桌面虛擬化在多媒體教室管理中的應用

張 凱， 楊再明， 宋慧寧

(1. 中國礦業大學 公共教學服務中心， 江蘇 徐州 221116；2. 徐州工程學院 外國語學院， 江蘇 徐州 221018)

桌面虛擬化在多媒體教室管理中的應用

張 凱1， 楊再明1， 宋慧寧2

(1. 中國礦業大學 公共教學服務中心， 江蘇 徐州 221116；2. 徐州工程學院 外國語學院， 江蘇 徐州 221018)

為了加強多媒體教室的建設和管理，創新了多媒體教室計算機終端的管理與維護，構建了新型多媒體教室管理系統。該系統利用基于桌面虛擬化技術實現對計算機的統一管理與維護，為教學提供高效、靈活的環境，提升了多媒體教室管理的整體支持能力和服務水平。

桌面虛擬化； 多媒體教室； 教學環境建設

為滿足信息化教學的需要，很多高校將傳統教室改造為多媒體教室。多媒體教室已經成為學校進行現代化教學的必備基礎設施。

計算機系統是多媒體演示系統的核心部件，決定著多媒體教學軟件能否可靠運行[1]。由于多媒體教室分布在不同的樓宇，計算機終端數量眾多、品牌和配置各異，對計算機系統的管理與維護是比較困難的事情，也是多媒體教室管理的焦點問題。加強多媒體教室的建設和管理，創新多媒體教室計算機終端的管理與維護，已成為多媒體教室管理亟待解決的問題之一。

1 傳統多媒體教室計算機管理難點分析

1.1 數量多且分布區域廣

以中國礦業大學為例，公用多媒體教室多達360間，分布在不同教學樓的不同樓層，管理人員人均維護量達到了60～70間。為處理突發故障，管理人員需要奔波于教室之間，而當出現設備并發故障，往往不能及時到達現場處置，很難做到不影響正常教學。

1.2 維護效率低、工作量大

由于計算機終端分布在各教學樓的多媒體教室，為不影響正常的教學活動，管理人員只能在教室空閑時才能進行維護。因計算機的型號、配置等多樣化，管理維護工作是很大的負擔。如果需要更新計算機系統、軟件或者安裝補丁程序，或因使用者操作不當發生系統崩潰，管理人員就需要消耗大量的時間和精力逐臺部署，勞動強度大、工作效率低。顯然，這種單點部署和維護模式已經不適應多媒體教室的管理需求。

1.3 無法滿足教師的個性化需求

公用多媒體教室是通用教學場所，根據課程教學需要，任課教師會對系統和軟件環境提出各自的要求，例如需要安裝不同的操作系統和大型專業軟件。當一臺計算機安裝很多不同專業、不同類型的軟件時，軟件兼容性和穩定性會較差，容易造成計算機運行緩慢甚至死機。有些臨時借用的教室需要重新部署計算機軟件，也會占用一些課堂教學時間。為教師提供個性化服務，例如可自由選擇的操作系統和應用軟件，是多媒體教室亟待解決的問題。

1.4 病毒難以防護

多媒體教室使用人員的流動性大、設備使用率高，用戶頻繁使用U盤，容易感染計算機病毒。查殺計算機病毒不僅增加了管理人員的維護工作負擔，還可能影響正常教學秩序。

2 桌面虛擬化概述

桌面虛擬化是指支持企業級實現桌面系統的遠程動態訪問與數據中心統一托管的技術[2]，可以實現桌面使用的安全性和靈活性[3]。目前桌面虛擬化技術主要分為VDI(virtual desktop infrastructure)和VOI(virtual OS infrastructure)兩種模式[4]。

