基于混合云的高校計算機實訓室建設

楊衡亮

摘? 要： 將混合云的技術理念引入高校計算機實訓室建設，力圖解決傳統計算機實訓室在教學管理和運行維護上存在的短板，滿足現代計算機教學和保障的需求。分析現有計算機實訓室弊端，結合目前云計算技術發展和近幾年計算機實驗室建設經驗，將VDI和IDV兩種技術有機結合，提出基于混合云的建設方案。基于混合云的高校計算機實訓室技術先進，優點多，能滿足高校計算機教學和各項保障的需要。

關鍵詞： 混合云; 高校; 計算機實訓室; 建設

中圖分類號：TP399? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2022）04-117-04

Construction of computer laboratory in university based on hybrid cloud

Yang Hengliang

（College of Information Engineering， Engineering University of PAP， Xi'an， Shaanxi 710086， China）

Abstract： The technical concept of hybrid cloud is introduced into the construction of computer laboratories in universities to solve the shortcomings of traditional computer laboratory in teaching management and maintenance， and meet the needs of modern computer teaching and security. In this paper， the disadvantages of the existing computer laboratory are analyzed. According to the development of cloud computing technology and the construction experience of computer laboratory， by organically combining the two technologies of VDI and IDV， a construction scheme based on hybrid cloud is proposed. The computer laboratory in university based on hybrid cloud has advanced technology and many advantages， which can meet the needs of college computer teaching and various security.

Key words： hybrid cloud; university; computer laboratory; construction

0 引言

目前大部分高校的計算機實訓室，由于建設時間比較長，仍然采用傳統單機計算機技術，在長期的運行使用中，管理維護困難、硬件不斷老化、更新換代成本高、教學改革支撐弱，越來越不能滿足教學的需要。云計算和虛擬化等新興技術的發展和廣泛應用，為高校計算機實訓室建設提供了一種新的可能[1]。

1 傳統計算機實訓室運行管理中的弊端

目前高校大量正在使用的計算機實驗室，一般建設運行有五年以上，個別的時間更長，大部分采取的是傳統計算機或者無盤工作站的技術模式建設[2]，在管理上和使用上面臨諸多弊端。

1.1 管理運維難

目前計算機實驗室大部分采取的硬盤克隆同傳和定期恢復的方式批量管理計算機。這種管理方式，通常一個機房安裝一個教學應用軟件、切換一個系統通常需要四五個小時。據調查，目前高校計算機實訓室除正常教學授課外還經常承擔等級考試、心理測評等臨時性保障任務，每次臨時性保障和日常教學均需要安裝軟件、切換系統。這種重復性的工作不僅耗費了大量的時間，還往往會因同傳設備故障、網絡設備故障、臨時斷電等造成系統同傳時癱瘓，修復時間有時候需要一兩天，加速電腦老化，造成實驗機房維護使用成本高。

1.2 教學支撐弱

在計算機教學中，學生希望隨時隨地參與實驗實訓，老師也希望跨地域備課和辦公，師生希望能隨時隨地展開交流。但目前的傳統計算機不方便搬來搬去，大部分的實訓只能局限于實訓教室。同時由于教師機和學生機配置是一樣的，難以加裝網絡教學系統，難以實現實時廣播教學，和實時監控學生實驗，學生的學習過程難以形成性記錄。此外，由于計算機更新換代比較快，計算機總是面臨淘汰/更新，為了滿足教學需求，有些單位不得不經常購買電腦，無形中也造成了大量的浪費。

1.3 安全保密性低

傳統計算機實訓室，學生的實驗實訓數據基本上是保存在個人終端電腦上，一旦終端丟失或損毀，數據也隨之丟失;另一方面，學生可能隨意將文件拷貝或外發，造成泄密事件發生。由于學生機采取的是單獨電腦，難以對學生機硬件進行管控，比如限制U盤與光驅、限制上網、限制應用程序等，也帶來安全保密性風險。同時由于無法統一對硬件進行管控，單臺計算機可能會被使用者惡意修改配置、刪除文件等，這也給管理上帶來負擔。

2 基于混合云的高校計算機實訓室方案

2.1 主流云桌面虛擬技術VDI和IDV對比

經過近幾年發展和實際應用，云桌面虛擬技術主要有VDI和IDV兩種技術路線。

2.1.1 虛擬桌面架構VDI

VDI基礎架構，通過在中心服務器上將用戶系統做成虛擬機實現虛擬化[3]。客戶端設備連接虛擬桌面實現訪問運算，所有用戶端的運算和存儲資源均集中于服務器上。VDI技術一定程度上解決了教學電腦分布廣，維護工作量大的弊端，但在實踐應用中也暴露出了一些問題。一是高依賴：桌面系統運行主要依賴服務器和網絡，斷網或者是服務器出現故障，學生機無法使用。二是高成本：VDI核心在于集中存儲，集中運算，因此需要很高的服務器配置，造成機房建設運維成本高。三是體驗差：網絡質量不佳時，或用戶同時并發時，容易造成網絡擁堵，卡頓延遲，該系統對于一些大量運算和媒體播放的應用需求難以支持，用戶體驗比較差。

