云桌面技術在高校計算機實驗教學中的應用探究

摘要：為了加快高校信息化建設，加大醫工復合型人才培養力度，本文針對計算機實驗室在傳統單機管理模式下出現的問題，提出了云桌面技術解決方案，搭建了一套用于生物醫學工程專業的實驗教學和個性化學習的云桌面系統。該系統提升了實驗室的管理效率和服務力度，改進了生物醫學工程專業的計算機實驗教學模式，提高了學生的信息化素養。

關鍵詞：云桌面技術；VDI架構；計算機實驗室信息化建設

中圖分類號：G434"文獻標識碼：A"論文編號：1674-2117（2025）02-0098-06

引言

隨著高校信息化建設的不斷推進，高校對計算機實驗室設備性能以及實驗室管理水平的要求也越來越高。筆者所在學校生物醫學工程學院計算機實驗室（以下簡稱“實驗室”）是學校信息化類課程的實驗教學基地，由于實驗室多元化需求增多、實驗教學環境復雜、實驗教學任務重，實驗室出現了單機負載重、管理煩瑣、維護效率低下等問題。[1]同時，在“新工科”[2]背景下，生物醫學工程專業（以下簡稱“生工專業”）作為筆者所在學校具有代表性的交叉性學科[3]，對學生信息化素養的培養更是加大力度，但由于受到有限的實驗教學時間和單機固定的實驗教學環境限制，傳統的單機管理模式已經不能更好地滿足生工專業的實驗教學和個性化學習需求。

近幾年，云桌面技術在高校得到廣泛應用[4-7]，其將物理資源映射為邏輯的虛擬資源，對計算機桌面環境進行虛擬化，使用戶在終端訪問云桌面時桌面與訪問單機環境的桌面一致。同時，云桌面技術具有資源集中管理、共享和虛擬桌面的快速部署[8-9]等特點，可提高桌面使用的安全性以及靈活性。

結合云桌面技術特點，針對當前傳統的單機管理模式在高校實驗教學中出現的問題，筆者所在學校的實驗室設計了一套基于云桌面技術的實驗教學平臺，既滿足了生工專業的醫工復合型人才的培養需求，又為計算機實驗室信息化建設開辟了有效途徑。

云桌面虛擬化架構

目前，云桌面系統中常見的桌面虛擬化架構有虛擬桌面基礎架構（VirtualDesktopinfrastructure，VDI）、虛擬操作系統基礎架構（VirtualOperatingsysteminfrastructure，VOI）、智能桌面虛擬化（IntelligentDesktopVirtualization，IDV）等。[10]VDI采用了集中存儲和集中計算的架構，可實現硬件資源的統一管理和彈性分配，且能夠高效利用硬件資源。[11]因為計算和管理都集中在服務器端，VDI的終端不運行計算軟件也不存儲數據，所以VDI對服務器端配置要求較高，但對終端配置要求低，同時，VDI可支持多終端硬件設備訪問云桌面。VOI采用服務器端集中存儲、終端分布式計算的架構。[12]VOI將計算功能遷移到終端，因此對客戶端的硬件配置要求較高，同時在使用云桌面系統時，需將鏡像下載到終端才可使用，所以虛擬桌面部署速度慢于VDI。IDV也是采用服務器端集中存儲、終端計算的架構[13-14]，但是相比于VOI架構，IDV需要在終端運行硬件虛擬化層和鏡像，對終端硬件性能要求更高。

基于以上三種云桌面架構的特性，首先，結合目前生工專業實驗教學的使用規模和計算量，考慮采用VDI，原因是不會造成服務器過載和網絡帶寬問題。其次，VDI云桌面系統可統一管理資源，快速部署云桌面，方便實驗室統一管理調配資源和云桌面的維護。最后，相比于VOI和IDV，VDI對終端資源占用少，終端配置要求低，可解決目前實驗室單機模式管理面臨的問題。因此，學校實驗室選擇采用基于VDI架構的云桌面系統。

云桌面系統設計

1.云桌面系統模型

云桌面系統采用VMware公司的VMwarevSphere和VMwareHorizon進行搭建。VMwarevSphere是虛擬化基礎架構[15]，VMwareHorizon是基于VDI的云桌面基礎架構，可實現在vSphere環境中，按需快速創建云桌面，并將云桌面安全交付給終端。[16]

云桌面系統模型分為四層（如圖1）。底層硬件資源將現有的硬件設備組成一個小型集群。在此基礎上搭建VMwarevSphere虛擬化基礎架構，在vSphere環境中部署VMwareHorizon云桌面。終端訪問平臺借助Horizon提供的客戶端輕量級軟件或支持HTML5的瀏覽器，將PC機、筆記本電腦、平板電腦等作為瘦客戶端遠程訪問云桌面。