VDI虛擬桌面是基于早期的RDP協議和瘦客戶機發展而來的，采用集中管理、集中計算、分布顯示，統一將操作系統和應用程序存放在數據中心的服務器及存儲設備上，在服務器上進行集中處理。VDI通過虛擬化技術在后臺建立虛擬機池，用戶使用的瘦客戶端或專用小型終端機，不需配置任何操作系統和應用程序就可以訪問他們的桌面。由于VDI模式需使用硬件仿真和瘦協議，對網絡的依賴程度比較高，所以不適用高清視頻、IP語音以及其他大型計算或圖形密集型應用程序[4]。由于工科類高校的多媒體教室會涉及大型計算軟件、虛擬仿真、3D等，而基于服務器的VDI模式對服務器的配置有很高的要求，從傳統的PC模式升級為VDI模式，前期需重新購買服務器。這些問題會使學校重新思考部署VDI的可行性問題。

VOI虛擬桌面實現了基于服務端OS(操作系統)的標準化與即時分發，以及APPS(應用程序)、User Profiles(用戶特征定義)的按需交付。VOI采用了虛擬容器的概念，以客戶端虛擬容器技術為底層基礎，將終端客戶機的存儲介質由物理轉為虛擬，可實現基于客戶端的本地緩存操作系統、應用程序以及用戶的個性化設置，使虛擬化的操作系統完全工作于本機物理硬件之上[5]。這樣，不但實現了所有的操作系統都可以由數據中心按需分發、統一部署、進行集中管理和維護，而且能充分利用本地緩存資源來處理音頻和視頻、大型計算、工業設計、圖像處理等應用程序，支持多種計算機外圍設備來適應豐富的應用環境以及擴展的應用程序。此外，VOI虛擬桌面減少了對服務器和網絡的依賴，即使服務器發生故障或者網絡斷開，系統也可以利用本地緩存的資源正常進行[5]。

近年來，操作系統開發商和獨立軟件開發商提供了多種桌面虛擬化解決方案，有些還是開源免費的。國外虛擬化產品開發商主要有Citrix、VMware、Microsoft等，國內主要有華為、深信服、OS-Easy(噢易)、鑫網電(Phantosys)等，開源桌面虛擬化軟件應用比較多的有QEMU-KVM、Ulteo OVD、SPICE、Virtual Box、Libvir等。雖然各家產品的技術方案不同，但桌面云為客戶帶來的效益大致相同。

3 桌面虛擬化多媒體教室的部署

3.1 桌面虛擬化系統結構

桌面虛擬化的拓撲結構如圖1所示[6]。

圖1 虛擬桌面拓撲結構圖

桌面虛擬化的基本工作模式為：云服務器集群通過虛擬化技術生成大量虛擬機或者虛擬桌面，并根據虛擬桌面協議發送給終端設備。通過授權后，教師可以在網絡上使用各終端設備(臺式機、筆記本、瘦客戶端等)隨時隨地訪問屬于自己的教學桌面或個人桌面系統；管理人員可通過IE瀏覽器(B/S架構)或者客戶端(C/S架構)訪問服務器管理平臺，對服務器集群和所有虛擬桌面/虛擬機進行管理與維護[7]。

3.2 多媒體教室桌面虛擬化方案描述

3.2.1 網絡環境

桌面虛擬化需基于網絡進行數據的傳輸，安全、穩定、快速的網絡是多媒體教室內客戶端進行數據交互的保證。在實施桌面虛擬化項目之前，應要充分考慮網絡架構、樓宇鏈路、接入層的交換與傳輸能力。

為了保證良好的用戶體驗，根據目前主流的桌面虛擬化對網絡的基本要求，數據中心服務器端之間采用雙鏈路冗余光纖交換機，以防服務器與存儲間因通信線路出故障而導致所有應用宕機。各個樓宇間要有一個千兆以上的上聯，接入交換機的端口為全千兆。我校核心區域已部署2臺銳捷RG-S8606核心交換機；在匯聚層部署有增強型SFP接口千兆交換機(銳捷RG-S5750)。銳捷RG-S5750通過光纖鏈路接核心交換機，端口可進行萬兆上行，接入層交換機為全千兆銳捷RG-S2952G，交換機實現大容量業務數據的傳輸。核心匯聚層交換設備和各教學樓交換設備的數據交換能力分別達到了萬兆和千兆，完全可以滿足本次云桌面的部署。

