桌面虚拟化系统在高校教学服务中的应用

徐铮宁+李沫

摘 要： 文章对桌面虚拟化系统进行了设计，利用桌面虚拟化技术加强多媒体教学用计算机的管理与维护，实现统一管控，减少故障风险；并对客户端本地缓存和服务器端缓存两种启动方式进行了测试比较，选择更高效的方式以缩短响应时间，提高教学服务效率。

关键词： 桌面虚拟化； 多媒体教学； 教学服务； 本地缓存

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2017）08-84-04

Abstract： The paper designs the desktop virtualization system to manage the computers deployed in different classrooms of different buildings， and the two startup modes of client-side local cache and server-side cache are compared through testing， so that centralized control and quick response of teaching service can be realized by choosing the most effective mode.

Key words： desktop virtualization； multimedia teaching； teaching service； local cache

0 引言

随着多媒体教学在高校的普及，教师采用多媒体技术来进行教学已成为常态[1]。计算机是多媒体教学中不可或缺的主要设备，由于计算机在教学过程中使用率较高，所以难免遇到各种问题。从维护角度来看，高校的计算机数量相当多，计算机故障明显增多，工作量也很大[2]。

近年来，高校纷纷建设新校区，多校区办学已成为普遍现象。校区面积扩大，多媒体教室数量也不断增加，教学用计算机分布在各个校区的各幢教学楼宇，维护管理的难度大。

本文探讨采用桌面虚拟化的方法，对所有多媒体教室计算机桌面和应用进行统一配置和管理，以改善目前多媒体教室计算机的应用及管理，减少管理人员的重复性工作，提高教学服务的效率和质量。

1 多媒体教室计算机管理工作

1.1 故障主要原因

⑴ 公共多媒体教室的计算机读取和演示師生自带的U盘，这些外接设备不可避免会带入病毒。虽然安装杀毒软件或还原卡可以起到一定的防范作用，但实际上还是无法根除病毒隐患。

⑵ 为满足不同学科的教学需求，安装了较多的应用软件，导致启动速度慢，甚至因软件冲突导致经常死机。

⑶ 师生各种误操作导致设备无法正常运行。

⑷ 计算机使用多年，配置陈旧，运行缓慢，无法满足日常教学需要。

⑸ 日常维护跟不上，系统补丁、病毒库等更新不及时，系统垃圾文件得不到及时清理。

1.2 管理主要难点

⑴ 没有统一的后台管理系统，无法集中管理控制设备，无法实时了解教室计算机运行情况，不能实时监控故障，出现问题也不能远程协助或解决。

⑵ 单台计算机维护工作琐碎繁杂，需要定期查杀病毒、安装系统补丁、增加或修改应用软件、还原/重装系统等等，较为费时费力。

⑶ 设备购置时间有先后，导致配置差距较大，硬件种类繁多，加大了管理难度。

⑷ 管理体制尚不健全，高校对多媒体教室管理方面的教辅人员数量普遍压缩，维护人数不能满足大规模教学服务的需求。

1.3 解决对策

建设一套基于客户端本地缓存的桌面虚拟化系统，把多用户使用的多桌面和多操作环境集中起来，实行统一管理，帮助多媒体教学服务部门在充分利用原有计算机设备的基础上，建立一个高效、快捷的管理架构，把原先只能分散管理的单台计算机全部纳入集中管控，管理人员无需逐个教室地单台安装，便可实现操作系统、病毒库及应用软件等快速更新，提高维护工作效率，在计算机因软件故障而无法正常工作时能得到及时、有效的维护[3]。

2 桌面虚拟化及系统平台架构

2.1 桌面虚拟化

桌面虚拟化就是将个人电脑的桌面环境与物理机器分离，形成客户端-服务器计算模式。桌面虚拟化技术具有灵活、方便、集中管理、安全、降低功耗等特点，依赖于服务器虚拟化，生成大量的独立的桌面操作系统镜像，通过专有的虚拟桌面协议发送给终端设备[4]，客户端设备可以在完全不同的硬件架构上使用虚拟桌面环境，拥有自己独立的完全不同的操作系统。

2.2 桌面虚拟化系统整体架构

桌面虚拟化系统可以对多个校区的多个教学楼里多媒体教室的计算机实现全网多点式集中管理，用户能够在平台上部署和运行任意的软件，包括操作系统和应用程序[5]。客户端计算机的操作系统和应用软件都可以通过桌面虚拟化平台进行分配。当系统和软件需要升级时，只要在桌面虚拟化平台做好系统升级，任课教师在上课时启动计算机后，最新的系统和应用软件就会传输到本地。这样，管理人员不必在各个教学楼、各个校区之间来回奔走，就能对所有的计算机进行管理和维护，节约了维护的时间，减轻了工作量。系统拓扑结构及工作时序图如图1所示。

