焦飛，黃天文，杜堯東

（1.肇慶學(xué)院計(jì)算機(jī)中心，肇慶 526061；2.廣東省肇慶市氣象局，肇慶 526040；3.廣東省氣候中心，廣州 510080）

云模式多媒體教室自動(dòng)化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

焦飛1，黃天文2，杜堯東3

（1.肇慶學(xué)院計(jì)算機(jī)中心，肇慶 526061；2.廣東省肇慶市氣象局，肇慶 526040；3.廣東省氣候中心，廣州 510080）

針對(duì)學(xué)校多媒體教室管理中面臨的一系列問題，提出并開發(fā)一種基于云模式的多媒體教室自動(dòng)化管理系統(tǒng)。充分利用現(xiàn)有設(shè)備，在校園網(wǎng)的基礎(chǔ)上應(yīng)用桌面虛擬化技術(shù)，自主開發(fā)自動(dòng)化管理系統(tǒng)，并按階段應(yīng)用于實(shí)際工作。對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用效果進(jìn)行分析，其應(yīng)用和推廣能夠方便學(xué)校統(tǒng)一管理，提高管理員工作效率，節(jié)約大量的人力和財(cái)力。

云模式；虛擬化；自動(dòng)化；多媒體教室

0 引言

隨著高校教育信息化和數(shù)字化校園建設(shè)的不斷推進(jìn)，高等學(xué)校教育教學(xué)改革的不斷深入，多媒體已經(jīng)成為高等學(xué)校教學(xué)過程中的主要手段。多媒體教學(xué)在許多方面具有不可取代的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了許多傳統(tǒng)教學(xué)手段的不足，其地位日趨重要[1]。但隨著多媒體教室數(shù)量不斷增加、使用頻率的增加和復(fù)雜度的提升導(dǎo)致多媒體教室的管理壓力倍增。傳統(tǒng)采用分散的人工管理辦法，管理員疲以應(yīng)對(duì)，而不斷增加人力只會(huì)讓“精兵簡(jiǎn)政”陷入困境。加上多媒體設(shè)備逐漸折舊，新的設(shè)備數(shù)量不斷增加，Windows 7升級(jí)迫在眉睫，系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件安全漏洞層出不窮，眾多學(xué)校要發(fā)展，就要面臨巨大的資金壓力。

針對(duì)現(xiàn)存的問題，可從現(xiàn)代化技術(shù)手段入手，對(duì)多媒體教室管理模式進(jìn)行革新。利用現(xiàn)有的校園網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合虛擬化技術(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)一套經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的“云模式多媒體教室自動(dòng)化管理系統(tǒng)”具有很強(qiáng)的必要性。隨著高校數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程不斷地加快，基于云模式的VMware桌面虛擬化技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，陳慧芬等進(jìn)行了虛擬化云計(jì)算在高校多媒體教學(xué)中的應(yīng)用研究[2]，各種基于云模式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和訪問控制模型層出不窮[3]，加上數(shù)據(jù)庫管理、網(wǎng)絡(luò)通信和遠(yuǎn)程控制技術(shù)的不斷成熟，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是可行的。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

最新發(fā)展起來的云計(jì)算（Cloud Computing）模式是分布式計(jì)算(Distributed Computing)、并行計(jì)算(Parallel Computing)和網(wǎng)格計(jì)算(Grid Computing)的發(fā)展[4]，維基百科（Wikipedia.com）認(rèn)為，云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算方式，通過這種方式，共享的軟硬件資源和信息可以按需求提供給計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備。云計(jì)算的資源是動(dòng)態(tài)易擴(kuò)展而且虛擬化的，通過互聯(lián)網(wǎng)提供，終端用戶不需要了解“云”中基礎(chǔ)設(shè)施的細(xì)節(jié)，不必具有相應(yīng)的專業(yè)知識(shí)，也無需直接進(jìn)行控制，只關(guān)注自己真正需要什么樣的資源以及如何通過網(wǎng)絡(luò)來得到相應(yīng)的服務(wù)。

云計(jì)算具有分布式存儲(chǔ)和計(jì)算、用冗余方式提供可靠性、高層次的編程模型、高可用性、經(jīng)濟(jì)性、服務(wù)多樣性等特點(diǎn)。美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院（NIST）明確定義了云計(jì)算的三種服務(wù)模式：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）、軟件即服務(wù)（SaaS）。NIST還提出了四種不同的云部署方式：公用云（Public Cloud）、私有云（Private Cloud）、社區(qū)云（Community Cloud）、混合云（Hybrid Cloud）。

