高校教學(xué)云桌面技術(shù)的對(duì)比與選擇分析

關(guān)鍵詞：云桌面技術(shù)；計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室；教育信息化；運(yùn)維管理；教學(xué)模式

0 引言

隨著信息技術(shù)與教育的深度融合，高校教育模式正在經(jīng)歷從傳統(tǒng)“電化教育”向現(xiàn)代化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型的變革。計(jì)算機(jī)在教育中的應(yīng)用已超越了簡(jiǎn)單的工具功能，成為貫穿各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的核心媒介。高校計(jì)算機(jī)數(shù)量眾多且分布廣泛，對(duì)其進(jìn)行高效管理成為一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，教學(xué)模式的多樣化和教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的深入推進(jìn)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)已無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)下全場(chǎng)景的教育需求。為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，將互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和虛擬化技術(shù)融為一體的云桌面技術(shù)已成為高校采購(gòu)計(jì)算機(jī)設(shè)備的主流選擇[1]。這一技術(shù)旨在解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在當(dāng)前教學(xué)環(huán)境中的管理和使用問(wèn)題。然而，云桌面技術(shù)種類(lèi)繁多，發(fā)展迅速，單一的云桌面解決方案難以滿(mǎn)足所有需求。因此，如何根據(jù)不同需求選擇合適的云桌面技術(shù)成為一大難題。本研究將分析日常教學(xué)場(chǎng)景和需求，對(duì)比主流云桌面技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，為高校云桌面采購(gòu)提供參考，以推動(dòng)云桌面技術(shù)在高校中的進(jìn)一步應(yīng)用[2]。

1 高校計(jì)算機(jī)設(shè)備管理的發(fā)展

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，高校計(jì)算機(jī)設(shè)備作為教學(xué)、科研和學(xué)術(shù)交流的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其管理方式和水平直接影響著教學(xué)和科研的質(zhì)量。從早期的人工管理到現(xiàn)代的數(shù)字化和智能化管理，高校計(jì)算機(jī)設(shè)備管理的演變經(jīng)歷了三個(gè)顯著的階段。早期階段以物理管理為主，其特點(diǎn)是設(shè)備數(shù)量少，環(huán)境簡(jiǎn)單，但受限于人工操作，管理效率較低；到中期階段，設(shè)備數(shù)量大規(guī)模增加，管理方式開(kāi)始轉(zhuǎn)向以信息化管理為主，管理效率有所提升。在此階段，通過(guò)引入還原卡、PXE無(wú)盤(pán)啟動(dòng)和硬盤(pán)保護(hù)系統(tǒng)等集中管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的操作系統(tǒng)和管理參數(shù)的批量同步；再到現(xiàn)階段，開(kāi)始全面邁入信息化與智能化管理并進(jìn)的嶄新階段，管理效率進(jìn)一步提升，云計(jì)算、虛擬化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以及人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)的深度融合，催生了云桌面等創(chuàng)新技術(shù)。云桌面技術(shù)不僅極大地提升了設(shè)備管理的智能化水平，實(shí)現(xiàn)了資源的高效配置與動(dòng)態(tài)調(diào)整，還滿(mǎn)足了多元化教學(xué)場(chǎng)景的需求，為教學(xué)模式的創(chuàng)新與發(fā)展開(kāi)辟了廣闊空間。

2 云桌面技術(shù)

當(dāng)前，在高校中使用的主流云桌面技術(shù)包含以下四種：虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)（VDI，Virtual Desktop Infra?structure） 、智能桌面虛擬化（IDV，Intelligent DesktopVirtualization） 、虛擬系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)（VOI，Virtual OS In?frastructure） 、透明計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)（TCI，Transparent Cli?ent Infrastructure） [3]。

2.1 虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)VDI

VDI架構(gòu)采用集中存儲(chǔ)與集中計(jì)算模式。依托超融合基礎(chǔ)設(shè)施（HCI， Hyper-Converged Infrastruc?ture） ，將所有用戶(hù)的計(jì)算和存儲(chǔ)資源集中在超融合服務(wù)器集群中以虛擬機(jī)形式運(yùn)行。用戶(hù)通過(guò)瘦終端、PC、手機(jī)、平板等設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)虛擬桌面，所有計(jì)算任務(wù)由服務(wù)器集群完成，終端僅負(fù)責(zé)顯示和傳輸數(shù)據(jù)。

