溪利亞 程殊

摘? 要： 為了滿足各學(xué)科、專業(yè)、年級學(xué)生的實踐需求，高校公共計算機實驗室需要在業(yè)務(wù)體量大且復(fù)雜的環(huán)境中完成場景快速部署及其管理。因此提出運用VDI（Virtual Desktop Infrastructure）與VOI（Virtual OS Infrastructure）技術(shù)融合的云桌面架構(gòu)，依據(jù)場景特性、現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)、軟硬件配置等設(shè)計多場景的桌面交付方案，為學(xué)生構(gòu)建個性化的實踐教學(xué)環(huán)境。

關(guān)鍵詞： VDI； VOI； 融合； 多場景

中圖分類號：G64? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2023）06-161-04

Construction of university computer cloud laboratory based on

the integration of VDI and VOI technology

Xi Liya， Cheng Shu

（Wuchang Shouyi University， Wuhan， Hubei 430064， China）

Abstract： In order to meet the practical needs of students in various disciplines， majors and grades， public computer laboratories in universities need to accomplish rapid deployment and management of scenarios in large volume and complex business environment. Therefore， a cloud desktop architecture that integrates VDI and VOI technologies is proposed to design a multi-scenario desktop delivery scheme based on scenario features， onsite network， hardware and software configuration. It builds a personalized practice teaching environment for students.

Key words： Virtual Desktop Infrastructure （VDI）; Virtual OS Infrastructure （VOI）; integration; multi-scenario

0 引言

在高等教育中，計算機技術(shù)與各個學(xué)科、各個專業(yè)領(lǐng)域相互融合，在現(xiàn)代人才培養(yǎng)中發(fā)揮著重要作用。高校公共計算機實驗室面向全校各專業(yè)開放，旨在為各個專業(yè)的各門課程提供上機實踐、上機考試、培訓(xùn)、自主學(xué)習(xí)與實踐創(chuàng)新等教學(xué)環(huán)境。由于專業(yè)課程實踐需求的不同，對計算機系統(tǒng)的應(yīng)用配置和性能要求也不同，例如不同的操作系統(tǒng)、不同的應(yīng)用軟件及版本等，這就要求一臺計算機的操作系統(tǒng)和軟件的部署要根據(jù)每門課程的具體要求來實現(xiàn)個性化安裝配置。然而，公共計算機實驗室管理和維護的計算機體量大，場景復(fù)雜，在一臺計算機上往往需要配置幾套個性化系統(tǒng)，并且還要隨著需求的變化不斷調(diào)整，這降低了計算機資源的利用率，同時增加了實驗室系統(tǒng)維護難度，更影響了師生的實踐體驗，有時甚至?xí)驗閼?yīng)用的不兼容性，被迫降低實踐要求。

云計算采用虛擬化技術(shù)，以按需分配的方式為用戶提供存儲、計算、軟件、管理等個性化服務(wù)，其資源利用率高，受到高度重視，已在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。在高校各實驗室的建設(shè)中，虛擬化技術(shù)發(fā)揮著重要作用，然而單一的虛擬化技術(shù)不能滿足各專業(yè)對計算機系統(tǒng)的應(yīng)用配置和性能要求。本文以高校公共計算機實驗室的建設(shè)為背景，通過對VDI（英文全稱：Virtual Desktop Infrastructure）與VOI（英文全稱：Virtual OS Infrastructure）技術(shù)融合，探索滿足多場景適應(yīng)的實踐教學(xué)的方案，滿足不同專業(yè)和課程的應(yīng)用需求，實現(xiàn)高效的實驗教學(xué)管理。

1 關(guān)鍵技術(shù)

云計算通過服務(wù)器虛擬化、存儲虛擬化、應(yīng)用虛擬化、桌面虛擬化為用戶提供服務(wù)[2]。在桌面虛擬化中，用戶基于網(wǎng)絡(luò)，通過終端設(shè)備，如瘦/胖終端、PC、手機等，遠(yuǎn)程連接到云端的虛擬化桌面，使用其存儲、計算、軟件、管理等資源 [3]。VDI、IDV（英文全稱：Intelligent Desktop Virtualization）和VOI技術(shù)是實現(xiàn)桌面虛擬化的主流技術(shù)[4]。VDI、IDV和VOI技術(shù)對照表如表1所示。

