馬文杰

（連云港師范高等?？茖W校信息中心，江蘇連云港 222006）

近年來，信息技術飛速發(fā)展，特別是隨著云計算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等技術的普及運用，各類熱點技術層出不窮。技術的進步為高校人才培養(yǎng)提供了有力支持，也提出了更高的要求。計算機實驗室作為高校信息技術類課程的實驗實訓陣地，承擔著學生計算機課程學習與實驗教學任務。面對各類紛繁復雜的實驗環(huán)境和迅速擴大的學生規(guī)模，傳統(tǒng)的計算機實驗室管理模式已經(jīng)無法滿足實驗教學的需要[1]。云桌面技術作為云計算技術中的一個重要應用，通過對各類硬件資源的虛擬化，提供集中管理和部署的虛擬化桌面，可以構(gòu)建高校新型計算機實驗室。

一、傳統(tǒng)高校計算機實驗室存在的問題

高校計算機實驗室除了承擔計算機公共課教學、專業(yè)課教學等常規(guī)教學任務，還經(jīng)常承擔專業(yè)技能培訓、比賽和考試等工作。隨著高校辦學規(guī)模的擴大，計算機實驗室的任務越來越重，業(yè)務也更加復雜，傳統(tǒng)的建設和管理模式在建設成本、管理效率、數(shù)據(jù)安全等方面的不足日益凸顯。

（一）教學環(huán)境部署困難

隨著計算機課程類別的增多，高校計算機實驗室需要頻繁進行教學軟件環(huán)境的部署、升級和切換，在桌面部署和系統(tǒng)更新方面占用了管理人員大量的時間和精力，甚至還會因為實驗環(huán)境無法及時滿足需求而影響正常的教學工作。

（二）故障率高，維護難度大

計算機實驗室的PC 屬于公用設備，學生在使用過程中往往會不經(jīng)意損壞實驗室的某些終端系統(tǒng)，造成設備故障。同時，PC 運行時間久了也會逐漸老化，運行速度變慢，不僅影響教學效果，而且導致實驗室設備維護工作量劇增。

（三）設備利用率差，投入成本高

據(jù)統(tǒng)計，高校計算機實驗室PC 整體性能的平均利用率不到15%，不僅存在資源嚴重浪費的現(xiàn)象，而且導致運行成本居高不下。此外，當設備老化或者教學需求發(fā)生變化時，計算機實驗室就必須全部更換所有PC，大大增加了教育資源的投入成本。據(jù)統(tǒng)計，傳統(tǒng)計算機實驗室需要投入大量資金用于獨立計算機的購置，而且每隔3—5 年就要對性能落后的計算機進行升級或淘汰。此外，傳統(tǒng)的計算機噪音干擾和機體輻射較為嚴重，平均每臺功耗為200 W，用電成本高。

（四）桌面可控性差，數(shù)據(jù)安全無法保障

傳統(tǒng)PC 無法實施任何管控措施，學生在課上偷偷打游戲或看視頻，教師無法及時管控，既影響課堂秩序又影響教學效果。同時，學生隨意使用U 盤、移動硬盤等設備，使得PC 感染病毒的幾率增大，PC 一旦中毒就會導致實驗室主機癱瘓，數(shù)據(jù)丟失，給實驗室管理帶來很大的風險。

二、云桌面技術的應用優(yōu)勢

云桌面技術是虛擬化技術的具體運用，其核心是運用虛擬化技術對原有的物理設備進行處理，使終端桌面在服務器上運行，實現(xiàn)了桌面的虛擬化。用戶通過在各類終端（傳統(tǒng)電腦、瘦客戶端、移動終端）上運行的遠程顯示協(xié)議與服務器進行連接，可以像訪問本地安裝的桌面一樣訪問運行在服務器上的桌面，從而實現(xiàn)了桌面的集中化部署和管理。

云桌面技術為高校計算機實驗室提供了一種更加高效的管理模式。管理人員通過在服務器端進行配置，就能對計算機實驗室所有PC 進行統(tǒng)一管理，并能對資源進行按需分配。云桌面技術最突出的特點就是“輕前端，重后臺”，即管理人員在資源配置管理時，可對用戶桌面進行統(tǒng)一維護和管理，縮短設備維護時間，減少維護工作量，由后臺服務器負責完成全部數(shù)據(jù)處理，同時還可以增強系統(tǒng)的安全性[2]。

