面向实验教学和学生创新活动的复合云桌面设计与构建

胡继华，陈薇薇，伍丽华

（1.中山大学 公共实验教学中心，广东 广州 510006；2.中山大学 数据科学与计算机学院，广东 广州 510006）

信息技术日新月异，大数据、人工智能和虚拟现实等新技术热点不断出现和发展，对计算机实验教学提出了更高的要求，如何快速搭建合适的实验环境以满足教学的需要，是计算机实验室面临的新挑战[1-2]。同时，大学生的学习方式正在转向主动探究性学习，训练动手能力与实践能力为主，要求计算机实验室不仅能提供合适的课堂实验环境，课外亦能够访问类似的实验环境，实现课内课外无缝切换。特别是进行创新活动的学生，需要工厂式的创新实验场景帮助他们快速提高技术水平和创新能力[3]。

云桌面是云计算技术的一种，可以集中管理，灵活访问，是计算机实验室管理和维护的全新技术架构和管理方式[4-5]。利用云桌面可以有效分离物理终端和逻辑桌面，集中管理与部署实验教学和学生创新活动所需的实验环境，实现统一管控与便捷访问。部分高校已经建设了多种云桌面，但是它们一般没有虚拟显卡支持，仅能用于普通计算机实验教学工作，不能用于新技术实验教学，也不能服务学生创新活动，且互相孤立，造成了一定的浪费。因此，云桌面需要提升和整合，才能更好地服务于计算机实验教学和学生创新活动。

本文分析了虚拟操作系统VOI（virtual operatingsystem infrastructure）和虚拟桌面VDI（virtual desktop infrastructure）等主流云桌面技术，结合实验教学和学生创新活动的需求，以及不同终端的特点，提出了一种复合云桌面的设计方案，包括VOI、VDI、vGPU(virtual GPU) VDI 和云桌面申请发布网站。VOI 和VDI是基础，主要用于普通的软件操作和编程教学；vGPU VDI 用于需要独立显卡的实验环境，主要支持高级图形图像教学和虚拟仿真教学，以及学生创新活动。通过VDI+VOI+vGPU VDI 的集成，云桌面能满足所有的计算机实验教学需求，而云桌面申请发布网站将现有的云桌面平台都管理起来，面向学生创新活动和课外学习，及时响应师生的云桌面申请，提供相应的服务，包括大数据、人工智能，甚至虚拟现实的实验环境服务。

1 主流云桌面技术

云桌面技术在高校计算机实验教学领域得到快速发展，每个学校都有多种云桌面。最早的是云桌面的前身——增霸卡克隆方式，这种方式充分利用本地机计算资源，但是耗时长，工作量大，维护业务繁琐，仅适用于机房教学。其次是虚拟操作系统VOI，其与增霸卡方式类似，可以充分利用客户端的计算资源，对服务器要求不高，但是要求服务器在同一网段内，也仅适用于机房教学[6]。第三是虚拟桌面VDI 方式，所有的计算和存储都在服务器端进行，客户端仅仅是显示和交互[7]，其对服务器和网络环境要求高，对客户端要求较低，普通电脑、瘦客户端和平板电脑都可以。这种方式是主流云桌面，能够提供普通软件操作和编程实验环境，可以进行个性化定制，但是没有独立的显存，不能提供高端图像和仿真实验教学环境。第四是虚拟显卡vGPU VDI，相当于为每台虚拟机安装了独立显卡，虚拟机达到甚至超过台式电脑的性能，能够提供高端图像和仿真实验教学环境[8]，但是这种方式需要另外购置GPU 显卡，并需要额外的显卡虚拟化授权，成本更高。因此，vGPU VDI+VDI 能够满足当前的实验课程需求，又有虚拟计算服务器和GPU 服务器的功能，支持大数据、人工智能和虚拟现实的实验环境要求。