當(dāng)前中國的云計(jì)算的發(fā)展正進(jìn)入成長(zhǎng)期，預(yù)期在2015年之后，中國云計(jì)算產(chǎn)業(yè)將真正進(jìn)入成熟期，云計(jì)算服務(wù)模式將被廣大用戶接受。埃森哲2010年云計(jì)算研究報(bào)告給出，未來兩年內(nèi)更多的中國大企業(yè)將開始使用云計(jì)算[5]。云計(jì)算的高安全性在多媒體教室管理上有著實(shí)際意義。項(xiàng)國富等針對(duì)基于虛擬化安全監(jiān)控的相關(guān)工作進(jìn)行了研究，提出利用虛擬機(jī)管理器在單獨(dú)的虛擬機(jī)中部署安全工具，從而保證監(jiān)控工具的有效性和防攻擊性[6]。

VMware是在虛擬化方面市場(chǎng)的領(lǐng)先者，全球84%的虛擬化應(yīng)用都是應(yīng)用在VMware上的。目前，VMware View方案成功應(yīng)用于多所高校，預(yù)測(cè)將來會(huì)吸引更多的學(xué)校、機(jī)關(guān)、公司等單位逐步投資實(shí)施。其方案中的“瘦客戶端”（Thin Client），以下簡(jiǎn)稱瘦機(jī)，是一種體積小、功耗低的接入終端，提供輸入、輸出設(shè)備接口，提供與服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)通信功能。瘦機(jī)除了比購置計(jì)算機(jī)節(jié)約費(fèi)用，還具備設(shè)備輕巧、部署方便、統(tǒng)一配置、安全性高、集中管理、升級(jí)簡(jiǎn)單和綠色環(huán)保等特點(diǎn)。隨著高校改革、中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，從Windows XP向Windows 7遷移將是眾多學(xué)校和企業(yè)面臨的頭疼問題，同時(shí)也為云模式管理系統(tǒng)的研制和發(fā)展帶來機(jī)遇。

針對(duì)高校多媒體教室管理的需求，把VMware View虛擬化、自動(dòng)控制、視頻采集、語音聊天等技術(shù)綜合起來，利用計(jì)算機(jī)和瘦機(jī)的串口，通過現(xiàn)有中控來控制多媒體設(shè)備的系統(tǒng)目前并不多見。綜合借鑒前人的研究成果，嘗試加入自動(dòng)控制技術(shù)，2010年開始開發(fā)了自動(dòng)化管理系統(tǒng)。至今系統(tǒng)經(jīng)過不斷改進(jìn)，引入云計(jì)算的概念，采用虛擬化技術(shù)，充分利用了校園網(wǎng)資源，硬件的投入資金節(jié)約很多。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

云模式多媒體教室自動(dòng)化管理系統(tǒng)由云計(jì)算管理平臺(tái)、瘦客戶端和交換機(jī)構(gòu)成，利用校園網(wǎng)和學(xué)校目前使用的奕星YX3300中控，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和管理的目標(biāo)。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

云計(jì)算系統(tǒng)是整個(gè)體系架構(gòu)的服務(wù)端，通過云計(jì)算管理平臺(tái)生成多種虛擬機(jī)以滿足不同教師不同課程的虛擬機(jī)模板。每個(gè)教師擁有自己的帳號(hào)和密碼，如同擁有自己的“虛擬的筆記本電腦”，隨時(shí)隨地制作適合自己的虛擬機(jī)模板，減少了軟件沖突，減輕了多媒體教室管理員的軟件維護(hù)工作。各教室上課前系統(tǒng)通過虛擬機(jī)克隆或快照的方式快速將虛擬機(jī)模板部署到各個(gè)虛擬機(jī)，任課教師就能用瘦客戶端通過交換機(jī)連接到虛擬機(jī)。