目前主流云桌面應用較多的是虛擬化技術VDI（Virtual Desktop Infrastructure）[3]。VDI 是虛擬桌面基礎架構(gòu)，也稱集中運算式架構(gòu)，是一種集管理、云端計算、云端存儲于一體的技術架構(gòu)。VDI 依照“集中計算，分布顯示”的原則，將所有客戶端桌面運行在后臺服務器上，用戶使用運行VDI 客戶端程序的各類終端進行訪問。VDI 架構(gòu)應用于高校計算機實驗室存在多種優(yōu)勢。

（一）終端桌面集中管理，教學環(huán)境快速部署

VDI 采用集中計算的運行模式，所有的桌面都運行在服務器端，桌面管理集中在后端的數(shù)據(jù)中心，實驗室管理員、教師或技術人員在后臺即可對桌面鏡像和相關應用程序進行管理和維護。實驗室管理人員可以制定不同的課程模板，方便不同年級學生使用；還可以實現(xiàn)不同場景自由選擇，建構(gòu)更彈性、更靈活的教學模式。當學校辦學規(guī)模擴大和教學課程變更時，實驗室管理人員可通過快速集中桌面部署來實現(xiàn)教學環(huán)境的變更和維護，這不僅能節(jié)省時間，而且能降低管理成本。此外，集中的桌面管理還可以對學生權(quán)限進行統(tǒng)一管控，有利于教師管理課堂紀律，保證教學質(zhì)量。

（二）數(shù)據(jù)集中存儲，安全保障系數(shù)高

在VDI 框架下，所有終端桌面產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都集中存儲在服務器上，即便終端發(fā)生故障，各終端桌面的數(shù)據(jù)也不會丟失。管理員在數(shù)據(jù)中心對桌面和應用進行集中維護，使得普通用戶數(shù)據(jù)也可以獲得高級別的數(shù)據(jù)安全保障。一句話，采用VDI 架構(gòu)的云桌面，可以確保整個實驗室系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

（三）瘦客戶端終端設計，降低故障率

VDI 框架下的用戶終端可以采用瘦客戶端設備。瘦客戶端提倡并重視精簡化設計，僅需提供鼠標、鍵盤和顯示器等外接設備，用戶就可以進行基本的輸入、輸出，獲得顯示結(jié)果。采用精簡設計的瘦客戶端設備，硬件故障率低，無需進行本地資源維護和管理，能夠減少計算機實驗室管理工作量。

（四）軟硬件資源虛擬化，實現(xiàn)資源共享

VDI 架構(gòu)的核心是服務器端，服務器通過對各類軟硬件資源的虛擬化，提供虛擬的桌面系統(tǒng)。由于采用集中計算模式，整套計算機實驗室系統(tǒng)除了終端輸入、輸出設備，其他資源全部集中在后端服務器上。后端服務器通過虛擬化技術按需分配和動態(tài)調(diào)整相關內(nèi)容資源，有效地實現(xiàn)了資源共享和負載均衡，避免了資源浪費與設備性能不足導致的矛盾。

（五）綠色環(huán)保，降低運營成本

在VDI 架構(gòu)中，終端平臺無需使用傳統(tǒng)的PC，降低了能源消耗和建設成本；桌面的運行與終端平臺無關，所以終端性能不需要追隨操作系統(tǒng)與應用的改變而不斷升級，減少了資金投入；虛擬化技術的應用，可以讓現(xiàn)有資源得到最大化的利用?？傮w來說，綠色環(huán)保的VDI 云桌面可以降低總成本。

三、高校計算機實驗室VDI 架構(gòu)的規(guī)劃布局

（一）需求分析

以高職院校L 校為例。該校計算機實驗室主要承擔計算機類課程的實驗教學和各類上機考試任務，現(xiàn)有60 機位實驗室6 間，總機位數(shù)360 個。計算機實驗室桌面部署的應用主要有Office、數(shù)據(jù)庫軟件和其他各類編程軟件等。計算機實驗室原有終端采用傳統(tǒng)PC 機的模式，主機使用還原卡技術進行數(shù)據(jù)保護。在現(xiàn)有模式下，管理人員需要耗費大量精力和時間進行相關業(yè)務軟件的升級和系統(tǒng)更新。特別是一些高級別的機上考試任務，一般需要準備純凈的考試環(huán)境，安裝與維護任務繁重。如果使用集中部署的VDI 云桌面技術對原有實驗室進行改造，能有效破解當前的管理難題。

