郭志華++鄭舟杰++吳湘洪

摘 要：基于云技術(shù)的虛擬化教學系統(tǒng)是基于云技術(shù)的虛擬化技術(shù)實現(xiàn)教學系統(tǒng)的虛擬化，將原有傳統(tǒng)的相互獨立的實訓室物理計算機桌面系統(tǒng)用云桌面來替代，在滿足教學需求的同時實現(xiàn)桌面終端和應用環(huán)境的集中控制和管理，解決計算機教學中多系統(tǒng)、多應用帶來的困擾問題。本文主要研究虛擬化教學系統(tǒng)的搭建，包括整體架構(gòu)、前后端、軟硬件及網(wǎng)絡設(shè)計，實現(xiàn)了可按教師、專業(yè)、班級、語言、分組、座位、學生、考試或者根據(jù)實驗需要，任意切換的個性化教學環(huán)境。

關(guān)鍵詞：云計算 云技術(shù) 虛擬化 虛擬桌面教學系統(tǒng)

課 題：本文系廣東省人社廳2015年廣東省技工教育和職業(yè)培訓省級教學研究課題《基于云技術(shù)的虛擬化教學系統(tǒng)搭建應用研究》（課題編號KT201501）研究成果。

隨著校園信息化的不斷普及和推廣，各院校利用電子教室進行教學、學習的課程越來越多，但因建設(shè)局限和使用需求的發(fā)展，傳統(tǒng)IT架構(gòu)下的PC已經(jīng)不能滿足實訓室對IT系統(tǒng)的要求。桌面云改變了傳統(tǒng)的工作環(huán)境和信息系統(tǒng)部署方式，實現(xiàn)了對原本分散的眾多用戶桌面環(huán)境與數(shù)據(jù)的集中管理，使升級維護更高效、數(shù)據(jù)使用更安全、接入更靈活、業(yè)務處理能力更強、系統(tǒng)可靠性更高。

一、傳統(tǒng)教學系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

學校現(xiàn)有的計算機實訓室桌面系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)PC方式，需要在每臺PC上安裝業(yè)務所需的軟件程序及客戶端，在系統(tǒng)功能、安全、使用率等方面存在較多問題。

1.資源管理難

重要的數(shù)據(jù)分散在各PC上，不能方便地進行集中存儲及備份。學生的隨堂作業(yè)與教師的授課資源沒有得到很好的規(guī)劃，導致課時內(nèi)教學效率不高。

2.安全隱患多

由于PC機的安全漏洞較多，客戶端安全隱患增加，一旦學生上課操作不規(guī)范，容易導致電腦中毒，從而影響整個教室及整個學校網(wǎng)絡的穩(wěn)定。信息中心統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，很多攻擊是源自內(nèi)部的攻擊。

3.維護管理成本高

現(xiàn)有的計算機實訓室一旦出現(xiàn)軟硬件故障，只能被動地等待技術(shù)人員來修復。由于計算機實訓室數(shù)量多，分布廣，維護人員不足而導致了維護響應能力的不足，帶來工作效率低下的問題，嚴重影響教師教學進度。因此，桌面終端的維護成本也不斷上升，維護人員不僅要對PC機進行硬件維護，還要對操作系統(tǒng)環(huán)境、應用的安裝配置和更新進行桌面管理和維護。

4.課堂控制難

老舊計算機實訓室為了控制學生的上課行為，使用了各種手段進行控制，包括封USB口等極端的手段，然而效果并不理想。

因此，簡化客戶端環(huán)境，實施集中化部署、管理和運行維護，實施桌面虛擬化教學系統(tǒng)是有效解決當前學校計算機實訓室管理維護問題的辦法。

二、虛擬化教學系統(tǒng)建設(shè)需求分析

本次研究主要針對滿足復雜教學環(huán)境及職業(yè)考試上機操作使用。

一是滿足包括辦公軟件，網(wǎng)絡管理軟件、網(wǎng)絡開發(fā)軟件以及其他一些非圖形化設(shè)計及渲染、影視剪輯等的教學應用。

二是完成基于“對象管理”的、強大且理念先進的專用軟件平臺設(shè)計，實現(xiàn)與學籍管理系統(tǒng)等多個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享。學生從進校就擁有自己獨立的系統(tǒng)空間，在任意機房只需用學號登記，即可享用專屬空間，直至畢業(yè)。

