基于华为桌面云的高校云教室的设计与应用

摘  要：桌面云技术与高校多媒体教室相结合，可以满足课程教学、等级考试等重点需求，并解决传统机房能耗高、管理效率低等问题。通过对主流桌面云架构及商业产品进行对比分析，选择华为桌面云解决方案构建云教室具有实际应用价值。建立需求分析并在服务器集群上部署桌面云系统，使用桌面云平台对云主机进行统一管理，教师与学生通过瘦终端接入即可使用云主机桌面。该方案为课堂教学提供了良好的环境，并有效保证数据安全、高效管理和智能运维。

关键词：桌面云;虚拟化;终端接入

中图分类号：TP39;G434       文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）13-0124-04

Design and Application of Cloud Classroom in Colleges and Universities Based on Huawei Desktop Cloud

ZHANG Peihao

（Nanjing Vocational University of Industry Technology， Nanjing  210023， China）

Abstract： The combination of desktop cloud technology and multimedia classroom in colleges and universities can meet the key needs such as course teaching and grade examination， and solve the problems of high energy consumption and low management efficiency in traditional computer rooms. Through the comparative analysis of mainstream desktop cloud architecture and commercial products， choosing Huawei desktop cloud solution to build cloud classroom has practical application value. Establish demand analysis and deploy desktop cloud system on the server cluster. Use the desktop cloud platform to uniformly manage the cloud hosting. Teachers and students can use the cloud hosting desktop through thin terminal access. The scheme provides a good environment for classroom teaching and effectively ensures data security， efficient management and intelligent operation and maintenance.

Keywords： desktop cloud; virtualization; terminal access

0  引  言

全球教育行業的信息化浪潮下，使用传统计算机构建多媒体教室逐渐凸显出信息化管理人员缺乏、PC机资源利用率低、数据安全性低、维护成本高等一系列问题。高校多媒体教室承担了各类教学、考务、培训等需求，成为高校信息化建设的重点。随着办学规模不断扩大，传统多媒体教室资源受限的问题逐渐暴露[1]。越来越多的高校尝试使用桌面云技术对计算资源进行统一管理和维护，将传统的PC机教学模式转变为桌面教学模式，在提供完整虚拟桌面服务和丰富教学软件功能的同时，降低云教室的管理工作量。新型多媒体云教室具备资源集中化、管理智能化、维护简单化等特点，可以为师生提供高效良好的教学体验，在节省投资成本的同时，也契合国家提倡的教育公平、均衡化发展的战略方针[2]。

1  桌面云概述

1.1  桌面云定义

桌面云是一种采用云计算技术提供虚拟桌面的服务，将用户的计算机运行在云端的数据中心，用户通过终端设备联网即可登录使用，用户体验与本地使用PC机保持一致。桌面云具有集中管理、安全可靠、节约成本、绿色节能等优势。用户可以突破时间、地点、终端、应用的限制，随时随地接入到云端桌面，有效解决远程办公、网络授课等场景遇到的各种难题[3]。尤其在新冠疫情期间，高校采用网课模式授课时，学生在家上课无法接入学校内网环境做实验，借助桌面云可以完美解决该难题。桌面云可以广泛应用于高校业务场景并具有实际价值。

1.2  桌面云架构

目前桌面云的实现主要包括三种架构：虚拟桌面架构（Virtual DesktopInfrastructure， VDI）、智能桌面虚拟化（IntelligentDesktop Virtualization， IDV）以及虚拟操作系统架构（VirtualOperationSystemInfrastructure， VOI）。三种架构采用不同的实现方式，并适用于特定的应用场景：（1）VDI架构：所有桌面以虚拟机的形式运行在服务器上，桌面以图像传输的方式发送到客户端显示。该架构在桌面云领域广泛应用，对服务器资源、网络带宽等要求比较高，适用于具备独立数据中心的机构组织和大规模用户日常使用的场景，例如大型企业办公、大学的教室和电子阅览室等[4]。（2）IDV架构：服务器端仅存储桌面镜像，客户端从服务端下载镜像并在本地虚拟化系统上运行桌面。该架构要求客户端具备虚拟化能力且硬件必须统一，在性能和兼容性等方面接近传统PC机，适用于中小型企业研发的场景，例如专业绘图、个人办公等[5]。（3）VOI架构：服务器端仅存储系统镜像、驱动以及其他配置文件，客户端先从服务器端获取操作系统的启动数据，再逐步获取完整的操作系统数据。该架构最大优势在于取消了虚拟化层，从而集中管理系统镜像和数据，并最大化的使用本地资源，适用于局域网管理的场景，例如无盘工作站、医院自助设备等[6]。