2.1.2 智能虛擬桌面IDV

IDV采取集中管理、集中存儲、本地運算的策略，在保留VDI優勢的同時避免了部分的劣勢。IDV云桌面系統基于本地虛擬機架構，以軟件定義桌面為設計理念，將操作系統及鏡像和各種應用軟件集中部署在桌面服務器中。客戶端接入網絡后自動從服務器下載桌面完成部署就可以運行，在和服務斷網的情況下，也能離線運行。這種模式不用像VDI那樣需要大量的圖像傳輸，因此可以節省很大的網絡帶寬，從而構建出具備集中管理、分散運行，集中存儲、穩定可靠的云桌面虛擬系統。

2.2 基于VDI+IDV融合的混合云計算機實訓室方案

高校計算機實驗室主要任務是各種計算機課程的理論教學、實驗實訓，同時往往需要為計算機等級考試、心理測試、學生在線考試等大量臨時性任務提供場所、設備保障。這種多樣化的任務就決定了高校計算機實訓室，不僅能滿足日常教學需要，還要在各種任務來臨時，能夠快速部署、快速切換、穩定運行，可靠運行[4]。VDI和IDV兩種云桌面，各有優勢，適合不同的應用場景[5]。考慮到高校計算機實訓室多種任務、快速切換、穩定運行的需要，最理想的方案是VDI+IDV融合的混合云方案。

該方案的基本拓撲圖如圖1所示：核心架構主要由VDI云桌面服務器、IDV云桌面服務器、云數據存儲中心服務器、云桌面管理軟件、交換機、胖客服機云終端構成。實訓室云終端桌面系統鏡像由VDI云桌面服務器存儲、管理和下發。云終端桌面系統加裝專用客服端軟件后也可以通過網頁或者專用軟件，訪問VDI虛擬機，通過這樣的模式實現超融合的應用。在實際建設中，由于IDV云桌面服務器平時可以不用一直運行，運算量不是很大，因此，為了節省成本也可以用它兼作數據存儲服務器，當然綜合考慮成本、穩定性等因素，一般不建議這樣做。

3 基于混合云的高校計算機實訓室應用

基于混合云的高校計算機實訓室建成以后，能夠為辦公、教學實訓、圖形運算、在線考試等多種桌面應用場景提供支撐;基本能滿足高校計算機類課程教學實訓和各類保障任務的需要;配合各類在線教學實訓系統能夠實現學員網上學、網上練、網上考;在保障使用者體驗優先的前提下，對終端設備、操作系統、用戶數據進行統一、靈活、可控的管理和維護。

3.1 支持多樣化教學

3.1.1 多樣化教學

本項目使用了混合式桌面架構，教師、學員使用統一的身份認證系統可以在不通桌面架構之間無縫切換，而用戶數據始終跟隨用戶。教員可以在實訓教室、辦公室甚至家里訪問自己的桌面電腦、進行備課、查找和存儲資料;學員也可以在實訓教室、宿舍登錄自己賬戶，進行學生實訓、形成性保留實訓成果、方便后期進行學習。

3.1.2 廣播教學

老師屏幕廣播傳輸到學生端屏幕，能豐富授課的內容，方便學生看清各類計算機演示操作，也可以將學生作業直觀展示推送，并提升學生的學習興趣。

3.1.3 學習監管

教師可以監管、輪詢學生屏幕，充分了解每一個學生實驗操作情況，嚴防學生開小差。根據學生特點分組教學，實現分組討論和個性化教學，教師可以輪循監看各組進度及討論情況。

3.1.4 答疑測試

老師可以即興出題，支持選擇題、判斷題、搶答題，當學生遇到問題時或有不了解的課程內容時，可通過電子舉手功能，實時反饋給讓老師知道。

3.2 運維管理方便

3.2.1 快速切換

混合云架構下，系統支持多個系統和軟件應用的快速切換。如果是需要云終端整體換系統比如在Win7和Win10之間，利用軟模版概念和桌面同步傳輸協議，支持斷點續傳等容錯機制，避免同傳系統常見的漏傳現象，一般15分鐘左右完成所有云終端的更新操作，如圖2所示。

如果在教學或者考試時需要增加某個教學軟件、切換某門課程，就可以通過VDI教學虛擬機實現切換，云終端快速登陸訪問交換機、一般兩三分鐘就可以完成。這種模式即使在同一個實訓教室連續的切換教學課程應用，利用課間就可以完成，從而不影響正常上課。