三是在面臨各種認證考試、職業(yè)考試需要不同版本的操作系統(tǒng)以及應用軟件等復雜業(yè)務場景里，能完成便捷、快速的專業(yè)要求部署。

三、虛擬化教學系統(tǒng)設(shè)計

1.系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

虛擬化教學系統(tǒng)主要由三個部分組成，前端就是用戶終端，包括通常的顯示器、鼠標鍵盤以及虛擬化專用的瘦終端；中間是傳輸部分，即網(wǎng)絡系統(tǒng)；后端是服務端，包括計算資源、存儲資源、備份資源等。其架構(gòu)示意圖如下。

2.虛擬化教學系統(tǒng)后端設(shè)計

虛擬化目前有幾種主流的應用架構(gòu)，機架式服務器+共享存儲，機架式服務器做虛擬化存儲；刀片服務器+共享存儲，刀片服務器做虛擬化存儲。但單純從硬件角度，其實就是兩種，即共享存儲架構(gòu)和虛擬存儲架構(gòu)。

共享存儲架構(gòu)是服務器配搭傳統(tǒng)的存儲陣列來實現(xiàn)虛擬化。服務器通過虛擬化成為計算資源池（包括CPU資源池、內(nèi)存資源池、網(wǎng)絡資源池），存儲陣列作為物理的存儲資源池。服務器與存儲之間通過光纖交換網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)通讀，并通過虛擬化平臺的劃分管理，實現(xiàn)虛擬化的目標。

共享存儲的架構(gòu)，服務器、存儲、光纖交換機都最少需要兩臺以上才能有效保證滿足需求，投入成本相對較高。虛擬存儲的架構(gòu)則可以將多臺服務器的本次磁盤單獨抽出來形成虛擬存儲使用，并可以實現(xiàn)雙副本甚至多副本的數(shù)據(jù)備份。如果服務器本地硬盤數(shù)量及容量可以滿足實際需求，則整個架構(gòu)的性價比會更高。考慮到服務器數(shù)量以及能耗，本文后端系統(tǒng)架構(gòu)將采用基于刀片服務器的虛擬存儲的整體架構(gòu)。

3.后端硬件平臺設(shè)計

作為現(xiàn)代化的教學系統(tǒng)，其穩(wěn)定性及性能必須是首要保證的。因此，硬件平臺設(shè)計要選擇穩(wěn)定可靠的硬件平臺。通過多次硬件平臺的架構(gòu)及性能測試對比，思科公司的UCS（統(tǒng)一計算系統(tǒng)）比傳統(tǒng)簡單整合的刀片服務器更具備優(yōu)勢。

統(tǒng)一計算系統(tǒng)是一種新的計算模式，在一個緊密結(jié)合的系統(tǒng)中整合了計算、網(wǎng)絡、存儲接入與虛擬化功能，降低總體擁有成本的同時提高業(yè)務靈活性。該系統(tǒng)具有一個單一的系統(tǒng)整合、統(tǒng)一的管理模式、高效的擴展和低成本等特點。

將交換資源集中在一起，通過消除刀片機箱內(nèi)部的交換，減少了網(wǎng)絡接入層分段。該架構(gòu)采用了統(tǒng)一以太網(wǎng)交換陣列，在一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡基礎(chǔ)設(shè)施上傳輸局域網(wǎng)、存儲和高性能計算流量。該方法能夠整合或完全消除多個服務器適配器、機箱多個異構(gòu)網(wǎng)絡交換機、線纜及其他支外圍基礎(chǔ)設(shè)施。

4.后端軟件平臺設(shè)計endprint

虛擬化教學系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分就是虛擬化軟件平臺。由于硬件平臺設(shè)計使用的是基于虛擬存儲的硬件架構(gòu)，因此，在軟件平臺上，也必須有虛擬存儲功能的支持才能滿足實際需求。

經(jīng)過對多個虛擬化平臺的測試與功能了解、功能聯(lián)系、定制開方等方面的調(diào)研，綜合功能、性能、價格等方面因素，本文選用深信服VMP4.8系統(tǒng)的桌面虛擬化軟件平臺。該平臺除了當前的軟件功能外，還能為學校提供配套的結(jié)合學校實際情況進行適當?shù)亩ㄖ品?，從而實現(xiàn)虛擬化教學系統(tǒng)及智慧校園建設(shè)規(guī)劃的功能需求。