以上三种架构各具特点，基于VDI架构的桌面云在简化管理、数据安全、降本增效、绿色节能等维度具备显著优势。因此，VDI架构比其他两种架构更适用于高校业务场景。

1.3  华为桌面云解决方案

目前基于VDI架构的主流桌面云解决方案包括：思杰XenDesktop、VMwareHorizon、华为FusionAccess等。思杰和VMware的桌面云产品基于自研协议开发，具备较好的终端用户数字化工作空间体验，但通常将软件与硬件捆绑销售，高昂的软件授权费对于高校来说是很大的开支。华为FusionAccess基于华为自研开发的虚拟桌面传输协议，具有文字与图像显示更清晰细致、视频播放更清晰流畅、声音音质更真实饱满、兼容性更好、带宽低等特点，且授权费低于思杰和VMware[7]。

华为桌面云解决方案通过前后端软硬件深度融合提供极致体验，并具有清晰的分层结构：在底层使用通用的服务器、存储、网络等硬件设备;在虚拟化层部署华为自研的桌面云系统FusionAccess用于发放和管理桌面;在用户层通过各种终端设备接入使用桌面[8]。华为桌面云解决方案逻辑结构如图1所示。

高校部署云教室时选择华为FusionAccess桌面云解决方案的重点优势有：（1）部署方案灵活，支持区域集中建设、校园集中建设、单教室建设方案，打破地理位置对学校获取资源能力的限制，为教职工和学生提供流畅的体验。（2）采用业界领先的高清保真桌面协议，联合华为存储硬件和极域、红蜘蛛等教学软件厂商，为教师提供丰富多样的教学软件，使教学活动简便易行，有利于开展多样化教学。（3）数据中心负责桌面资源的集中部署，实现统一运维和弹性调度，并支持系统高可用和故障快速恢复，提供智能诊断平台，实现精准快速定位问题根源，节约故障查找成本[9]。

综上，华为桌面云解决方案具有功能丰富、稳定性高、占用资源少、成本低、部署简单等优点。选择该方案构建高校云教室，更符合高校信息化建设的需求。

2  云教室需求分析

云教室是一种利用桌面云技术，为学校教学办公提供IT资源的整体解决方案。该方案服务端使用数据中心的服务器集群，客户端则采用绿色节能的云终端。教师和学生通过云终端即可使用集中部署于数据中心的桌面云主机，用户体验与PC机一致。通过这种方式，学校的办公室、实验室的计算资源都可以放在云端进行统一部署和管理，实现教学资源处处通。云教室提供可随时随地访问的个性化教学环境，提升运维管理效率并降低总体拥有成本，有效保障教育信息化的可持续发展。云教室具备集中管控、资源快速发放与回收、低功耗等优势。以南京工业职业技术大学计算机学院为例，早期一个标准的多媒体教室配备50台PC机，这些设备占用了大量空间并增加了布线复杂度。每台PC上通常安装多个系统，例如课程系统、考务系统等，每次计算机等级考试需要监考教师手动还原系统，增加运维的工作量。为了提升学校的信息化建设水平，提高运维效率，促进课堂教学，本次云教室建设项目核心需求如下：（1）桌面软件快速更新。高校课程对应的软件通常需要定期更新，任课教师对课程软件的需求也具有个性化的特点，传统的逐台机器升级的方式在大规模机器场景下毫无效率可言。桌面云通常根据课程模板进行桌面的批量发布，做到更新模板即更新桌面，即管理员更新模板并重新发布后，该模板对应的所有桌面的软件均完成更新。（2）保证用户使用体验。桌面云需要具备流畅的使用性能，并在用户体验上与PC基本一致。学生和教师平时比较习惯台式机或笔记本的基本操作，引入桌面云替代传统PC后不应额外增加使用者的学习成本。桌面云的基本操作包括开关机、重启、联网、外接设备等，要求具备良好的外设兼容性，让用户可以使用U盘、打印机、摄像头、麦克风等外设。（3）保证可靠性。桌面云运行在数据中心的服务器上，而非运行在云教室的客户端上，客户端通过网络从服务器获取云主机的桌面图像并呈现在云教室的用户侧。因此服务器和网络的可靠性对云教室的稳定运行至关重要，通常会对服务器和网络设备做高可用设置，预防单点故障造成的影响。（4）终端管理零维护。PC若保持长期运行会出现卡顿或死机等现象，用户必须手动重启才能恢复正常，终端运维工作量巨大。桌面云主机长期运行同样存在该现象，但可以通过自动化方式解决。对于运维管理，可以在桌面云管理平台设定桌面电源策略，例如每天凌晨自动重启、节假日自动关机、工作日自动开机等。通过设置自动化策略，可以避免桌面故障，减少用户开关机的操作，提升用户的使用体验。