2.2 智能桌面虛擬化IDV

IDV架構(gòu)采用集中存儲(chǔ)與分布式計(jì)算模式。服務(wù)器存儲(chǔ)桌面鏡像和管理策略，用戶(hù)終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載鏡像并在本地以虛擬機(jī)形式運(yùn)行計(jì)算任務(wù)。具備較強(qiáng)的操作系統(tǒng)兼容性，并提供良好的外設(shè)支持。

2.3 虛擬系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)VOI

VOI架構(gòu)采用集中存儲(chǔ)與分布式計(jì)算模式。該技術(shù)基于PXE無(wú)盤(pán)啟動(dòng)并增加本地磁盤(pán)緩存功能。服務(wù)器存儲(chǔ)桌面鏡像和管理策略，終端提前緩存桌面鏡像。用戶(hù)終端在通過(guò)UEFI引導(dǎo)選擇操作系統(tǒng)后，系統(tǒng)在本地終端硬件上運(yùn)行，充分利用終端的計(jì)算資源。

2.4 透明計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)TCI

TCI架構(gòu)采用集中存儲(chǔ)與分布式計(jì)算模式。服務(wù)器存儲(chǔ)桌面鏡像和管理策略，終端則提前緩存桌面鏡像，并通過(guò)TCI引導(dǎo)器在操作系統(tǒng)啟動(dòng)前提供賬號(hào)登錄和鏡像選擇等操作選項(xiàng)。用戶(hù)選擇了操作系統(tǒng)鏡像后，引導(dǎo)器退出，系統(tǒng)將直接與硬件終端對(duì)接運(yùn)行，使桌面系統(tǒng)靈活適應(yīng)不同用戶(hù)需求和終端配置。

3 云桌面技術(shù)的對(duì)比分析

高校中廣泛使用的主流云桌面技術(shù)包括虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)（VDI） 、智能桌面虛擬化（IDV） 、虛擬系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)（VOI） 和透明計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)（TCI） [4]。盡管這4種技術(shù)都采用集中存儲(chǔ)的模式，但它們?cè)诜?wù)器配置、桌面終端兼容性、網(wǎng)絡(luò)依賴(lài)程度、桌面性能表現(xiàn)、運(yùn)維管理難度、數(shù)據(jù)安全與恢復(fù)、硬件擴(kuò)展能力以及管理平臺(tái)升級(jí)等方面存在顯著區(qū)別，對(duì)比排序如表1所示。

在服務(wù)器性能方面，VDI架構(gòu)的要求最高，其次是IDV，VOI和TCI的要求相對(duì)較低。VDI架構(gòu)需要部署高性能的超融合服務(wù)器集群以承擔(dān)所有用戶(hù)的計(jì)算任務(wù)。并要求服務(wù)器硬件支持計(jì)算虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化和安全虛擬化等功能。對(duì)服務(wù)器的CPU核心數(shù)，內(nèi)存容量，硬盤(pán)大小和網(wǎng)卡速率的要求非常高。IDV、VOI與TCI架構(gòu)下的服務(wù)器主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)桌面鏡像和管理策略，計(jì)算任務(wù)由終端各自完成，因此服務(wù)器需求相對(duì)較低，只需根據(jù)用戶(hù)數(shù)量配置性能適配的服務(wù)器。

在桌面終端兼容性方面，VDI架構(gòu)兼容性最好，其次是IDV和VOI架構(gòu)，而TCI架構(gòu)的兼容性相對(duì)較低。VDI 架構(gòu)具有廣泛的終端兼容性，包括X86 和ARM架構(gòu)的專(zhuān)用瘦終端、個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC） 、信創(chuàng)設(shè)備以及各種移動(dòng)設(shè)備。它能夠充分利用現(xiàn)有的PC資源，靈活接入云桌面。IDV和VOI架構(gòu)支持X86架構(gòu)和信創(chuàng)設(shè)備，但不兼容移動(dòng)設(shè)備使用。TCI架構(gòu)僅支持搭載Intel酷睿6代以上處理器的終端，不兼容AMD 處理器，信創(chuàng)設(shè)備與移動(dòng)設(shè)備。

