高校云桌面计算机实验室方案选择与设计

吴湘宁，罗勋鹤，刘远兴，李 敏

（1.中国地质大学（武汉） 计算机学院，湖北 武汉 430078；2.中国地质大学（武汉） 实验室与设备管理处，湖北 武汉 430074；3.荆楚理工学院 计算机工程学院，湖北 荆门 448000）

1 高校传统计算机实验室面临的主要问题

随着社会信息化程度的不断提高，以及计算机应用的普及，计算机已经成为各行各业必不可少的常用工具，计算机的操作和使用能力也成为当代大学生必备的技能之一。高校各专业，无论是理工类还是文史类，均要求学生必须具备使用计算机处理和解决问题的能力。为此，各地高校每年投入大量资金新建、改建、扩建计算机实验室，为学生计算机实践能力的培养创造良好的硬件条件[1]。

最早出现的计算机实验室建设方式是：每个工位配备一台PC 机，所有的PC 机通过局域网链接。这种方式最大的问题在于，管理人员需要为每台PC 机单独安装软件，这项工作量很大，而且不利于PC 机系统的维护和更新[2]，一旦出现计算机病毒就难以控制且极易扩散[3]。

为了解决这一问题，随后出现的计算机实验室开始使用硬盘还原卡[4]及硬盘同传拷贝系统。这种解决方案通常是在每一台PC 机上安装一个硬盘还原卡，在教师机上安装一块同传拷贝卡。其操作方式为：先在教师机上安装教学软件，然后将教师机的硬盘内容同传拷贝到所有的学生机的硬盘上，在启动硬盘还原卡后，学生机重新开机后，其操作系统都会恢复到上课之前的状态。这种方式可以实现软件系统的一次性安装及不限次数地分发克隆，减轻了管理人员的工作负担。但是这种方案的缺点也非常明显：首先，所有教师机和学生机必须采用相同的型号和配置，当有PC机损坏需要更换或实验室需要扩建并采购新机器时，往往很难保证购置到与以前PC 机同型号、同配置的新PC 机；其次，由于这种方式是基于硬盘的拷贝，而大多PC 机硬盘是价格便宜但读写速度较慢的机械硬盘，硬盘的拷贝过程需要耗费大量的时间，在系统同传时，所有的学生机一同拷贝，对网络质量和网络速度也是一种考验。因此，一个实验室的学生机要全部拷贝完成往往需要耗时十几个小时，而且，一旦中间出现任何故障，同传过程就会失败并需要重做一遍。此外，通常教师机上最多安装2～3 种不同系统，因此学生机硬盘也就只有这2～3 种模板可用，很难满足不同专业学生共享计算机实验室的需求。

2 基于虚拟化云桌面技术的计算机实验室解决方案

正是由于传统计算机实验室建设方案存在以上问题，所以当云桌面技术一出现便立刻吸引了计算机实验室规划人员的注意[5]。云桌面实际上是云计算虚拟化技术的一种具体应用[6]，它和服务器虚拟化技术的最大不同就是侧重于为客户提供不受物理场地、物理主机限制的虚拟桌面服务，相对于传统PC 机而言，在网络联通的情况下，用户可以在家里、办公室、会议室等任何场所随时调出自己的专有虚拟桌面，因此可以不间断地处理自己的工作业务。云桌面最早为了解决企业移动办公的问题而出现的，目前云桌面的实际应用场景不仅仅限于企业办公，在教育行业也表现出了很好的应用前景。

云桌面技术最大的优势在于可以克隆，亦可个性化定制桌面。它可以将一些常用的桌面做成可以复用的模板（术语称作虚拟机镜像），在云服务方CPU、硬盘、网络资源允许的情况下，可以从这些虚拟机镜像中克隆（术语称作实例化）出任意个数的桌面（术语称作虚拟机），当把这些桌面分配给不同的用户后，用户可以根据自己的需要对自己的桌面进行定制，如安装自己所需要的软件等。用户对桌面的修改可以是永久的，也可以是临时性的（关掉虚拟机后所有修改就失效），临时性桌面是建立在虚拟机快照基础上的，也就是桌面可以根据用户要求，恢复到以前某个特定时刻被记录下来的状态（术语称作快照）。所有的虚拟桌面在链接到网络上后等同于一台独立的PC 机，可以分配独立的网络地址和链接到网络上的物理机几乎没有区别。

云桌面技术还可以很好地解决计算机实验室硬件建设成本高且更新淘汰速度快的问题。由于云计算技术可以将硬件资源集中管理、按需分类[7]，所以在需要提高云桌面的配置时，只需将云服务端集群的资源进行升级或扩展，即可达到利旧的目的。

由此可见，由于云桌面技术特点，它非常适用于高校的计算机实验室场景[8]，它还可以将不同专业不同课程的实验需求定制为不同的镜像，在学生上机实验之前，由镜像快速实例化出众多虚拟机，将这些虚拟机分配给不同的学生使用。如果有些虚拟机需要重复使用，如给下一年级的新生继续使用，可以将这些虚拟机拍下快照，等新生上课的时候，将这些虚拟机恢复到拍快照时的状态即可。

