虛擬化技術與終端融合的云教學系統

葉艾彥

【摘 要】為了解決現有模式的教學管理系統中視頻廣播大量占用云主機的資源而影響傳輸速率和質量的問題，設計了面向云環境下的教學控制系統，采用虛擬化技術和終端技術融合的方式，將視頻廣播類圖像指令指向云終端處理、消息類指令指向云桌面處理，多媒體流始終點對點和一次編解碼。經過對比測試表明，該系統相較于一般的兩端系統在視頻廣播時云主機的帶寬不受影響，可充分利用終端的圖形硬解碼能力來提高用戶體驗，并且即使在云桌面系統宕機的情況下仍可實現廣播教學。

【關鍵詞】云計算 教學系統 虛擬化技術 終端技術 VDI

1 引言

教學管理工具是在電腦教室、電子教室、多媒體教室、多媒體網絡教室上實現同步屏幕廣播教學、多媒體音視頻教學、教師和學生互動教學、屏幕監視、電腦的集中控制與管理等諸多功能。其發展已超過10年，屬于針對PC教學的標準化產品，國外產品如NetSupportSchool、Impero、LanSchool等，國內產品如紅蜘蛛、極域、藍創、凌波、博智、金碟等。上述各產品以PC時代架構過渡到云時代已是捉襟見肘，傳統的架構不能適應云桌面下的教學管理。若在云計算環境下仍沿用傳統兩端模式的部署，將導致媒體流的二次轉發和二次編解碼，不僅耗費雙倍網絡和計算資源，影響云計算環境的擴展性，而且帶來的質量劣化和時延增加，將不可避免地影響用戶體驗。因此，教學互動也需要針對云計算環境進行架構的變革。

2 基于VDI技術的兩端教學系統

VDI（Virtual Desktop Infrastructure，虛擬桌面基礎架構）技術中，學生終端通過遠程連接上虛擬機，學生在使用機器時直接操作的是虛擬桌面，存儲數據和使用軟件等所需消耗的計算資源全部由虛擬機提供，這樣使得學生可以不依賴于特定的計算機終端，只要能連接局域網，便可獲取自己的操作系統環境；另一方面，服務器可對虛擬機資源進行動態分配，因此能夠有效滿足學生對存儲資源和計算資源的隨機需求，較大程度地節省了資源預分配過大造成的浪費。

在傳統的VDI技術中，學生端軟件安裝在虛擬機上，處理流程中服務器的每個虛擬機均需對視頻數據進行處理，這樣服務器側的CPU和內存資源會消耗巨大，即服務器側的負載較大，承載虛擬機的Hyper-V會因資源消耗過多而無法正常運行。

3 虛擬化技術與終端融合的教學控制系統

3.1 總體架構

面向云環境下的教學控制系統設計應遵循多媒體流始終點對點和一次編解碼。系統具體由以下組件構成：

（1）教學控制系統-教師機：部署在教師側電腦中，是整個教室管理的中心，負責發起屏幕廣播、視頻廣播、屏幕監控、屏幕鎖定、同屏共控、討論交流、測試問答、收集作業、舉手通知和學生廣播指令等功能；

（2）教學控制系統-云終端：部署在云終端中，是教室管理的啞終端，負責接收教師端的指令，配合教師端執行屏幕廣播、視頻廣播、屏幕監控、屏幕鎖定和學生廣播的接收等功能；

（3）教學控制系統-云桌面：部署在云桌面中，是教室管理的學生互動端，除配合教師端執行同屏共控和學生廣播的發起等功能以外，學生還可操作其舉手、討論交流、測試問答和提交作業等功能。

在教師PC端安裝教學控制系統-教師機軟件，每個學生云終端與一個云桌面連接，分別部署教學控制系統-云終端和教學控制系統-云桌面，并一一綁定。教學控制系統總體架構如圖1所示：

3.2 系統方案實現

系統包含教學軟件的教師端和學生端、終端操作系統、云桌面系統，其涉及的硬件單元如下：

（1）云主機：作為集中部署的硬件單元，采用高性能、高擴展性、高穩定性和長生命周期的服務器，作為云桌面所需vCPU、vRAM、vDisk、vNet和vGPU的最終供應者；

