面向實驗教學和學生創新活動的復合云桌面設計與構建

胡繼華，陳薇薇，伍麗華

（1.中山大學 公共實驗教學中心，廣東 廣州 510006；2.中山大學 數據科學與計算機學院，廣東 廣州 510006）

信息技術日新月異，大數據、人工智能和虛擬現實等新技術熱點不斷出現和發展，對計算機實驗教學提出了更高的要求，如何快速搭建合適的實驗環境以滿足教學的需要，是計算機實驗室面臨的新挑戰[1-2]。同時，大學生的學習方式正在轉向主動探究性學習，訓練動手能力與實踐能力為主，要求計算機實驗室不僅能提供合適的課堂實驗環境，課外亦能夠訪問類似的實驗環境，實現課內課外無縫切換。特別是進行創新活動的學生，需要工廠式的創新實驗場景幫助他們快速提高技術水平和創新能力[3]。

云桌面是云計算技術的一種，可以集中管理，靈活訪問，是計算機實驗室管理和維護的全新技術架構和管理方式[4-5]。利用云桌面可以有效分離物理終端和邏輯桌面，集中管理與部署實驗教學和學生創新活動所需的實驗環境，實現統一管控與便捷訪問。部分高校已經建設了多種云桌面，但是它們一般沒有虛擬顯卡支持，僅能用于普通計算機實驗教學工作，不能用于新技術實驗教學，也不能服務學生創新活動，且互相孤立，造成了一定的浪費。因此，云桌面需要提升和整合，才能更好地服務于計算機實驗教學和學生創新活動。

本文分析了虛擬操作系統VOI（virtual operatingsystem infrastructure）和虛擬桌面VDI（virtual desktop infrastructure）等主流云桌面技術，結合實驗教學和學生創新活動的需求，以及不同終端的特點，提出了一種復合云桌面的設計方案，包括VOI、VDI、vGPU(virtual GPU) VDI 和云桌面申請發布網站。VOI 和VDI是基礎，主要用于普通的軟件操作和編程教學；vGPU VDI 用于需要獨立顯卡的實驗環境，主要支持高級圖形圖像教學和虛擬仿真教學，以及學生創新活動。通過VDI+VOI+vGPU VDI 的集成，云桌面能滿足所有的計算機實驗教學需求，而云桌面申請發布網站將現有的云桌面平臺都管理起來，面向學生創新活動和課外學習，及時響應師生的云桌面申請，提供相應的服務，包括大數據、人工智能，甚至虛擬現實的實驗環境服務。

1 主流云桌面技術

云桌面技術在高校計算機實驗教學領域得到快速發展，每個學校都有多種云桌面。最早的是云桌面的前身——增霸卡克隆方式，這種方式充分利用本地機計算資源，但是耗時長，工作量大，維護業務繁瑣，僅適用于機房教學。其次是虛擬操作系統VOI，其與增霸卡方式類似，可以充分利用客戶端的計算資源，對服務器要求不高，但是要求服務器在同一網段內，也僅適用于機房教學[6]。第三是虛擬桌面VDI 方式，所有的計算和存儲都在服務器端進行，客戶端僅僅是顯示和交互[7]，其對服務器和網絡環境要求高，對客戶端要求較低，普通電腦、瘦客戶端和平板電腦都可以。這種方式是主流云桌面，能夠提供普通軟件操作和編程實驗環境，可以進行個性化定制，但是沒有獨立的顯存，不能提供高端圖像和仿真實驗教學環境。第四是虛擬顯卡vGPU VDI，相當于為每臺虛擬機安裝了獨立顯卡，虛擬機達到甚至超過臺式電腦的性能，能夠提供高端圖像和仿真實驗教學環境[8]，但是這種方式需要另外購置GPU 顯卡，并需要額外的顯卡虛擬化授權，成本更高。因此，vGPU VDI+VDI 能夠滿足當前的實驗課程需求，又有虛擬計算服務器和GPU 服務器的功能，支持大數據、人工智能和虛擬現實的實驗環境要求。