（二）總體方案

云桌面系統(tǒng)的部署根據(jù)校園網(wǎng)建設的條件不同，可以分為集中部署和獨立部署兩種。集中部署是指將云桌面服務器集中部署在數(shù)據(jù)中心，所有計算機實驗室都從數(shù)據(jù)中心獲取桌面。獨立部署是指將云桌面服務器獨立部署在計算機實驗室供各個終端使用。從技術先進性、維護便攜性和資源共享性等方面考慮，L 校的VDI 架構(gòu)最好采用集中部署模式，其物理架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 VDI 云桌面物理架構(gòu)

由圖1 可見，基于VDI 的云桌面系統(tǒng)由VDI 集群、云終端和網(wǎng)絡系統(tǒng)三部分組成，三個層面緊密結(jié)合，為計算機實驗室用戶提供安全、可靠的教學環(huán)境。VDI 集群是承載云桌面系統(tǒng)的核心服務器集群。VDI集群通過虛擬化技術（服務器虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡虛擬化和顯卡虛擬化）實現(xiàn)各類硬件資源的底層虛擬化，并按需要將虛擬資源分配給特定桌面，支持動態(tài)的資源調(diào)整和負載均衡，實現(xiàn)教學環(huán)境、計算、存儲、配置策略的統(tǒng)一管理和快速交付。云終端是用戶輸入輸出設備，為了降低硬件故障率并實現(xiàn)設備的穩(wěn)定運行，可以采用一體化設計的瘦客戶端。網(wǎng)絡系統(tǒng)為VDI 云桌面提供高速、穩(wěn)定的傳輸網(wǎng)絡，滿足遠程顯示協(xié)議的通訊需求。

（三）具體設計

1.VDI 集群設計

為了向各計算機實驗室提供云桌面服務，VDI 集群需要配置能夠滿足所有實驗室用戶桌面使用需求的硬件資源。終端可以分為普通桌面和高性能桌面。L 校根據(jù)計算機實驗室功能與用途的不同，配備普通桌面實驗室4 間，高性能桌面實驗室2 間。為了滿足桌面性能的需要，VDI 集群需要詳細規(guī)劃各類硬件資源。

云桌面采用鏈接克隆技術由虛擬機模板批量生成，使用過程中產(chǎn)生的增量數(shù)據(jù)存儲在VDI 集群的企業(yè)級SSD 上，因此IOPS 不會有瓶頸，在選擇SSD時只需考慮容量。根據(jù)對L 校教學內(nèi)容復雜度的調(diào)研，該校VDI 集群分配給增量數(shù)據(jù)和虛擬機模板的存儲容量比分別是60%和40%，規(guī)劃每個云桌面分配5 GB 增量盤，每個桌面分配5 GB 作業(yè)空間，每個教師分配10 GB 個人空間。這些數(shù)據(jù)的讀取和保存對IOPS 的要求不高，因此可以保存在企業(yè)級HDD上。CPU、內(nèi)存、SSD、HDD 的容量計算方法見表1。

表1 硬件資源計算方法

（1）CPU 核心數(shù)。L 校計算機實驗室設240 個普通桌面，每個桌面分配1 個VCPU；120 個高性能桌面，每個桌面分配2 個VCPU。該校共有6 間計算機實驗室，每間實驗室按1 個物理核虛擬3 個虛擬核的推薦值，虛擬化比例就是1∶3。此外，要空出兩個物理核作為管理資源。根據(jù)表1 計算CPU 的方法，需要的CPU 核心數(shù)為172 個。

（2）內(nèi)存容量。240 個普通桌面，每個云桌面分配2 GB 內(nèi)存。120 個高性能桌面，每個云桌面分配4 GB內(nèi)存。代入表1 計算內(nèi)存的公式，結(jié)果為：

內(nèi)存容量=240×2 GB×120%+120×4 GB×120%=1 152 GB

共需要16 GB 的內(nèi)存條72 根。

（3）SSD 容量?？偣?60 個桌面，每個云桌面分配5 GB 增量盤，代入表1 計算SSD 的公式，結(jié)果為：

SSD 容量=360×5 GB÷60%=3 000 GB

共需要240 GB 的SSD 硬盤12 塊。

（4）HDD 容量?？偣?60 個桌面，每個云桌面分配5 GB 磁盤容量作為作業(yè)空間；20 位任課老師，每人分配10 GB 個人空間。代入表1 計算HDD 的公式，結(jié)果為：