当客户机启动时，向桌面虚拟化服务器发送DHCP请求，服务器接收到客户机请求后，分配IP地址并发送预定的虚拟化桌面，客户机调用发送过来的虚拟化桌面。

3 桌面虚拟化系统的设计

系统功能模块主要包括快速使用系统、快速配置系统、镜像管理、客户端设置、客户端操作、桌面漫游、群组管理等七个功能模块。

⑴ 快速使用系统模块。该模块开启了DHCP和系统服务后，整个桌面虚拟化系统才能正常运行，客户端才能正常地连接到服务器端。该模块包含多个小功能模块，如“启用/停止DHCP服务”、“启用/停止系统服务”、“配置信息备份”、“配置信息恢复”、“配置信息导出”等。

⑵ 快速配置系统模块。该模块设置桌面虚拟化系统的网络参数，使客户端能正常连接服务器；配置服务器的多网卡负载均衡，减轻流量并发时造成的服务器压力；设置服务器密码；配置服务器高级选项，根据网络情况改变服务器的性能。

⑶ 镜像管理模块。客户端计算机要获取的系统在服务器端以镜像形式存在，根据不同的系统和不同的应用需求，可以制作不同的镜像，方便客户端调用。镜像可分为基本镜像、快照镜像等，可以在基本镜像的基础上将增加的部分作为快照镜像，更加方便镜像的制作和管理。

⑷ 客户端设置模块。该模块由多个小功能模块组成，“新增/删除客户端”和“客户端属性修改”可以修改客户端名称、物理地址、网络地址等；“重建客户端缓存”用于本地系统缓存遭到破坏而无法启动时重建本地系统缓存；“客户端启动设置”可以设置客户端启动镜像的方式是本地还是网络启动；“客户端功能禁用/启用”可以禁用USB设备、禁用CDROM、禁止设置IP、禁用网关和DNS、禁用本地磁盘或其他的外围设备等。

⑸ 客户端操作模块。主要用于对分散的计算机进行远程操作和管理，以便管理人员快速解决多媒体教室的计算机问题，提高管理效率。该模块由多个小功能模块组成，“远程维护”可以在服务器上对客户机进行网络配置、系统调试等操作；“远程控制”用于对客户机进行远程开/关机、重启等操作；“远程命令”可对选定的一台或多台客户机发送远程命令，比如对选定的客户机的本地硬盘上进行格式化；“OS分发”可以将选定的镜像分发给选定的客户机，实现操作系统远程集体部署。

⑹ 桌面漫游模块。主要给教师分配用户名和密码，这样用户在任意的多媒体教室上课都能登录桌面虚拟化平台，使用自己定制的操作系统，例如教师教学所需的特定语种和特殊软件，或是符合日常使用习惯的个性化系统设置等。

⑺ 群组管理模块。可以根據需要对客户机进行分组，以方便对客户机的管理。可以把相同配置的客户机分到一组，也可以按教学楼和院系进行分组，以便对每组客户机进行统一的配置和管理，分配统一的镜像系统等。

4 桌面虚拟化系统的测试

4.1 功能测试

功能测试的目的就是要检测系统各功能是否达到设计的要求。本文对新增客户机和制作镜像快照两个最常用的功能进行了测试。

首先是新增客户机的测试。测试过程：

第一步，客户端计算机BIOS里修改为网络启动，通过PXE网络启动查看客户端计算机的MAC地址；

第二步，在服务端手动添加客户机的详细内容，如MAC地址、计算机名称、IP地址等；

第三步，将客户端计算机进行分区，分为系统区、插件区、DATA区、客户端缓存区；

第四步，将客户端插件安装至分好的插件区；

第五步，进入插件设置界面设置静态网络设置模式，填写服务器地址、客户端DNS、客户端网关、客户端子网掩码、客户端IP地址等信息；

第六步，在服务端虚拟化管理软件查看到成功添加的计算机。

测试结果：各测试点客户端插件能够正确安装并进入插件设置界面；插件设置界面能够正常填写客户端属性信息并能成功保存；服务器端虚拟化管理软件能正常打开并切换到客户端设置页面；点击新增按钮能正常启动新增客户端页面；在页面里能正常填写客户机属性信息并正常保存；能正确生成新加入的客户端计算机；新增的客户端计算机与服务器端正常连接。

