基于云计算技术的计算机类实训室建设方案研究

王耀民

(青岛职业技术学院 信息技术中心，山东 青岛 266555)

采用云计算技术(包括虚拟化技术、桌面云技术等)建设计算机类实训室，有助于高职院校各院系统一建设思路，形成建设成本低、建设周期短、运维效率高、易扩容、负载均衡、安全可靠、绿色节能的整体解决方案，创新实训室建设的模式和架构。基于此，院校应当利用云计算等技术手段，解决弹性扩容、负载均衡、安全稳定、虚拟机管理等技术问题[1]，对已建实训室进行分析评估，将具备软硬件条件和符合使用需求的纳入基于云平台架构的建设方案中，把现有或计划建设的各自独立的实训室接入或升级到“云”上，统筹整体规划，提升技术性能，促进资源共享。云计算数据中心虚拟化资源池(计算资源池、网络资源池、存储资源池等)，则可以解决基于桌面云的实训室搭建、云数据中心虚拟服务器规划、虚拟主机创建以及计算机类教学软件(比如Office、Photoshop等)和软件开发工具平台等相关教学资源的安装和使用问题。

一、计算机类实训室应用现状与问题

高职院校在计算机类实训室建设方面多采用传统的做法，即院系根据专业需求分别提出申请，建后各自管理和运营。每当建设任务来临时，院校都要从头开始设计方案，组织校内论证，开展软硬件招标采购。中标方进校完成设备安装、调试和试运行。由于采购设备较多，投资较大，建设周期一般较长。新建实训室往往以独立、专用、有限共享为特征。总体上，计算机类实训室重复建设问题突出。院系运维技术能力不足又会导致实训室使用效率低、设备故障率高，影响实训教学的整体效果。

计算机类实训室在运维方面也存在一定的问题。在实训过程中经常发生的故障，包括硬件或应用软件被损坏、系统文件或系统软件被破坏导致系统无法迅速恢复，学生自带U盘或移动硬盘插入电脑后造成电脑感染病毒死机，不仅使得实训课程无法顺利进行，也给实训室管理人员带来运维压力，增加了时间与材料成本。由于缺乏系统还原机制，学生在分组实训时，前一节课的实训数据仍保存在本地电脑磁盘上。实训环境不能快速恢复到初始状态，无法为不同时段上课的学生提供良好的实训环境。即使通过系统还原能够恢复到初始实训环境，频繁的初始化也会严重影响实训教学的效率。院系计算机类实训室的增加和扩容，进一步加重了实训室管理人员和运维人员维修和检测的负担。随着计算机软硬件的不断更新换代，为了适应实训教学环境的要求，实训室只能不断地对每台计算机的软硬件进行更新和升级，采购PC机周期的缩短增加了实训室建设的成本。

二、采用云计算技术建设计算机类实训室的技术基础

(一)技术支撑与实现原理

云计算技术是分布式计算(Distributed Computing)、并行计算(Parallel Computing)、效用计算(Utility Computing)、网络存储(Network Storage Technologies)、虚拟化(Virtualization)、负载均衡(Load Balance)、热备份冗余(High Available)等技术融合发展的产物，通过网络对大量分布式计算资源进行集中管理，实现并行计算，并通过虚拟化技术形成资源池(如图1所示)，为用户提供计算资源按需配置、弹性分配、负载均衡、动态扩展以及充分共享等服务，极大提高了IT资源的效能。

图1 虚拟化过程示意图

随着个人电脑、智能手机、平板电脑、瘦客户机等智能设备的不断普及，移动办公的需求越来越强烈。云计算技术将移动办公业务与移动设备和云计算结合起来，形成基于虚拟化技术的桌面云平台，业务软件和数据存放在云数据中心，用户通过终端设备接入云桌面就可以进入如同传统计算机一样的操作界面。桌面云是一种基于云计算技术的服务模式，依托云计算技术与云中心虚拟化资源池创建虚拟机，并在虚拟机上预装所需要的应用软件，用户通过非特定设备(如台式机、笔记本、智能手机)在任何地点都可以实现对桌面的访问与操作。多个操作系统可以共享物理服务器的硬件资源，客户端通过远程桌面协议可以实现与云中心的交互。客户端如同传统计算机桌面一样，用户可以进行相应的软件应用操作。图2是桌面云实现原理示意图。

