基于瘦客户机的云平台在实验教学及管理中的应用

摘要：阐述采用虚拟化技术实现用户云桌面的方法，有效解决瘦客户机系统性能差、对服务器的运算能力和网络带宽要求过高、多媒体播放效果差等缺点。介绍基于瘦客户机的实验教学平台视频传输效果，指出通过引入流标签和组播技术等概念，能够提供更好的服务，弥补在多媒体应用上的不足，有效满足高校实验教学多样化的需求。

关键词：瘦客户机；云桌面；资源建设；实验教学；网络教研；共享课堂

0 引 言

实验教学是高等学校人才培养中至关重要的环节，它在学生能力培养中发挥着不可或缺的作用。高水平实验室建设与管理是保证高质量实验教学的必要条件：通过高水平实验室的建设与管理，实现对优质软硬件资源的整合与共享，为高校实验教学提供良好的平台保障，对提高高校的实验教学质量大有裨益。以高水平实验教学平台为基地，推进高校创新人才培养，加强产学研的紧密结合，已经成为很多高校的一致共识。

目前，国内高等学校对实验设备的管理通常采用分散管理方式，需要数量众多的实验室管理人员，而管理员在日常设备管理和维护过程中需要应对病毒、系统或硬件故障等问题，费时费力，管理效率低下。另外，高校需要定期或不定期地对计算机设备进行更换或升级，这也造成了资源的严重浪费。实验室管理制度限制了学生参与实验的时间和地点，也无法提供全天候服务，无法实现完全开放。由于学生不能自由地选择时间，使知识得不到实践验证，很难达到融会贯通的效果。因此，我们提出将基于瘦客户机的云平台应用在实验教学及管理中，采用云桌面虚拟化技术，有效解决上述问题。

采用云桌面技术，使得低成本瘦客户机用户可以获得与传统计算机一样的桌面系统，且瘦客户机不需要安装任何操作系统或软件，所有的软件维护均在服务器端完成，因而具有低成本、虚拟化、高可靠性、高可扩展性等特性，比较彻底地改变了目前学校管理计算机设备和提供计算资源服务的方式。因此，基于瘦客户机的云平台将会在实验教学和管理中发挥非常重要的作用。

1 云桌面技术发展现状

近几年，随着计算机和网络通信技术的高速发展，云计算在世界范围内得到了快速发展。2011年，美国颁布了《联邦云计算战略>；2012年，欧盟委员会启动了《释放欧洲云计算潜力》的战略计划；澳大利亚、日本等国也都在国家层面出台了对云计算的支持政策。很多跨国IT公司（如微软、谷歌、亚马逊、IBM、惠普、思科等）自主研发了云计算产品；国内IT公司（如阿里、百度、腾讯等）也都拥有自己的云产品。在虚拟实验教学领域，云计算因其虚拟化、大规模、低成本、高可扩展性、高可靠性等优势，正在发挥越来越重要的作用。

云桌面技术是云计算的一个典型应用，将其应用到虚拟实验教学平台建设中是当下实验教学的发展需要。云桌面通过浏览器（或类似应用）提供与Windows或Mac等操作系统外观相似的虚拟操作环境，其文件、数据以及大部分运算均位于远端的云服务器中，这样就可以把管理服务、虚拟实验数据空间等以桌面化的方式提供给用户，使学生可以不受设备和时空的限制，保证实验学习、实验授课等活动的延续性和体验一致性。

日前，国外已经有一些大学为本校师生提供云桌面服务，如英国林肯大学的Cloud Desktop、美国夏威夷太平洋大学的HPU Cloud Services、美国圣克劳德州立大学的Campus/iCampusDesktop等。国内高校对云桌面虚拟化技术的研究仍处于起步阶段，目前东南大学、浙江大学、中山大学等高校在尝试使用，并且取得了一定的应用效果。

2 基于云计算的瘦客户机桌面虚拟化技术

瘦客户机（thin client）指的是在客户机一服务器网络体系中，通过标准协议和服务器通信接入局域网的一个基本无需应用程序的计算机终端。在应用瘦客户机的系统架构中，服务器端安装有服务于瘦客户机的多用户虚拟化应用程序，用户不能在瘦客户机上安装软件，只能在登录后的虚拟机环境下安装软件。

笔者提出的桌面虚拟化特点在于将桌面虚拟化，不限制访问“个人虚拟桌面”系统的时间和地点，用户使用任何终端设备通过网络接入云平台后，都可以正常地使用任何网络资源，获得和个人计算机棚同的效果，但是却比传统桌面更加灵活和安全，所以基于瘦客户机的云平台技术实验室管理系统具有以下优点。

1）高效的课件管理，集中管理控制。

在服务器端集中设定应用程序，采用虚实结合的技术，虚拟实验教学平台。提供集中和统一的管理平台，能够对实验设备、教师桌面、虚拟实验教学课件、教学终端进行高效的统一管理，系统管理员可以仅使用一台电脑，足不出户地解决所有运维管理问题。

2）提高教学连续性。

学生和教师的实验学习以及教学环境系统会自动保留，以备后续的课程学习、使用和回顾。用户桌面具备超过“还原卡”功能的“还原”能力，用户可以自行选择是否还原、还原到哪个断点，而非系统强制还原到某一点。

