桌面虛擬化技術在高校計算機實驗室管理中的應用研究

何春蓮，李志勇，胡 元

（紅河學院信息技術中心，云南蒙自 661199）

桌面虛擬化技術在高校計算機實驗室管理中的應用研究

何春蓮，李志勇，胡 元

（紅河學院信息技術中心，云南蒙自 661199）

計算機實驗室設備的高效管理和維護是提升實驗教學質量的重要條件，針對從實驗室管理過程中的主要問題出發，以紅河學院云計算實驗室為例，采用先進的桌面虛擬化技術改善傳統實驗室管理中存在的問題，為計算機教學實驗的順利開展提供了重要保障。同時闡述該技術在實驗室的使用和管理中的優劣，為同類高校實驗室建設和管理提供一些可借鑒的應用模式。

云計算；集中管理；桌面虛擬化；移動學習

引 言

高校實驗教學是培養學生實踐能力和創新能力的重要平臺，是實現學校培養本科應用型人才的重要手段之一，是學校信息化發展程度的一個重要標志。隨著大數據時代的到來，信息技術與課程的深度融合，計算機實驗室的設備增多、管理規模越來越大，隨之而來的是傳統管理模式的弊端日漸凸顯。[1]如何提高高校計算機實驗室的管理和使用效率，充分發揮實驗室設備的價值,完成重要的教學實驗任務和科研任務,是值得管理者深思的一個問題。而桌面虛擬化技術的出現使我們可以換一種方式建設計算機實驗室,提高管理的效率和服務的質量。

一 傳統計算機實驗室的現狀分析

在信息化發展越來越深入的今天，高校越來越重視信息化的教學應用，計算機實驗室的管理部門既要保障現有設備桌面環境高效、安全和穩定的運行，也要隨時做好準備，為隨需而變的教學實驗需求業務提供彈性調整的部署方案。在實際工作中，計算機實驗室的管理人員重復著枯燥、技術含量低的運維工作。其主要存在以下幾個問題：

（一）工作量大，效率不高

計算機實驗室是面向全校師生，涉及不同專業或多門課程的實驗基地。每個學期開課前每門課程需要花費大量的時間更新計算機系統和安裝教師教學實驗的應用軟件，作為管理人員基本上必須保障將所有授課教師需要的軟件都進行安裝，導致軟件沖突不斷，系統運行緩慢；而采用傳統的網絡同傳功能耗時，使用率不高。[2-3]同時，由于還原卡的不穩定性，導致網絡丟包問題嚴重，維護人員必須重復性工作，才能完成軟件的維護與安裝。

（二）設備分散，故障率高

傳統計算機實驗室以PC機為主，PC機硬件構成繁多，位置分散，用戶分布廣泛，導致單點故障率上升。要想管理到位，保障計算機實驗室中每一臺PC機設備的硬件正常運行，就必須增加管理人員定期對硬件設備進行巡檢和軟件的升級，由于管理人員的嚴重不足及個人技術能力水平參差不齊，無法按照統一的標準進行集中管理，導致管理效率低下，故障率上升將成為必然。

（三）靜態部署，資源利用率低下

學校的計算機實驗室原則上是教師有課才允許學生進入開展教學實驗，授課時間到就結束實驗，不管實驗內容有沒有完成，師生都必須離開實驗室，導致開放式實驗教學模式很難開展，而且隨著信息化的發展，師生希望可以隨時隨地的訪問其桌面環境，傳統的靜態部署無法實現課后師生繼續共同探究、協作完成實驗任務，導致計算機實驗室整體的資源利用率不高。

二 桌面虛擬化技術的應用探索與實踐

為解決學校實驗室重復建設、使用率低、運維管理成本高等問題，同時實現學校培養本科應用型人才的目標，適應教育信息化和信息技術日益發展的現實需要，通過不斷探索將桌面虛擬化技術應用到具體的計算機實驗室建設與管理實踐中，建立了紅河學院云計算實驗室，以一種全新的方式管理機房，提高了工作效率，為學校實驗教學的有效開展提供了保障。