2.云桌面系統構成

云桌面系統主要由ESXi系統、vCenterServer（中心服務器）、ConnectionServer（連接服務器）、ActiveDirectory域服務器（活動目錄域服務器）和若干云桌面構成。

ESXi系統和vCenterServer是VMwarevSphere虛擬化架構的兩個核心組件。ESXi系統虛擬化整個硬件系統，并在物理服務器上創建和管理虛擬機。ESXi系統可直接在裸機上安裝，生成ESXi主機。vCenterServer通過建立數據中心，統一管理資源池，將現有CPU、存儲、網絡，包括ESXi主機、虛擬機和所有虛擬化的資源等都遷移至數據中心，并通過vSphere管理端軟件vSphereclient監控整個vSphere的虛擬化環境。ConnectionServer是Horizon的重要組件之一，可將用戶請求的云桌面定向到對應的虛擬機上，同時借助ActiveDirectory域服務器對連接終端進行身份驗證，管理對遠程云桌面的訪問權限。

3.云桌面系統實施

計算機實驗室云桌面系統具體實施如上頁圖2所示。

實驗室將現有兩臺聯想服務器LenovoThinkSystemSR850、LenovoThinkSystemSR860和聯想ThinkSystemDE4000H磁盤陣列組成一個小型集群。磁盤陣列分別通過光纖通道（FiberChannel，FC）與兩臺服務器冗余鏈接，用作小型集群的共享存儲，用戶訪問的云桌面以虛擬機的形式分布在共享存儲上。整個小型集群作為云桌面系統的服務器端硬件資源。

在小型集群上安裝ESXi系統，生成兩臺ESXi主機，即ESXi01和ESXi02，將其規劃為云桌面系統的兩個計算節點，ESXi主機通過集中式共享存儲方式，將虛擬化資源存儲在磁盤陣列上。vSphere的核心組件vCenterServer以虛擬機形式部署在ESXi01主機上，部署大小選擇“小型”，“小型”規模的主機及虛擬機上限數量分別為100和1000臺，該規模足以滿足生工專業師生使用。通過vCenterServer新建虛擬機和虛擬機模板，利用Horizon的ConnectionServer的桌面池功能將虛擬機模板批量克隆生成若干虛擬機，并自動進行快速配置和部署。云桌面系統共安裝了4個虛擬機模板，2個用于實驗教學的Windows和Ubuntu虛擬機模板，每個模板中安裝實驗教學所需軟件。虛擬機配置為2個虛擬CPU資源，8GB內存，硬盤采用精簡置備，即根據使用情況彈性調節硬盤大小，最大到150GB。另外2個Windows和Ubuntu虛擬機模板用于個性化學習，依據申請人數可以隨時克隆生成虛擬機，虛擬機由學生自行安裝軟件，可滿足個性化學習需求。在虛擬機模板上需要安裝HorizonAgent代理服務，與Horizon客戶端程序一起實現云桌面監控、云打印以及本地USB設備連接等功能。在創建桌面池時，HorizonAgent代理服務可自動安裝到每一個由模板生成的虛擬機上。

整個云桌面系統采用Windows的ActiveDirectory域服務器（簡稱AD域服務器）管理，AD域服務器主要負責標識系統中的主機及虛擬機，同時存儲和驗證用戶信息。在AD域服務器上建立域2j402.vdi，并配置DHCP服務，可在生成的虛擬機上自動分配IP地址、子網掩碼、網關和DNS等網絡參數。在AD域服務器下創建USER組，設置50個用戶，分別用于驗證登錄云桌面系統訪問虛擬機的50個用戶。

實驗室管理員通過vSphereClient管理端遠程訪問vCenterServer服務，管理和監控整個vSphere運行環境。

在校園網內，用戶可采用Horizon客戶端軟件或者直接使用支持HTML5的瀏覽器訪問云桌面。

云桌面系統的網絡規劃及硬件配置具體如上頁表1所示。

4.終端接入方式

Horizon提供了兩種終端接入方式，即終端軟件HorizonClient和直接使用支持HTML5的瀏覽器訪問云桌面。HorizonClient可運行在不同的物理機平臺上，支持Windows、Linux、MacOS、Android和IOS等系統，Horizon一般會先將最新的功能在終端軟件上實現。如果沒有安裝終端軟件，可直接使用瀏覽器訪問云桌面。兩種接入方式均提供窗口或全屏幕訪問，全屏幕訪問可以做到本地機與云桌面無差別訪問；兩種接入方式同時支持VMwareBlastExtreme顯示協議，該協議具有優質的顯示效果和低帶寬占用，同時對CPU損耗低，延長了物理設備使用壽命。在兩種接入方式中，HorizonClient功能更全，操作更方便，但是需要安裝，瀏覽器接入方式訪問靈活，但是支持的功能有限。