以上云桌面基本覆盖了全部的实验教学场景，但是不能及时响应学生创新场景实验构建的需求，因为这些云桌面的管理都由教师完成，学生没有入口；此外，高校里面一般都有多个云桌面系统，但是它们都是独立的孤岛，不能互相支持，造成很多资源浪费，有必要把闲置资源发布出来供学生学习使用或开展创新活动。

2 复合云桌面设计

复合云桌面是将VOI、VDI、vGPU VDI 等几种云桌面通过云桌面申请发布网站组织起来形成一个有机整体，提高实验教学环境的可靠性，既能满足计算机实验教学的需要，又能及时支持学生创新活动等需求，特别是满足大数据、人工智能和虚拟现实等方面的实验环境要求。

2.1 业务需求分析

计算机实验室电脑种类多，如各种台式电脑、瘦终端等，新旧各异，性能差别大。性能较好的台式电脑，本身可以满足实验教学需求，对云桌面要求较低；瘦终端和性能差的电脑，则对云桌面要求较高。为了提高计算机实验室的管理水平，同时满足实验教学需求和个性化实验环境定制要求，云桌面应适应不同的实验场景，提供不同的使用方式。

（1）普通软件操作和编程实验教学。这是主要的实验教学场景，性能好的台式电脑能够满足要求，瘦客户端和性能较差的电脑，则需要云桌面支持，按照教学需要部署对应的场景。

（2）图形图像和仿真模拟实验教学。该场景是重要的教学场景，特别是近年来3D 建模和仿真模拟相关课程越来越多。该场景可由性能好的台式电脑支持，或由虚拟显存的云桌面支持，创建有虚拟显存的教学场景，满足教学需要。

（3）学生创新活动。学生创新活动多种多样，可能是大数据、人工智能、虚拟现实或其他任意方面。对于大数据，需要创建多个虚拟机协同工作，而虚拟现实和人工智能对显存的要求比较高。这些需求本地终端难以直接支持，需要开发部署云桌面申请和发布服务，整合已有的云桌面平台，及时提供相应的实验环境。

（4）考试和实训。考试要求统一标准化的软件环境，发布不同的考试场景，需要云桌面支持。实训则对软件环境和显存要求更高，类似学生创新活动的需求。

（5）异构云桌面集成。不同时期建设的云桌面，其技术架构、服务方式、许可数量各不相同，且互相孤立，造成资源浪费。把它们集成起来，统一调度云桌面许可，同时为更多的实验课程提供桌面，或提供课程桌面备份。

2.2 实施方法

根据前述业务需求和技术特点，确定了 VOI+VDI+vGPU VDI+云桌面申请发布网站的复合云桌面方案。该方案覆盖了本科实验教学的所有场景，可以进行统一管理和及时个性化服务，同时将学校内各种云桌面的空闲资源发布出来供学生创新和学习使用，实现云桌面资源共享。

（1）对于性能较好的台式电脑，以VOI 部署模式为主，通过专用模板方式进行操作系统和应用软件的管理，包括VDI 客户端的部署。这种方式承担大部分实验教学工作，主要用于满足教学需求。

（2）对于瘦客户端或性能较差的电脑，以VDI部署方式为主，利用服务器的计算资源和存储资源，满足普通软件操作和编程实验教学工作的需要。这些电脑的操作系统管理仍采用VOI 方式，因为不同种类的电脑硬件配置各不相同，只能部署各自的专用模板。除了满足日常教学工作外，VDI 也可以为师生提供个人桌面甚至高性能的虚拟服务器服务，用于教师备课、学生创新活动和自主学习，特别是大数据和云计算方面的创新活动[9-10]。

（3）vGPU VDI 主要部署在瘦客户端，用于满足3D 建模、人工智能和虚拟现实等课程的实验教学，也为学生提供高级个人桌面或虚拟GPU 服务器，满足人工智能或虚拟现实等领域的学生创新活动需求[11-12]。