（一）桌面虛擬化技術

虛擬化是一個廣義的術語，在計算機方面通常是指計算元件在虛擬的基礎上而不是真實的基礎上運行。虛擬化技術可以擴大硬件的容量，簡化軟件的重新配置過程。桌面虛擬化Desktop virtualization(或者譯為Virtual Desktop Infrastructure)是一種基于服務器的計算模型，并且借用了傳統的瘦客戶端的模型，但是讓管理員與用戶能夠同時獲得兩種方式的優點：桌面虛擬化技術將數據的運行存儲和桌面分開，所有用戶桌面虛擬在數據中心進行托管并統一管理的同時，通過桌面虛擬化技術生成大量的獨立的桌面操作系統，所有用戶終端通過專有虛擬桌面協議，輸入用戶名和密碼，就可以隨時隨地的通過校園網絡訪問個性化桌面，從而實現用戶能夠獲得完整PC的使用體驗。

（二）桌面虛擬化技術在計算機實驗室建設中應用

1.需求分析

為了讓不同學院及其不同專業的學生掌握使用音視頻處理、大型圖像處理、網絡實驗、網頁制作、數學教學、office應用、數據庫、編程語言、統計學軟件等應用型技能，要求新的實驗室平臺要能夠動態、快速的搭建一個數量多、復雜度高的共享型實驗環境，更好地滿足和支持學校多門類多學科的實驗實訓教學工作。平臺技術架構要簡單且開放，通過構建一個動態資源基礎平臺，從而實現整合計算資源，提高設備利用率，降低應用復雜性，增強存儲資源的共享能力和節約能耗等目標，重要的是要能夠滿足隨需而變的教學要求，同時又被輕松的統一部署、管理和維護。

2.建設規劃

（1）桌面虛擬化技術原理

經過大量實地調研、技術方案測試分析，紅河學院決定采用Citrix(思杰)的桌面虛擬化技術來建設新型、動態、共享的云計算實驗平臺，整個實驗室共有306臺計算機，新建機房4間，共計242臺計算機。同時積極利用舊計算機改造機房1間，64臺計算機。新建機房終端使用瘦客戶機，舊機房改造使用原有的計算機終端，實驗室的桌面云，以XenServer為基礎，構建桌面虛擬化和應用虛擬化的資源池，兩種不同的終端，兩種不同的工作原理，具體如圖1、圖2所示。

圖1 新建終端（瘦客戶機）工作原理

圖2 舊終端（舊計算機工作原理）

（2）桌面虛擬化技術部署

高校云計算實驗室的建設以簡化、動態、共享為原則，充分使用虛擬化、多級存儲和負載均衡等技術，建立一個動態資源基礎平臺，從而實現整合計算資源，提高設備利用率，降低應用復雜性，增強存儲資源的共享能力和節約能耗等目標，最終使得在此基礎之上構建的數字校園業務應用管理更簡單、更全面，運行更可靠、更穩定，并能更加靈活便捷的為師生提供“隨需而變”的應用服務。[4]具體拓撲結構如下（圖3）：

圖3 云計算實驗室-拓撲結構圖

在桌面虛擬化技術部署實施過程中，核心是服務器虛擬化，通過在數據中心的服務器上進行服務器虛擬化，根據虛擬桌面協議將傳統PC機呈現的桌面環境發送給終端設備。用戶只需安裝客戶端通過網絡登錄到虛擬主機上，只需記住用戶名和密碼即可隨時隨地通過網絡訪問自己的桌面系統，從而實現單機多用戶或者單機多系統的虛擬化應用服務。[5]

（3）軟硬件配置

為了合理地利用教學資源及資金，充分發揮服務器的性能，降低管理和維護成本，按照306個用戶并發處理普通軟件最高峰值為例，根據現場實際測試數據計算，一臺服務器帶客戶端35-50臺，圖形資源類應用25-35臺的需求，硬件服務器可以采購4顆Intel(R) 8核英特爾至強處理器E7-4820，配置64GB內存，部署為虛擬化基礎服務器。采購2顆六核英特爾至強處理器E7-2820，配置64GB內存的服務器部署為虛擬化管理服務器，考慮到最大程度地發揮硬件的性能及與Citrix XenDesktop硬件兼容性問題，選擇型號為C10L1的Wyse瘦客戶機作為終端設備。在軟件方面，我們采用了思杰（Citrix）XenDesktop企業版的桌面虛擬化軟件。