在網(wǎng)絡(luò)依賴(lài)程度方面，VDI架構(gòu)依賴(lài)最高，其次是IDV、VOI和TCI架構(gòu)。VDI架構(gòu)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸桌面圖像，對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求非常高，服務(wù)器集群的業(yè)務(wù)網(wǎng)口和存儲(chǔ)網(wǎng)口都需要萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)支持。同時(shí)，集群的網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)或中斷會(huì)導(dǎo)致云桌面卡頓甚至無(wú)法使用。IDV、VOI與TCI架構(gòu)的桌面鏡像在首次部署時(shí)會(huì)緩存到本地，允許終端在離線(xiàn)狀態(tài)下使用桌面系統(tǒng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴(lài)程度較低。

在桌面性能表現(xiàn)方面，VOI和TCI架構(gòu)最高，其次是IDV架構(gòu)，而VDI架構(gòu)的性能相對(duì)較低。VDI架構(gòu)依賴(lài)虛擬機(jī)運(yùn)行，所有虛擬機(jī)共享服務(wù)器集群的計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源，能夠彈性分配桌面資源，自由度高。然而，在多用戶(hù)同時(shí)使用時(shí)，容易導(dǎo)致資源爭(zhēng)用，桌面系統(tǒng)可能出現(xiàn)卡頓，特別是在3D圖形處理方面。雖然支持虛擬GPU（vGPU） 技術(shù)，提供3D加速能力，但需要安裝專(zhuān)業(yè)顯卡，成本高，性?xún)r(jià)比較低，并且資源共享機(jī)制無(wú)法完全避免性能瓶頸和延遲。IDV架構(gòu)通過(guò)終端本地虛擬機(jī)方式運(yùn)行桌面系統(tǒng)，消耗終端性能來(lái)支持虛擬化層運(yùn)行，導(dǎo)致實(shí)際桌面性能略有下降。相比之下，VOI與TCI架構(gòu)不需要虛擬化層，開(kāi)機(jī)后桌面系統(tǒng)和軟件直接在終端運(yùn)行，表現(xiàn)穩(wěn)定性最強(qiáng)，性能上限最高。

在運(yùn)維管理難度方面，VDI架構(gòu)難度最大，IDV、VOI和TCI架構(gòu)相對(duì)較低。4種云桌面技術(shù)均支持桌面的遠(yuǎn)程管理，遠(yuǎn)程報(bào)障、遠(yuǎn)程協(xié)助和AI智能運(yùn)維，具備一定智能化的能力，但對(duì)運(yùn)維人才要求有顯著差異。VDI架構(gòu)需要高水平的專(zhuān)業(yè)運(yùn)維團(tuán)隊(duì)進(jìn)行復(fù)雜的管理，包括服務(wù)器集群的軟硬件維護(hù)、虛擬機(jī)管理、網(wǎng)絡(luò)配置和環(huán)境監(jiān)控等，整體運(yùn)維成本和人才要求較高[5]。相比之下，IDV、VOI和TCI架構(gòu)基于傳統(tǒng)局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過(guò)Web界面實(shí)現(xiàn)終端的遠(yuǎn)程管理和智能運(yùn)維，操作簡(jiǎn)便，運(yùn)維成本和技術(shù)要求較低，通過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)就能掌握。

在數(shù)據(jù)安全與恢復(fù)方面，VDI 架構(gòu)整體表現(xiàn)最好，IDV、VOI和TCI架構(gòu)相對(duì)較差。VDI架構(gòu)采用存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)，所有數(shù)據(jù)集中管理并采用多副本備份策略，安全性高。虛擬機(jī)磁盤(pán)結(jié)構(gòu)與用戶(hù)桌面一致，數(shù)據(jù)恢復(fù)容易。IDV、VOI和TCI架構(gòu)多數(shù)采用VHD 和qcow2虛擬磁盤(pán)技術(shù)，數(shù)據(jù)緩存在終端硬盤(pán)上，無(wú)備份副本。它們具有特定的分區(qū)結(jié)構(gòu)，與用戶(hù)的云桌面磁盤(pán)結(jié)構(gòu)不同，因此數(shù)據(jù)恢復(fù)需要專(zhuān)用工具，過(guò)程較為復(fù)雜。

