桌面云技術在高校計算機實驗室中的應用研究

王文超

（貴州財經大學，貴州 貴陽 550025）

0 引言

實驗室是高校人才培養和科學研究的主要陣地，是培養學生實踐能力和創新精神的重要場所，對提高教學質量、推動科研發展、增強學校實力、培養創新人才和促進學科建設都非常重要。當前隨著教育信息化工作及四新建設的推進，教學方式及教學模式也隨之發生變革，傳統的計算機實驗室的問題逐漸暴露出來。高校實驗室通過引進桌面云技術，可以對桌面進行虛擬化部署，極大提升了計算機運行的穩定性和安全性，創立了信息化的學習環境，提升了教學效率，使實驗室管理人員的管理和運維能力及工作效率也因此得到提升。

1 傳統高校計算機實驗室問題分析

隨著計算機網絡技術的發展，教育信息化工作及四新建設的推進，課程建設發展的需要，高校計算機實驗室也承擔起越來越重的教學科研任務。高校教師及學生對于計算機實驗室使用的需求增大，對于信息化的需求也越來越多，傳統的高校計算機實驗室存在的問題逐漸暴露。

1.1 使用成本高且能源消耗大

高校計算機實驗室的建設必須遵循相應的建設標準，規模較大。為滿足不同專業學生教學科研需求，計算機實驗室的數量和人均計算機等數量需達到一定的數量才能實現，高校需建設大量的計算機實驗室并配置大量的計算機。在使用頻率較高的情況下，計算機的平均使用壽命僅為4～6年[1]，長期使用之后計算機會出現系統卡頓、死機等情況，影響正常教學科研使用，為解決這些問題就要投入資金重新建設或購置，使用成本過高。此外計算機的運行需要消耗巨大的能量，從能耗角度看，大量計算機的使用帶來大量的能源消耗，不符合我國提出的綠色發展戰略[2]。

1.2 擴容困難且軟件更新煩瑣

隨著教學信息技術的發展，以及新工科、新醫科、新農科、新文科建設的推進，學科融合及專業調整，更多的軟件被開發應用至教學科研。但高校計算機實驗室容量有限，需投入大量的資金去擴容或者重新購置成本較高。

現有的教學科研軟件也需不斷的升級。在每學期開學初都需要實驗室管理人員對計算機實驗室里軟件進行逐一檢查，并依照教學科研需求對軟件進行升級。軟件的升級安裝部署需要耗費一定的時間，該過程順利的情況下也至少需要0.5小時[3]，如果在數據傳輸期間出現卡頓或掉線則需要耗費更長的時間，造成實驗室管理效率低下。

1.3 維護困難且安全性有待提升

高校計算機實驗室的數量和計算機設備數量較多，計算機設備的型號不同、配置不同則不能進行數據同傳。高校計算機實驗室分散在不同的樓棟及樓層，給實驗室管理人員的日常管理維護帶來較大困難。同時為滿足教學科研需求，需安裝大量軟件，占用計算機存儲空間，在操作系統時反應速度較慢，影響了教學效率。在教學科研過程中，需要使用U盤等設備拷貝資料，會增加安全風險。

1.4 受限制多且無法共享

高校計算機實驗室分布在不同的校區，功能較為單一，設備和資源有限，且大部分計算機實驗室僅在課程上課期間使用，使得教學科研的時間、地點和實驗環境都受到一定的限制，缺少靈活性。在當前大數據時代，傳統的計算機實驗室無法實現共享。

2 桌面云技術概述

隨著計算機網絡技術的發展，云計算技術因其靈活性、可靠性等在教育等各個行業得到了廣泛的應用，桌面云技術就是面向桌面管理的特定的云計算技術[2]。

桌面云技術是云計算技術的一種，它通過構建物理或者虛擬的資源池和虛擬桌面技術，讓用戶通過網絡的鏈接，實現瘦客戶端或終端設備與桌面云的連接，實現跨設備、跨平臺的工作和學習。

桌面云具有資源共享，靈活性，安全性及可擴展性的特點，運行比較穩定和安全，操作簡單，響應速度快，相比于傳統的計算機網絡部署形式，具有很大應用優勢。

桌面云的主流架構方式有以下三種：分別為虛擬操作系統架構（Virtual OS Infrastructure，VOI）、智能桌面虛擬化架構（Intelligent Desktop Virtualization，IDV）、虛擬桌面基礎架構（Virtual Desktop Infrastructure，VDI）[4]。

（1）虛擬操作系統架構是通過鏡像集中管理，本地運行方式實現。將分散在各實驗室的軟件和操作系統轉化成鏡像集中管理，通過預啟動執行環網絡啟用服務器內系統鏡像，應用于胖終端。通過特定策略同步終端與服務器之間的數據。優點是可以集中管理，緩解服務器壓力。

（2）智能桌面虛擬化架構是將系統鏡像統一管理和存儲在服務器，運行時下發到終端，由終端通過虛擬化層運行。上述架構方式實現集中管理和集中存儲，但是不能應用于瘦終端，在移動端方面的使用受限。