以上云桌面基本覆蓋了全部的實驗教學場景，但是不能及時響應學生創新場景實驗構建的需求，因為這些云桌面的管理都由教師完成，學生沒有入口；此外，高校里面一般都有多個云桌面系統，但是它們都是獨立的孤島，不能互相支持，造成很多資源浪費，有必要把閑置資源發布出來供學生學習使用或開展創新活動。

2 復合云桌面設計

復合云桌面是將VOI、VDI、vGPU VDI 等幾種云桌面通過云桌面申請發布網站組織起來形成一個有機整體，提高實驗教學環境的可靠性，既能滿足計算機實驗教學的需要，又能及時支持學生創新活動等需求，特別是滿足大數據、人工智能和虛擬現實等方面的實驗環境要求。

2.1 業務需求分析

計算機實驗室電腦種類多，如各種臺式電腦、瘦終端等，新舊各異，性能差別大。性能較好的臺式電腦，本身可以滿足實驗教學需求，對云桌面要求較低；瘦終端和性能差的電腦，則對云桌面要求較高。為了提高計算機實驗室的管理水平，同時滿足實驗教學需求和個性化實驗環境定制要求，云桌面應適應不同的實驗場景，提供不同的使用方式。

（1）普通軟件操作和編程實驗教學。這是主要的實驗教學場景，性能好的臺式電腦能夠滿足要求，瘦客戶端和性能較差的電腦，則需要云桌面支持，按照教學需要部署對應的場景。

（2）圖形圖像和仿真模擬實驗教學。該場景是重要的教學場景，特別是近年來3D 建模和仿真模擬相關課程越來越多。該場景可由性能好的臺式電腦支持，或由虛擬顯存的云桌面支持，創建有虛擬顯存的教學場景，滿足教學需要。

（3）學生創新活動。學生創新活動多種多樣，可能是大數據、人工智能、虛擬現實或其他任意方面。對于大數據，需要創建多個虛擬機協同工作，而虛擬現實和人工智能對顯存的要求比較高。這些需求本地終端難以直接支持，需要開發部署云桌面申請和發布服務，整合已有的云桌面平臺，及時提供相應的實驗環境。

（4）考試和實訓?？荚囈蠼y一標準化的軟件環境，發布不同的考試場景，需要云桌面支持。實訓則對軟件環境和顯存要求更高，類似學生創新活動的需求。

（5）異構云桌面集成。不同時期建設的云桌面，其技術架構、服務方式、許可數量各不相同，且互相孤立，造成資源浪費。把它們集成起來，統一調度云桌面許可，同時為更多的實驗課程提供桌面，或提供課程桌面備份。

2.2 實施方法

根據前述業務需求和技術特點，確定了 VOI+VDI+vGPU VDI+云桌面申請發布網站的復合云桌面方案。該方案覆蓋了本科實驗教學的所有場景，可以進行統一管理和及時個性化服務，同時將學校內各種云桌面的空閑資源發布出來供學生創新和學習使用，實現云桌面資源共享。

（1）對于性能較好的臺式電腦，以VOI 部署模式為主，通過專用模板方式進行操作系統和應用軟件的管理，包括VDI 客戶端的部署。這種方式承擔大部分實驗教學工作，主要用于滿足教學需求。

（2）對于瘦客戶端或性能較差的電腦，以VDI部署方式為主，利用服務器的計算資源和存儲資源，滿足普通軟件操作和編程實驗教學工作的需要。這些電腦的操作系統管理仍采用VOI 方式，因為不同種類的電腦硬件配置各不相同，只能部署各自的專用模板。除了滿足日常教學工作外，VDI 也可以為師生提供個人桌面甚至高性能的虛擬服務器服務，用于教師備課、學生創新活動和自主學習，特別是大數據和云計算方面的創新活動[9-10]。

（3）vGPU VDI 主要部署在瘦客戶端，用于滿足3D 建模、人工智能和虛擬現實等課程的實驗教學，也為學生提供高級個人桌面或虛擬GPU 服務器，滿足人工智能或虛擬現實等領域的學生創新活動需求[11-12]。