5.虛擬化教學系統(tǒng)網(wǎng)絡傳輸設(shè)計

在傳輸網(wǎng)絡方面，后端UCS平臺通過交換矩陣與核心交換機進行萬兆互聯(lián)實現(xiàn)網(wǎng)絡通訊。服務器內(nèi)部網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換自成體系，不參與學校原網(wǎng)絡系統(tǒng)，只有服務數(shù)據(jù)才會與原有的網(wǎng)絡系統(tǒng)進行交換。原有網(wǎng)絡系統(tǒng)中，核心交換機與匯聚交換機通過萬兆互聯(lián)，匯聚交換機到每間云實訓室的接入交換機，通過兩條雙絞線鏈路實現(xiàn)聚合互聯(lián)。接入交換機通過百兆網(wǎng)絡與云實訓室虛擬化教學系統(tǒng)的前端設(shè)備互連。

6.虛擬化教學系統(tǒng)前端設(shè)計

前端硬件平臺包括瘦終端、顯示器和鼠標鍵盤這三樣。其中，瘦終端為實現(xiàn)批量管理、配置功能，并結(jié)合虛擬化軟件平臺實現(xiàn)特定功能，采用深信服aDesk瘦終端設(shè)備。該設(shè)備使用12 V供電，支持1080 P高清輸出，具有6個USB接口及音頻出接口，1個千兆網(wǎng)絡接口，完全滿足常規(guī)教學需求。顯示器支持1080 P高清分辨率，同樣使用12 V供電的顯示器。

前端瘦終端通過DHCP自動分配IP地址，并連接到VDC數(shù)據(jù)中心后，可以獲取到相關(guān)的桌面資源。

四、虛擬化教學系統(tǒng)的效益分析

使用虛擬化來支持桌面工作負荷，提升了IT管理效率、降低設(shè)備及管理成本、功能更加完善高效。

第一，客戶端的利用。因為桌面虛擬化環(huán)境的邊緣很少發(fā)生計算執(zhí)行過程，所以計算體系結(jié)構(gòu)對終端設(shè)備處理能力的依賴性降低。這使得終端硬件成本可以大幅降低，且瘦客戶端設(shè)備的生命周期通常是標準 PC 的兩倍。

第二，與學校網(wǎng)絡及管理系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)統(tǒng)一單點認證和動態(tài)的安全準入管理，保證接入桌面云的設(shè)備和用戶安全，默認設(shè)置訪問學校內(nèi)網(wǎng)，通過對學校網(wǎng)絡安全設(shè)備策略設(shè)定結(jié)合單點登錄實現(xiàn)一次登錄即可訪問桌面、網(wǎng)盤以及策略指定的互聯(lián)網(wǎng)，提高了虛擬桌面系統(tǒng)的安全防護水平及學生課堂行為的規(guī)范。

第三，改進數(shù)據(jù)安全性。由于能夠?qū)?shù)據(jù)從IT環(huán)境的邊緣（傳統(tǒng)的PC硬盤）移到數(shù)據(jù)中心（服務器）內(nèi)，從本質(zhì)上降低了管理部門在計算機實訓室的維護中所面臨的安全風險。數(shù)據(jù)訪問集中化能夠緩解數(shù)據(jù)丟失、破壞的風險并簡化合規(guī)性工作程序。

第四，簡化數(shù)據(jù)備份。集中化虛擬桌面完全駐留在數(shù)據(jù)中心內(nèi)，所以更容易確保完全遵守備份策略。而且，使用合并的映像和增量存儲文件可以進一步簡化重要數(shù)據(jù)的提取和收集，從而簡化備份流程。

第五，簡化問題恢復。維護人員能夠快速輕松地將虛擬桌面還原到上次所知良好的狀態(tài)，虛擬機大大簡化了問題恢復工作。

第六，縮短部署時間及變更時間。當在桌面虛擬化體系結(jié)構(gòu)中使用瘦客戶端時，由于不需要在終端設(shè)備上安裝任何內(nèi)容，因此圍繞部署的流程明顯得到簡化。無論是增加應用程序，還是更改某項配置，只需要在母盤鏡像做出修改，統(tǒng)一發(fā)布即可，無須再逐個安裝修改。

總體來看，基于桌面虛擬化技術(shù)的教學系統(tǒng)設(shè)計使得學校對資源的利用更加高效、管理手段靈活、數(shù)據(jù)中心更加智能和強壯，桌面安全靈活。有利于進一步推進了學校信息化建設(shè)，為學校智慧校園的建設(shè)打下堅實的基礎(chǔ)。endprint