融合云技术在高校教学机房管理中的效能提升研究

卢畅 徐光明

摘要：综合性高校涉及多学科多专业的实验上机任务，结合社会服务、网络考试和上机培训等复杂化应用需求，随着计算机维护管理技术的不断更新，对于机房管理效能的提升的要求也日益显著。融合云技术的诞生为机房的管理提供了一种有效的解决方案，通过IDV等新技术在机房的不断深入应用，通过不同维度的数据分析，得到了效能提升的有力验证。从成本、能耗、效率等方面，通过数据采集、分析和统计，得出了融合云在高校教学机房的效能提升方面的事实，并建议向同行推广使用。

关键词：融合云;VDI;IDV;VOI;机房管理;效能提升

中图分类号：TP308      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）14-0086-03

1 引言

为了顺应行业和学科的不断进化，多学科、多专业综合性高校的教学需求的复杂多变，对于该类高校的机房管理需求也日新月异，尤其随着实验教学需求的要求不断提升，也给机房的管理人员效能提升提出了更高的要求。本文所探讨的研究成果基于以下事实：1）机房规模庞大，支撑了全校几乎85%以上的实验上机教学任务;2）由于经费预算有限，机房设备新旧程度的跨度巨大，无法实现机房的一次性全面更新;3）机房管理复杂，从公共课程到专业课程，每学期所承担的课程种类达到了将近50个门类;4）机房的管理工作量巨大，每年机房管理人员所承担的工作量总共达到了23万人学时;5）机房功能灵活多样，除了日常教学，还要满足网络考试、在线培训、社会开放等多样化需求.基于以上事实，在现有的有限设备条件和人力资源的条件下，与日益提升的机房需求深入挖掘之间，产生了越来越大的矛盾，只有有效提升机房管理的效能，才能基于现状改善教学效果和体验，满足高校对于人才培养的基本要求。

2 机房管理技术进化简要

随着计算机软硬件技术的飞速发展，高校机房的管理模式也经历了多个阶段，主要跨越了以下几个历程（机房设备基于统一的机器型号，具备统一硬件产品，单一的驱动程序）：

1）单机GHOST管理模式。通过安装一台模板机，俗称“母机”，针对教学实验上机要求的环境，事先安装好包括操作系统，各类应用软件，并设置和调试好各系统参数等，然后利用美国赛门铁克公司的Norton Ghost软件，进行分区备份，制作成统一的源映像文件。然后通过手工的方式对其他电脑进行复制还原操作，最后再修改包括IP地址在内的系统各参数。GHOST软件也可以实现硬盘对拷的功能，机房管理人员也经常使用该功能实现机房实验环境的安装调试，但是此操作需要涉及机箱和硬盘的拆卸操作，对于管理人员的技术要求更高，存在一定的门槛。在效率提升的需求下，机房管理人员在系统参数设置环节增加了个性化的基于批处理的编程拓展开发，从一定程度上提升了机房管理的效能。

2）网络同传模式。随着网络技术的不断发展，诞生了网络同传技术，机房管理由单一的线性模式逐渐过渡到了规模化的并发模式，技术人员在一定的网络条件下（一般需要提供稳定且性能较好的网络交换设备，能提供较高的网络带宽），事先安装好一台“样机”，然后通过“软”“硬”件的同传技术，实现无差异化的系统复制，并且，该模式可以实现包括IP地址在内的系统参数的自动修改，大大提升了管理人员的工作效率，此模式在一定时期内，甚至目前的很多高校都广泛使用，得到了同行的高度认可。

3）无盘工作站模式。出于对成本的控制，管理效能的要求提升，同时伴随着新型网络协议的不断开发，一种叫无盘工作站的管理模式逐渐引入到了机房管理中，该模式是当前所谓的“云”模式的前身，实现了客户端无存储化的管理模式，利用PXE的网络协议进行启动，所有数据都通过中央服务器中的存储设备进行分发管理，实现了高效的管理效果[1]。但是该模式对于网络的要求较高，由于技术的兼容性较差，在复杂教学环境中的使用效果不尽如人意，只短暂地应用在Office等简单教学中，目前基本上被“云”设备所代替。

4）桌面云模式。随着各大厂商虚拟化技术的不断研发，出现了VDI、IDV、VOI、RDS等技术，借助于该技术，存储（或者一部分存储）和计算功能交给云服务器，借助于相关协议，终端与虚拟云桌面连接，通过云服务器对终端系统桌面和相关的应用程序等进行集中安装和管理，真正实现一对多的高效管理。该模式也存在“胖”“瘦”终端的不同虚拟云桌面管理模式，各自都有优缺点，对于高校教学机房管理来说，无论选择哪种模式，都无法完美实现效能的充分发挥，所以，融合云桌面的技术应运而生，该技术可以实现“胖”“瘦”两种模式的综合应用，针对不同的环境可以灵活采用，是目前机房管理的主流模式。

