基于桌面虚拟化的多媒体教室建设

刘艳超 冷红凡 王维虎

[摘    要] 随着智慧校园建设的发展与虚拟化技术的不断成熟，传统桌面教学问题日益突出。为进一步提高信息化教学水平，探索新的桌面教学方式十分必要。首先分析传统桌面教学存在的问题和当前虚拟化技术发展的特点;然后提出基于VMware的桌面虚拟化架构;最后进行总结。桌面虚拟化给教师提供易用的、个性化的、灵活性、高性能的教学环境，给管理者提供智能化和规范化的管理环境。

[关键词] 桌面虚拟化;智慧教学;VMware;多媒体

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 13. 095

[中图分类号] G484    [文献标识码]  A      [文章编号]  1673 - 0194（2020）13- 0224- 03

0      引    言

当前，大部分高校采用传统独立完整PC物理机和网络组合模式的桌面教学方式，基本满足教学需要，但是随着多媒体规模扩大、网络安全要求提高、师生追求更加个性化和更具灵活性的教学方式，传统桌面教学开始凸显各类问题。另外，成熟的桌面虚拟化和云计算技术已经普及，企业具备实施桌面虚拟化技术资质和技术保障支持能力，桌面虚拟化成为桌面教学方式改革的重要方向，，可以促进智慧教学和智慧校园无缝对接，提供“桌面即服務”和“按需交付”的服务方式。

1      高校传统多媒体桌面教学存在的问题

1.1   存在安全隐患，维护困难

一方面，传统多媒体桌面教学模式由于终端数量众多且重要数据存储于本地、使用者技能参差不齐、信息安全意识不强和系统安全隐患日益增多等因素，数据泄露和丢失风险加大，桌面教学终端成为安全隐患集中爆发的地方;另一方面，由于开放的网络环境、不确定的使用者、病毒和黑客的攻击以及病毒类型复杂和传输途径多等因素，病毒的感染和传播难以控制，多媒体计算已成为病毒的重灾区，比如钓鱼网站、使用含有病毒的存储设备等，一旦某台计算机感染病毒，很可能快速导致局域网瘫痪，甚至影响教学秩序;此外，传统的桌面教学安全防护升级比较困难，要考虑到设备的品牌型号和兼容性等因素，具有很强的关联性和实施的困难性，升级效果不理想。

1.2   资源利用率低，成本高，扩展性差

第一，传统的桌面终端因技术发展、教室环境、自然老化损耗和人为损坏等因素，计算机的软硬件故障率上升，陷入采购、淘汰和再采购的恶性循环中，不断地投入人力、物力和财力进行更新换代和维护;第二，桌面教学需要承担多种课程的教学任务，但是传统桌面教学对物理资源（存储和CPU等）利用率极低，如学校所有开设课程的专业软件需要在独立PC机上安装，但使用较少。因此，在采购时按照应用最高需求进行配备，浪费资源;第三，高校的桌面教学终端数量多，耗电量大，不利于响应国家节能减排的号召，同时对遇到资源瓶颈的机器进行扩展，要求原始机器的可扩展性高，增加经济成本;第四，由于传统的桌面教学终端是面向全校师生，涉及多个专业或课程，经常要花费大量时间安装和更新计算机操作系统、激活各类应用软件，重复性工作多，加上高校面积较大，教学楼比较分散，终端分布不同区域，增加了人力成本投入，同时要求技术人员具有较高的技术能力。

1.3   个性化需求得不到满足

一方面，为了保护物理机器和信息安全，采取了一系列保护措施，例如还原卡等，这样会造成机器重启后，个性化的设置、应用、软件、课堂重要成果和实验教学环境等都无法留存和迁移，以至于在新环境中需要重新部署，需要做大量重复工作，耗时耗力，体验感差，存在着“用户个性化”与“管理规范化”之间的矛盾;另一方面，对于管理者而言，无法实时监控每台机器的使用情况，无法对每台机器快速、动态地调配资源，不能做到提前预警和维护。

由此可见，传统的多媒体桌面教学模式已成为发展瓶颈，积极探索新的桌面教学模式已成为必然。虚拟化及云技术不断发展，相关产品日趋成熟，可以高效整合资源，节约成本。

2      桌面虚拟化在多媒体教学中的应用

2.1   桌面虚拟化概述

虚拟化技术起源于对分式系统时代，将多个进程运行在同台物理机上;将应用系统、数据与底层的硬件设备进行逻辑隔离，把物理硬件（CP、内存、磁盘和I/O等）资源变成可动态管理的逻辑的“资源池”，为用户提供抽象的和虚拟的硬件环境，按需调配。

桌面虚拟化在虚拟化技术基础上应运而生，把多用户、多桌面、多环境的用户系统集中起来，迁移到管理段的数据中心，通过虚拟机监视器隐藏特定计算平台的实际物理特性，统一管理资源，分离了物理设备和应用系统间的紧密耦合，将核心的数据存储和运算执行部分或者全部集中在后端，对于交付给任何地点、时间和具有使用权限的桌面终端通过远程协议从数据中心上获取资源。以“桌面即服务”方式，为不同学科教师、不固定需求和对电脑使用不熟悉的人员提供较好的计算机教学环境和体验感。