（3）虛擬桌面技術架構將系統鏡像集中管理和存儲在數據中心端，通過高效桌面編碼協議（HEDC）、VPN隧道等傳輸端，應用于用戶端，實現軟件硬件等資源的共享。

3 桌面云技術在高校計算機實驗室中的應用優勢

3.1 實現資源共享，提高實驗教學效率

教師和學生可以通過移動端、個人PC端，瘦終端等設備在任何時間通過連接校園網遠程訪問桌面云進行學習和實驗操作，增加教學科研的靈活性，實現數據等資源的共享和訪問，提高資源利用率。同時實驗室管理人員通過云桌面技術，實現對軟件、操作系統的統一集中管理，可以根據教學科研需求及時調整資源，軟件安裝、升級等管理和更新都可以桌面云平臺上統一方便處理，簡化流程，提高管理效率。

3.2 實現虛擬實驗環境，提高實驗教學效果

桌面云技術使用虛擬化技術，將計算機虛擬為彈性虛擬主機，不受網絡約束并可離線使用。借助桌面云技術可以將實驗環境虛擬化，可以根據教學科研需要定制個性化實驗教育場景，面對不同的專業，不同的教學內容，構建不同的網絡教學環境，打造不同的實驗學習場景，可以滿足新時期各種復雜、混合的教學場景和考試場景的需求，極大提升實驗教學的靈活性，提高實驗教學效果。

3.3 系統安全實時防護，提高安全性

桌面云技術采用集中統一部署管理的模式。在此模式下，終端用戶桌面獨自運行，確保系統穩定。教學科研產生的大量數據存儲在桌面云服務器，具備比較強的可靠性。同時數據通過桌面云技術進行備份和管理，減少使用U盤等外接設備的可能性，降低數據丟失的風險。采用桌面云技術，由教師統一部署操作系統，可以較大減少學生誤操作的現象，降低被感染病毒的風險，從而保證了實驗室計算機系統安全[5]。桌面云技術的應用使得數據安全和物理安全都得到了極大提升。

3.4 管理運維成本降低，提高管理效率

桌面云技術管理便捷，集中統一操作簡單，可減少所需實驗室管理人員數量，節省大量的人力和物力，降低管理運維成本。同時隨著桌面云技術不斷發展，虛擬桌面操作系統將更加成熟穩定，可以保證系統安全穩定運行，在后期管理運維時可以大幅度減少工作量，提高管理工作效率。

4 桌面云技術存在的問題

桌面云技術在提高資源利用率、提高實驗教學效率和效果，降低維護成本、提高安全性方面都具有一定的優勢，但也存在一些弊端。

4.1 初始啟動成本較高

桌面云技術的初始啟動成本比較高。高校在部署桌面云技術時，需購買包括云終端、服務器、云桌面軟件等軟硬件，改造IT基礎架構，相對于構建傳統計算機實驗室而言初始啟動成本較高且回收時間較長。

4.2 性能局限性

桌面云技術通過服務器虛擬化出虛擬桌面，通過網絡傳輸數據到前端展示的虛擬桌面。虛擬桌面能夠滿足普通教學科研，如數據庫處理、off ice辦公、高清視頻播放等。但在如3D動畫、圖形設計等對計算機性能要求較高的教學科研項目，虛擬桌面無法滿足，在應用和性能上具有局限性。

4.3 實驗室管理人員缺乏

桌面云技術對實驗室管理人員的管理和維護能力有更高的要求，部分高校雖然部署桌面云技術但是對實驗室管理人員的培訓缺失，對桌面云使用期間出現的問題無法得到及時有效專業的處理。

4.4 網絡環境要求較高

桌面云技術以云計算技術為基礎,將桌面環境和應用程序托管在云端，在數據上傳下達時需要比較穩定的網絡環境，要滿足隨時的數據共享和訪問，可以隨時鏈接校園網進入使用，對網絡覆蓋密度也有一定的要求。

5 桌面云技術在高校計算機實驗室的應用方案

5.1 資源池設計

桌面云技術通過虛擬化軟件構建虛擬化平臺，并以此實現對服務器的調整。因此在部署桌面云技術時，應使用具有良好擴展功能的服務器，并購買專業存儲設備存放數據等相關信息，構建具備可靠性和可擴展性的計算機源庫和存儲源庫，以此為基礎設計具備高度可靠性和可拓展性的資源池。

5.2 桌面云設計

桌面云的設計可以采用兩個方法，一個是采用完全復制拷貝的方法，通過單獨創建系統盤，將虛擬機的所有模塊全部復制到系統盤中，此種方法的虛擬機隔離性更好，在安全性方面比較穩定，同時可支持個性化構建，因此適應于各種類型設備。另一種方法是采用克隆的方式將虛擬機進行設置，用極具關聯性的差速板和主板共同組成克隆系統面板。用此種方法下數據等資料存儲在差異磁盤下，系統的主硬盤相當于共享系統，因此具有更強大的存儲能力。

無論采用哪種方法，桌面云設計都是通過嵌入客戶端，以輸入個人賬號和密碼的形式，實現主機端和客機端之間的聯系，過程簡單且易操作，對于工作效率的提升有很大幫助。

6 結束語

隨著計算機網絡技術的發展，教育信息化工作的推進，桌面云技術將越來越成熟。當前桌面云技術存在初始啟動成本高、性能具有局限性、實驗室管理人員缺乏以及網絡環境要求較高的問題，但隨著其發展，桌面云技術將突破其局限性，會被更廣泛應用于教學與科研中。桌面云技術應用于高校計算機實驗室中，很好的解決了傳統計算機實驗室存在的使用成本高、擴容困難、安全性低等問題，通過集中管理，可以降低管理與維護成本，并有效提升實驗教學效率與資源利用效率，推動教育信息化向前發展。