值得一提的是，云桌面技术非常适合用作移动式的实验教学。在很多情况下，学生希望离开实验室后能够继续未完成的实验。有了云桌面后，只要通过校园网就能够访问到云桌面服务器，就可以在宿舍、图书馆、教室等地使用云桌面继续开展实验。对于教师而言，使用云桌面后，只要能够通过公共的互联网络，或通过校园网VPN（虚拟专网）访问到云桌面服务器，就可以不受场地限制，随时随地备课，也可以在课堂上随时调出自己的云桌面给学生作演示。因此，可以说云桌面技术可以真正实现不受围墙和教室限制的开放式实验室。

云桌面技术同样适用于办公场景[9]，使用云桌面后，在保持网络通畅的情况下，人们可以在国内、国外、单位内、单位外等任何地点，甚至在交通车辆上实时办公，可以极大地提高办公效率。所以许多公司、事业单位、政府机关逐渐开始采用云桌面办公[10]。许多教育行业单位在建设计算机实验室的同时，往往也同时将云桌面技术引入到教学管理和办公业务中来。

3 当前主流的云桌面技术

尽管云桌面有着各种优点，但是也并非完美无缺。在实际选型的时候，是有多种实施方案可以选择的，每一种实施方案有各自的优缺点，需要根据高校自身实际情况作出合理选择。当前主流的云桌面技术有以下几种。

3.1 RDS 远程桌面服务

RDS（remote desktop services, 远程桌面服务）类似于Windows 系统的远程桌面，在同一个操作系统下面创建多个账号，然后在客户端上通过远程桌面软件，使用账号远程登录服务器上的系统。这种方式实际上是多用户共享同一操作系统，比较适合于微软体系解决方案。RDS 的架构如图1 所示。

图1 RDS 的架构

3.2 VDI 虚拟桌面基础架构

VDI（virtual desktop infrastructure，虚拟桌面基础架构）是在物理服务器上安装并运行虚拟化管理程序（hypervisor），实现对服务器硬件资源的虚拟化，在此基础上再为不同用户虚拟化出虚拟机（即云桌面的操作系统），然后通过图像的压缩和解压缩技术，将虚拟机的图形界面通过专有协议，实时、动态地通过网络传送到云终端上，用户在云终端上也可实时对云桌面进行操作，操作的指令也会通过网络实时反馈并控制服务器上正在运行的虚拟机，VDI 的架构如图2所示。

图2 VDI 的架构

3.2.1 VDI 的优点

（1）通过云计算技术实现了服务器硬件资源（CPU、硬盘、内存）的共享和按需分配[11]。

（2）运算和数据存放均集中在服务器端，安全性能很高。

（3）支持多终端访问：由于所有的计算都集中在服务器上，云终端只是起到显示的作用，因此这是一种集中式计算的瘦客户模式，云终端可以是配置较低的一体机，或专用的接入盒加显示器来实现，也可以使用一些旧计算机充当云终端，甚至可以在平板电脑、手机上访问虚拟桌面，实现移动教学和移动办公。

3.2.2 VDI 的劣势

（1）对服务器性能及稳定性、网络联通性和网络质量要求高。由于VDI 采用集中运算模式，因此对服务端的性能及其运行稳定性提出了很高的要求，通常服务器需要较高的配置，而且需要提供UPS 不间断供电或双路冗余供电。此外，由于虚拟机的实时图形界面都是通过网络传送到云终端上的。因此VDI 不支持离线使用[12]，一旦断网，云桌面就彻底不可使用。如果网络不畅，也会影响虚拟桌面的响应速度，会出现掉帧或延迟的现象，从而极大地影响用户的使用感受。

（2）外设兼容性不高。由于虚拟机是在服务器端运行，而实际的外设物理接口（如USB、串口、并口、显示接口）却在云终端上，要保证虚拟机能够连接并正常使用这些外设物理接口，就要求VDI 系统要具有很好的外设兼容性。

（3）对图形处理的支持不够。只有VDI 系统支持显卡虚拟化并安装高性能的GPU 显卡，虚拟桌面才可以运行三维建模、三维渲染、视频播放、地理信息系统等对图形化功能要求比较高的应用。

3.3 VOI 虚拟操作系统基础架构

VOI（virtual operating-system infrastructure，虚拟操作系统基础架构）是一种改进的无盘工作站方案，其工作原理是：胖客户终端采用网络启动模式，直接加载服务器上存放的操作系统镜像（也叫磁盘镜像）到终端本地的硬件上来运行。VOI 和无盘工作站的区别在于在终端本身带有缓存功能，服务器上下载的操作系统镜像下载后可以在本地存放，下次终端启动的时候可以不必重新下载，就可以直接运行本地存储的操作系统镜像。

在需要修改或升级操作系统镜像时，可以先在某一个终端上修改，比如安装需要的软件，接下来将这个终端上的操作系统上传至服务端做成新的操作系统镜像，然后再由服务端将该镜像下发到各个终端，VOI的架构如图3 所示。