2.2   桌面虚拟化的优势

（1）安全稳定，易操作。一方面，桌面虚拟化具有独特的架构、资源配置、权限设置、冗余和容错、备份技术等优势，例如终端一体化的设计减少了病毒的入口，再通过服务器的集中过滤，使数据和系统安全具有可控性，极大地降低了系统数据在存储、传输和管理的风险，为教学提供安全的系统网络环境;另一方面，通过远程对每台客户端的健康状况进行实时监控，做到提前预警和动态调整资源以及设置安全策略等，使机器减少受到外部网络的攻击和侵入，一旦系统或数据遭到软件兼容性、病毒或误操作等问题，支持多种部署，无须到现场维护，利用其“快速、安全、方便”的特性，快速恢复到最新备份状态，极大地保障系统和用户数据的安全;此外，还具有其他安全策略，如有效地避免人为或意外导致的数据泄露或损失、不中断用户工作的情况下进行系统维护、负载均衡、动态迁移、故障自动隔离等，提供一种高可靠服务器应用环境。

（2）综合成本低。一方面，桌面虚拟化具有便捷的分配、部署和回收软硬件资源功能，在满足教学需求的条件下，降低对客户端配置的支持、对物理硬件的依赖和减少软件注册成本;另一方面，采用瘦客户端替代传统PC，不但可以降低每个桌面40%的成本，而且减轻硬件损坏和延长客户端使用寿命，缩短了计算机的升级换代更新周期，进而降低了经济成本;此外，对于桌面虚拟化的管理，更多采用远程诊断和维护管理，通过智能化、集中化地对系统和应用进行批量升级和修复，极大地减少维护时间和人员成本。

（3）便捷管理，易扩展。一方面，虚拟化技术解耦系统与硬件的相关性，突破软硬件环境的差异，重点工作由传统每台PC管理转移到对服务端资源的集中管理;另一方面，桌面虚拟化终端一般采用一体化的设计，无软驱、无光驱、无硬盘，简化管理和维护，同时软件硬件稳定可靠，提高工作效率。例如，对于管理者来说，工作重心从对数量庞大的各类终端业务转移到数据中心（服务端）上，利用虚拟化的智能化、批量化和自动化功能完成工作，使管理者从大量重复工作中解脱，利于业务水平及创新性的提高和降低管理人员的工作量和管理难度;与此同时，对于教师来说，“集中管理，分布使用”模式不仅把分散的终端和软硬件资源统一起来，使用者通过在资源池中申请相关教学应用资源，利用克隆技术快速部署，具有很强适应性，还可以在不同教室使用个人私有的桌面，不受设备、地点和时间限制灵活访问桌面及其应用;此外，随着发展的需要，对于虚拟化的架构，在不影响正常使用的情况下，容易实现动态地扩展网络、负载均衡、服务器和存储等资源。

（4）个性化强，体验性好。一方面，虚拟化桌面支持多操作系统应用，教师根据教学和实验要求可随意切换、搭建和保存各种环境，管理员放权让老师和学生管理自己的个性化操作系统，而且个性化操作系统界面与物理计算机无关，随账号而不同，同时降低了教师对计算机的技能要求，一旦出现故障，可以还原到最新备份节点，保障教师能够有较好的体验感;另一方面，教学终端的压缩，减少了噪声干扰和降低輻射，倡导了绿色健康;此外具有丰富的管理功能。如“迁移”“远程开关机”“克隆”和“快照”等功能，满足教学和维护双重需要，给用户多样化的体验和个性化的服务管理。

3      基于虚拟化的教学桌面架构

当前虚拟化技术成熟度很高，主要产品：Hyper-v、Phantosys桌面虚拟化、VMware vSphere、Citrix Xen Desktop、H3C云桌面、锐捷云桌面、OpenStack虚拟云桌面等。由于VMWare在数据中心虚拟化平台管理方面有较好的使用效果，且具有完整的ESXi主机，能形成各种性能报表，便于故障的诊断与维护。本文以高校传统的多媒体教学桌面为例，提出一种基于VMware Horizon的解决传统桌面教学的架构，如图1所示。

图1分为服务器虚拟化和桌面虚拟化拓扑架构和功能示意图。①在物理服务器硬件上搭建ESX环境，构建服务器底层虚拟化环境。②在服务器虚拟化基础上，搭建桌面虚拟化环境，主要组件如下：客户端设备（胖终端和瘦终端），其中胖终端把部分计算和存储能力放在本地，瘦终端全部放在数据中心，这样可以在教学区不受地点、时间限制访问桌面;View Connection Server：为客户端提供连接服务，再通过Windows AD（Active Directory）对教师身份进行验证，并将请求指向到虚拟机中对应的桌面，再通过PCoIP协议将用户的会话以图像的方式进行压缩，将授权的特定资源传输给用户;VMware ThinApp：简化应用程序管理和分配，快速灵活地为用户部署应用程序;View Client：客户端软件;除此之外，还有View Agent、View Composer、View Transfer Server等。

4      总    结

伴随信息技术的发展、智慧教学和智慧校园建设的发展，传统的桌面教学方式已不能满足当今高校教学的需要。本文对传统的桌面教学存在的问题进行阐述分析，提出基于VMware的桌面虚拟化解决架构，提出了一种具有安全性、机动性、灵活性、高效性的、可快速部署、低成本的解决方案，促进高校智慧教学的发展。该方案可能会存在以下问题：初始建设成本高;要求技术人员具备一定的虚拟化技术。但是从长远发展来看，随着虚拟化技术的进一步发展和完善，虚拟桌面在高校教学中会得到更加广泛的应用。

主要参考文献

[1]李章强.虚拟桌面架构的大学实验机房环境建设[J].电脑迷，2018（7）：72.

[2]张媛.云时代图书馆桌面虚拟化带来的管理技术变革[J].新世纪图书馆，2013（4）.

[3]李贵贵.基于OpenStack虚拟云桌面系统的研究与实现[D].南京：东南大学，2017.