基于VDI 的云桌面技术在高校计算机实验室中的应用

马文杰

（连云港师范高等专科学校信息中心，江苏连云港 222006）

近年来，信息技术飞速发展，特别是随着云计算、大数据和物联网等技术的普及运用，各类热点技术层出不穷。技术的进步为高校人才培养提供了有力支持，也提出了更高的要求。计算机实验室作为高校信息技术类课程的实验实训阵地，承担着学生计算机课程学习与实验教学任务。面对各类纷繁复杂的实验环境和迅速扩大的学生规模，传统的计算机实验室管理模式已经无法满足实验教学的需要[1]。云桌面技术作为云计算技术中的一个重要应用，通过对各类硬件资源的虚拟化，提供集中管理和部署的虚拟化桌面，可以构建高校新型计算机实验室。

一、传统高校计算机实验室存在的问题

高校计算机实验室除了承担计算机公共课教学、专业课教学等常规教学任务，还经常承担专业技能培训、比赛和考试等工作。随着高校办学规模的扩大，计算机实验室的任务越来越重，业务也更加复杂，传统的建设和管理模式在建设成本、管理效率、数据安全等方面的不足日益凸显。

（一）教学环境部署困难

随着计算机课程类别的增多，高校计算机实验室需要频繁进行教学软件环境的部署、升级和切换，在桌面部署和系统更新方面占用了管理人员大量的时间和精力，甚至还会因为实验环境无法及时满足需求而影响正常的教学工作。

（二）故障率高，维护难度大

计算机实验室的PC 属于公用设备，学生在使用过程中往往会不经意损坏实验室的某些终端系统，造成设备故障。同时，PC 运行时间久了也会逐渐老化，运行速度变慢，不仅影响教学效果，而且导致实验室设备维护工作量剧增。

（三）设备利用率差，投入成本高

据统计，高校计算机实验室PC 整体性能的平均利用率不到15%，不仅存在资源严重浪费的现象，而且导致运行成本居高不下。此外，当设备老化或者教学需求发生变化时，计算机实验室就必须全部更换所有PC，大大增加了教育资源的投入成本。据统计，传统计算机实验室需要投入大量资金用于独立计算机的购置，而且每隔3—5 年就要对性能落后的计算机进行升级或淘汰。此外，传统的计算机噪音干扰和机体辐射较为严重，平均每台功耗为200 W，用电成本高。

（四）桌面可控性差，数据安全无法保障

传统PC 无法实施任何管控措施，学生在课上偷偷打游戏或看视频，教师无法及时管控，既影响课堂秩序又影响教学效果。同时，学生随意使用U 盘、移动硬盘等设备，使得PC 感染病毒的几率增大，PC 一旦中毒就会导致实验室主机瘫痪，数据丢失，给实验室管理带来很大的风险。

二、云桌面技术的应用优势

云桌面技术是虚拟化技术的具体运用，其核心是运用虚拟化技术对原有的物理设备进行处理，使终端桌面在服务器上运行，实现了桌面的虚拟化。用户通过在各类终端（传统电脑、瘦客户端、移动终端）上运行的远程显示协议与服务器进行连接，可以像访问本地安装的桌面一样访问运行在服务器上的桌面，从而实现了桌面的集中化部署和管理。

云桌面技术为高校计算机实验室提供了一种更加高效的管理模式。管理人员通过在服务器端进行配置，就能对计算机实验室所有PC 进行统一管理，并能对资源进行按需分配。云桌面技术最突出的特点就是“轻前端，重后台”，即管理人员在资源配置管理时，可对用户桌面进行统一维护和管理，缩短设备维护时间，减少维护工作量，由后台服务器负责完成全部数据处理，同时还可以增强系统的安全性[2]。

目前主流云桌面应用较多的是虚拟化技术VDI（Virtual Desktop Infrastructure）[3]。VDI 是虚拟桌面基础架构，也称集中运算式架构，是一种集管理、云端计算、云端存储于一体的技术架构。VDI 依照“集中计算，分布显示”的原则，将所有客户端桌面运行在后台服务器上，用户使用运行VDI 客户端程序的各类终端进行访问。VDI 架构应用于高校计算机实验室存在多种优势。

（一）终端桌面集中管理，教学环境快速部署

VDI 采用集中计算的运行模式，所有的桌面都运行在服务器端，桌面管理集中在后端的数据中心，实验室管理员、教师或技术人员在后台即可对桌面镜像和相关应用程序进行管理和维护。实验室管理人员可以制定不同的课程模板，方便不同年级学生使用；还可以实现不同场景自由选择，建构更弹性、更灵活的教学模式。当学校办学规模扩大和教学课程变更时，实验室管理人员可通过快速集中桌面部署来实现教学环境的变更和维护，这不仅能节省时间，而且能降低管理成本。此外，集中的桌面管理还可以对学生权限进行统一管控，有利于教师管理课堂纪律，保证教学质量。