图2 桌面云原理示意图

将实训室中的台式计算机更换为云客户端TC(Thin Client)，在云数据中心创建足够数量的虚拟机VM(Virtual Machine)，将基础数据、系统软件、教学软件、开发工具等安装到云数据中心虚拟机上(可通过VM模板快速克隆)，搭建起桌面云平台，建立师生登录账户信息。师生在上实训课时，打开桌面云TC终端，配置了实训环境的虚拟主机就会自动从云中心下发到云桌面客户端TC，师生开机登录即可使用，如同使用普通计算机一样。客户机与云中心服务器交互。移动终端安装桌面云客户端后，也可以在任何地方登录虚拟机，实现和实训室师生同步实训上课。

三、采用云计算技术建设计算机类实训室的技术路线

对云计算中心拓扑结构和资源池进行优化，可以满足全校桌面云实训室接入云的需要。优化云计算中心的拓扑结构，通过VMware或华为FusionCompute等云计算与虚拟化系统对物理资源进行虚拟化处理，搭建虚拟服务器集群，构建专门用于实训室的虚拟化资源池即计算资源池、网络资源池和存储资源池[2]；创建实训室所需要的虚拟主机(VM)，在VM上安装配套的操作系统和计算机类教学软件及开发工具等相关教学资源，并通过负载均衡、网格计算和并行计算等技术，实现服务器弹性计算、负载均衡、稳定可靠以及虚拟机管理等功能，保证整体系统运行高效、稳定。

将全校存量和新建计算机类实训室接入云平台。调研分析院系计算机类实训室布局、功能、使用资源配置、网络接入环境等，对具备接入云平台条件的实训室进行登记，提出改进和完善方案，提升接入云平台的带宽，将其接入云平台；将新建的实训室纳入云计算实训平台的整体拓扑架构中，实现全校计算机类实训室逐步上“云”，提供移动端接入“云”上实训室，提高实训资源的共享和使用效益。

在云计算中心建设一套基于云计算技术的ICT(Information and Communications Technology)基础设施，安装云操作系统，实现对云资源的统一构建和管理，负责构建虚拟化计算资源池、存储资源池和网络资源池，把教学资源统一存放在存储资源池中，根据各专业对计算机类实训室建设的需求，按需分配，从资源池中创建足够的虚拟机服务器和虚拟机。将教学软件、业务软件和教学资源安装到虚拟服务器和虚拟机上，通过桌面云技术，将实训所需要的虚拟机下发到实训室的TC终端，师生只需通过TC终端登录到这些虚拟机上，就可以进入如同传统计算机一样的操作桌面。学生通过个人电脑、智能手机、平板电脑等智能移动设备，在任何时间任何地方都可以登录到桌面云，从而实现移动实训和学习。系统拓扑结构如图3所示。

图3 云计算中心拓扑结构示意图

如果某个院系需要新建或改造存量计算机类实训室，硬件方面只需采购足够师生使用的TC(也可以使用存量PC)和一台交换机(48口)即可。将教学软件、工具等安装到云数据中心的服务器上[3]，创建足够数量(实训室工位数)的虚拟机(VM)，通过桌面云技术，将VM下发到师生TC终端构成桌面云。云计算中心运行稳定，所有基于云中心的实训室开机即可使用。不论实训室在哪个院系，师生看到的都是后台VM的运行桌面，它是通过桌面云协议实现云中心与客户端交互的。

