基于混合云的高校計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室建設(shè)

楊衡亮

摘? 要： 將混合云的技術(shù)理念引入高校計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室建設(shè)，力圖解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室在教學(xué)管理和運(yùn)行維護(hù)上存在的短板，滿足現(xiàn)代計(jì)算機(jī)教學(xué)和保障的需求。分析現(xiàn)有計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室弊端，結(jié)合目前云計(jì)算技術(shù)發(fā)展和近幾年計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，將VDI和IDV兩種技術(shù)有機(jī)結(jié)合，提出基于混合云的建設(shè)方案?；诨旌显频母咝Ｓ?jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室技術(shù)先進(jìn)，優(yōu)點(diǎn)多，能滿足高校計(jì)算機(jī)教學(xué)和各項(xiàng)保障的需要。

關(guān)鍵詞： 混合云; 高校; 計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室; 建設(shè)

中圖分類號(hào)：TP399? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2022）04-117-04

Construction of computer laboratory in university based on hybrid cloud

Yang Hengliang

（College of Information Engineering， Engineering University of PAP， Xi'an， Shaanxi 710086， China）

Abstract： The technical concept of hybrid cloud is introduced into the construction of computer laboratories in universities to solve the shortcomings of traditional computer laboratory in teaching management and maintenance， and meet the needs of modern computer teaching and security. In this paper， the disadvantages of the existing computer laboratory are analyzed. According to the development of cloud computing technology and the construction experience of computer laboratory， by organically combining the two technologies of VDI and IDV， a construction scheme based on hybrid cloud is proposed. The computer laboratory in university based on hybrid cloud has advanced technology and many advantages， which can meet the needs of college computer teaching and various security.

Key words： hybrid cloud; university; computer laboratory; construction

0 引言

目前大部分高校的計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室，由于建設(shè)時(shí)間比較長(zhǎng)，仍然采用傳統(tǒng)單機(jī)計(jì)算機(jī)技術(shù)，在長(zhǎng)期的運(yùn)行使用中，管理維護(hù)困難、硬件不斷老化、更新?lián)Q代成本高、教學(xué)改革支撐弱，越來(lái)越不能滿足教學(xué)的需要。云計(jì)算和虛擬化等新興技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，為高校計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室建設(shè)提供了一種新的可能[1]。

1 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室運(yùn)行管理中的弊端

目前高校大量正在使用的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，一般建設(shè)運(yùn)行有五年以上，個(gè)別的時(shí)間更長(zhǎng)，大部分采取的是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)或者無(wú)盤工作站的技術(shù)模式建設(shè)[2]，在管理上和使用上面臨諸多弊端。

1.1 管理運(yùn)維難

目前計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室大部分采取的硬盤克隆同傳和定期恢復(fù)的方式批量管理計(jì)算機(jī)。這種管理方式，通常一個(gè)機(jī)房安裝一個(gè)教學(xué)應(yīng)用軟件、切換一個(gè)系統(tǒng)通常需要四五個(gè)小時(shí)。據(jù)調(diào)查，目前高校計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室除正常教學(xué)授課外還經(jīng)常承擔(dān)等級(jí)考試、心理測(cè)評(píng)等臨時(shí)性保障任務(wù)，每次臨時(shí)性保障和日常教學(xué)均需要安裝軟件、切換系統(tǒng)。這種重復(fù)性的工作不僅耗費(fèi)了大量的時(shí)間，還往往會(huì)因同傳設(shè)備故障、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障、臨時(shí)斷電等造成系統(tǒng)同傳時(shí)癱瘓，修復(fù)時(shí)間有時(shí)候需要一兩天，加速電腦老化，造成實(shí)驗(yàn)機(jī)房維護(hù)使用成本高。