HDD 容量=360×5 GB+20×10 GB=2 000 GB

考慮到數(shù)據(jù)的安全性，HDD 需要做Raid1。此外，系統(tǒng)基礎組件需要占用約200 GB，因此共需要2 TB的HDD 硬盤4 塊。

2.顯卡虛擬化技術應用

VDI 架構(gòu)的云桌面只能支持簡單的二維CAD 或PS，無法滿足圖形加速等設計業(yè)務的要求。而最新的顯卡虛擬化技術可以為VDI 云桌面提供虛擬顯卡，實現(xiàn)對3D 設計類圖形密集型應用的支持，提升用戶體驗。顯卡虛擬化技術（VGPU）能夠?qū)Ψ掌鞯娘@卡資源進行分割，創(chuàng)建顯卡資源池，并且能根據(jù)需求分配顯卡資源，進而實現(xiàn)資源的動態(tài)調(diào)整。此外，VGPU技術能為本方案需要的高性能桌面配置虛擬顯卡，滿足設計類專業(yè)、3D 計算機實驗室的使用需求。

3.實驗室云終端設計

VDI 架構(gòu)支持包括瘦客戶端、PC、筆記本電腦和智能設備在內(nèi)的各類終端的訪問，L ?？梢愿鶕?jù)實驗室的應用環(huán)境和需求，選擇瘦客戶端作為學生終端部署。一方面，瘦客戶端在VDI 云桌面架構(gòu)下完全可以滿足計算機實驗室教學的需要；另一方面，瘦客戶端硬件成本低、能耗低、用途廣、生命周期長，適合用于建設綠色環(huán)保的計算機實驗室，降低建設成本。考慮到原有實驗室的顯示器可以利用，建設方案可以采用分體式瘦客戶機，用來替代淘汰的PC 主機。

4.網(wǎng)絡系統(tǒng)設計

云桌面對帶寬的要求因?qū)嶋H教學使用內(nèi)容而異，具體需求見表2。

表2 云桌面帶寬需求

在計算機實驗室中，屏幕廣播、視頻廣播等教學功能是基于組播協(xié)議開發(fā)的，本身帶寬占用就不高，且只使用教室內(nèi)部網(wǎng)絡，因此在帶寬設計時可以不予著重考慮。從表2 的數(shù)據(jù)可以看出，每個云終端只要保證有10 Mbps 以上的帶寬就可以為用戶提供流暢的使用體驗，因此使用千兆交換機就能滿足教學與學習的需求。另外，由于終端用戶較多，為了提高系統(tǒng)的吞吐量和并發(fā)量，VDI 集群中的主機均需配置萬兆網(wǎng)卡。

目前，基于VDI 架構(gòu)的云桌面在應用中還有不足，并不能適用于所有需求，需要采取一定措施給予彌補。其一，桌面性能不足。VDI 架構(gòu)中，終端沒有計算能力，桌面全部運行在后臺的服務器上，終端使用遠程顯示協(xié)議訪問服務器上的虛擬桌面，所以在性能上不如傳統(tǒng)的PC 機，對3D 圖形設計、多媒體等圖形密集型應用支持較差。其二，初始建設成本較高，不適合小規(guī)模部署。VDI 模式雖然節(jié)省了PC 終端的投入，但是需要進行基礎架構(gòu)改造，初期購買核心服務器和虛擬化軟件許可的資金投入較高，對管理人員的技術要求也更高，不適合小規(guī)模的應用場景部署。其三，不支持離線環(huán)境。在VDI 架構(gòu)下，客戶終端需要通過網(wǎng)絡通訊才能實現(xiàn)對運行于服務器上的虛擬桌面進行訪問和使用。如果網(wǎng)絡中斷或者處于沒有網(wǎng)絡的環(huán)境中，客戶終端就無法使用云桌面。

基于VDI 架構(gòu)的云桌面技術可以解決傳統(tǒng)高校計算機實驗室在管理運維、建設成本、綠色環(huán)保、數(shù)據(jù)安全等方面存在的問題，幫助高校提高管理效率和管理水平，是實現(xiàn)實驗室信息化管理的重要技術手段。目前，VDI 終端的性能尚不能完全達到PC 水平，顯卡虛擬化技術提供了一些解決實際問題的方法和路徑，但也帶來了一些新問題，需要進一步研究并加以解決。