3.2.2 靈活還原

通過服務端設置每天、每周、每月的自動還原策略，還可以指定某個磁盤分區保存數據，方便學生通過本地也可以保存數據。當系統遇到計算機病毒、誤操作，可以通過系統重啟或者定時還原的方式，恢復到初始可靠狀態。

3.2.3 開放預約

基于云終端的教學實訓室，通過加裝智能門鎖和機房預約管理系統的方式，配合云監控系統，實現實驗開放預約、自動記錄，為計算機課程俱樂部和學生自主實驗測試奠定基礎。

3.3 安全可靠性好

3.3.1 高可靠性

本項目通過多種桌面架構之間的優勢互補降低了桌面環境對網絡、服務器、終端設備的依賴，系統具有更高的容錯性。支持學生云終端在斷電、斷網，服務器宕機等異常情況下，學生云終端可以用，確保教學不受影響。

3.3.2 高安全性

系統在硬件上可以同時對學生機光驅、USB 等設備實施統一控制，可有效防范數據的非法竊取和傳播，從而提高安全保密性。采用專門的服務器在云端存儲數據，同時采取數據備份的辦法，保障了數據的安全[6]，用戶在本地可以不保存數據，需要時候直接云端獲取，從而提高了數據的安全性。

3.3.3 數據可控

本項目中各種桌面架構數據實現同一存儲和管理，方便了用戶在不同桌面使用場景下的數據互通，使用更加便捷。用戶數據集中存儲、統一管控，所有數據在存儲過程中均進行了加密存放，降低用戶數據泄漏風險，用戶數據訪問過程中均進行了鑒權操作，提高了用戶數據安全性。

3.4 性能高且成本較低

3.4.1 體驗優異

用戶可以在PC機、VDI、IDV等各種桌面架構和工作場景中隨時隨地、跨平臺訪問個人數據，同時可實現可控的數據分享，用戶數據使用更加便捷。基于本地虛擬機架構，用戶體驗和傳統PC相同，完美運行4K高清視頻，大型3D應用，從容應對語音教學，多媒體教學，虛擬現實教學等多種教學應用場景。

3.4.2 擴展性好

混合式桌面架構具備廣泛的設備兼容性，現有PC機、筆記本、瘦客戶機、胖客戶機均可在混合式桌面架構中找到最優的解決方案，充分發揮現有資產價值。同時，混合式桌面架構實現了用戶終端的按需部署，按照用戶的使用需求選擇不同的桌面架構;系統升級時可以只升級所需服務器，也可以升級云終端的數量，無需購買昂貴的電腦主機，從而節省購買成本。

3.4.3 成本較低

混合模式建設，相當于一套設備、兩套云桌面系統，可以支撐更多的教員、學員使用，綜合起來看成本更低。同時由于IDV服務器只起著系統分發托管的作用，只需要低成本的服務器，一般只需要VDI服務器三分之一的成本，這將減少物理服務器的采購數量。同時胖客服機相對于普通PC來說平均功耗較小，在實際運行中能節省大量電能，從而降低高運行成本。

4 結束語

我校2021年建成400點位混合云桌面虛擬實驗室以來，在實際教學應用中效果比較明顯，實驗室學生用機系統切換由以前的二個小時縮短到十分鐘以內，能夠有效的支撐各類教學和上機保障。同時這種混合云實驗室管理運維中更加方便，學生實驗機可以保存多個鏡像系統進行自我登錄，通過統一設置各種外設的管理，大大提高了實驗室管理中的安全性。應用實踐表明：隨著云計算技術的飛速發展，基于混合云的計算機實訓建設，能夠結合目前兩種主流云模式的優點，能夠較好的解決傳統計算機實訓室存在的弊端，能夠有效支撐各種教學運行和上機保障，建設效益比較明顯。

參考文獻（References）：

[1] 陳磊，魏林.云桌面技術在高校計算機實訓室建設和管理中的優勢及應用前景分析[J].電腦知識與技術，2019（34）：158-159

[2] 鄭鴻.多媒體教室管理信息系統技術探討[J].信息系統工程，2015（5）：146-147

[3] 李益雙，宋丹丹.桌面云VDI技術在高校計算機基礎實驗室管理中的應用[J].電子制作，2019（18）：58-59

[4] 唐彧，劉麗軍.高校計算機基于桌面云的實驗室管理研究[J].教育現代化，2017（32）：157-158

[5] 羅圣美，李桂萍.云桌面解決方案和實踐[J].信息通信技術，2016（2）：46-52

[6] 陳鋒，胡春雷.應用型高校虛擬云桌面實驗中心建設與實踐探索[J].軟件導刊，2019（2）：91-93