个教学应用软件、切换一个系统通常需要四五个小时。据调查，目前高校计算机实训室除正常教学授课外还经常承担等级考试、心理测评等临时性保障任务，每次临时性保障和日常教学均需要安装软件、切换系统。这种重复性的工作不仅耗费了大量的时间，还往往会因同传设备故障、网络设备故障、临时断电等造成系统同传时瘫痪，修复时间有时候需要一两天，加速电脑老化，造成实验机房维护使用成本高。

1.2 教学支撑弱

在计算机教学中，学生希望随时随地参与实验实训，老师也希望跨地域备课和办公，师生希望能随时随地展開交流。但目前的传统计算机不方便搬来搬去，大部分的实训只能局限于实训教室。同时由于教师机和学生机配置是一样的，难以加装网络教学系统，难以实现实时广播教学，和实时监控学生实验，学生的学习过程难以形成性记录。此外，由于计算机更新换代比较快，计算机总是面临淘汰/更新，为了满足教学需求，有些单位不得不经常购买电脑，无形中也造成了大量的浪费。

1.3 安全保密性低

传统计算机实训室，学生的实验实训数据基本上是保存在个人终端电脑上，一旦终端丢失或损毁，数据也随之丢失;另一方面，学生可能随意将文件拷贝或外发，造成泄密事件发生。由于学生机采取的是单独电脑，难以对学生机硬件进行管控，比如限制U盘与光驱、限制上网、限制应用程序等，也带来安全保密性风险。同时由于无法统一对硬件进行管控，单台计算机可能会被使用者恶意修改配置、删除文件等，这也给管理上带来负担。

2 基于混合云的高校计算机实训室方案

2.1 主流云桌面虚拟技术VDI和IDV对比

经过近几年发展和实际应用，云桌面虚拟技术主要有VDI和IDV两种技术路线。

2.1.1 虚拟桌面架构VDI

VDI基础架构，通过在中心服务器上将用户系统做成虚拟机实现虚拟化[3]。客户端设备连接虚拟桌面实现访问运算，所有用户端的运算和存储资源均集中于服务器上。VDI技术一定程度上解决了教学电脑分布广，维护工作量大的弊端，但在实践应用中也暴露出了一些问题。一是高依赖：桌面系统运行主要依赖服务器和网络，断网或者是服务器出现故障，学生机无法使用。二是高成本：VDI核心在于集中存储，集中运算，因此需要很高的服务器配置，造成机房建设运维成本高。三是体验差：网络质量不佳时，或用户同时并发时，容易造成网络拥堵，卡顿延迟，该系统对于一些大量运算和媒体播放的应用需求难以支持，用户体验比较差。

2.1.2 智能虚拟桌面IDV

IDV采取集中管理、集中存储、本地运算的策略，在保留VDI优势的同时避免了部分的劣势。IDV云桌面系统基于本地虚拟机架构，以软件定义桌面为设计理念，将操作系统及镜像和各种应用软件集中部署在桌面服务器中。客户端接入网络后自动从服务器下载桌面完成部署就可以运行，在和服务断网的情况下，也能离线运行。这种模式不用像VDI那样需要大量的图像传输，因此可以节省很大的网络带宽，从而构建出具备集中管理、分散运行，集中存储、稳定可靠的云桌面虚拟系统。

2.2 基于VDI+IDV融合的混合云计算机实训室方案

高校计算机实验室主要任务是各种计算机课程的理论教学、实验实训，同时往往需要为计算机等级考试、心理测试、学生在线考试等大量临时性任务提供场所、设备保障。这种多样化的任务就决定了高校计算机实训室，不仅能满足日常教学需要，还要在各种任务来临时，能够快速部署、快速切换、稳定运行，可靠运行[4]。VDI和IDV两种云桌面，各有优势，适合不同的应用场景[5]。考虑到高校计算机实训室多种任务、快速切换、稳定运行的需要，最理想的方案是VDI+IDV融合的混合云方案。

该方案的基本拓扑图如图1所示：核心架构主要由VDI云桌面服务器、IDV云桌面服务器、云数据存储中心服务器、云桌面管理软件、交换机、胖客服机云终端构成。实训室云终端桌面系统镜像由VDI云桌面服务器存储、管理和下发。云终端桌面系统加装专用客服端软件后也可以通过网页或者专用软件，访问VDI虚拟机，通过这样的模式实现超融合的应用。在实际建设中，由于IDV云桌面服务器平时可以不用一直运行，运算量不是很大，因此，为了节省成本也可以用它兼作数据存储服务器，当然综合考虑成本、稳定性等因素，一般不建议这样做。

3 基于混合云的高校计算机实训室应用

基于混合云的高校计算机实训室建成以后，能够为办公、教学实训、图形运算、在线考试等多种桌面应用场景提供支撑;基本能满足高校计算机类课程教学实训和各类保障任务的需要;配合各类在线教学实训系统能够实现学员网上学、网上练、网上考;在保障使用者体验优先的前提下，对终端设备、操作系统、用户数据进行统一、灵活、可控的管理和维护。

3.1 支持多样化教学

3.1.1 多样化教学

本项目使用了混合式桌面架构，教师、学员使用统一的身份认证系统可以在不通桌面架构之间无缝切换，而用户数据始终跟随用户。教员可以在实训教室、办公室甚至家里访问自己的桌面电脑、进行备课、查找和存储资料;学员也可以在实训教室、宿舍登录自己账户，进行学生实训、形成性保留实训成果、方便后期进行学习。