（2）云終端：作為大規模部署的硬件單元，采用低功耗、低故障的精簡PC，灌制定制化、高安全的操作系統，充分挖掘其處理芯片的硬件加速能力，實現云終端低配高效能。

（3）教師機：作為教師的操作控制臺，除實現課程選擇之后的云桌面推送到所有云終端以外，還作為教學管理的中央控制器運行各類教學軟件以及教學管理軟件。

（4）交換機：作為各方交互的數據鏈路載體，提供多端口高背板帶寬。

3.3 控制系統流程設計

控制系統流程設計具體如下：

（1）教師機開啟，從Web管理界面讀取云終端和云桌面的對應關系存入數據庫中；

（2）當教師機發送指令給指定的單個或部分學生時，若判斷指令為消息類指令，如討論交流、文件收發等，則將指令發送至云桌面；

（3）若判斷指令為視頻圖像類指令，如屏幕廣播、視頻廣播、屏幕鎖定，則將指令發送至學生云終端處理，從而達到教師機、云終端、云桌面三端分離的效果。在教師端和學生端軟件中，實現具體的通道建立和媒體流處理。

教學控制系統的三端功能分解如圖2所示。

本教學控制系統擴展性強，利用終端的資源對視頻圖像在本地機器上分別進行處理，免受其他學生機的干擾。由于教學控制系統只占用終端資源，終端數目根據教室學生數目增加，可擴展至多臺學生機；又因不占用過多虛擬機資源，視頻傳輸僅依賴于終端硬件，故傳輸質量和速率將不受影響。系統健壯性良好，當云桌面系統宕機時，廣播功能不受影響。

4 系統部署、測試與分析

在教師PC端安裝教師機軟件，每個虛擬機與一個終端連接，在終端PC1～PCn及其分別對應的虛擬桌面VM1～VMn安裝學生機軟件。具體如圖3所示：

下面采用Windows性能監測工具，在兩端和三端的情況下，以屏幕廣播為例，對終端和虛擬機各自的帶寬占用情況進行計數。

4.1 傳統的兩端部署測試

對于兩端部署的情況，教師端發送屏幕廣播指令由虛擬機執行。如圖4所示，當對1臺學生機Stu2進行廣播時，監測到對應虛擬機所在云主機的帶寬數據由5萬Bytes/s以下升至50萬Bytes/s上下浮動。

如圖5所示，當對6臺學生機同時進行屏幕廣播時，監測服務器交換機所發出的總帶寬數據升至700萬Bytes/s上下浮動，說明流量數據將成倍疊加到云主機，需要更多的服務器成本和維護成本。

4.2 三端融合部署測試

在三端部署的情況下，屏幕廣播操作將轉移至學生機終端執行。如圖6所示，當對Stu2單臺廣播時，檢測到Stu2終端接收帶寬數據在40萬Bytes/s上下浮動，與兩端模式下作用于虛擬機的數據相當。

在上述情況下，停止對Stu2的廣播，開始對6臺學生機同時進行屏幕廣播時，Stu2的帶寬數據在停止廣播后下降至5萬Bytes/s以下；當重新收到廣播時，數據量回歸至40萬Bytes/s附近。此時無論是對于1臺或者6臺廣播的情況，虛擬機的服務器帶寬情況保持穩定水平5萬Bytes/s以下，這表明三端模式下屏幕廣播作用在終端上而并不作用在服務器上，因此服務器的資源情況不受影響。具體如圖7所示。

5 結束語

本文所設計的教學系統采用虛擬化技術與終端融合的方式，將對資源消耗較大的視頻圖像類操作在學生云終端執行，消息類指令在學生云桌面端執行。實驗表明，本系統可有效降低對服務器的資源占用，保證了視頻傳輸的速率和質量；由于不占用云主機資源，降低了運維成本，且具有較強的可擴展性；即使云桌面系統宕機，廣播也不受影響。經過長期的開發和完善，系統已成功在大學和小學多媒體教室等試點運行，功能也將得到進一步優化。

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