虛擬化桌面在高校計算機實驗教學中心的設計及應用

◆劉永

校園網絡安全

虛擬化桌面在高校計算機實驗教學中心的設計及應用

◆劉永

（山東青年政治學院教務處 山東 250103）

分析了高校計算機實驗教學中心實驗室存在的問題。針對當前實驗中心實驗室機器性能不均衡、資源嚴重浪費、管理困難、不易滿足實驗教學需求等現象，提出了可以通過桌面虛擬化技術構建虛擬化桌面實驗室的方式來解決。闡述了虛擬化桌面實驗室的構建思路，并以我校為例，提出了一種虛擬化桌面實驗室設計方案。該方案架構設計簡單、易于實現，具有管理方便、節約資源、安全穩定等優點，能夠有效簡化實驗室日常管理工作，提升實驗教學效果，滿足各類考試需求。

桌面虛擬化；計算機實驗教學中心；設計方案

高校計算機實驗教學中心一般承擔著學院計算機專業課、全校計算機文化基礎課的教學任務和全國計算機等級考試、計算機文化基礎考試等各類考試任務[1]。目前，高校的計算機實驗教學中心大多停留在由普通的計算機機房構成的階段。計算機數量多、零件容易老化等問題給實驗室管理工作和實驗教學帶來諸多困難。為了使計算機實驗教學中心方便管理，充分發揮實驗教學作用，可以考慮使用桌面虛擬化技術構建虛擬化桌面實驗室來解決[2]。桌面虛擬化技術具有配置靈活、便于管理、節約成本等優點，能有效解決現有實驗室管理不便、維護困難等問題，可以減輕實驗室管理人員的工作負擔，提高實驗教學服務質量。

1 高校計算機實驗教學中心存在的問題

（1）機器性能不均衡。由于高校對實驗中心逐年加大投入，計算機在配置上會越來越高，性能會越來越強，這就造成建設時間相差越大的實驗室，在計算機硬件配置方面差異越大，性能差距越大，使得某些專業性較強，對硬件配置要求較高的實驗課程只能在性能較好的實驗室開設，而性能較低的實驗室只能開設對機器性能要求不高的課程，造成實驗室設備使用不均衡，實驗室利用不充分。

（2）資源嚴重浪費[3]。由于計算機的使用頻繁，容易造成計算機零部件老化，計算機往往在使用1-2年后，就容易出現硬盤損壞、顯示器故障等問題。并且由于計算機的更新速度較快，往往在3-5年內，計算機的硬件配置就不能滿足新的教學軟件的需求，需要重新購置一批配置更高的計算機，舊的計算機只能淘汰掉，造成資源嚴重浪費。

（3）管理困難。傳統的計算機實驗室都是依靠還原卡來進行管理和維護[4]。利用還原卡可以方便安裝軟件和恢復故障系統，但有時還原卡使用起來也很麻煩。還原卡都是針對同型號的機器同傳，因此一般都是單個實驗室同傳。并且還原卡對網絡的性能要求很高，網速過慢或網絡不穩定，都會導致整個同傳過慢。

（4）不易滿足實驗教學需求[5]。有時教師需要在課堂分享學習資料，讓學生現場提交作業，需要購買額外的電子課堂軟件才能夠滿足。電子課堂軟件還需要額外的加密狗才能夠使用，加密狗長時間插到計算機上會因為發熱導致失效，管理不善的話也容易造成丟失。

2 虛擬化桌面實驗室的構建

桌面虛擬化是指將計算機的終端系統（也稱作桌面）進行虛擬化，以達到桌面使用的安全性和靈活性。可以通過任何設備，在任何地點，任何時間通過網絡訪問屬于我們個人的桌面系統。桌面虛擬化的原理圖見圖1。