系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可分為管理和控制兩大部分，結(jié)構(gòu)如圖1所示。管理部分主要是數(shù)據(jù)庫的管理，對(duì)用戶信息、課程表、設(shè)備參數(shù)和狀態(tài)等信息實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)最新的數(shù)據(jù)為遠(yuǎn)程自動(dòng)控制提供依據(jù)?？刂撇糠滞ㄟ^校園網(wǎng)，按預(yù)設(shè)的時(shí)間表和參數(shù)表對(duì)各個(gè)教室的瘦機(jī)發(fā)布指令和接收反饋信息。瘦機(jī)接收到指令后通過串口來控制中控，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制連接在中控的一系列多媒體設(shè)備的功能。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2.2 功能設(shè)計(jì)

根據(jù)學(xué)校多媒體教室管理工作的實(shí)際所需，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能按類別可以分成三大模塊：數(shù)據(jù)庫管理模塊、遠(yuǎn)程控制模塊和串口控制模塊。系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖

3 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

3.1 云模式應(yīng)用

在云模式中，私有云具備許多公用云環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，例如彈性、適合提供服務(wù)，兩者差別在于私有云服務(wù)中，數(shù)據(jù)與程序皆在組織內(nèi)管理，且與公用云服務(wù)不同，不會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)帶寬、安全疑慮、法規(guī)限制影響，數(shù)據(jù)、軟件不再存放在本地計(jì)算機(jī)中，而是通過網(wǎng)絡(luò)訪問云來獲得所需數(shù)據(jù)或軟件服務(wù)。因此，云計(jì)算是一種超級(jí)瘦客戶端模式。云計(jì)算將轉(zhuǎn)變數(shù)據(jù)中心資源使用的方式和管理模式，把原有數(shù)據(jù)中心孤島型系統(tǒng)，經(jīng)過虛擬化使得資源整合、降低綜合成本，最終達(dá)到私有云按需服務(wù)的目標(biāo)。本系統(tǒng)中，在服務(wù)器上安裝VMware WorkStation軟件。通過該軟件進(jìn)行虛擬機(jī)的創(chuàng)建，每臺(tái)虛擬機(jī)作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，建立虛擬化服務(wù)器集群，并完成虛擬機(jī)上操作系統(tǒng)(Windows XP和Windows 7等)的安裝[7]。

引入光交換的拓?fù)浞桨傅膬?yōu)勢(shì)在于依靠光交換網(wǎng)絡(luò)提供的高帶寬、網(wǎng)絡(luò)資源動(dòng)態(tài)配置等為上層應(yīng)用提供靈活的服務(wù)，而且有效地降低了組網(wǎng)的復(fù)雜度。OSA[8]的最大特點(diǎn)是利用光網(wǎng)絡(luò)配置靈活的特點(diǎn)，能夠根據(jù)實(shí)際需求動(dòng)態(tài)調(diào)整拓?fù)?，大大提高了?yīng)用的靈活性。一般高校已經(jīng)擁有光纖，云模式系統(tǒng)有著良好的網(wǎng)絡(luò)和軟硬件環(huán)境適應(yīng)性，當(dāng)然良好的效果又依賴優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。本系統(tǒng)中分布在各多媒體教室的瘦機(jī)，連接到校園網(wǎng)使用RG-S1908+可網(wǎng)管交換機(jī)，值班室使用RG-S2928G-E交換機(jī)，既便于管理維護(hù)，又充分利用了校園網(wǎng)光纖的優(yōu)勢(shì)，提高監(jiān)控質(zhì)量?？删W(wǎng)管交換機(jī)有簡(jiǎn)單實(shí)施網(wǎng)絡(luò)控制功能，允許客戶分配IP地址，為網(wǎng)段配置虛擬局域網(wǎng)(VLAN),通過IEEE802.1p標(biāo)記指定流量?jī)?yōu)先級(jí)，并通過Web界面監(jiān)控狀態(tài)。另外，瘦機(jī)出廠時(shí)要求內(nèi)含簡(jiǎn)單的操作系統(tǒng)，當(dāng)學(xué)校網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)仍能使用該操作系統(tǒng)上課，不會(huì)耽誤教學(xué)工作，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)要點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的選擇上，本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制模塊，包括屏幕監(jiān)控、發(fā)送控制指令和聊天室等功能，采用了TCP和UDP混合協(xié)議。不采用單一的協(xié)議是因?yàn)椋篢CP協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸可靠，但它是面向連接的，連接雙方建立連接（或斷開）時(shí)需經(jīng)過三次握手，較為耗時(shí)；而UDP用戶報(bào)文協(xié)議是面向無連接的，發(fā)出數(shù)據(jù)不需對(duì)方確認(rèn)，這樣速度比TCP快，但數(shù)據(jù)有可能丟失，因此它不可靠。遠(yuǎn)程控制中對(duì)被控端實(shí)現(xiàn)的關(guān)機(jī)、重啟、注銷、計(jì)算機(jī)IP地址獲取等功能需要被控端及時(shí)反應(yīng)，且發(fā)送這些命令的消息占用的字節(jié)較少，在傳輸距離不算太長(zhǎng)，信號(hào)衰減較弱的情況下，考慮使用UDP協(xié)議來進(jìn)行控制端與被控端之間的通信[9]。