⑴ VDI，即虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)。該架構(gòu)將全部的計算資源部署在云端服務(wù)器上，并采用桌面虛擬化技術(shù)在服務(wù)器上生成多個虛擬機，用戶通過網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器上的虛擬機，獲取自己的專有應(yīng)用場景，就像是訪問傳統(tǒng)的本地安裝桌面一樣[5]。VDI容災(zāi)性、異構(gòu)硬件兼容性較好，能夠較好的適應(yīng)移動桌面需求，用戶體驗好，但是服務(wù)器的負(fù)載重，所以適合計算量適中的場景。

⑵ IDV（Intelligent Desktop Virtualization），即智能桌面虛擬化。該架構(gòu)通過下發(fā)虛擬機文件交付桌面，虛擬機文件鏡像由服務(wù)器制作后下發(fā)給終端，由終端通過本地的計算資源渲染出相應(yīng)的桌面。與VDI相比，降低了對網(wǎng)絡(luò)的依賴程度，計算的工作在終端完成，能夠一定程度減少服務(wù)器的負(fù)載，雖然本地有虛擬化層（虛擬化程序）的損耗，但是對計算量較大的系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)于VDI。

⑶ VOI，即虛擬操作系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)。該架構(gòu)由服務(wù)器來管理操作系統(tǒng)鏡像，并直接將操作系統(tǒng)鏡像下發(fā)給終端，在終端硬件上直接運行，無需虛擬機[6]。與VDI相比，計算工作在終端完成，能夠一定程度減少服務(wù)器的負(fù)載，降低了對網(wǎng)絡(luò)的依賴程度；與IDV相比，本地?zé)o虛擬化層，無終端損耗，所以，更適合計算量較大的系統(tǒng)應(yīng)用[7]。

VDI、IDV和VOI技術(shù)采用了集中的服務(wù)器管理方式，方便統(tǒng)一管理，能夠解決體量大、任務(wù)緊急的場景快速部署，提高了管理效率[8]。而實際應(yīng)用中，根據(jù)不同的應(yīng)用場景去選擇不同的產(chǎn)品進行方案組合[9]。

2 計算機云端實驗室的建設(shè)

2.1 方案設(shè)計

在公共計算機實驗室的建設(shè)中，主要解決以下問題：

⑴ 實現(xiàn)多場景快速部署，不僅保證教學(xué)任務(wù)的順利進行，也能滿足實踐環(huán)境個性化需求；

⑵ 提高管理效率，降低實驗室的維護成本，減少停機停課進行維護的時間，保證機房教學(xué)的連續(xù)性，提高機房的使用效率；

⑶ 提高安全性，提升容災(zāi)能力。

在實際的應(yīng)用中，由于學(xué)科、專業(yè)不同，實踐場景不同，所以對于資源配比的需求也不一樣。對于常規(guī)教學(xué)和實訓(xùn)，硬件配置要求適中即可；而對于3D應(yīng)用、圖形設(shè)計交互顯示、計算處理的應(yīng)用場景，終端計算和圖形能力要求較高。

我們結(jié)合問題分析，需要從經(jīng)濟性、可持續(xù)性、安全性考慮，改革當(dāng)前線下實驗室建設(shè)模式，以利舊改造為主，將傳統(tǒng)PC替換為虛擬桌面，并依據(jù)場景需求、現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)狀況、軟/硬件配置等設(shè)計多場景的虛擬桌面交付方案，滿足多專業(yè)實踐應(yīng)用需求，實現(xiàn)課堂內(nèi)外的實驗環(huán)境連續(xù)；在大規(guī)模的終端環(huán)境中，通過桌面云平臺，解決實踐環(huán)境快速的批量部署和管理問題，提高管理和維護效率，保證機房教學(xué)的連續(xù)性需求。然而無論是VDI、IDV，還是VOI技術(shù)，都不能獨立的滿足多場景的需求，按照優(yōu)勢互補的思路，提出基于技術(shù)融合的全場景覆蓋的計算機云端實驗室建設(shè)方案。對VDI、IDV、VOI技術(shù)的“管理方式”、“桌面交付方式”、“計算任務(wù)”、“終端損耗”、“異構(gòu)硬件兼容性”和“容災(zāi)性”進行分析，從滿足實踐環(huán)境對計算資源的不同場景需求為標(biāo)準(zhǔn)，兼顧終端損耗問題，提出了采用VDI與VOI融合來構(gòu)建計算機云實驗室?；赩DI+VOI的融合云桌面架構(gòu)，如圖1所示。