（4）云桌面申請發布服務。云桌面申請發布網站集成異構云桌面平臺，調用桌面創建、模板管理等云桌面服務端的核心功能，以網站或手機APP 的方式為學生和老師提供服務。服務包括云桌面平臺管理、模板管理、服務發布、服務申請與審批等功能，及時響應學生申請，提供個人桌面、虛擬服務器、虛擬GPU服務等，提供全面的創新實驗環境。

2.3 復合云桌面系統架構

復合云桌面系統采用可動態擴展的集群式架構，如圖1 所示。在后臺配置VDI 服務器和GPU 服務器集群，以及云桌面申請發布網站。VDI 服務器設一個控制節點，系統鏡像保存在控制節點；其他服務器都是計算節點，均衡地存貯課程桌面虛擬機。VOI 服務器采用普通的臺式電腦，每個實驗室配置一臺，管理各個系統各個版本的鏡像。云桌面申請發布網站部署在獨立服務器，實現云桌面申請和發布功能，對VDI和VOI 的系統鏡像進行備份存儲，實現系統鏡像的異地備份，提高安全性。實驗室內，每個終端都安裝配置VOI 客戶端和VDI 客戶端軟件；個人筆記本電腦等終端則按需部署VDI 客戶端或vGPU VDI 客戶端。

圖1 復合云桌面系統架構示意圖

網絡方面，服務器端是萬兆交換機，客戶端的匯聚交換機也是萬兆交換機，其通過千兆接入交換機連接到實驗室終端。服務器交換機和客戶端匯聚交換機通過光纖連接起來，組成一個大局域網。這樣終端可以快速地加載課程桌面，保證考試或上課等大數據量、高并發場景時云桌面能夠提供穩定的實驗環境。對于個性化教學和學生創新活動，數據量和并發量都比較少，云桌面網絡完全能夠滿足需求，只要在校園網內，就可以接入云桌面。

3 云桌面實現

公共實驗教學中心采用VDI 服務器+vGPU VDI服務器+VOI 服務器+云桌面軟件+云終端+普通電腦+云桌面申請發布網站的方式，將13 間計算機實驗室和3 間電子電工實驗室改造成云桌面環境。其中云終端實驗室5 間，采用VOI+VDI 客戶端部署模式，即本機系統采用VOI 進行管理，每個系統上都部署VDI客戶端軟件；普通計算機實驗室9 間，其中4 間采用VOI+VDI 客戶端部署模式，另外5 間本機系統仍采用增霸卡進行管理，然后在系統上部署VDI 客戶端軟件。vGPU VDI 客戶端主要部署在云終端上，提供高端圖形教學和仿真模擬實驗環境。同時設計開發云桌面申請發布網站，將其他已有的云桌面平臺也納入管理，為學生提供云桌面申請、定制和發布服務。

3.1 服務器端部署

服務器端部署包括VDI、vGPU VDI 和VOI 服務端的部署。對于VDI，首先，在服務器上安裝操作系統和VDI 服務器端軟件，建立VDI 服務器端集群管理環境，然后設置虛擬桌面的硬件配置，加載ISO 格式的操作系統安裝包以及常用應用軟件，完成基礎模板的創建。其次，按照課程的要求，在基礎模板上安裝不同課程的專用軟件，建立課程模板。第三，根據課程的課室和上課時段，使用課程模板批量建立課程桌面，學生上課時可以直接進入桌面；同時根據教師和學生的要求，建立相應的個人桌面，師生可以使用賬號密碼登錄。

vGPU VDI 部署類似，但是需要取得GPU 的虛擬顯卡授權許可，才能在對應的虛擬桌面上安裝虛擬顯卡驅動，使用虛擬顯存。

VOI 服務器端部署的過程首先亦是軟件安裝，軟件安裝完成后，按照IP 地址對課室進行設置，然后為每個課室每種操作系統建立系統模板，并按照課程要求安裝專用軟件。當課室的終端連接上服務器后，服務器自動按照設置向終端下發課程桌面。當某個終端課程桌面更新并上傳后，服務器會將該桌面保存為模板，終端可以當前的版本為課程桌面，也可以歷史上任意時間的模板為課程桌面，這樣如果終端當前版本崩潰了，就可以用歷史版本快速恢復。