3.2.2 IOPS和虛擬桌面系統規劃

常見桌面的生命周期IOPS(input/output operations per second)值為：啟動：26 IOPS；登錄：14 IOPS；工作：12-15 IOPS；空閑：4 IOPS；注銷：15 IOPS。常見操作系統對硬件的最低要求如表1所示：

表1 常見辦公操作系統對硬件的最低要求

3.2.3 計算和存儲節點

計算和存儲節點是桌面云平臺設計的關鍵點之一，它不但在整體投資中占較大比重，而且是影響用戶體驗的關鍵組件之一，若選擇不當將可能造成資源浪費或資源不足。需要注意的是，在計算空間需求時還要考慮虛擬化平臺自身對計算和存儲資源的消耗。為了保證300個用戶并發訪問和虛擬桌面的流暢運行，將SSD盤和SAS盤結合使用來滿足系統IOPS以及容量需求，將虛擬桌面的系統磁盤文件存放在SSD盤上，將用戶數據存放在SAS盤上。我校需要對300間多媒體教室計算機進行云桌面部署，操作系統為Windows 7(64位)，每個終端的基本配置為CPU 1 GHz、內存4 GB、系統盤40 GB、數據盤50 GB。

存儲性能需求：通常多媒體教室要求I/O 性能為20 IOPS，以300個用戶計算，共需要6 000 IOPS[8]。

存儲容量需求：以每個用戶40 GB系統空間、50 GB數據存儲空間計算，在采用Composer技術時，多個用戶可共享系統空間，300個終端約需15 TB存儲空間。為了滿足數據安全，額外需要5 TB的備份空間，因此總存儲容量大約需要20 TB[8]。

服務器CPU資源：按照每個虛擬桌面系統主頻1 GHz，可滿足Windows 7系統需求，同時考慮服務器虛擬化自身消耗15%，則總體所需300×1 GHz×115%=345 GHz。

內存資源：運行Windows 7系統，每個用戶分配4 GB內存，4 GB×300=1 200 GB內存。

3.2.4 主要硬件的配置參數

(1) 云服務器管理節點1臺：2顆6核Intel Xeon E5-2620V3處理器，2×16 GB/DDR4內存，2×300 GB 15K RPM SAS硬盤，4×1000 M網絡；

(2) 云服務器計算節點14臺：2顆6核Intel E5-2620V3處理器，6×16 GB DDR4內存，2×1 TB企業級SATA和1×PCI-E Intel 750 400G SSD硬盤，2×1000 Mb網絡;

(3) 存儲系統1套：FC SAN存儲系統，全光纖雙控制器盤陣機頭，配置2×16 GB高速緩存，8個FC 8 Gb主機通道，冗余電源，配置10塊400 GB MLC SSD固態磁盤(RAID 5)以提高存儲/讀寫/緩存性能，配置10塊900 GB 10K SAS硬盤以提供虛擬化平臺高性能存儲容量；

(4) 匯聚交換機1臺：48個固化千兆電口，交換容量≥256 Gbit/s，包轉發率≥108 Mbit/s;

(5) 光纖交換機13臺：24口SAN光纖交換機，激活16端口，接口速度8 Gbit/s，16個SFP光模塊。

3.3 系統實施

桌面虛擬化在多媒體教室管理采用了OS-Easy教育桌面云。OS-Easy教育桌面云采用桌面虛擬化技術，用虛擬的桌面來替換傳統PC，統一集中存放在云端，讓終端設備通過網絡連接，可隨時隨地獲取桌面環境。OS-Easy教育桌面云主要由桌面云管理平臺、計算服務器集群、存儲及教學應用系統等構成，其三大組件為主控節點(Console)、計算節點(Agent)和客戶端(Client)。