1.2 教學(xué)支撐弱

在計(jì)算機(jī)教學(xué)中，學(xué)生希望隨時(shí)隨地參與實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，老師也希望跨地域備課和辦公，師生希望能隨時(shí)隨地展開(kāi)交流。但目前的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不方便搬來(lái)搬去，大部分的實(shí)訓(xùn)只能局限于實(shí)訓(xùn)教室。同時(shí)由于教師機(jī)和學(xué)生機(jī)配置是一樣的，難以加裝網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)廣播教學(xué)，和實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)生實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程難以形成性記錄。此外，由于計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代比較快，計(jì)算機(jī)總是面臨淘汰/更新，為了滿足教學(xué)需求，有些單位不得不經(jīng)常購(gòu)買電腦，無(wú)形中也造成了大量的浪費(fèi)。

1.3 安全保密性低

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)基本上是保存在個(gè)人終端電腦上，一旦終端丟失或損毀，數(shù)據(jù)也隨之丟失;另一方面，學(xué)生可能隨意將文件拷貝或外發(fā)，造成泄密事件發(fā)生。由于學(xué)生機(jī)采取的是單獨(dú)電腦，難以對(duì)學(xué)生機(jī)硬件進(jìn)行管控，比如限制U盤與光驅(qū)、限制上網(wǎng)、限制應(yīng)用程序等，也帶來(lái)安全保密性風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)由于無(wú)法統(tǒng)一對(duì)硬件進(jìn)行管控，單臺(tái)計(jì)算機(jī)可能會(huì)被使用者惡意修改配置、刪除文件等，這也給管理上帶來(lái)負(fù)擔(dān)。

2 基于混合云的高校計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室方案

2.1 主流云桌面虛擬技術(shù)VDI和IDV對(duì)比

經(jīng)過(guò)近幾年發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用，云桌面虛擬技術(shù)主要有VDI和IDV兩種技術(shù)路線。

2.1.1 虛擬桌面架構(gòu)VDI

VDI基礎(chǔ)架構(gòu)，通過(guò)在中心服務(wù)器上將用戶系統(tǒng)做成虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)虛擬化[3]。客戶端設(shè)備連接虛擬桌面實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)運(yùn)算，所有用戶端的運(yùn)算和存儲(chǔ)資源均集中于服務(wù)器上。VDI技術(shù)一定程度上解決了教學(xué)電腦分布廣，維護(hù)工作量大的弊端，但在實(shí)踐應(yīng)用中也暴露出了一些問(wèn)題。一是高依賴：桌面系統(tǒng)運(yùn)行主要依賴服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)，斷網(wǎng)或者是服務(wù)器出現(xiàn)故障，學(xué)生機(jī)無(wú)法使用。二是高成本：VDI核心在于集中存儲(chǔ)，集中運(yùn)算，因此需要很高的服務(wù)器配置，造成機(jī)房建設(shè)運(yùn)維成本高。三是體驗(yàn)差：網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不佳時(shí)，或用戶同時(shí)并發(fā)時(shí)，容易造成網(wǎng)絡(luò)擁堵，卡頓延遲，該系統(tǒng)對(duì)于一些大量運(yùn)算和媒體播放的應(yīng)用需求難以支持，用戶體驗(yàn)比較差。

2.1.2 智能虛擬桌面IDV

IDV采取集中管理、集中存儲(chǔ)、本地運(yùn)算的策略，在保留VDI優(yōu)勢(shì)的同時(shí)避免了部分的劣勢(shì)。IDV云桌面系統(tǒng)基于本地虛擬機(jī)架構(gòu)，以軟件定義桌面為設(shè)計(jì)理念，將操作系統(tǒng)及鏡像和各種應(yīng)用軟件集中部署在桌面服務(wù)器中?？蛻舳私尤刖W(wǎng)絡(luò)后自動(dòng)從服務(wù)器下載桌面完成部署就可以運(yùn)行，在和服務(wù)斷網(wǎng)的情況下，也能離線運(yùn)行。這種模式不用像VDI那樣需要大量的圖像傳輸，因此可以節(jié)省很大的網(wǎng)絡(luò)帶寬，從而構(gòu)建出具備集中管理、分散運(yùn)行，集中存儲(chǔ)、穩(wěn)定可靠的云桌面虛擬系統(tǒng)。