（三）教學應用情況

目前，紅河學院云計算實驗室已經穩定運行應用5年多，共安裝40余個應用軟件，主要承擔了學校25個本科專業、40門左右學科、每周140-160學時、4027人次的實驗教學任務，其中課程包括大學外語、數學實驗、報關實務、財務管理軟件、文獻檢索、電腦圖像創意、微機原理與接口技術、專業實踐、自動化控制原理、程序設計與數據結構和生物信息學，均已開始在云計算機實驗室開展教學。此外，云計算實驗室還承擔了學生畢業論文設計（實踐）、教師科研和社會服務等任務。對比傳統計算機實驗室體現出低維護量、高可用性、低功耗、快速部署和更新的較大優越性，云計算實驗室終端的數量和性能，可以根據教師的教學需要隨時改變。整套系統保持了穩定、高效的運行狀態，重要的是平臺后臺服務器資源可直接服務于學校正在推進的移動支持學習環境。

（四）桌面虛擬化技術的應用優勢

將桌面虛擬化技術引入到計算機實驗室的建設與管理中，加強了計算機實驗室的統一管理，提高了管理人員的工作效率及實驗室的資源利用率。其主要體現在以下幾個方面：

1.統一管理與配置，使用安全便利

由于數據的運算發生在數據中心，用戶的所有桌面管理以及設備的配置都在數據中心進行，整個云計算實驗室的系統升級和應用安裝的問題，管理員都可以通過數據中心對所有用戶桌面和應用進行統一配置和管理。這樣的管理模式避免了傳統計算機實驗室由于終端分散造成的管理困難和高昂人工成本，尤其對于學校機房這種大規模的、教學需求多變的應用環境（頻繁更換操作系統和應用軟件）非常適合，且將原來需要3-7天的系統調試及軟件安裝時間縮減至幾小時就可以完成。由于用戶桌面傳遞的只是最終運行的是結果圖像，所有的數據和過程計算都發生在數據中心，因此系統數據和信息不需要通過占用網絡帶寬傳遞，增加了安全性和快捷性，降低了病毒感染且人為干擾等因素的影響。

2.耗電量低和節能減排，減少管理成本。

傳統PC終端的耗電量一般在200W以上，而采用瘦客戶端以后耗電量在25w左右，耗電量降低12.5%，而服務器的計算壓力會帶來一定程度上耗電量的升高，但是與大規?？蛻舳讼啾?，基本可以忽略。因此一年下來的電費也會降低90%左右。[6]而實驗室耗電量的減少，就必然導致碳排放的減少，適應了智慧校園綠色環保的建設要求。桌面虛擬化技術在高校計算機實驗室建設與管理中的優勢，具有典型的規模效應，終端數量越多，集中管理的效益和優勢就越明顯。

3.動態部署和隨需而變，提供方便靈活的教學授課環境

通過使用桌面虛擬化技術，系統升級和應用安裝等問題可以在實驗過程中來動態部署，不影響實驗教學的任務和進度，滿足授課教師在教學過程中隨需而變的應用需求。同時，師生訪問虛擬桌面的方式變得更加靈活和自由，只有在校園內有網絡的條件下，授課教師在任何地方都可以通過用戶名和密碼快速連接個人桌面進行課程實驗的設計、上課內容的準備和課后討論的安排。與傳統的實驗模式相比，使得教師可以從計算機實驗室解放出來，實現移動、泛在的訪問和學習，學生也不會被限制在課堂的時間內，只要在校園里面有網絡的地方，學生就可以通過客戶端輸入用戶名和密碼將學生桌面連接到計算機實驗中，通過遠程桌面的方式獲取虛擬個人桌面環境繼續進行教學實驗，從而實現了隨需而變的訪問和使用。[7]重要的是保證了教學實驗的連續性和先進性。