图3 VOI 的架构

3.3.1 VOI 的优势

（1）性能体验好，外设兼容性强。由于操作系统镜像是在本地终端的硬件资源上直接运行，因此其运行效果和物理PC 机一样，对外设的兼容性也很好[3]。

（2）对服务器性能及稳定性、网络的依赖不高。服务器仅实现镜像、用户、策略等管理功能，不需要负责虚拟桌面的运行，因此，服务器的配置可以不用太高。此外，由于终端上有桌面操作系统的镜像缓存，因此桌面可以离线运行[12]，即使服务器宕机、网络断网，各个终端仍然可以继续使用。

（3）图形处理性能强。VOI 采用的是分布式计算的胖客户模式，桌面操作系统直接在物理硬件上运行，图形处理能力取决于终端的显卡处理能力。

3.3.2 VOI 的劣势

（1）与终端的硬件环境耦合度高。由于操作系统镜像是在某个终端上先做好然后上传服务端的，因此，使用同一操作系统镜像的终端也需要有同样的硬件配置，否则就无法运行镜像。基本上对于某一类操作系统，如Windows10 系统，机房里的客户机有多少种硬件配置，就需要做多少种此类操作系统的磁盘镜像。同样道理，在同一种客户机配置上要运行多种操作系统的时候，也需要针对这种客户机特定配置制作多个操作系统镜像。

（2）不支持多终端访问。由于VOI 采用网络无盘启动，基于硬件运行，所以主要支持PC 机应用，并不支持笔记本电脑、平板、手机等多终端的移动应用。

可见，VOI 适用于无移动需求，仅在局域网环境下使用，客户端配置比较固定，对客户端运算能力要求较高，或者有较高图形处理需求，以及有PC 机利旧需求的实验室场景。

3.4 IDV 智能桌面虚拟化

IDV（intelligent desktop virtualization，智能桌面虚拟化）是由英特尔公司提出的革新性框架，它的技术特点是分布式计算，集中管理，其工作原理是在终端本地安装相关的虚拟化管理程序，虚拟机镜像在服务器集中管理，但不是在服务器端运行，而是在终端的虚拟化管理程序上运行，IDV 架构如图4 所示。

图4 IDV 架构

3.4.1 IDV 架构的优势

（1）采取分布式计算，并集中和简化管理及部署。借鉴了“边缘计算”思想，充分利用了终端的硬件资源。由于服务端只用来控制和管理，无须承载桌面运行，因此服务器成本较低。

（2）支持离线。采用终端虚拟化技术，虚拟机存放在终端，断网亦可使用。

（3）用户体验较好。由于直接在本地运行虚拟机，不需要在网络上动态传输桌面，所以IDV 桌面体验与物理终端的体验接近，接近本地PC 机直接运行效果。

3.4.2 IDV 架构的劣势

（1）不支持移动访问桌面。对终端依赖性较大[2]，不能像VDI 桌面一样在任意地点访问桌面。

（2）运维难度较大。由于虚拟机是分布式存放和运行的，一旦终端发生故障，要恢复桌面和数据会比较困难，尤其是终端在跨因特网环境下，终端维护会更加棘手。

4 云桌面技术市场发展趋势及选择方法

根据国际数据公司IDC 预测，云桌面市场将持续增长，2016—2023 年间的CAGR（复合年均增长率）平均达到23%，市场需求巨大。不同的云桌面解决方案也会因为各自的特点占据一方市场。根据统计，RDS 凭着成本低、易用性高等特点，在国外教育市场比较流行，教育市场份额占比很大，但在国内属于小众市场。VDI 凭借着个性化和灵活性高，比较流行。但由于其复杂性和高成本，在国外，一般只有大企业采用；而在国内，因为许多厂家可以提供很好的售后服务，在高校和大型企业办公领域比较流行。VOI 目前在国内虽然处于小众市场，但是由于用户体验好、可利旧、断网可用等特点，近些年也逐渐在高校推广，而IDV 与VOI 相比并无明显优势，所以目前其市场形势并不明朗。

综上所述，每一种云桌面的解决方案都有各自的优点和缺点，高校在建设计算机实验室时，需要根据项目预算、机房条件、网络条件、运维条件、安全性需求、集中管控需求、移动性需求、图形图像应用需求等因素，选择最适合自己的方案。在制定方案时，可以先粗略确定是采用集中制计算方案还是采用分布式计算方案，RDS 和VDI 属于集中式计算方案，所有桌面集中运行于服务器，而VOI 和IDV 则属于分布式计算方案，所有桌面分布运行在终端。然后，再根据具体需求来分析，倾向使用多人共享操作系统的高校，可以考虑RDS。如果有服务器机房及专业运维队伍，网络条件比较好，而且有随时随地办公和开放实验需求，对数据安全性要求高，但对运算性能和图像处理要求不高的高校，应该首选VDI。在服务器方面不打算投入很多，对数据安全性要求不高，更希望利用终端的计算性能及图像处理性能，并且断网可用的高校，可以考虑使用VOI 或IDV。