其次是制作镜像快照的测试。测试过程：

第一步，打开客户端高级属性对话框，选择“服务端缓存模式”，然后点击“确定”按钮；

第二步，在客户端属性页面将“还原操作系统”选项取消勾选，点击“确定”按钮，完成服务器设置；

第三步，在选定的PC机上安装软件或者部署课件，安装完成以后关闭选定的PC机；

第四步，镜像管理窗口，点击快照管理，进入快照管理窗口；

第五步，选择对应的镜像，点击“生成快照”按钮，打开生成快照对话框，选择对应的PC机，输入新生成的快照名称，然后点击“确定”按钮；

第六步，将之前做的快照调用到客户端计算机启动菜单中。

测试结果：各测试点均能正常打开桌面虚拟化系统的客户端属性页面；页面信息能正常显示并使用；能正确输入快照的名称和信息；能正确生成快照；能将新生成的快照调用到客户端计算机启动菜单中。

4.2 性能测试

重点测试在使用客户端本地缓存和服务器端缓存两种模式时，客户端启动时间、服务器CPU使用率以及网络和I/O流量的情况。每种种模式下选择同时启动5台计算机进行测试，测试工具有秒表、System Explorer、NetWorx、桌面虚拟化系统自带监测工具等。

⑴ 使用秒表测得客户端本地缓存模式进入系统所需的时间为1分21秒，而服务器端缓存模式则需要4分30秒。

⑵ 使用 System Explorer测得两种启动模式服务器CPU的使用率对比如图2所示。

⑶ 使用NetWorx测得两种模式从连接服务器到启动系统进入桌面的服务器流量对比如图3所示。

⑷ 使用桌面虚拟化管理端自带的监测软件测得I/O流量对比如图4所示。

4.3 测试分析

⑴ 关于启动时间：使用客户端本地缓存方式，从开始进入操作系统，到启动完成正常进入桌面系统耗时1分20秒左右，这与单机正常启动的时间差不多；而使用服务器端缓存方式，整个启动过程耗时4分30秒左右，启动更费时。

⑵ 关于服务器CPU使用率：采用客户端本地缓存启动时峰值为30%，基本稳定在6%左右，而采用服务器端缓存启动时峰值为36%，基本稳定在18%左右，所以采用客户端缓存启动方式占用服务器CPU更低。

⑶ 关于服务器流量：以服务器端缓存方式启动的流量明显高于客户端本地缓存方式启动，流量分布也更密集。在客户端本地缓存模式下，每台客户端计算机有450MB左右的系统缓存，当系统启动时从服务器端接收的数据流量每台为4.2MB左右，5台共21MB左右；而在服务器端缓存模式下，每台客户端计算机只有47MB左右的系统缓存，当系统启动时从服务器端接收的数据流量每台为422MB左右，5台共2TB左右，因此该启动方式会对网络造成巨大压力。

以上比较测试所得数据说明，如果采用客户端本地缓存的方式，系统启动的时间正常，对网络和服务器的压力相对较轻，能让师生有较好的体验。此外，如果能够增加桌面虚拟化系统所使用的网络带宽，网络延迟会进一步减少，用户体验会更好。

5 结束语

本文围绕高校多媒体教学服务中计算机的管理与维护工作，基于客户端本地缓存方式，对桌面虚拟化系统进行了设计开发，并在现实环境中进行了应用与测试，基本实现了设计的功能，满足教学和管理的要求。相比传统模式，桌面虚拟化系统能对分散的单台计算机进行统一管理，提高教学服务的效率；系统实现对客户端计算机的硬件没有特殊要求，可以在现有资源上建造[7]，能使不同硬件配置的计算机得到充分利用；能在人员短缺的情况下实现服务的及时响应，牢牢把握为教育教学主动服务的主线，创新工作思路和方法，以进一步提高工作成效[1]。

由于使用范围和应用规模所限，本研究所设计桌面虚拟化系统的可靠性和稳定性有待继续观察和优化。相信随着技术的日益成熟，桌面虚拟化将在高校获得更广泛和深入的应用，为多媒体教学提供更优质高效的服务。

参考文献（References）：

[1] 沈宏兴.多媒体教学服务的创新模式——设备自动，服务主动[J].现代教育技术，2015.10：86-91

[2] 卢民荣，许邓艳.基于桌面云的实验室资源优化研究[J].现代教育技术，2015.7：101-106

[3]金彪，郑小建，姚志强等.桌面虚拟化与计算机实验室管理[J].实验技术与管理，2014.2：85-88

[4] 邓少华.桌面虚拟化技术在多媒体教室管理中的应用[J].网络安全技术与应用，2014.1：34，37

[5] 复旦大学并行处理研究所等.系统虚拟化—原理与实现[M].清华大学出版社，2009.

[6] 王卿海，杨立博.基于本地缓存的桌面虚拟化在高校机房的应用研究[J].电脑与电信，2015.Z1：93-95

[7] 余翀翀，黄丽萍.机房和多媒体教室管理系统的虚拟化建设[J].实验室研究与探索，2014.4：228-232