3.2 客戶端接入

客戶端接入包括課室終端接入、學生和教師的電腦接入。課室終端分為3 種，增霸卡管理的電腦、普通電腦和瘦終端。對于增霸卡管理的電腦，在其上部署VDI 客戶端即可；對于普通電腦和瘦終端，則部署VOI 客戶端和VDI 客戶端，以及vGPU VDI 客戶端，并與對應的服務器端聯通起來，以方便更新終端系統，或鏈接課程桌面。

學生和教師需要在自己電腦上安裝VDI 客戶端或vGPU VDI 客戶端，以賬號密碼的方式接入個人桌面。如果需要，每個教師或學生可以接入多個個人桌面。

3.3 新技術實驗教學環境設置

大數據和人工智能計算框架一般都有控制節點、計算節點和存儲節點，需要多服務器協同工作，因此需要虛擬多個服務器。對于大數據實驗課程，先按照大數據計算框架（如HADOOP）制作各種節點的模板，然后使用VDI 個人桌面功能虛擬多個服務器，分別擔任控制、計算和存儲節點，再配置一下就可以完成環境搭建。對于人工智能實驗課程，與大數據環境搭建類似，區別是以GPU 服務器為主，即使用vGPU VDI虛擬多個GPU 服務器擔任計算節點，其他節點仍然可以采用VDI 虛擬的服務器。虛擬現實實驗課程主要對顯卡有要求，為虛擬機配置足夠的顯存即可。

3.4 網站開發和部署

網站可以及時響應學生的云桌面請求，將空閑的云桌面發布出來供學生使用，不僅將本次建設的云桌面管理起來，也可以將以前建設的云桌面管理起來。網站包括平臺管理、課程管理、資源掃描、服務發布、服務查詢、服務定制、統計、資源下載、用戶管理和系統設置等功能。對于用戶特別關注的功能，如服務信息、申請信息、服務指南和幫助，以及用戶的疑問及回復，分別以服務速遞、申請狀態、服務指南和學友互動的欄目發布出來，使管理者和用戶都可以及時了解相關信息。云桌面系統還可以和本科教務聯系起來，直接登錄本科教務系統，獲取學生信息和課程開設情況，為及時有效的服務提供基礎。

使用云桌面時，網站要和云桌面對接，讀取云桌面服務器端數據庫，讀取該云桌面的硬件資源、課程設置、系統鏡像等信息，調用桌面設置服務，設置課程桌面或個人桌面，這樣才能及時響應學生的請求。如果有其他云桌面平臺加入，則重復上述過程，將其加入網站。

4 復合云桌面建設的意義

（1）全面覆蓋實驗課程需求。復合云桌面既能滿足普通軟件操作和編程課程的實驗環境需求，又能滿足高端圖形圖像教學和仿真模擬課程的實驗環境需求，特別是能夠支持大數據、人工智能和虛擬現實等新技術的實驗環境需求。

（2）及時支持學生創新活動。復合云桌面基本能夠覆蓋學生創新活動的實驗環境需求，又能夠在校園內通過申請發布網站隨時隨地訪問云桌面，幫助學生創建沉浸式不間斷的創新實驗環境，大幅度提高學生創新活動的效率。

（3）充分利用云桌面資源。云桌面申請發布網站將學校歷史上建設的云桌面統一管理起來，使這些云桌面互為備份和支撐，特別是那些并發許可少的云桌面也能夠有效參與實驗教學和學生創新活動，提高了云桌面資源利用效率和實驗教學環境的可靠性。

5 結語

本文提出和實現一種復合云桌面的設計方案，包括VOI、VDI、vGPU VDI 和云桌面申請發布網站。該方案按照不同的實驗課程要求和終端的特點，部署相應的云桌面服務，并通過網站將各個云桌面平臺有機地集成起來。復合云桌面滿足了所有的計算機實驗教學需求，包括新技術熱點的實驗教學需求；能及時響應學生創新的云桌面申請，幫助學生創建沉浸式不間斷的創新實驗環境，提高了學生創新活動的效率，提高了云桌面資源的使用效率和實驗教學環境的可靠性，為高校計算機實驗室的建設和管理提供了新思路。