（4）云桌面申请发布服务。云桌面申请发布网站集成异构云桌面平台，调用桌面创建、模板管理等云桌面服务端的核心功能，以网站或手机APP 的方式为学生和老师提供服务。服务包括云桌面平台管理、模板管理、服务发布、服务申请与审批等功能，及时响应学生申请，提供个人桌面、虚拟服务器、虚拟GPU服务等，提供全面的创新实验环境。

2.3 复合云桌面系统架构

复合云桌面系统采用可动态扩展的集群式架构，如图1 所示。在后台配置VDI 服务器和GPU 服务器集群，以及云桌面申请发布网站。VDI 服务器设一个控制节点，系统镜像保存在控制节点；其他服务器都是计算节点，均衡地存贮课程桌面虚拟机。VOI 服务器采用普通的台式电脑，每个实验室配置一台，管理各个系统各个版本的镜像。云桌面申请发布网站部署在独立服务器，实现云桌面申请和发布功能，对VDI和VOI 的系统镜像进行备份存储，实现系统镜像的异地备份，提高安全性。实验室内，每个终端都安装配置VOI 客户端和VDI 客户端软件；个人笔记本电脑等终端则按需部署VDI 客户端或vGPU VDI 客户端。

图1 复合云桌面系统架构示意图

网络方面，服务器端是万兆交换机，客户端的汇聚交换机也是万兆交换机，其通过千兆接入交换机连接到实验室终端。服务器交换机和客户端汇聚交换机通过光纤连接起来，组成一个大局域网。这样终端可以快速地加载课程桌面，保证考试或上课等大数据量、高并发场景时云桌面能够提供稳定的实验环境。对于个性化教学和学生创新活动，数据量和并发量都比较少，云桌面网络完全能够满足需求，只要在校园网内，就可以接入云桌面。

3 云桌面实现

公共实验教学中心采用VDI 服务器+vGPU VDI服务器+VOI 服务器+云桌面软件+云终端+普通电脑+云桌面申请发布网站的方式，将13 间计算机实验室和3 间电子电工实验室改造成云桌面环境。其中云终端实验室5 间，采用VOI+VDI 客户端部署模式，即本机系统采用VOI 进行管理，每个系统上都部署VDI客户端软件；普通计算机实验室9 间，其中4 间采用VOI+VDI 客户端部署模式，另外5 间本机系统仍采用增霸卡进行管理，然后在系统上部署VDI 客户端软件。vGPU VDI 客户端主要部署在云终端上，提供高端图形教学和仿真模拟实验环境。同时设计开发云桌面申请发布网站，将其他已有的云桌面平台也纳入管理，为学生提供云桌面申请、定制和发布服务。

3.1 服务器端部署

服务器端部署包括VDI、vGPU VDI 和VOI 服务端的部署。对于VDI，首先，在服务器上安装操作系统和VDI 服务器端软件，建立VDI 服务器端集群管理环境，然后设置虚拟桌面的硬件配置，加载ISO 格式的操作系统安装包以及常用应用软件，完成基础模板的创建。其次，按照课程的要求，在基础模板上安装不同课程的专用软件，建立课程模板。第三，根据课程的课室和上课时段，使用课程模板批量建立课程桌面，学生上课时可以直接进入桌面；同时根据教师和学生的要求，建立相应的个人桌面，师生可以使用账号密码登录。

vGPU VDI 部署类似，但是需要取得GPU 的虚拟显卡授权许可，才能在对应的虚拟桌面上安装虚拟显卡驱动，使用虚拟显存。

VOI 服务器端部署的过程首先亦是软件安装，软件安装完成后，按照IP 地址对课室进行设置，然后为每个课室每种操作系统建立系统模板，并按照课程要求安装专用软件。当课室的终端连接上服务器后，服务器自动按照设置向终端下发课程桌面。当某个终端课程桌面更新并上传后，服务器会将该桌面保存为模板，终端可以当前的版本为课程桌面，也可以历史上任意时间的模板为课程桌面，这样如果终端当前版本崩溃了，就可以用历史版本快速恢复。