主控節點是部署在服務器上的虛擬化軟件，是所有虛擬桌面管理控制的中心。它集成了管理平臺控制中心和數據庫，對用戶提供GUI的管理界面，方便管理員通過瀏覽器對服務器集群和進行桌面的批量化部署、管理、監控和維護。主控節點也可以創建虛擬機提供給終端用戶。

計算節點是部署在服務器上的虛擬化軟件，以KVM為基礎提供虛擬化層，虛擬化物理服務器的CPU、內存、存儲以及網絡資源，并將其分配給多臺虛擬機。計算節點主要對外提供計算服務，多個計算節點可以組成集群。

客戶端程序安裝在終端設備上，用于連接虛擬桌面的程序，通過客戶端程序連通網絡，訪問后端服務器集群里面的虛擬桌面系統。目前發布的有Windows、Linux和ARM客戶端程序。

OS-Easy教育桌面云提供鏈接克隆功能，創建虛擬桌面非常簡單。管理員只需要根據需求創建一個OS系統模板鏡像，再根據鏡像批量復制具有相同配置的虛擬桌面，通過終端名或用戶名進行批量的桌面分發，實現系統和桌面的快速交付。管理員只需通過集中管理平臺在服務器端進行操作，即可實現對所有終端的更新與維護，極大地簡化了教學環境的配置和部署過程。

4 桌面虛擬化在多媒體教室中的應用效能

4.1 集中管理與控制，提高管理和維護效率

傳統的PC安裝部署復雜、繁瑣而又費時。桌面虛擬化將用戶的操作系統集中于數據中心的服務器上運行，只需制作相關的操作系統和應用軟件模板，下發至客戶端即可，能夠在很短的時間內完成用戶桌面的部署。管理員也可以通過任意聯網的終端設備訪問管理平臺，進行虛擬機的創建、刪除和修改，在數據中心辦公室即可部署和管理所有分散的多媒體教室終端。當系統和應用軟件需要更改、升級以及安裝系統補丁時，也只需要操作一次，大大降低了維護的難度、縮短了維護時間、提高了工作效率。

虛擬桌面可以設置為還原模式，不管用戶如何操作，重啟計算機之后都可以恢復到初始狀態。即使系統損壞，只需要通過管理端進行原始的系統鏡像進行恢復即可。終端設備在使用“虛擬桌面”的同時，也可以在本地終端緩存部署本地系統，當網絡中斷時，重啟系統可切換到本地系統。

桌面虛擬化大大降低了多媒體教室的運維成本，提高了計算機的管理與維護效率，為正常教學活動的開展提供了強有力的保障。

4.2 滿足教師的個性化需求

多媒體教室面向全校開放，而不同的課程有可能需要不同的教學軟件和不同的操作系統。在傳統的多媒體教室管理模式下，教室排課結束后，學期末會集中收集教師的特殊需求，在多媒體教室的電腦上集中安裝，最后有的教室PC上安裝了很多類型專業類軟件。計算機安裝的軟件過多易出現卡頓或者死機現象，影響教學進程。

實施桌面虛擬化之后，可以為有個性化需求的教師分配一個專屬的賬號。只要接入網絡，教師就可以使用自己的設備(臺式機、筆記本、一體機等)安全、方便地登錄自己的教學桌面環境，進行個性化的配置，建立屬于自己的專有桌面環境，滿足個性化教學需求。

4.3 保證教學數據的安全性

桌面虛擬化以后，所有的數據和運算都集中在數據中心的服務器上而不是在終端存儲，設備終端僅接收圖像。數據中心會統一進行數據的管理與維護，并定期備份數據，從而避免了數據損壞和丟失。

傳統的PC主要采用U盤拷貝文件，很容易造成病毒及惡意軟件的傳播；而虛擬桌面可以靈活定制桌面，不易遭受惡意攻擊或者計算機病毒侵襲。管理人員只需在數據中心對Windows鏡像模板進行安全補丁、對殺毒軟件病毒庫進行安裝更新，所有用戶的桌面都可以得到升級，能大大降低系統風險、保證數據的安全。