數據中心由物理服務器集群構成，利用桌面虛擬化技術，可以將物理服務器集群的硬件資源（CPU、內存、硬盤等資源）形成一個硬件資源池實現集中統一管理，并在物理服務器集群上虛擬出多臺虛擬機（即虛擬出來的主機），將這些硬件資源分配給虛擬機使用，并為每臺虛擬機分配操作系統。每一臺虛擬機都相當于一臺獨立的PC主機，用戶通過桌面終端（通常為一臺顯示器）就可以使用一臺虛擬機，與使用PC的體驗完全一樣。

圖1 桌面虛擬化原理圖

3 虛擬化桌面實驗室設計方案

3.1 虛擬化桌面實驗室的架構設計

目前，我校計算機實驗教學中心共有5個實驗室，計算機約400臺，其中2個實驗室用作虛擬化桌面實驗室并各包含90臺桌面終端。虛擬化桌面實驗室采用VOI技術（Virtual OS Infrastructure，虛擬操作系統基礎設施），其搭建方式按照圖2的結構示意圖進行搭建。服務器集群為獲得良好的降溫效果放在數據中心里。服務器集群共包含5臺服務器，每臺服務器含2顆12核Intel E5 2650V4處理器，160g內存，4塊千兆集成網卡，1塊4T硬盤和1塊PCI-E400g固態硬盤。桌面終端配有一個顯示器外加X86云終端（含1顆intel J1900 CPU，2g內存，1個USB3.0接口，5個USB2.0接口，1個千兆網卡）。每個實驗室配4臺24端口千兆交換機。機房網線采用超五類線。

圖2 虛擬化桌面實驗室構建結構示意圖

3.2 虛擬化桌面實驗室的功能設計

（1）虛擬化桌面具備的使用功能

外賣的衛生安全較嚴重影響了外賣的發展．產品的衛生安全得不到保障成為眾多年輕人對外賣望而卻步的主要原因，外賣商家需提高對衛生安全的重視程度．部分外賣價格過高超出了學生的消費水平，使得外賣價格成為影響外賣市場發展的另一個主要原因．

①操作系統還原保護功能。對桌面終端的操作系統進行保護，當終端重啟后，之前學生在系統盤做的所有操作都不會保存，可以保證系統完好如初。學生的作業等資料可以放到存儲盤，這樣重啟之后資料也不會丟失。

②支持多個教學桌面使用。因為不同的教學軟件，其計算機配置環境不同，為了保護軟件安裝和運行不沖突，要在不同的教學桌面里安裝軟件，所以就會創建多個教學桌面。學生打開終端后，可以選擇所使用的軟件所在的教學桌面。終端上的各個教學桌面相互獨立，不沖突，保證了軟件良好的運行環境。

③虛擬化桌面獨立運行。因為服務器虛擬化出來的虛擬機都是獨立分配硬件資源的，并且虛擬化技術可以保證虛擬機獨立運行，互不影響，所以學生使用虛擬化桌面如同單個的PC機一樣，功能強大，又互不影響。

（2）虛擬化桌面具備的管理功能

①遠程控制功能。管理員通過瀏覽器直接訪問虛擬化桌面管理平臺，可以查看遠處各個機房的桌面終端狀態，遠程啟動、關閉、重啟終端，并可以按照桌面序號、終端座號、桌面IP、桌面計算機名、桌面用戶名等多種方式實現終端的自動排序。設置機房的IP地址段、終端桌面分辨率等。

②資源統計功能。虛擬化桌面管理平臺可以自動統計服務器集群硬件資源池的變化、包括CPU、內存、硬盤的使用量和利用率等并提供可視化統計視圖，方便管理員了解資源使用情況，為新創建的虛擬機分配CPU、內存、硬盤等硬件資源。

③批量生成虛擬化桌面功能。管理員可以先創建一個虛擬機模板，為該模板分配合適的CPU、內存、硬盤等資源，并在模板上安裝操作系統和所需軟件，然后通過該模板，平臺可以批量生成虛擬機（即虛擬化桌面）。

④資源按需分配功能。虛擬化桌面管理平臺是按照管理員創建的虛擬機模板和生成的虛擬機數量分配硬件資源池中CPU、內存、存儲等資源的。平臺資源池中的硬件資源根據生成虛擬機的數量實時變化，如果用戶關閉桌面終端，虛擬機也會被關閉，虛擬機的硬件資源就會被平臺收回，重新作為平臺資源池的資源分配給新創建的虛擬機。