（二）数据集中存储，安全保障系数高

在VDI 框架下，所有终端桌面产生的数据都集中存储在服务器上，即便终端发生故障，各终端桌面的数据也不会丢失。管理员在数据中心对桌面和应用进行集中维护，使得普通用户数据也可以获得高级别的数据安全保障。一句话，采用VDI 架构的云桌面，可以确保整个实验室系统安全稳定运行。

（三）瘦客户端终端设计，降低故障率

VDI 框架下的用户终端可以采用瘦客户端设备。瘦客户端提倡并重视精简化设计，仅需提供鼠标、键盘和显示器等外接设备，用户就可以进行基本的输入、输出，获得显示结果。采用精简设计的瘦客户端设备，硬件故障率低，无需进行本地资源维护和管理，能够减少计算机实验室管理工作量。

（四）软硬件资源虚拟化，实现资源共享

VDI 架构的核心是服务器端，服务器通过对各类软硬件资源的虚拟化，提供虚拟的桌面系统。由于采用集中计算模式，整套计算机实验室系统除了终端输入、输出设备，其他资源全部集中在后端服务器上。后端服务器通过虚拟化技术按需分配和动态调整相关内容资源，有效地实现了资源共享和负载均衡，避免了资源浪费与设备性能不足导致的矛盾。

（五）绿色环保，降低运营成本

在VDI 架构中，终端平台无需使用传统的PC，降低了能源消耗和建设成本；桌面的运行与终端平台无关，所以终端性能不需要追随操作系统与应用的改变而不断升级，减少了资金投入；虚拟化技术的应用，可以让现有资源得到最大化的利用。总体来说，绿色环保的VDI 云桌面可以降低总成本。

三、高校计算机实验室VDI 架构的规划布局

（一）需求分析

以高职院校L 校为例。该校计算机实验室主要承担计算机类课程的实验教学和各类上机考试任务，现有60 机位实验室6 间，总机位数360 个。计算机实验室桌面部署的应用主要有Office、数据库软件和其他各类编程软件等。计算机实验室原有终端采用传统PC 机的模式，主机使用还原卡技术进行数据保护。在现有模式下，管理人员需要耗费大量精力和时间进行相关业务软件的升级和系统更新。特别是一些高级别的机上考试任务，一般需要准备纯净的考试环境，安装与维护任务繁重。如果使用集中部署的VDI 云桌面技术对原有实验室进行改造，能有效破解当前的管理难题。

（二）总体方案

云桌面系统的部署根据校园网建设的条件不同，可以分为集中部署和独立部署两种。集中部署是指将云桌面服务器集中部署在数据中心，所有计算机实验室都从数据中心获取桌面。独立部署是指将云桌面服务器独立部署在计算机实验室供各个终端使用。从技术先进性、维护便携性和资源共享性等方面考虑，L 校的VDI 架构最好采用集中部署模式，其物理架构如图1 所示。

图1 VDI 云桌面物理架构

由图1 可见，基于VDI 的云桌面系统由VDI 集群、云终端和网络系统三部分组成，三个层面紧密结合，为计算机实验室用户提供安全、可靠的教学环境。VDI 集群是承载云桌面系统的核心服务器集群。VDI集群通过虚拟化技术（服务器虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化和显卡虚拟化）实现各类硬件资源的底层虚拟化，并按需要将虚拟资源分配给特定桌面，支持动态的资源调整和负载均衡，实现教学环境、计算、存储、配置策略的统一管理和快速交付。云终端是用户输入输出设备，为了降低硬件故障率并实现设备的稳定运行，可以采用一体化设计的瘦客户端。网络系统为VDI 云桌面提供高速、稳定的传输网络，满足远程显示协议的通讯需求。

（三）具体设计

1.VDI 集群设计

为了向各计算机实验室提供云桌面服务，VDI 集群需要配置能够满足所有实验室用户桌面使用需求的硬件资源。终端可以分为普通桌面和高性能桌面。L 校根据计算机实验室功能与用途的不同，配备普通桌面实验室4 间，高性能桌面实验室2 间。为了满足桌面性能的需要，VDI 集群需要详细规划各类硬件资源。

云桌面采用链接克隆技术由虚拟机模板批量生成，使用过程中产生的增量数据存储在VDI 集群的企业级SSD 上，因此IOPS 不会有瓶颈，在选择SSD时只需考虑容量。根据对L 校教学内容复杂度的调研，该校VDI 集群分配给增量数据和虚拟机模板的存储容量比分别是60%和40%，规划每个云桌面分配5 GB 增量盘，每个桌面分配5 GB 作业空间，每个教师分配10 GB 个人空间。这些数据的读取和保存对IOPS 的要求不高，因此可以保存在企业级HDD上。CPU、内存、SSD、HDD 的容量计算方法见表1。