4.4 彈性分配，提高資源利用率

采用桌面虛擬化技術以后，大量計算任務都在服務器端，對終端的配置要求不高，使用瘦客戶端或欲淘汰的PC機作為終端，都能很順暢地運行Windows 7系統。當系統硬件配置無法滿足需求時，可以通過管理平臺進行內存、CPU等資源的彈性分配，提升桌面性能而無需更換終端硬件，延長終端的使用年限。此外，系統可自動平衡各服務器的利用率，在保證業務流暢的同時，資源彈性使用，最大化地利用硬件資源。

4.5 降低耗電量，降低教學成本

瘦客戶端具有低功耗、低噪音、體積小等特點，功率大約只有25 W，耗電量約為傳統PC機1/10，不但可以節省大量的電費支出，而且符合節能、環保要求。終端數量越多，節能效果越顯著[9]。

此外，PC機的生命周期一般只有3～5年，而瘦客戶端使用壽命可達7～10年，可以大大降低教學成本。

5 結語

對于數量多、分散的多媒體教室的管理，桌面虛擬化是個新的解決方案和基礎架構理念[10]，它能夠幫助學校構建彈性、靈活的管理架構，提升智能化管理水平，提高資源利用率，降低能耗。已有越來越多的高校在多媒體教室管理中運用這項技術。當然，桌面虛擬化技術在實際應用中還存在前期建設成本高、對網絡帶寬要求高等問題，但隨著虛擬化技術和學校信息化基礎環境的不斷完善，這項技術最終可為教學提供高效、靈活的環境，提升多媒體教室管理和服務水平。

References)

[1] 周鐵成.多媒體教室云桌面教學系統設計與應用[J].浙江水利水電學院學報,2014，26(4):66-69.

[2] 盛雯雯,李家峰.基于桌面虛擬化的多媒體機房設計:桌面虛擬化引導機房建設革命[J].硅谷,2011(18):49.

[3] 阮建華.桌面虛擬技術在高校實驗機房中的應用[J].福建商業高等專科學校學報,2012(2):101-108.

[4] 黃金敢.高校教學環境中桌面云架構研究與實現[J].計算機技術與發展,2013(12):222-225.

[5] 桌面虛擬化[EB/OL].(2013-04-23)[2016-12-15].http://blog.sina.com.cn/s/blog_5408f14c0101dxse.html,.

[6] 徐哲.績效導向的高職院校電子閱覽室建設模式研究[J].電腦知識與技術,2014(34):8133-8135.

[7] 曾陽艷.基于虛擬云技術的實驗室建設和管理[J].電腦知識與技術,2015(18):47-49.

[8] VMware_View_4.6_桌面虛擬化項目技術方案建議書[EB/OL].(2015-4-24)[2016-12-15].http://max.book118.com/html/2012/0617/2181037.shtm,.

[9] 任鳳君,鄭禮河,曾文玄.桌面虛擬化在高校信息化建設中的研究和實踐[J].福建醫科大學學報(社會科學版),2016(2):34-38.

[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,2013,30(4):68-70.

Application of virtual desktop infrastructure in multimedia classroom management

Zhang Kai1, Yang Zaiming1, Song Huining2

(1. Public Teaching Service Center, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;2. School of Foreign Languages, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221018, China)

In order to strengthen the construction and management of the multimedia classroom, how to manage and maintain the computer terminal of the innovative multimedia classroom has become one of the problems to be solved urgently by the educational technician. On the basis of analyzing the present situation of computer management in traditional multimedia classroom, this article makes use of the new multimedia classroom management method based on virtual desktop infrastructure to realize the unified management and maintenance of computer, and provides efficient teaching for the computer. The flexible environment has enhanced the overall support of multimedia classroom management capabilities and service levels.

virtual desktop infrastructure; multimedia classroom; construction of teaching environment

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.032

2016-12-23

張凱(1988—)，男，河南周口，碩士，實驗師，主要研究方向為新媒體技術和現代教育技術.

E-mail：zhangkai0830@126.com

G434

B

1002-4956(2017)06-0131-04