2.2 基于VDI+IDV融合的混合云計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室方案

高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室主要任務(wù)是各種計(jì)算機(jī)課程的理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，同時(shí)往往需要為計(jì)算機(jī)等級(jí)考試、心理測(cè)試、學(xué)生在線考試等大量臨時(shí)性任務(wù)提供場(chǎng)所、設(shè)備保障。這種多樣化的任務(wù)就決定了高校計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室，不僅能滿足日常教學(xué)需要，還要在各種任務(wù)來(lái)臨時(shí)，能夠快速部署、快速切換、穩(wěn)定運(yùn)行，可靠運(yùn)行[4]。VDI和IDV兩種云桌面，各有優(yōu)勢(shì)，適合不同的應(yīng)用場(chǎng)景[5]。考慮到高校計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室多種任務(wù)、快速切換、穩(wěn)定運(yùn)行的需要，最理想的方案是VDI+IDV融合的混合云方案。

該方案的基本拓?fù)鋱D如圖1所示：核心架構(gòu)主要由VDI云桌面服務(wù)器、IDV云桌面服務(wù)器、云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心服務(wù)器、云桌面管理軟件、交換機(jī)、胖客服機(jī)云終端構(gòu)成。實(shí)訓(xùn)室云終端桌面系統(tǒng)鏡像由VDI云桌面服務(wù)器存儲(chǔ)、管理和下發(fā)。云終端桌面系統(tǒng)加裝專用客服端軟件后也可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)或者專用軟件，訪問(wèn)VDI虛擬機(jī)，通過(guò)這樣的模式實(shí)現(xiàn)超融合的應(yīng)用。在實(shí)際建設(shè)中，由于IDV云桌面服務(wù)器平時(shí)可以不用一直運(yùn)行，運(yùn)算量不是很大，因此，為了節(jié)省成本也可以用它兼作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器，當(dāng)然綜合考慮成本、穩(wěn)定性等因素，一般不建議這樣做。

3 基于混合云的高校計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室應(yīng)用

基于混合云的高校計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室建成以后，能夠?yàn)檗k公、教學(xué)實(shí)訓(xùn)、圖形運(yùn)算、在線考試等多種桌面應(yīng)用場(chǎng)景提供支撐;基本能滿足高校計(jì)算機(jī)類課程教學(xué)實(shí)訓(xùn)和各類保障任務(wù)的需要;配合各類在線教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)員網(wǎng)上學(xué)、網(wǎng)上練、網(wǎng)上考;在保障使用者體驗(yàn)優(yōu)先的前提下，對(duì)終端設(shè)備、操作系統(tǒng)、用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一、靈活、可控的管理和維護(hù)。

3.1 支持多樣化教學(xué)

3.1.1 多樣化教學(xué)

本項(xiàng)目使用了混合式桌面架構(gòu)，教師、學(xué)員使用統(tǒng)一的身份認(rèn)證系統(tǒng)可以在不通桌面架構(gòu)之間無(wú)縫切換，而用戶數(shù)據(jù)始終跟隨用戶。教員可以在實(shí)訓(xùn)教室、辦公室甚至家里訪問(wèn)自己的桌面電腦、進(jìn)行備課、查找和存儲(chǔ)資料;學(xué)員也可以在實(shí)訓(xùn)教室、宿舍登錄自己賬戶，進(jìn)行學(xué)生實(shí)訓(xùn)、形成性保留實(shí)訓(xùn)成果、方便后期進(jìn)行學(xué)習(xí)。

3.1.2 廣播教學(xué)