3）丰富完整的用户体验。

虚拟实验教学桌面跟普通PC无差别的使用习惯和体验，减少了培训成本。此外，虚拟实验教学云平台不仅提供普通的办公环境、课件环境.教学环境，而且提供高端的设计类虚拟实验教学环境、丰富的多媒体教学环境等，为用户提供丰富、完整的用户体验。

4）使用灵活。

虚拟实验教学平台采用“客户机一服务器”工作方式，因此通过虚拟实验教学实践平台，可以让老师和学生在校园内任何有网络连接的地方使用自己的“个人桌面”，使移动办公和学习成为可能。

5）低成本。

虚拟实验教学平台的云终端设备具有电子器件少、体积小、零噪音的优点，并且功耗低，一般只有几十瓦，却具有长达6-9年的使用寿命瘦客户机主要依赖服务器端的计算资源和存储资源，避免了硬件设备的闲置和浪费。

6）高安全性。

因为云计算实验室的软件和数据都在云端，客户使用的都是“云”虚拟出来的环境，这避免了传统实验室因为一台计算机感染病毒，导致整个机房瘫痪的问题；此技术杜绝了用户随意安装软件、带走实验室内部数据的现象，从而保证了实验室内部信息和系统的安全。

7）管理维护成本低。

基于瘦客户机的虚拟化技术，不需要在瘦客户机上安装软件，因而，系统管理员不用操作客户端，只需在服务器端统一实现，即可完成实验室整个系统的管理、维护、升级等工作。因此，负责维护和管理的工作人员负荷大大降低，有效地节约了人力成本。

3 基于瘦客户机虚拟实验教学平台的功能和结构

虚拟实验教学平台的核心是采用云计算和虚拟化技术，建设一个虚拟实验教学管理和资源共享的云平台，实现校内外的优质实验教学资源充分共享和深度融合，满足多点、多地和多种终端访问的虚拟仿真教学的需求。

该平台提供了非常全面的虚拟实验教学功能，主要包括：实验课管理、教学计划制定、虚拟实验教学平台门户网站、实验时间和地点预约、实验成绩增删改与查看、实验室设备管理等。其中，门户网站也可以服务当地教育行政部门，为全区教师提供专业发展平台，达到为基层学校提高教育教学质量服务、推进教育教学改革的目的。开放式虚拟实验教学平台在学校的管理、科研、教研、培训等工作中发挥着非常重要的作用。图1为基于瘦客户机的开放式虚拟实验教学平台架构图，系统的工作方式如下。

（l）通过瘦客户机等终端设备，用户可以方便地连接到系统服务器端的虚拟化集中工具——会话管理中心，为桌面环境与服务器提供统一的管理平台 。

（2）在用户登录时，服务器会根据不同的用户分配不同的桌面环境。用户通过身份验证进入云数据中心后台，实现了虚拟桌面的无缝登录。

（3）用户登录后，可以进行一系列活动，包括预定实验室、查询实验情况、查询实验课表等。另外，每个实验室配有相应的监视器，用来显示实验台的使用情况。

（4）如果用户选择的是预定实验室或实验台操作，则要在预定的时间内，通过一卡通刷卡进入实验室。笔者教学中使用ZigBee控制实验台电源，在用户刷卡后，对应的已预定实验室或实验台的电源转到“开”状态，而监控器上会显示相应的实验台的状态。

4 基于瘦客户机实验教学平台中视频传输应用效果

传统的瘦客户机系统对服务器性能和网络带宽提出了过高的要求。在以往的应用实践中，虽然瘦客户机系统能够满足用户的大部分需求，但是多媒体通信的体验无法令用户满意。在校园网络中，在线用户多、在线时间长，用户带宽和网络应用相对于商业网络和小区网络更复杂。现在市场上大部分云终端或瘦客户机在虚拟桌面使用中只支持窗口化的标清视频；而基于云计算平台的瘦客户机系统，通过引入流标签和组播技术等概念，不仅可以提供更好的服务质量，还可以弥补多媒体应用上的不足，使用户通过“云”体验到非常理想的流媒体播放效果。笔者采用的办法足对瘦客户机的硬件进行重新开发，降低服务器和网络的压力，使虚拟机播放高清视频非常流畅，并且支持HDMI高清接口、1080P高清电影播放，提供不低于30FPS的帧速率，虚拟桌面颜色大于32位，每台虚拟机占用带宽400-600KB，支持远程播放视频。因而，改进后的瘦客户机系统有效地改进了多媒体性能，很好地支持虚拟云平台环境下的多媒体应用。

5 结语

通过基于瘦客户机的实验教学平台的建设，教学受时间和空间限制、人力资源短缺、运行维护难、信息安全等问题都得到了有效解决此外，平台还提供了开放的、多维的、互动的、和谐的教学环境，使实验室以及实验设备得到了高效利用，有效提高了学生的实践能力、创新意识以及自主学习能力。另外，随着电子技术和云计算技术的发展，基于瘦客户机的云平台将会更好地满足高校实验教学市场的需求，所以从应用的角度来说，其在教学市场的前景非常广阔。