3.1.2 广播教学

老师屏幕广播传输到学生端屏幕，能丰富授课的内容，方便学生看清各类计算机演示操作，也可以将学生作业直观展示推送，并提升学生的学习兴趣。

3.1.3 学习监管

教师可以监管、轮询学生屏幕，充分了解每一个学生实验操作情况，严防学生开小差。根据学生特点分组教学，实现分组讨论和个性化教学，教师可以轮循监看各組进度及讨论情况。

3.1.4 答疑测试

老师可以即兴出题，支持选择题、判断题、抢答题，当学生遇到问题时或有不了解的课程内容时，可通过电子举手功能，实时反馈给让老师知道。

3.2 运维管理方便

3.2.1 快速切换

混合云架构下，系统支持多个系统和软件应用的快速切换。如果是需要云终端整体换系统比如在Win7和Win10之间，利用软模版概念和桌面同步传输协议，支持断点续传等容错机制，避免同传系统常见的漏传现象，一般15分钟左右完成所有云终端的更新操作，如图2所示。

如果在教学或者考试时需要增加某个教学软件、切换某门课程，就可以通过VDI教学虚拟机实现切换，云终端快速登陆访问交换机、一般两三分钟就可以完成。这种模式即使在同一个实训教室连续的切换教学课程应用，利用课间就可以完成，从而不影响正常上课。

3.2.2 灵活还原

通过服务端设置每天、每周、每月的自动还原策略，还可以指定某个磁盘分区保存数据，方便学生通过本地也可以保存数据。当系统遇到计算机病毒、误操作，可以通过系统重启或者定时还原的方式，恢复到初始可靠状态。

3.2.3 开放预约

基于云终端的教学实训室，通过加装智能门锁和机房预约管理系统的方式，配合云监控系统，实现实验开放预约、自动记录，为计算机课程俱乐部和学生自主实验测试奠定基础。

3.3 安全可靠性好

3.3.1 高可靠性

本项目通过多种桌面架构之间的优势互补降低了桌面环境对网络、服务器、终端设备的依赖，系统具有更高的容错性。支持学生云终端在断电、断网，服务器宕机等异常情况下，学生云终端可以用，确保教学不受影响。

3.3.2 高安全性

系统在硬件上可以同时对学生机光驱、USB 等设备实施统一控制，可有效防范数据的非法窃取和传播，从而提高安全保密性。采用专门的服务器在云端存储数据，同时采取数据备份的办法，保障了数据的安全[6]，用户在本地可以不保存数据，需要时候直接云端获取，从而提高了数据的安全性。

3.3.3 数据可控

本项目中各种桌面架构数据实现同一存储和管理，方便了用户在不同桌面使用场景下的数据互通，使用更加便捷。用户数据集中存储、统一管控，所有数据在存储过程中均进行了加密存放，降低用户数据泄漏风险，用户数据访问过程中均进行了鉴权操作，提高了用户数据安全性。

3.4 性能高且成本较低

3.4.1 体验优异

用户可以在PC机、VDI、IDV等各种桌面架构和工作场景中随时随地、跨平台访问个人数据，同时可实现可控的数据分享，用户数据使用更加便捷。基于本地虚拟机架构，用户体验和传统PC相同，完美运行4K高清视频，大型3D应用，从容应对语音教学，多媒体教学，虚拟现实教学等多种教学应用场景。

3.4.2 扩展性好

混合式桌面架构具备广泛的设备兼容性，现有PC机、笔记本、瘦客户机、胖客户机均可在混合式桌面架构中找到最优的解决方案，充分发挥现有资产价值。同时，混合式桌面架构实现了用户终端的按需部署，按照用户的使用需求选择不同的桌面架构;系统升级时可以只升级所需服务器，也可以升级云终端的数量，无需购买昂贵的电脑主机，从而节省购买成本。

3.4.3 成本较低

混合模式建设，相当于一套设备、两套云桌面系统，可以支撑更多的教员、学员使用，综合起来看成本更低。同时由于IDV服务器只起着系统分发托管的作用，只需要低成本的服务器，一般只需要VDI服务器三分之一的成本，这将减少物理服务器的采购数量。同时胖客服机相对于普通PC来说平均功耗较小，在实际运行中能节省大量电能，从而降低高运行成本。

4 结束语

我校2021年建成400点位混合云桌面虚拟实验室以来，在实际教学应用中效果比较明显，实验室学生用机系统切换由以前的二个小时缩短到十分钟以内，能够有效的支撑各类教学和上机保障。同时这种混合云实验室管理运维中更加方便，学生实验机可以保存多个镜像系统进行自我登录，通过统一设置各种外设的管理，大大提高了实验室管理中的安全性。应用实践表明：隨着云计算技术的飞速发展，基于混合云的计算机实训建设，能够结合目前两种主流云模式的优点，能够较好的解决传统计算机实训室存在的弊端，能够有效支撑各种教学运行和上机保障，建设效益比较明显。

参考文献（References）：

[1] 陈磊，魏林.云桌面技术在高校计算机实训室建设和管理中的优势及应用前景分析[J].电脑知识与技术，2019（34）：158-159

[2] 郑鸿.多媒体教室管理信息系统技术探讨[J].信息系统工程，2015（5）：146-147

[3] 李益双，宋丹丹.桌面云VDI技术在高校计算机基础实验室管理中的应用[J].电子制作，2019（18）：58-59

[4] 唐彧，刘丽军.高校计算机基于桌面云的实验室管理研究[J].教育现代化，2017（32）：157-158

[5] 罗圣美，李桂萍.云桌面解决方案和实践[J].信息通信技术，2016（2）：46-52

[6] 陈锋，胡春雷.应用型高校虚拟云桌面实验中心建设与实践探索[J].软件导刊，2019（2）：91-93