4.簡化管理和多終端支持，提高工作效率

使用桌面虛擬化技術，簡化管理，將傳統計算機實驗室針對單個PC機的分散管理集中到服務器端，管理人員通過服務器端一個人就可以輕松管理成百上千的客戶端，降低了工作強度，提高了工作管理的效率，同時降低了系統對終端設備的硬件要求,師生可以使用普通的臺式機、筆記本、平板電腦和智能手機等設備作為終端來承載虛擬桌面環境。[8]

5.實驗室開放及門禁管理

云計算實驗室實行開放式管理，即該云計算實驗中心結合紅河學院手機一卡通系統進行門禁權限管理下發。授課教師在上課之前將自己的上課時段輸入學校一卡通系統，授課教師在有課程實驗的時候輕輕一刷就可以打開教室，不用等待教室管理員開門。授課教師也可以在授課之余，申請使用云計算實驗室，管理人員將所有的服務打開，師生在實驗室之外就可以通過終端設備鏈接到實驗室的虛擬桌面開展實驗任務。為師生提供了一個開放、泛在的實驗教學環境，有利于培養學生的實踐動手能力和創新性思維。

三 結語

經過5年的實踐應用經驗告訴我們高速穩定的校園網絡環境是桌面虛擬化技術在計算機實驗室建設與管理中成功的重要保障。[9]在實踐的過程中存在以下兩個主要問題：

一是目前來說桌面虛擬化的建設成本相對較高，需要對基礎的網絡架構進行改造，需要購買虛擬化軟件的許可授權，對管理人員的技術要求較高；[10-11]二是桌面虛擬化產品在圖像渲染和視頻處理方面應用效果不是很理想。

以上存在的主要問題是紅河學院在實際部署和實踐過程中發現的，說明桌面虛擬化技術作為一種新型的技術依然還在發展中，許多技術上的難題需要在實踐的過程中去攻克，但是桌面虛擬化技術的應用前景是非常樂觀的，現在許多高校、政府和企業都愿意使用桌面虛擬化技術去解決傳統技術手段無法達到的應用體驗。

[1]霍迎秋,費攀峰,等.朱珊娜計算機教學實驗中心信息化管理探索與實踐[J].實驗室研究與探索,2016(1)：125-128.

[2]熊俊.桌面虛擬化技術在實驗室建設中的應用研究：以廣東松山職業技術學院為例[J].工業控制計算機,2016(1)：120-122.

[3]季益龍,金炳堯.多媒體教室管理人員服務質量的實證研究[J].實驗室研究與探索,2016(2)：250-254.

[4]亓文濤,孫淑強,樊 冰.基于信息化的高校實驗室安全文化體系構建[J].實驗室研究與探索,2016(2) ：295-299.

[5]都廣斌.基于服務器虛擬化的云計算平臺研究[D].西安：西安電子科技大學,2010：13-23.

[5]陳厚斌.桌面虛擬化技術在教育機房中的研究和應用[D].杭州：浙江工業大學,2014：10-13.

[6]邢嘉.桌面虛擬化技術在高校計算中心的應用研究與實現[D].青島：中國海洋大學,2014：15-17.

[7]黃健,阮燦華,舒兆港.探索桌面虛擬化在全國計算機等級考試中的應用[J].實驗技術與管理,2014,31(4)：118-142．

[8]鄧少華,桌面虛擬技術在多媒體教室管理中的應用[J].網絡安全技術與應用,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.桌面虛擬化技術在分布式設備管理中的研究與應用[J].實驗技術與管理.2013(4)：68-70.

[11]董焱.基于虛擬化技術的實驗教學中心環境構建[J].實驗技術與管理,2011,28(3)：299-302

[責任編輯 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

云南省教育廳科學研究基金項目：高校移動學習資源設計與開發研究（2014Y465）

何春蓮（1984-），女，云南石屏人，碩士，助教，研究方向：數字化學習環境的設計與開發。