3  云教室的设计与实现

3.1  硬件规划设计

南京工业职业技术大学计算机学院于2017年构建基于華为FusionAccess桌面云的生产环境，该环境应用于教学区的多个云教室并稳定运行。本文以建设一个包含50个用户的标准云教室为例进行介绍，使用3台服务器搭建桌面云平台。桌面云平台硬件资源使用通用的x86服务器、交换机和路由器即可，服务器组网后在上层安装虚拟化系统和搭建桌面云平台。单台服务器硬件的关键配置如下：2颗Intel Xeon E5-2620处理器，128 GB内存，1块600 GB SAS盘用作系统盘，4块1 TB固态硬盘用作数据盘，3块千兆网卡（分别对应管理、业务及存储平面）。云教室硬件组网的规划设计如图2所示。

在数据中心区域，使用3台服务器连接交换机进行组网，构成计算集群。在教室区域，每个教室的50个云终端连接交换机完成组网。数据中心交换机与教室交换机连通，并上联到数据中心的路由器，该路由器可实现校园网与数据中心桌面云环境的互通，即学生在宿舍也可以使用桌面云，实现随时接入。

3.2  软件架构设计

云教室建设的重点在于服务端软件架构，一个完整的桌面云架构通常包括虚拟化系统、桌面云系统、域控制器以及业务桌面。华为桌面云采用分层架构，各层协同工作。底层使用华为自研虚拟化系统FusionCompute，用于将服务器的硬件资源抽象成虚拟化的资源池提供给上层使用。上层创建2台虚拟机分别部署FusionAccess桌面云系统和Windows域控制器。其中FusionAccess桌面云系统由多个组件构成，主要包括桌面控制器、数据库、用户接入界面、负载均衡器等。Windows域控制器基于WindowsServer部署服务，用于管理用户权限和桌面设备等。FusionAccess桌面云系统需要与Windows域控制器对接，协同完成桌面发放的任务。最终，业务桌面通过终端供用户使用。云教室软件架构设计如图3所示。

3.3  方案实现

3.3.1  安装虚拟化系统

虚拟化系统用于将服务器的硬件资源抽象成逻辑资源池，为上层用户提供计算、网络和存储资源。3台服务器均安装华为FusionCompute 6.3版本的虚拟化系统，将系统安装到服务器的第一块硬盘，并根据数据中心的物理网络环境为第一块网卡配置网络信息，最后将3台服务器添加到同一集群中进行统一管理。若需要预防单点故障并提高集群稳定性，可以使用共享存储或分布式存储。

3.3.2  部署域控制器

域控制器用于存储用户环境中的域账户、计算机设备等资源信息，并为用户环境提供账号鉴权、域名解析、动态分配IP地址等基础服务。基于虚拟化系统创建一台WindowsServer 2019版本的虚拟机，在该虚拟机上安装活动目录（ActiveDirectory， AD）、域名系统（Domain Name System， DNS）、动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol， DHCP）等服务。域控制器将教学区视为一个独立的域，管理员在该域中为教师和学生创建域账号，该域中所有桌面用户和桌面计算机均由该域控制器统一管理，增强了系统的安全性。