3.3 定時(shí)開機(jī)功能

定時(shí)執(zhí)行任務(wù)模塊實(shí)現(xiàn)每天定時(shí)運(yùn)行程序，采用Windows自帶的定時(shí)任務(wù)，之后每分鐘檢測(cè)采用C#的Timer控件，從性能和節(jié)約資源方面，都是合理的解決方案。定時(shí)任務(wù)即利用服務(wù)器端智能模塊讀取課程表和“校園一卡通”數(shù)據(jù)庫，利用云模式的虛擬化技術(shù)向瘦機(jī)發(fā)送指令。在網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)瘦機(jī)處于關(guān)機(jī)狀態(tài)時(shí)，惟一能識(shí)別其身份的只有其所帶網(wǎng)卡的物理地址，即媒體訪問控制(MAC)地址。可以從本地計(jì)算機(jī)向網(wǎng)絡(luò)中需要開機(jī)的瘦機(jī)發(fā)送一個(gè)基于MAGICPACKET標(biāo)準(zhǔn)的喚醒數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包中含有欲被喚醒電腦所帶網(wǎng)卡的物理地址[10]。

4 初步試驗(yàn)效果及系統(tǒng)改進(jìn)要點(diǎn)

系統(tǒng)初步開發(fā)期間，在本校第二教學(xué)樓68間多媒體教室投入使用。系統(tǒng)的開發(fā)以軟件為主，購入的硬件成本比過去節(jié)約很多。通過對(duì)2011年11月～2014年6月期間，改造前、后設(shè)備購置、維修、維護(hù)和用工數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的開發(fā)和推廣成本較低，而帶來的經(jīng)濟(jì)效益顯著。

應(yīng)用該系統(tǒng)，減少了網(wǎng)絡(luò)中控、網(wǎng)絡(luò)模塊等硬件的購入成本。2012年改造第二教學(xué)樓預(yù)算時(shí)，參考其他高校方案，平均每間改造費(fèi)用需3.4萬元，而實(shí)際改造時(shí)決定使用自主開發(fā)的系統(tǒng)，平均每間節(jié)省1萬元。如果減去實(shí)驗(yàn)研究占用的費(fèi)用，加上今后更多新建教室改造帶來的規(guī)模優(yōu)勢(shì)，將來使用該系統(tǒng)建設(shè)與改造費(fèi)用可減少為平均每間教室5000元左右。

應(yīng)用該系統(tǒng)，每年的維修費(fèi)用也比過去同期減少了38.8%。例如，第二教學(xué)樓沒使用該系統(tǒng)時(shí)的一個(gè)學(xué)年（2012年6月～2013年8月）多媒體設(shè)備維修費(fèi)用為245520元，而使用系統(tǒng)后的一個(gè)學(xué)年（2013年6月～2014年8月），維修費(fèi)用降為149998元。維修費(fèi)用能夠得到節(jié)約，其中一個(gè)重要原因就是通過校園網(wǎng)統(tǒng)一自動(dòng)化管理，減少設(shè)備空閑時(shí)間的損耗和上課教師的誤操作造成的損失，從而降低了投影機(jī)燈泡等昂貴設(shè)備配件的維修幾率。

應(yīng)用該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化管理，管理員數(shù)量也比過去得到節(jié)約。例如，過去多媒體教室分布在第一、第二、第三教學(xué)樓，多媒體管理員為14人，平均每棟樓用4.7人；2014年增加了第四和第五教學(xué)樓后，初步使用該系統(tǒng)進(jìn)行一期改造，管理員人數(shù)為16人，平均每棟樓3.2人。預(yù)計(jì)全面改造完成后，可以實(shí)現(xiàn)“一個(gè)人管理一棟樓”的目標(biāo)。

