智慧云實驗室在高校實驗教學中的應用

陳守寬

(肇慶學院 教育技術與計算機中心，廣東 肇慶 526061)

現(xiàn)有的公共計算機實驗室機房承載中心實驗室全年的工作量，承擔全校各院系全日制學生日常課程的上機實驗教學任務，是各專業(yè)課程在肇慶學院教育與計算機中心能正常開展的基礎條件。但目前基于傳統(tǒng)PC電腦的實驗室機房模式已較大影響了正常的課程開展，有較明顯的實踐教學問題的隱患與風險。一旦課程開設出現(xiàn)問題，必然會對學校正常的實踐教學活動帶來嚴重的影響。

傳統(tǒng)的PC電腦實驗室機房常遇到問題如下:管理維護工作量大；課程教學軟件的過程復雜低效、缺乏移動性導致在線利用率低；實驗室無法全面開放；目前機房使用成本高、故障率高等，都對實驗室正常的教學造成一定影響，以致服務質量不高、學生投訴意見大、課程不穩(wěn)定，急需引入新技術對現(xiàn)有的機房模式進行重構與革新，有效解決現(xiàn)有機房實驗室存在問題。

1 基于云計算模式的智慧云實驗室管理模式

1.1 云桌面技術的引入

整個云實驗室基于云桌面虛擬化方案構建，本文主要探討基于VMware公司成熟的軟件產品之一(VMware View)的應用。VMware View桌面虛擬化方案由服務器、桌面虛擬化管理平臺、存儲、網(wǎng)絡、桌面終端設備等組成[1]，虛擬化桌面體系架構邏輯如圖1所示。

云桌面是可以獨立對服務器資源進行整合和分配，并交付云計算服務的個人獨立桌面。它依靠單個桌面的資源動態(tài)分配、基于托管服務的個性化資源定制，以保障關鍵業(yè)務的穩(wěn)定運行。

圖1 虛擬化桌面體系架構邏輯圖

利用VMware View云桌面虛擬化技術，可以將師生用戶所有的桌面操作環(huán)境全部集中在后臺的服務器之上，師生用戶只需要通過網(wǎng)絡就可以訪問到自己的桌面操作環(huán)境。由于實現(xiàn)了軟件環(huán)境和數(shù)據(jù)存儲的集中化管理，可以實現(xiàn)各種軟件環(huán)境的快速升級，感染病毒的機會也大幅降低[2]。在這種模式下，單個管理人員可以輕松管理超過1 000臺的桌面環(huán)境，不同授課環(huán)境的快速切換也僅需要數(shù)十秒的時間。這樣，單個實訓室可以為更多的院系提供服務。

由于軟件環(huán)境都運行在服務器端，因此用戶端的硬件性能就顯得無關緊要，可以采用瘦客戶機、平板等一體化的硬件設備，出現(xiàn)硬件故障直接更換即可。實驗室云桌面部署案例如圖2所示。

圖2 實驗室云桌面部署

云桌面機房的建設，引入虛擬桌面技術，通過其出色的管理能力，實現(xiàn)多種鏡像模板統(tǒng)一設置，并通過不同的鏡像安裝不同的教學軟件，上課之前進行靈活的資源與系統(tǒng)調試匹配模式來解決各門課程教學軟件安裝復雜低效的問題，大大提升了教學效率。

1.2 智能終端管理單元的引入

通過聯(lián)合設計開發(fā)的智能終端管理單元，是一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術、以太網(wǎng)技術、無線WiFi技術的硬件終端管理設備[3]。實驗室智能終端管理單元如圖3所示，該管理單元具有10路獨立輸出電源，支持接入220 V的常見教室設備，包括投影儀、幕布、電腦終端、音箱、燈光等?？赏ㄟ^部署的智慧課室管理平臺，對實驗室的智能終端管理單元進行遠程控制，包括對接入設備的通斷電控制、遠程喚醒、幕布升降控制等功能。該管理單元產品源器件選用要求質量過硬，要特殊增加各類穩(wěn)壓和防浪涌機制，確保整個系統(tǒng)正常工作的可靠性。

圖3 實驗室智能終端管理單元

智能終端管理單元平臺與VMware View架構結合，讓傳統(tǒng)的實驗室課室變得更加智慧，實現(xiàn)以下4個方面的價值。

1)實現(xiàn)集約化建設，節(jié)省實驗室課室建設和改造的資金；

2)管理控制在后臺，減免前端人員頻繁操作設備(投影儀、幕布等)，提升設備使用壽命；

3)實驗室課室的使用管理效率大幅提升；

4)大幅降低建設管理部門的管理難度。

1.3 虛擬化云盤的引入

U盤在日常使用非常頻繁，但容易發(fā)生忘記攜帶U盤，或者U盤感染病毒傳播到整個實驗室環(huán)境的情況。U盤活動常常帶來教學工作的不便及實驗室管理的復雜度和重復工作的開展，如反復病毒感染、重新修復電腦等。

為了提升教學效率及將更多的精力投入到教學實踐中，提倡去U盤活動，采用開源技術，將個人虛擬磁盤空間作為域用戶，融合到VMware View的架構中，可以隨時隨地讀取教師課件及學生作業(yè)等[4]。另外豐富的虛擬磁盤空間可以提供在線預覽個人文檔、直接檢索文檔內容、下載收藏的課件、視頻、備份文件等功能。

1.4 教學資源遠程移動的接入

通過在學校的數(shù)據(jù)中心服務器資源池虛擬化并配置虛擬桌面實例，師生用戶可以使用任何終端，通過網(wǎng)絡即可以訪問屬于自己的電腦桌面環(huán)境。這種方式，使得師生用戶可以在任何時間、任何地點、使用任何終端都可以處理自身的相關業(yè)務，大大提升了學校師生信息化辦公或學習的效率。桌面云在移動教學、辦公中的應用場景如圖4所示。