表1 硬件资源计算方法

（1）CPU 核心数。L 校计算机实验室设240 个普通桌面，每个桌面分配1 个VCPU；120 个高性能桌面，每个桌面分配2 个VCPU。该校共有6 间计算机实验室，每间实验室按1 个物理核虚拟3 个虚拟核的推荐值，虚拟化比例就是1∶3。此外，要空出两个物理核作为管理资源。根据表1 计算CPU 的方法，需要的CPU 核心数为172 个。

（2）内存容量。240 个普通桌面，每个云桌面分配2 GB 内存。120 个高性能桌面，每个云桌面分配4 GB内存。代入表1 计算内存的公式，结果为：

内存容量=240×2 GB×120%+120×4 GB×120%=1 152 GB

共需要16 GB 的内存条72 根。

（3）SSD 容量。总共360 个桌面，每个云桌面分配5 GB 增量盘，代入表1 计算SSD 的公式，结果为：

SSD 容量=360×5 GB÷60%=3 000 GB

共需要240 GB 的SSD 硬盘12 块。

（4）HDD 容量。总共360 个桌面，每个云桌面分配5 GB 磁盘容量作为作业空间；20 位任课老师，每人分配10 GB 个人空间。代入表1 计算HDD 的公式，结果为：

HDD 容量=360×5 GB+20×10 GB=2 000 GB

考虑到数据的安全性，HDD 需要做Raid1。此外，系统基础组件需要占用约200 GB，因此共需要2 TB的HDD 硬盘4 块。

2.显卡虚拟化技术应用

VDI 架构的云桌面只能支持简单的二维CAD 或PS，无法满足图形加速等设计业务的要求。而最新的显卡虚拟化技术可以为VDI 云桌面提供虚拟显卡，实现对3D 设计类图形密集型应用的支持，提升用户体验。显卡虚拟化技术（VGPU）能够对服务器的显卡资源进行分割，创建显卡资源池，并且能根据需求分配显卡资源，进而实现资源的动态调整。此外，VGPU技术能为本方案需要的高性能桌面配置虚拟显卡，满足设计类专业、3D 计算机实验室的使用需求。

3.实验室云终端设计

VDI 架构支持包括瘦客户端、PC、笔记本电脑和智能设备在内的各类终端的访问，L 校可以根据实验室的应用环境和需求，选择瘦客户端作为学生终端部署。一方面，瘦客户端在VDI 云桌面架构下完全可以满足计算机实验室教学的需要；另一方面，瘦客户端硬件成本低、能耗低、用途广、生命周期长，适合用于建设绿色环保的计算机实验室，降低建设成本。考虑到原有实验室的显示器可以利用，建设方案可以采用分体式瘦客户机，用来替代淘汰的PC 主机。

4.网络系统设计

云桌面对带宽的要求因实际教学使用内容而异，具体需求见表2。

表2 云桌面带宽需求

在计算机实验室中，屏幕广播、视频广播等教学功能是基于组播协议开发的，本身带宽占用就不高，且只使用教室内部网络，因此在带宽设计时可以不予着重考虑。从表2 的数据可以看出，每个云终端只要保证有10 Mbps 以上的带宽就可以为用户提供流畅的使用体验，因此使用千兆交换机就能满足教学与学习的需求。另外，由于终端用户较多，为了提高系统的吞吐量和并发量，VDI 集群中的主机均需配置万兆网卡。

目前，基于VDI 架构的云桌面在应用中还有不足，并不能适用于所有需求，需要采取一定措施给予弥补。其一，桌面性能不足。VDI 架构中，终端没有计算能力，桌面全部运行在后台的服务器上，终端使用远程显示协议访问服务器上的虚拟桌面，所以在性能上不如传统的PC 机，对3D 图形设计、多媒体等图形密集型应用支持较差。其二，初始建设成本较高，不适合小规模部署。VDI 模式虽然节省了PC 终端的投入，但是需要进行基础架构改造，初期购买核心服务器和虚拟化软件许可的资金投入较高，对管理人员的技术要求也更高，不适合小规模的应用场景部署。其三，不支持离线环境。在VDI 架构下，客户终端需要通过网络通讯才能实现对运行于服务器上的虚拟桌面进行访问和使用。如果网络中断或者处于没有网络的环境中，客户终端就无法使用云桌面。

基于VDI 架构的云桌面技术可以解决传统高校计算机实验室在管理运维、建设成本、绿色环保、数据安全等方面存在的问题，帮助高校提高管理效率和管理水平，是实现实验室信息化管理的重要技术手段。目前，VDI 终端的性能尚不能完全达到PC 水平，显卡虚拟化技术提供了一些解决实际问题的方法和路径，但也带来了一些新问题，需要进一步研究并加以解决。