2014年6月，自主開發(fā)的系統(tǒng)經(jīng)過改進(jìn)，增加高清攝像頭并引入VMware View虛擬化桌面技術(shù)，應(yīng)用于第四和第五教學(xué)樓，建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)比廣東某高校的“非云模式”建設(shè)方案所用經(jīng)費(fèi)節(jié)約了28%。目前學(xué)校繼續(xù)投入經(jīng)費(fèi)300多萬，計(jì)劃在第一教學(xué)樓建設(shè)81間多媒體教室，以便將來作為其他四棟教學(xué)樓改造的模版。

5 結(jié)語

云模式的系統(tǒng)具有快速部署，統(tǒng)一管理的優(yōu)勢(shì)，云模式與高校多媒體教室建設(shè)的結(jié)合，可以有效整合高校教學(xué)資源，提高資源的利用率。云模式多媒體教室自動(dòng)化管理系統(tǒng)的研制和實(shí)現(xiàn)，初步取得一定成效：減少遷移成本；減少應(yīng)用程序不兼容問題；延長(zhǎng)現(xiàn)有桌面軟件的使用期限；通過集中管理桌面應(yīng)用程序和用戶降低成本；集中控制敏感數(shù)據(jù)；簡(jiǎn)化桌面和應(yīng)用程序部署；和校園一卡通服務(wù)銜接，結(jié)合學(xué)校教務(wù)處課程表數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)教學(xué)規(guī)范化管理。系統(tǒng)既降低了多媒體教室的購置、維修成本，又實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制，大大減輕了管理員的工作量，節(jié)約了人力資源。

[1] 劉鋼.淺談高校多媒體教學(xué)存在的問題與措施[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2014，(30)：19～21

[2] 陳慧芬，彭玲.虛擬化云計(jì)算在高校多媒體教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2013(5)：51～58

[3] 韓海雯，齊德昱，封斌.基于云計(jì)算的廣域級(jí)視頻監(jiān)控綜合業(yè)務(wù)平臺(tái)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2013，34(5)：1657～1662

[4] 陳全，鄧倩妮.云計(jì)算及其關(guān)鍵技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009，29（9）：2562～2567

[5] 房秉毅，張?jiān)朴碌?云計(jì)算國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].電信科學(xué)，2010，(S1)：1～5

[6] 項(xiàng)國富，金海等.基于虛擬化的安全監(jiān)控[J].軟件學(xué)報(bào)，2012，23(8)：2173～2187

[7] 伍燕青.基于云計(jì)算的實(shí)驗(yàn)室管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32(8)：291～296

[8] 李丹，陳貴海等.數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展與趨勢(shì)[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2014，37(2)：259～274

[9] 劉佳，鄭華等.基于TCP和UDP混合協(xié)議的遠(yuǎn)程控制軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦應(yīng)用與軟件，2010，27(3)：127～130

[10] 黃天強(qiáng)，徐洪智等.基于網(wǎng)絡(luò)的電腦遠(yuǎn)程控制技術(shù)的機(jī)制與實(shí)現(xiàn)[J].懷化學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，28(5)：73～75

Design and Implementation of Automatic Management System for Multimedia Classroom Based on Cloud Model

JIAO Fei1，HUANG Tian-wen2，DU Yao-dong3
(1.Computer Centre,Zhaoqing University,Zhaoqing 526061；2.Zhaoqing Meteorological Bureau,Zhaoqing 526040；3.Climatic Center of Guangdong Province,Guangzhou 510080）

Aiming at the series of problems in management of school multimedia classroom,develops an automatic management system for multimedia classroom based on cloud model.It makes full use of the existing equipment and uses desktop virtualization technology based on the campus network.Its software is developed independently.Applies the system to practical work according to the stage.Analyses the effect of system application.With the diffusion and application of the system,it will facilitate the school management and improve the work efficiency of administrators.It also can save a lot of human and financial resources.

Cloud Model;Virtualization;Automatic;Multimedia Classroom

1007-1423（2015）04-0066-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.04.018

焦飛（1980-），男，河南虞城人，碩士，講師/實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)挖掘、軟件工程

黃天文（1975-），女，廣東臺(tái)山，本科，高級(jí)工程師、高級(jí)程序員，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)及其應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)管理

2014-12-16

2015-01-06

杜堯東（1964-），男，河南許昌，博士，研究員，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)與生態(tài)氣象