在硬件擴(kuò)展能力方面，VOI和TCI架構(gòu)擴(kuò)展性最強(qiáng)，其次是IDV，VDI相對(duì)較弱。VDI架構(gòu)硬件擴(kuò)展主要集中在服務(wù)器端，終端幾乎沒(méi)有升級(jí)空間。原廠(chǎng)云桌面服務(wù)器的硬件擴(kuò)展要求購(gòu)買(mǎi)廠(chǎng)商數(shù)字授權(quán)的配件，導(dǎo)致升級(jí)成本比自行采購(gòu)三方服務(wù)器要更高。相比之下，IDV、VOI和TCI架構(gòu)下服務(wù)器和終端類(lèi)似于傳統(tǒng)PC，可以根據(jù)需求靈活擴(kuò)展，增加內(nèi)存、硬盤(pán)和顯卡等，不受廠(chǎng)商授權(quán)限制，成本相對(duì)較低。

在管理平臺(tái)升級(jí)難度方面，VDI架構(gòu)難度最大，IDV、VOI和TCI架構(gòu)難度相對(duì)較低。VDI架構(gòu)下的操作系統(tǒng)兼容性、虛擬機(jī)性能優(yōu)化、外設(shè)設(shè)備兼容性以及桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議優(yōu)化等多個(gè)方面都需要升級(jí)管理平臺(tái)。通常需要廠(chǎng)商遠(yuǎn)程技術(shù)支持和操作，并且需要中斷所有業(yè)務(wù)完成整個(gè)VDI管理平臺(tái)的升級(jí)，過(guò)程復(fù)雜。相比之下，IDV、VOI和TCI架構(gòu)下終端采用分布計(jì)算模式，只需做好操作系統(tǒng)的兼容性維護(hù)。整體管理平臺(tái)升級(jí)更新相對(duì)簡(jiǎn)單，多以打補(bǔ)丁的方式進(jìn)行維護(hù)，費(fèi)用較低，不需要專(zhuān)人操作，也不會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷，更適合日常維護(hù)和管理。

綜上所述，VDI架構(gòu)優(yōu)勢(shì)在于打破時(shí)空限制，能夠利用廣泛的終端通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)隨地訪(fǎng)問(wèn)，具有高數(shù)據(jù)安全性和易恢復(fù)性。然而，其缺點(diǎn)包括性能一般，高網(wǎng)絡(luò)依賴(lài)性，復(fù)雜的運(yùn)維管理，有限的硬件擴(kuò)展能力，以及管理平臺(tái)升級(jí)難度大，建設(shè)和持續(xù)升級(jí)的成本較高。IDV架構(gòu)優(yōu)勢(shì)在終端本地嵌套虛擬化運(yùn)行桌面操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)兼容性最好，并在其他方面優(yōu)于VDI架構(gòu)。缺點(diǎn)是終端虛擬層需要額外消耗終端性能。VOI與TCI架構(gòu)在實(shí)際使用中桌面性能表現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)依賴(lài)程度，運(yùn)維管理難度，硬件擴(kuò)展能力以及管理平臺(tái)升級(jí)難度和綜合成本相當(dāng)，是4種云桌面技術(shù)中最優(yōu)的選擇，綜合投入成本相對(duì)較低，然而，它們操作系統(tǒng)的兼容性不及IDV架構(gòu)，并且TCI的終端兼容性最差。此外，IDV、VOI、TCI架構(gòu)與VDI架構(gòu)相比的缺點(diǎn)在于無(wú)法通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布桌面資源或在非緩存終端上使用，因此無(wú)法打破時(shí)間和空間的限制。在數(shù)據(jù)全面性和恢復(fù)方面，IDV、VOI、TCI采用虛擬磁盤(pán)技術(shù)，具有獨(dú)特的分區(qū)結(jié)構(gòu)，需要特定工具進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，增加了一定的復(fù)雜性和難度，恢復(fù)速度不如VDI。因此，在選擇云桌面技術(shù)時(shí)，應(yīng)綜合考慮使用場(chǎng)景、管理需求和成本因素，選擇最合適的解決方案。

4 云桌面技術(shù)在高校的應(yīng)用場(chǎng)景分析

為更好地滿(mǎn)足高校不同教學(xué)模式的需求，需對(duì)云桌面技術(shù)在不同場(chǎng)景下的應(yīng)用進(jìn)行深入分析。高校的教學(xué)模式主要分為線(xiàn)下教學(xué)和線(xiàn)上教學(xué)兩大類(lèi)。不同的教學(xué)模式對(duì)云桌面技術(shù)的需求也有所不同，因此在進(jìn)行部署時(shí)不能盲目行事，而是需要選擇合適的技術(shù)方案以滿(mǎn)足具體的教學(xué)需求。