3 传统机房管理痛点解析

1）教学机房的设置复杂，线路凌乱

基于同传模式的大型高校机房，普遍存在更新频次不统一，导致计算机型号不一致的情况。尤其是建校历史悠久的高校，机房的管理从最初的公共类课程逐渐过渡到专业实验课程比例逐年递增的模式。该机房的结构布局普遍基于商用或者个人PC，通过地板下方走线（包括电线和网线）进行串联，然后通过预先设置的孔洞从地板下方引到桌面，地面走线凌乱，难打理，为机房的卫生打理带来了较大的困扰，更是存在漏电火灾等安全隐患，不仅如此，在使用过程中，经常发生插头脫落的现象，影响教学和考试活动的正常开展。有些高校采用了吊顶式反向设计，即从天花板进行布线，然后接入桌面，虽然解决了布线的难题，但是影响了机房的美观，尤其是上课时，阻挡了学生的视线。

2）耗电量大，不够环保

个人PC台式电脑功率大约在300W[2]，对于一个100台终端，日运行时长超过8小时的机房来说，按照一年运行200天计算，大约需要48000千瓦时，如果算上空调等设备，耗电量大大超标，不仅给学校的运行增加巨大的日常开支负担，更是无法充分响应国家的节能减排号召，与时代发展不符。

3）机房管理效率低下，耗时耗力

随着专业课程的不断增加，各种系统和软件的安装要求也不断提升，采用同传管理模式的机房，需要在特定的时间段内采用全盘或者增量的方式传送数据，为了避免影响正常教学秩序，经常会发生占用管理人员非正常上班时间的情况。并且，由于客户端电脑的本质是一台普通的PC机，在传送工作过程中，会因为个别电脑故障导致传送数据延时甚至失败，最终影响了后续的实验教学上机进程。

4）应急处理能力差，临时情况很难安排

对于临时突发情况，比如涉及机房大面积故障或者断网断电情况，需要更换机房，或者遇到有些应用软件临时安装才能上课的情况，同传的模式很难在课程间隙时间完美提供解决方案，灵活性较差。

5）其他问题，如网络安全等

在实际管理过程中，还涉及数据安全、网络安全、病毒入侵等各类问题[3]，由于教学机房的管理，必须实行开放式管理模式，各类存储设备访问、网络访问、数据分离等都成为管理的痛点，如有时为了学生的存储数据需要，预留了一部分分区进行开放，但是也为病毒的入侵提供了条件，对管理人员后续的清除病毒工作带来了巨大的麻烦。

4 可行性解决思路

针对以上的管理痛点，提出了以下解决思路：

1）统一规划，合理布局;根据不同的房型结构，机房的整体规划和线路布置应该采用个性化设计方案，在资金允许的前提下，应该采用单个接线板对应单个终端的一对一方式，所有线路应该采用套管的模式进行束线处理，保证布线的简洁，而电脑桌椅应尽量采用开放式的设计方案，便于后续的维护拆卸等操作。

2）以节能环保产品逐步更新设备，另辅以自动化控制系统;随着计算机集成化技术的不断提高，在产品选择方案中应充分考虑满足性能要求的一体机产品[4]，该产品在兼容性、节能性和空间表现来看，具有明显的优势。在无人值守的大型复杂机房管理过程中，对于终端的维护应该提供自动化辅助方式，如机房管理信息系统，可以实现课表的编排，并实现自动化自助上机，减少管理人员的现场维护。

3）充分发挥网络优势，实现集中化批量远程管理;通过特定的技术手段，实现远程精细化管理，大幅度减少管理人员现场处理的必要性，精简人力资源配置，提升管理效率。

4）提升数据传输效率，实现碎片化高效管理;尽量缩减系统维护安装的时间，使其能在限定时间内完成相关操作，用以适应特殊突发情况的实验需求，如临时课件软件安装等，保证实验的保质保量顺利完成。

5）逐步完善集中化管理模式，保证数据的安全科学统一存储管理;采用物理、逻辑上的内外网隔离技术，有效保证了内网数据的泄露隐患，保证了数据存储的安全性，也能提高网络在病毒传播上的预防作用，提高机房使用的健壮性，令教学实验顺利开展。

5 融合云技术解决方案

在目前最新的虚拟云桌面相关产品中，单独的VDI或者IDV模式等[5]，都只能在特定的条件下能较好体现自己的优势，但是基于公共和专业课程混合的实验上机教学体系中，单纯的模式显得力不从心，所以，本研究解决方案采用了融合云的技术价格，把各种云桌面技术进行整合，提供给机房管理人员的集中化管理模式。

1）融合云技术介绍

融合桌面云是基于VDI、IDV和 VOI多种技术架构融合的综合管理方案，能实现对机房的终端进行集中化、大规模的统一管控，是目前为止较为理想的综合管理模式。 融合云桌面平臺采用B/S架构的单一融合管理模式，实现对不同终端设备，三种架构桌面进行统一部署、管理和运维，可支持程序使用控制、网络访问限制、设备使用控制等，并可查询相关操作记录。系统部署的示意图如图1。