借助于VMware云桌面的基礎架構，結合其中的VMotion虛擬機在線遷移技術、HA(high availability)高可用性技術、FT(fault tolerance)的虛擬機容災等技術[5]，可以實現(xiàn)即使物理機宕機，虛擬機桌面實例也不會中斷，虛擬桌面的環(huán)境可以7×24 h在線提供服務，大大減少了因為個人環(huán)境故障而對教學和辦公帶來的影響。

圖4 桌面云在移動教學、辦公中的應用

1.5 簡約布局環(huán)境的引入

傳統(tǒng)PC機功耗大、噪音強，整個實驗室布局臃腫；而采用瘦客戶機模式下的實驗室，功耗小(平均功耗不超過30 W)，遠低于傳統(tǒng)PC機，并提供更加清新、簡約的實驗室環(huán)境。整體布局環(huán)境參考如圖5所示。

圖5 某學院云計算實驗室建設現(xiàn)場環(huán)境

2 智慧云實驗室模式價值分析

2.1 實用性對比分析

傳統(tǒng)PC機房與虛擬桌面機房的實用性對比如表1所示。

表1 2種機房實用性對比

2.2 開放性對比分析

傳統(tǒng)計算機實驗室采用傳統(tǒng)PC電腦，受限于位置及設備限制，具有以下2個方面的不足。

1)公共計算機實驗室采用傳統(tǒng)PC桌面時，只能去計算機機房本地或者辦公室才可以教學辦公，帶來嚴重的時間和空間成本浪費。同時，由于管理需要，晚上和周末實驗室中心會不開放，造成設備無法使用，致使終端和桌面資源嚴重浪費，影響投入產出比。

2)學生只能使用傳統(tǒng)PC進行，設備系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，只能等待管理員來恢復。

采用智慧云實驗室課室模式建設后，可解決受限于位置及設備限制帶來的各類問題，具有以下4個方面的優(yōu)點。

1)學生、老師可以在任何地方，包括學生宿舍、圖書館、教室、家里等，通過校園覆蓋有線/無線WiFi網(wǎng)絡、運營商3G/4G網(wǎng)絡，均可通過自身電腦、手機、PAD等登入虛擬桌面，隨時隨地訪問桌面。

2)升級遷移工作不受任何條件限制 (支持現(xiàn)有的網(wǎng)絡環(huán)境，如VPN、無線等)。

3)在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可以快速還原，學生也可以用身邊的其他設備進行持續(xù)桌面終端訪問。

4)桌面中心可以晚上、周末、節(jié)假日等全部開放，將桌面中心資源使用率接近到100%。

2.3 能耗成本對比分析

1)傳統(tǒng)PC能耗分析。

目前普通PC電腦的平均功耗在300 W左右，按每臺普通PC電腦每天開機8 h、全年80%的使用率來計算，學院實驗室中心機房傳統(tǒng)80臺普通PC終端全年的能耗為:

2)桌面終端云能耗分析。

目前市場上的虛擬桌面終端客戶機的平均功耗不超過30 W，按每臺瘦客戶機每天開機8 h、全年80%的使用率來計算，某學院實驗室中心機房采購80臺瘦客戶機，全年的能耗為:根據(jù)規(guī)劃，實際配置的服務器數(shù)量為2臺，每臺服務器滿載功耗700 W，閑時功耗70 W，2臺服務器全年的能耗為:

桌面終端云總能耗為:

根據(jù)上述計算，桌面終端云的建設，將為學校節(jié)省能耗高達46 368 kW，節(jié)省比例為82%，按每度電0.6元計算全年可節(jié)約電費近2.7萬元。

4 結束語

[1]楊振東，王晉川，鄭冀，等.面向云計算的油料供應管理系統(tǒng)構架 [J].重慶理工大學學報 (自然科學版)，2011，25(9):81－86.

[2]楊倩茹，黃夢醒，萬兵.基于云計算的農村電子政務架構研究 [J].計算機與數(shù)字工程，2011，39(10):25－29.

[3]郗俊強.云計算中的數(shù)據(jù)管理關鍵技術及其應用 [J].無線互聯(lián)科技，2011(8):3－4.

[4]李英壯，廖培騰，孫夢，等.基于云計算的數(shù)據(jù)中心虛擬機管理平臺的設計 [J].實驗技術與管理，2011， 28(5):1－3.

[5]吳靖，劉功申.基于VMware虛擬化技術的遠程教育平臺設計 [J].電信快報，2009(10):11－13.

[6]王春海.虛擬機深入應用實踐 [M].北京:中國鐵道出版社，2009.

[7]楊振東，王晉川，鄭冀，.面向云計算的油料供應管理系統(tǒng)構架[J].重慶理工大學學報(自然科學版)，2011， 25(9):81－86.

[8]楊倩茹，黃夢醒，萬兵.基于云計算的農村電子政務架構研究[J].計算機與數(shù)字工程，2011，39(10):25－29.

[9]郗俊強.云計算中的數(shù)據(jù)管理關鍵技術及其應用[J].無線互聯(lián)科技，2011(8):3－4.

[10]李英壯，廖培騰，孫夢，等.基于云計算的數(shù)據(jù)中心虛擬機管理平臺的設計 [J].實驗技術與管理，2011， 28(5):1－3.

[11]吳靖，劉功申.基于VMware虛擬化技術的遠程教育平臺設計[J].電信快報，2009(10):11－13.

[12]王春海.虛擬機深入應用實踐[M].中國鐵道出版社，2009.