老師屏幕廣播傳輸?shù)綄W(xué)生端屏幕，能豐富授課的內(nèi)容，方便學(xué)生看清各類計(jì)算機(jī)演示操作，也可以將學(xué)生作業(yè)直觀展示推送，并提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.1.3 學(xué)習(xí)監(jiān)管

教師可以監(jiān)管、輪詢學(xué)生屏幕，充分了解每一個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作情況，嚴(yán)防學(xué)生開(kāi)小差。根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)分組教學(xué)，實(shí)現(xiàn)分組討論和個(gè)性化教學(xué)，教師可以輪循監(jiān)看各組進(jìn)度及討論情況。

3.1.4 答疑測(cè)試

老師可以即興出題，支持選擇題、判斷題、搶答題，當(dāng)學(xué)生遇到問(wèn)題時(shí)或有不了解的課程內(nèi)容時(shí)，可通過(guò)電子舉手功能，實(shí)時(shí)反饋給讓老師知道。

3.2 運(yùn)維管理方便

3.2.1 快速切換

混合云架構(gòu)下，系統(tǒng)支持多個(gè)系統(tǒng)和軟件應(yīng)用的快速切換。如果是需要云終端整體換系統(tǒng)比如在Win7和Win10之間，利用軟模版概念和桌面同步傳輸協(xié)議，支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳等容錯(cuò)機(jī)制，避免同傳系統(tǒng)常見(jiàn)的漏傳現(xiàn)象，一般15分鐘左右完成所有云終端的更新操作，如圖2所示。

如果在教學(xué)或者考試時(shí)需要增加某個(gè)教學(xué)軟件、切換某門課程，就可以通過(guò)VDI教學(xué)虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)切換，云終端快速登陸訪問(wèn)交換機(jī)、一般兩三分鐘就可以完成。這種模式即使在同一個(gè)實(shí)訓(xùn)教室連續(xù)的切換教學(xué)課程應(yīng)用，利用課間就可以完成，從而不影響正常上課。

3.2.2 靈活還原

通過(guò)服務(wù)端設(shè)置每天、每周、每月的自動(dòng)還原策略，還可以指定某個(gè)磁盤分區(qū)保存數(shù)據(jù)，方便學(xué)生通過(guò)本地也可以保存數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)遇到計(jì)算機(jī)病毒、誤操作，可以通過(guò)系統(tǒng)重啟或者定時(shí)還原的方式，恢復(fù)到初始可靠狀態(tài)。

3.2.3 開(kāi)放預(yù)約

基于云終端的教學(xué)實(shí)訓(xùn)室，通過(guò)加裝智能門鎖和機(jī)房預(yù)約管理系統(tǒng)的方式，配合云監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)開(kāi)放預(yù)約、自動(dòng)記錄，為計(jì)算機(jī)課程俱樂(lè)部和學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)測(cè)試奠定基礎(chǔ)。

3.3 安全可靠性好

3.3.1 高可靠性

本項(xiàng)目通過(guò)多種桌面架構(gòu)之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)降低了桌面環(huán)境對(duì)網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、終端設(shè)備的依賴，系統(tǒng)具有更高的容錯(cuò)性。支持學(xué)生云終端在斷電、斷網(wǎng)，服務(wù)器宕機(jī)等異常情況下，學(xué)生云終端可以用，確保教學(xué)不受影響。

3.3.2 高安全性

系統(tǒng)在硬件上可以同時(shí)對(duì)學(xué)生機(jī)光驅(qū)、USB 等設(shè)備實(shí)施統(tǒng)一控制，可有效防范數(shù)據(jù)的非法竊取和傳播，從而提高安全保密性。采用專門的服務(wù)器在云端存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)采取數(shù)據(jù)備份的辦法，保障了數(shù)據(jù)的安全[6]，用戶在本地可以不保存數(shù)據(jù)，需要時(shí)候直接云端獲取，從而提高了數(shù)據(jù)的安全性。