方案設(shè)計中，雖然VDI技術(shù)交付的虛擬桌面終端無損耗，但是網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器依賴性大，當(dāng)服務(wù)器或網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生，可能導(dǎo)致教學(xué)事故。為此，設(shè)計了兩種模式。①終端無硬盤，實驗室規(guī)模較大時，服務(wù)器需要數(shù)量較多，如果某臺服務(wù)器出現(xiàn)故障，虛擬桌面采用自動遷移的方式到其他正常服務(wù)器，避免因服務(wù)器故障導(dǎo)致某間教室無法上課；實驗室規(guī)模較小時，可能只有一臺服務(wù)器，采用屏幕廣播重定向方式，即使終端因服務(wù)器故障或者主干網(wǎng)絡(luò)故障無法進入操作系統(tǒng)，教師也可通過離線屏幕廣播進行教學(xué)。②終端有硬盤，采用虛實雙系統(tǒng)，即使所有服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)癱瘓，終端可自動感應(yīng)，并切換到實系統(tǒng)。

其實施方案拓?fù)鋱D，如圖2所示。

2.2 建設(shè)成效

實踐教學(xué)是人才培養(yǎng)的重要組成形式，是促進知識內(nèi)化和提高動手能力的有效途徑。由于課內(nèi)實踐學(xué)時有限，需要將課內(nèi)實踐延申到課外。然而，在實際的開展中，學(xué)生課外實踐受環(huán)境的影響，很難落實。計算機云端實驗室的建設(shè)實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)、系統(tǒng)、應(yīng)用等實踐環(huán)境集中運維，統(tǒng)一管理，不僅降低了實驗室維護成本，更加速了計算機實驗室現(xiàn)代化管理機制的探索和實踐教育信息化進程。方案提供“教學(xué)桌面”和“個人桌面”兩種模式，構(gòu)建課內(nèi)課外一體化的、高性能的實踐教學(xué)環(huán)境，為學(xué)生課外實踐、教師科研、教研的開展提供了保障。在“教學(xué)桌面”模式下，管理員制作適應(yīng)各專業(yè)應(yīng)用需求實踐環(huán)境模板，通過網(wǎng)絡(luò)，快速分發(fā)虛擬桌面，實現(xiàn)多個專業(yè)上課環(huán)境自由切換需求，不僅能保證教學(xué)的連續(xù)性，也能充分利用計算資源，滿足課內(nèi)實踐教學(xué)。在“個人桌面”模式，虛擬機數(shù)據(jù)不還原，虛擬機登陸跟隨賬號走，在任何設(shè)備、任何時間、任何地點都可以登陸到屬于自己的桌面，以滿足畢業(yè)設(shè)計，作業(yè)實驗等應(yīng)用，為學(xué)生提供專用桌面環(huán)境，滿足課外實踐需求。

3 結(jié)束語

本文方案中，通過先進技術(shù)（VDI與VOI技術(shù)融合云桌面）對高校計算機實驗室建設(shè)架構(gòu)進行了完善，整合現(xiàn)有資源，對公共計算機實驗室進行實驗環(huán)境的信息化改造，即確保實驗室運行成本在合理范圍內(nèi)，也創(chuàng)造出更為靈活多變且實用性較強的實驗桌面場景，構(gòu)建了開放共享、個性化的實踐教學(xué)環(huán)境來滿足個性化的場景需求；通過統(tǒng)一和規(guī)范化的管理，提高運維的效率和安全性。本文在技術(shù)分析、方案設(shè)計思路上探討了將現(xiàn)代基礎(chǔ)教育和信息技術(shù)融合發(fā)展的途徑，推進先進技術(shù)在實驗環(huán)境中的應(yīng)用和改造，有助于實踐教學(xué)信息化深度融合。

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