⑤多教學桌面部署功能。管理員可以針對每個軟件所需的使用環境，分別部署系統環境不同的教學桌面，滿足實驗教學需求。

（3）多媒體教室管理功能

為方便教師日常的實驗教學，可以為虛擬化桌面安裝多媒體教室軟件，這樣虛擬化桌面又增加了多媒體教室管理功能。

①屏幕廣播功能。教師可以在給學生講解的同時，把自己的操作步驟演示給所有學生，方便學生理解實驗過程。

②遙控監看功能。教師可以在本地查看所有學生的虛擬化桌面狀態，了解學生實驗情況，避免學生上課做與實驗無關的操作。

③行為管控功能。教師可以禁止學生使用U盤、光盤等。可設置網頁的白名單和應用程序白名單等。

④影音廣播功能。可以流暢廣播MPEG1-4、amv、wmv、MP4等多種格式的視頻文件，若同時選擇多個文件，可以自動循環播放。

⑤學生演示功能。教師可以指定某個學生進行操作演示，其他學生通過各自的虛擬化桌面觀看。

⑥文件傳輸功能。教師可以把學習資料等發送到所有的虛擬化桌面，學生也可以在本地桌面終端向教師提交實驗報告。

4 虛擬化桌面應用場景

（1）教學應用場景。學生在上課前可以啟動桌面終端，自行選擇教學桌面進入桌面操作系統。教師也可以一鍵選擇所有學生進入指定桌面或者通過課表計劃自動批量切換到指定桌面。學生登錄到桌面后就可以進行各種操作。桌面的多種啟動方式保證了開機的靈活性和高效性。教師在上課的時候，可以利用多媒體教室軟件進行屏幕廣播、播放影音視頻或分享學習資料等。

（2）考試應用場景。可以應用于全國計算機等級考試、計算機文化基礎考試等。全國計算機等級考試對考試服務器和考試計算機的性能要求很高[6]。由于虛擬化桌面的硬件資源能夠按需分配，可以為考試服務器和每臺虛擬機分配較多的硬件資源以達到考試性能要求。在教師的終端創建一個單獨的虛擬化桌面作為考試服務器，并為其分配充足的硬件資源，安裝操作系統、數據庫系統和考試管理軟件。在學生的終端也創建一個單獨的虛擬化桌面作為考試機，為其分配CPU、內存、等硬件資源，并安裝操作系統和各類考試軟件。通過網絡設置，將服務器和考試機進行連接。考試前首先打開教師的終端進入考試服務器虛擬化桌面，然后啟動學生終端進入考試機虛擬化桌面，就可以進行考試了。

5 結束語

虛擬化桌面實驗室是利用桌面虛擬化技術構建虛擬化服務器集群和虛擬化桌面終端的新型實驗教學系統。該系統具有資源配置靈活、管理方便、資源節約等優點，不僅可以簡化實驗室管理人員的日常管理工作，還可以借助多媒體教室管理軟件實現實驗教學效果的提升。虛擬化桌面實驗室還可以用來快速靈活搭建各類考試環境，滿足各類考試需求。虛擬化桌面的廣泛應用必會成為未來計算機實驗室的發展趨勢。

[1]張寶瑛，李書珍，沈俊輝，等.高校計算機實驗室的部署與管理[J].實驗技術與管理，2013.

[2]劉永，吳杰，寧玉富，等.高校虛擬化桌面實施研究[J].計算機技術與發展，2016.

[3]尹廷鈞，張立.網絡機房管理和維護模式的探索研究[J].網絡安全技術與應用，2019.

[4]藺俊杰.計算機操作系統維護中還原技術的應用[J].信息與電腦（理論版），2019.

[5]姜軍平.高校計算機基礎實驗教學模式在云平臺下教學改革的研究[J].網絡安全技術與應用，2019.

[6]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.