以PC機安裝HorizonClient終端軟件為例，PC機首先設置DNS服務器地址為AD域服務器的IP地址172.31.238.114，本機IP地址選擇“自動獲得IP地址”，然后打開HorizonClient終端軟件，添加服務器，服務器名為“cs.2j402.vdi”，地址為“https：//cs.2j402.vdi/”，單擊已添加的服務器“cs.2j402.vdi”，輸入客戶端訪問的用戶名和密碼，登錄云桌面系統，選擇相應的云桌面登錄。Windows和Ubuntu云桌面如圖3所示。

云桌面系統應用

云桌面系統在2023—2024第一學期分別在21級和23級生工專業的計算機實驗教學中應用，表2列出了21級和23級生工專業師生使用云桌面進行實驗教學的課程、使用人數、上課周次以及在實驗室內外登錄云桌面的時長對比。

討論

從計算機實驗教學和個性化學習方面來看，云桌面系統的應用保證了實驗教學的正常進行，同時提供了靈活的訪問方式，除了在實驗室內借助終端軟件或瀏覽器訪問云桌面以外，還可以在校園網內使用瘦客戶端隨時隨地登錄云桌面。通過問卷調查顯示，91%的學生認為使用云桌面系統中的軟件比較流暢，78%的學生認為在校內使用瘦客戶端登錄云桌面系統十分便捷，97%的學生認為使用云桌面鞏固了課堂所學的計算機知識，64%學生認為云桌面的使用拓展了課外計算機相關知識，滿足了個性化學習需求，提升了個人信息化素養。從總體上看，有約89%的學生對云桌面系統的整體評價是滿意及非常滿意。

從實驗室管理方面來看，原有硬件系統維護需要管理員拆卸機箱進行部件更換。軟件系統維護主要以硬件還原卡為主，復制一套完整實驗教學環境時間較長，不能高效解決突發的單機故障。在云桌面系統投入使用后，只在實驗室單機環境中安裝了輕量級的客戶端軟件HorizonClient，降低了單機負載，減少了硬件故障發生，同時延長了終端硬件使用壽命。在原有單機管理模式下，實驗室管理員在巡檢時需檢查每一臺單機使用情況，在云桌面系統投入使用后，管理員可遠程監控云桌面狀態，當發現問題時，可在遠端及時對云桌面進行重置、重啟、開機或關機等操作，縮短了傳統單機管理模式下的巡檢時長，降低了解決單機故障的平均時長。具體實驗室使用云桌面系統前后的運維管理對比如表3所示。

從云桌面系統的安全性方面來看，由于云桌面系統采用VDI架構，數據在服務器端統一管理，因此服務器端的安全成為云桌面系統正常運轉的重點。vSphere提供了保障服務器端數據安全方法。vSphere集群服務（vSphereClusterServices，vCLS）可確保在vCenterServer變得不可用時，仍可維護在集群中運行的工作負載的資源和運行狀況，保證了系統的穩定性。同時，為了平衡負載，在集群上開啟vSphereDRS和vSphereHA兩個服務，其中vSphereDRS服務可監控系統負載情況，自動遷移主機上的虛擬機，用于平衡主機上的資源，防止過載。vSphereHA服務保證如果其中一臺ESXi主機出現故障，可自動將故障ESXi主機上的虛擬機遷移至集群中另一臺ESXi主機上。

結語

筆者將云桌面虛擬化技術應用到所在學校生物醫學工程專業的實驗教學中，改進了實驗室原有的單機管理模式，打破了實驗教學模式的時空限制，實現了快速部署，統一管理的實驗教學環境，有助于實驗教學與信息化建設深度融合，為生工專業構建了一個安全、高效、便利的計算機實驗教學和個性化學習的云桌面系統。云桌面系統的應用在培養高校復合型醫工人才的實驗教學模式改革上，以及在計算機實驗室的信息化建設上具有一定的借鑒價值。

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第一作者簡介：楊淼，實驗師，碩士，研究方向為計算機實驗室管理及計算機應用。通訊作者簡介：劉文艷，高級實驗師，碩士，研究方向為計算機實驗室管理及計算機應用。

基金項目：首都醫科大學教育教學改革項目“云桌面在生工專業計算機類系列課程教學實踐中的應用”（2023JYY058）。