3.2 客户端接入

客户端接入包括课室终端接入、学生和教师的电脑接入。课室终端分为3 种，增霸卡管理的电脑、普通电脑和瘦终端。对于增霸卡管理的电脑，在其上部署VDI 客户端即可；对于普通电脑和瘦终端，则部署VOI 客户端和VDI 客户端，以及vGPU VDI 客户端，并与对应的服务器端联通起来，以方便更新终端系统，或链接课程桌面。

学生和教师需要在自己电脑上安装VDI 客户端或vGPU VDI 客户端，以账号密码的方式接入个人桌面。如果需要，每个教师或学生可以接入多个个人桌面。

3.3 新技术实验教学环境设置

大数据和人工智能计算框架一般都有控制节点、计算节点和存储节点，需要多服务器协同工作，因此需要虚拟多个服务器。对于大数据实验课程，先按照大数据计算框架（如HADOOP）制作各种节点的模板，然后使用VDI 个人桌面功能虚拟多个服务器，分别担任控制、计算和存储节点，再配置一下就可以完成环境搭建。对于人工智能实验课程，与大数据环境搭建类似，区别是以GPU 服务器为主，即使用vGPU VDI虚拟多个GPU 服务器担任计算节点，其他节点仍然可以采用VDI 虚拟的服务器。虚拟现实实验课程主要对显卡有要求，为虚拟机配置足够的显存即可。

3.4 网站开发和部署

网站可以及时响应学生的云桌面请求，将空闲的云桌面发布出来供学生使用，不仅将本次建设的云桌面管理起来，也可以将以前建设的云桌面管理起来。网站包括平台管理、课程管理、资源扫描、服务发布、服务查询、服务定制、统计、资源下载、用户管理和系统设置等功能。对于用户特别关注的功能，如服务信息、申请信息、服务指南和帮助，以及用户的疑问及回复，分别以服务速递、申请状态、服务指南和学友互动的栏目发布出来，使管理者和用户都可以及时了解相关信息。云桌面系统还可以和本科教务联系起来，直接登录本科教务系统，获取学生信息和课程开设情况，为及时有效的服务提供基础。

使用云桌面时，网站要和云桌面对接，读取云桌面服务器端数据库，读取该云桌面的硬件资源、课程设置、系统镜像等信息，调用桌面设置服务，设置课程桌面或个人桌面，这样才能及时响应学生的请求。如果有其他云桌面平台加入，则重复上述过程，将其加入网站。

4 复合云桌面建设的意义

（1）全面覆盖实验课程需求。复合云桌面既能满足普通软件操作和编程课程的实验环境需求，又能满足高端图形图像教学和仿真模拟课程的实验环境需求，特别是能够支持大数据、人工智能和虚拟现实等新技术的实验环境需求。

（2）及时支持学生创新活动。复合云桌面基本能够覆盖学生创新活动的实验环境需求，又能够在校园内通过申请发布网站随时随地访问云桌面，帮助学生创建沉浸式不间断的创新实验环境，大幅度提高学生创新活动的效率。

（3）充分利用云桌面资源。云桌面申请发布网站将学校历史上建设的云桌面统一管理起来，使这些云桌面互为备份和支撑，特别是那些并发许可少的云桌面也能够有效参与实验教学和学生创新活动，提高了云桌面资源利用效率和实验教学环境的可靠性。

5 结语

本文提出和实现一种复合云桌面的设计方案，包括VOI、VDI、vGPU VDI 和云桌面申请发布网站。该方案按照不同的实验课程要求和终端的特点，部署相应的云桌面服务，并通过网站将各个云桌面平台有机地集成起来。复合云桌面满足了所有的计算机实验教学需求，包括新技术热点的实验教学需求；能及时响应学生创新的云桌面申请，帮助学生创建沉浸式不间断的创新实验环境，提高了学生创新活动的效率，提高了云桌面资源的使用效率和实验教学环境的可靠性，为高校计算机实验室的建设和管理提供了新思路。