3.3.3 數(shù)據(jù)可控

本項(xiàng)目中各種桌面架構(gòu)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)同一存儲(chǔ)和管理，方便了用戶在不同桌面使用場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)互通，使用更加便捷。用戶數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)、統(tǒng)一管控，所有數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)過(guò)程中均進(jìn)行了加密存放，降低用戶數(shù)據(jù)泄漏風(fēng)險(xiǎn)，用戶數(shù)據(jù)訪問(wèn)過(guò)程中均進(jìn)行了鑒權(quán)操作，提高了用戶數(shù)據(jù)安全性。

3.4 性能高且成本較低

3.4.1 體驗(yàn)優(yōu)異

用戶可以在PC機(jī)、VDI、IDV等各種桌面架構(gòu)和工作場(chǎng)景中隨時(shí)隨地、跨平臺(tái)訪問(wèn)個(gè)人數(shù)據(jù)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)可控的數(shù)據(jù)分享，用戶數(shù)據(jù)使用更加便捷。基于本地虛擬機(jī)架構(gòu)，用戶體驗(yàn)和傳統(tǒng)PC相同，完美運(yùn)行4K高清視頻，大型3D應(yīng)用，從容應(yīng)對(duì)語(yǔ)音教學(xué)，多媒體教學(xué)，虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)等多種教學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景。

3.4.2 擴(kuò)展性好

混合式桌面架構(gòu)具備廣泛的設(shè)備兼容性，現(xiàn)有PC機(jī)、筆記本、瘦客戶機(jī)、胖客戶機(jī)均可在混合式桌面架構(gòu)中找到最優(yōu)的解決方案，充分發(fā)揮現(xiàn)有資產(chǎn)價(jià)值。同時(shí)，混合式桌面架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了用戶終端的按需部署，按照用戶的使用需求選擇不同的桌面架構(gòu);系統(tǒng)升級(jí)時(shí)可以只升級(jí)所需服務(wù)器，也可以升級(jí)云終端的數(shù)量，無(wú)需購(gòu)買昂貴的電腦主機(jī)，從而節(jié)省購(gòu)買成本。

3.4.3 成本較低

混合模式建設(shè)，相當(dāng)于一套設(shè)備、兩套云桌面系統(tǒng)，可以支撐更多的教員、學(xué)員使用，綜合起來(lái)看成本更低。同時(shí)由于IDV服務(wù)器只起著系統(tǒng)分發(fā)托管的作用，只需要低成本的服務(wù)器，一般只需要VDI服務(wù)器三分之一的成本，這將減少物理服務(wù)器的采購(gòu)數(shù)量。同時(shí)胖客服機(jī)相對(duì)于普通PC來(lái)說(shuō)平均功耗較小，在實(shí)際運(yùn)行中能節(jié)省大量電能，從而降低高運(yùn)行成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

我校2021年建成400點(diǎn)位混合云桌面虛擬實(shí)驗(yàn)室以來(lái)，在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中效果比較明顯，實(shí)驗(yàn)室學(xué)生用機(jī)系統(tǒng)切換由以前的二個(gè)小時(shí)縮短到十分鐘以內(nèi)，能夠有效的支撐各類教學(xué)和上機(jī)保障。同時(shí)這種混合云實(shí)驗(yàn)室管理運(yùn)維中更加方便，學(xué)生實(shí)驗(yàn)機(jī)可以保存多個(gè)鏡像系統(tǒng)進(jìn)行自我登錄，通過(guò)統(tǒng)一設(shè)置各種外設(shè)的管理，大大提高了實(shí)驗(yàn)室管理中的安全性。應(yīng)用實(shí)踐表明：隨著云計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，基于混合云的計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)建設(shè)，能夠結(jié)合目前兩種主流云模式的優(yōu)點(diǎn)，能夠較好的解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室存在的弊端，能夠有效支撐各種教學(xué)運(yùn)行和上機(jī)保障，建設(shè)效益比較明顯。

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