線(xiàn)下教學(xué)主要以面授教學(xué)為主，老師和學(xué)生在同一物理空間進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)，教師通過(guò)講授、討論、實(shí)驗(yàn)等方式進(jìn)行知識(shí)傳授，依賴(lài)于多媒體課室和實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)所。這類(lèi)場(chǎng)景需具備以下特點(diǎn)：一是要具備穩(wěn)定的計(jì)算環(huán)境，兼容主流教學(xué)軟件，并支持課堂演示和學(xué)生上機(jī)操作。二是低網(wǎng)絡(luò)依賴(lài)性，避免教學(xué)中斷。三是易于管理和維護(hù)設(shè)備，快速修復(fù)故障，保證教學(xué)活動(dòng)順利進(jìn)行。在面授教學(xué)模式中，VDI架構(gòu)由于集中存儲(chǔ)與集中運(yùn)算，整體性能較差，且對(duì)網(wǎng)絡(luò)依賴(lài)強(qiáng)，軟件和外置設(shè)備兼容性方面也存在不足，不適用于面授教學(xué)場(chǎng)景，大規(guī)模部署VDI架構(gòu)會(huì)對(duì)教學(xué)開(kāi)展和教務(wù)管理造成較大局限性。相比之下，IDV、VOI 與TCI 架構(gòu)的分布式計(jì)算更適合面授教學(xué)使用[6]。VOI與TCI架構(gòu)對(duì)終端的硬件性能利用率最高，桌面性能表現(xiàn)最強(qiáng)，硬件擴(kuò)展容易且綜合成本較低，適合大規(guī)模部署在面授教學(xué)模式場(chǎng)景。VOI和TCI架構(gòu)的選擇應(yīng)根據(jù)終端的架構(gòu)進(jìn)行。當(dāng)教學(xué)環(huán)境對(duì)軟件或操作系統(tǒng)兼容性要求較高時(shí)，可以選擇IDV架構(gòu)。管性能稍遜，但能更好地解決軟件兼容性問(wèn)題，適用于小規(guī)模部署。

線(xiàn)上教學(xué)主要以非面授教學(xué)為主，主要包括線(xiàn)上教學(xué)、遠(yuǎn)程教學(xué)和混合教學(xué)。非面授教學(xué)模式打破了傳統(tǒng)課堂教學(xué)的時(shí)空限制，師生無(wú)須在同一物理空間即可開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)。借助互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)、移動(dòng)設(shè)備等信息技術(shù)，師生可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)進(jìn)行線(xiàn)上學(xué)習(xí)和互動(dòng)，教學(xué)方式更加靈活，適用范圍更加廣泛。非面授教學(xué)模式下，遠(yuǎn)程監(jiān)控與指導(dǎo)功能尤為重要，可以幫助教師實(shí)時(shí)跟蹤教學(xué)過(guò)程，并為學(xué)生提供一對(duì)一在線(xiàn)輔導(dǎo)。IDV、VOI和TCI架構(gòu)受限于本地終端，不適用于非面授教學(xué)模式。VDI架構(gòu)是唯一支持非面授教學(xué)模式的云桌面技術(shù)，可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)為師生提供具備遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)功能的統(tǒng)一教學(xué)環(huán)境，并支持個(gè)性化教學(xué)。VDI架構(gòu)支持高效的資源集中管理和數(shù)據(jù)安全保障，可確保教學(xué)資源在不同地點(diǎn)的安全訪(fǎng)問(wèn)和使用。然而，VDI架構(gòu)的部署和運(yùn)行成本較高，高校在選擇非面授教學(xué)模式時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行合理規(guī)劃，避免資源浪費(fèi)，最大化成本效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著教育信息化和云計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，云桌面技術(shù)在高校中的應(yīng)用將更加普及和深入。高校應(yīng)根據(jù)自身的教學(xué)需求和資源情況，靈活選擇和組合不同的云桌面技術(shù)，充分發(fā)揮其在提高教學(xué)質(zhì)量和管理效率方面的潛力。不斷優(yōu)化和升級(jí)云桌面技術(shù)，有助于高校提升信息化水平，為學(xué)生提供更加優(yōu)質(zhì)和多樣化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，推動(dòng)教育事業(yè)的全面發(fā)展。