四、设备配置

根据以上网络拓扑结构和实现的技术路线，基于云计算技术的实训室与云中心主要设备配置明细如表1、表2所示。数据中心部分按照全校云实训室数量不断扩容的需要一次性采购，其更新和升级周期较长，相对成本较低。实训室部分是一个实训室的配置，可根据院系需求增加实训室数量。

云计算中心根据校园网整体建设要求进行设备预算和采购时，要充分考虑到资源共享和全校实训室大量客户端的接入需求，要满足较长更新和升级周期的使用性能和数量要求，适当提升设备的性能指标，为满足每年可能增长的实训室建设软硬件需求奠定基础。院系新建计算机类实训室无需再独立采购服务器、网络安全与管理设备及相关软件，客户端只需采购够用的TC即可，所需要的实训软件由云计算中心统一安装到新的虚拟机并下发到TC。

表1 云计算中心主要设备配置(一次性采购)

表2 云计算中心主要设备配置(一次性采购)

五、实施效果

基于云计算技术的学校计算机实训室的建设方案，利用云计算技术、虚拟化技术、桌面云技术、移动互联技术[4]，是实训室建设的新思路和新模式。这一方案减少了软硬件采购的种类和数量，降低了投资、施工、人力和运维等方面的成本。

院系新建实训室无需再独立采购服务器、网络安全设备、数据存储设备、系统软件和应用软件等成本较高的软硬件设备。瘦客户机(TC)价格是普通PC价格的30%左右。同时，云中心服务器上的软件是有版权授权的，瘦客户机作为客户端不需要购买和安装任何软件，节约了软件的许可费用，使实训室整体减少55%以上的设备和软件采购费用。[2]云中心只需升级一套虚拟机模板即可解决同类实训室所有计算机的系统升级问题。尽管云中心一次性建设需要较大的投资，但从长远和全校整体建设规模分析，新方案更具成本优势。同时，由于采购设备和软件的数量、种类大大减少，实训室占用空间减小，建设周期缩短。瘦客户机是在网络环境下工作的，其运行的程序、数据都集中在服务器端。在此工作模式下，整个系统的安装、调试、管理、维护及升级都由云中心管理员团队在服务器端集中统一实现，客户端仅需要配备少量的运维人员进行设备硬件检查、登记与维护，不需要在客户端进行应用软件的安装或升级。云中心系统管理员可以随时控制整个网络，快速完成信息系统的安装、调试、升级和维护工作，大大节省了信息系统的部署时间，降低了人力资源费用和管理成本，运维效率提升9倍。[2]

瘦客户机采用集成化的系统结构设计，一般不配置软驱、光驱、硬盘等易损部件，从而减少了病毒产生的来源，提高了系统的可靠性、稳定性。瘦客户机的本地系统软件采用嵌入式技术设计，保证了系统的稳定运行，其故障率较之PC大大降低。传统实训室使用过程中会产生大量的数据，这些数据存储在教师或学生的PC端。PC或网络遭到病毒攻击，会造成实训数据的丢失。采用云计算架构模式，云中心提供更安全的数据存储空间，师生实训数据存储在云中心存储资源池中，既保障了数据的安全，又提供了充足的存储空间。[5]传统实训室配置的台式电脑功耗一般为200W—250W，TC瘦客户机采用无风扇和低功耗设计，一般运行功率只有20W—25W，可以很大程度地降低实训室的噪声与能源消耗。新建实训室省去了服务器、存储设备、网络安全等高功率设备，硬件设备数量比起传统实训室大大减少，整体能耗降低约80%[2]，实现了绿色节能。

围绕高职院校计算机类实训室建设问题，本文提出了一套基于云计算技术和虚拟化架构的整体解决方案，相较于传统实训室建设模式具有多项优势，为校内实训室建设模式的改革与创新提供了新的思路。为保证基于云平台的实训室建设、使用与管理的顺利实施，院校还要加强对院系实训室建设与管理人员的云计算技术培训，提升他们运用云计算技术进行规划、建设和管理云上实训室的能力。