3.3.3  部署桌面云系统

桌面云系统用于发放用户桌面并进行运维管理。基于虚拟化系统创建一台华为FusionAccess 6.3版本的桌面云管理虚拟机，该虚拟机内部运行数据库、桌面控制器、用户接入界面等桌面云组件，采用华为桌面协议将用户安全连接至虚拟桌面。管理员通过FusionAccess桌面云系统提供的管理平台完成桌面云的管理、调配和部署等任务。若需要提高管理平台的稳定性，可以再发放一台桌面云管理虚拟机，两者形成主备模式。

以上步骤完成后即完成云教室的搭建工作，管理员根据授课教师的需求制作对应的课程虚拟机模板，基于模板实现业务桌面的批量发放，桌面管理更高效。教师和学生使用域账号登录云终端即可使用个人桌面。只要网络可访问，用户就可以在校园的任何区域通过各种类型的终端去访问位于数据中心服务器上的个人桌面，让用户的访问方式变得更灵活。

4  云教室的应用

4.1  教学场景

云教室为教学场景提供了丰富的功能支持，包括软件批量更新、桌面一键还原、师生桌面共享和个人网盘等。云教室使用卡片大小的云终端代替传统的物理PC机，学生与教师使用的桌面来源于数据中心的服务器资源。师生可以通过云桌面进行互动，体验桌面云给课堂引入的科技感和趣味性。

课前，授课教师将课程的软件需求告知管理员，管理员制作课程模板并基于模板快速发放桌面虚拟机，教室内的所有桌面立即切换到该课程环境。课中，教師与学生使用管理员分配的个人域账号登录桌面，教师可以将自己的课程资料共享到学生桌面，学生可以将个人数据保存到域账号所属的网盘，实现个人数据的持久化，便于下次课程继续使用。课后，系统根据课表自动将桌面切换至对应的课程桌面，便于不同课程的学生使用。教学场景界面如图4所示。

4.2  考试场景

云教室可以承担各种考试需求，例如全国计算机等级考试、行业竞赛上机考试等。在传统机房安排考试时，每场考试均需要管理员在机器的考试模式与教学模式之间频繁手动切换，这种方式不灵活且耗费大量时间。云教室可以满足一考试一系统的考试要求，并且避免同一系统中安装多种考试软件导致考试冲突的情形。

考前准备阶段，管理员选择对应考试的模板并发布，云教室的所有终端立即切换到对应的考试桌面，实现了一个教室承担多门考试的需求。考试进行阶段，考生使用的云终端本地不保留任何数据，并且禁用USB设备防止考生将试题外泄。考试过程中的数据均由数据中心的桌面云服务器统一存储及备份，有效保证考试的数据安全性。考试结束阶段，管理员在桌面云管理平台一键切换系统即可更新云教室的所有终端。

5  结  论

基于桌面云的云教室具备易于部署、管理维护简便、绿色节能、数据高安全性等优点，并支持高校的各种应用场景，可以为高校课程建设提供良好的基础教学环境，从而打造新型信息化教育模式。在此基础上，将继续研究桌面云vGPU（Virtual GPU）显卡虚拟化技术，进一步探索桌面云技术在工业制图及人工智能等领域的应用与创新。

参考文献：

[1] 吴湘宁，罗勋鹤，刘远兴，等.高校云桌面计算机实验室方案选择与设计 [J].实验技术与管理，2020，37（6）：19-23.

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[3] 段然，周来新.智慧云桌面系统的设计与实现 [J].数字通信世界，2021（4）：94-95+101.

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[6] 赵欣.职业院校桌面云建设实例浅析 [J].广西教育，2021（19）：174-176.

[7] 李朝兵，张涛涛.桌面云在制作系统中的应用 [J].中国科技信息，2021（7）：48-50.

[8] 高伟.桌面云技术在企业办公生产中的应用 [J].电子技术与软件工程，2021（1）：182-183.

[9] 赵晓杰.VDI+VOI融合的多媒体教室桌面云设计与实践分析 [J].电子世界，2021（3）：21-22.

作者简介：张沛昊（1987—），男，汉族，江苏无锡人，助教，硕士，研究方向：计算机网络、云计算技术与应用。