云融合平台可以实现镜像分层技术，实现对云桌面环境的软件及补丁统一更新，用户自行安装的软件、环境变量、配置文件、个性化数据等均不会受到影响[6];可以实现USB设备重定向，将终端的USB设备重定向到云桌面中，USB设备传输加密，兼容性与识别率高，通过传输协议的优化，压缩比高，传输占用带宽小;内外网隔离技术支持物理隔离、逻辑隔离的不同模式，隔离内外网的数据访问，保证内网数据不泄露;针对VDI桌面，在断网情况下，云终端可以自动切换到实系统，在极端情况下场景仍可提供桌面环境，保证不同场景业务的连续性;多桌面保护还原技术实现扇区级别的保护还原，即使在系统遭受破坏或映射关系丢失时，也不会造成数据丢失，还原的速度快，磁盘读写影响小;VGPU显卡虚拟化技术，兼容了各大厂商的显卡，将显卡按需切割并透传到云桌面中，大幅度提升桌面图形图像处理能力，并可实现桌面显卡资源的弹性分配[7]。

2）融合云技术具体解决方案对比分析

①技术产品应用成本核算对比

本项比较是基于产品的原价格与后续的维护保养总成本，因为各大高校机房的管理体制与模式不尽相同，所以可能会存在较大差异，本研究数据来源于浙江某大学机房运行积累。浙江某大学的机房管理模式采用专人管理，电脑的维护比较到位，不涉及校外外包维护服务，完好率也基本上达到了100%，产品的保修年限基本上都是3年，本研究设定使用期限为6年左右，过期后的维保主要集中在以硬盘和键盘鼠标等易耗品为主的个别硬件上，融合云桌面一体机的结构紧凑，使用了SSD固态硬盘，所以在故障率方面比个人PC有着一定的优势，大概测算数据如表1，内容仅供参考。

由于融合云桌面机房对于网络的要求比较高，这里增加了机房原老旧网络改造的成本增加，如原机房已经实现1000M到桌面的网络性能，则无须考虑改造升级。

基于以上的综合因素考虑，升级一个100台终端全新的融合云机房，总成本投入大约553000～600000元之间，比传统的投入要高出大约36.5%。

②技术产品应用能耗核算对比

随着计算机集成水平的逐渐提升，性能同样出众的一体机已经在各高校机房中普遍采用，本融合云桌面方案也是基于一体机的产品做出能耗核算效能比较，具体如表2，本表的数据统一按照额定功率计算，但是实际运行过程中，功率会有一个波动区间，大概基于额定功率的30%～50%，所以PC模式的实际功耗会大幅度下降，融合云模式需要有服务器的后台支撑运行，所以也要增加一部分功耗，最终的表现来看，融合云胖终端模式的能耗为传统PC的50%左右，在用电成本上，融合云产品优势明显，能充分响应国家节能减排的号召，符合绿色环保要求。

③技术产品应用管理效率对比

采用多架构融合技术的桌面云在使用了一个学年后，从多个维度进行了管理效能量化指标衡量并测算，具体如表3所示。

从相关数据可以明显看出，融合云架构管理模式在特定产品的加持下，可以大幅度提高机房管理效率，从而可以实现碎片化管理机房的可能性，对于突发性需求变化也可以从容应对，提升了机房管理的弹性[8]。不仅如此，在实际管理过程中，涉及众多专业化软件的安装服务时，基于规模化授权的安装模式，融合桌面云模式的个性化安装效率明显优于传统PC模式。

3）融合云技术应用效果教师反馈数据验证

融合云桌面机房经过一个学年的投入使用，针对机房使用特点，制定了相关网络问卷，通过发放给机房授课的资深教师（此类教师都有过传统机房和融合云机房使用的经验，所承担的课程既包括公共课，也包括各个学院的专业课程，所使用的软件分布较广，可以形成有效对比），总共形成了32份答卷。问卷设置分别从机房环境、系统运行的速度、稳定性、电子教室使用的功能性和便捷性，以及与传统机房使用的总体使用感受来比较，具体形成报告如表4。

根据问卷数据，可以得出明显的结论：无论承担哪门课程的教师对于融合云机房的总体使用效果非常认同，认为融合云机房能够为他们提供较好的实验平台环境，大幅度提升了教学效果和体验。但是由于个别的软件对于机器的性能要求较高，在限定的资金投入下（学生端无配置独立显卡），所以无法100%满足。

6 结束语

从融合云技术产品的投入与使用整个过程，再到最终的应用效果评价来看，虽然在建设初期的一次性成本投入上比传统PC模式高出1/3左右，但是在寿命期内的整体维护成本可以得到有效控制，最突出的是，该方案在提升综合复合型教学机房使用效能上有显著的效果，并且可以实现碎片化的突发需求管理，保证了教学考试等秩序的顺畅开展，融合云机房方案可以大幅度减少管理人员的数量，减少现场处置故障的时长，是未来该类机房的升级改造的趋势，值得在各大高等院校中大力推广使用。

参考文献：

[1] 雷显臻，张晶.多种架构的桌面云模式选型及融合场景解决方案研究[J].智能城市，2020，6（20）：16-17.

[2] 刘全，黄维平.基于云桌面的高校计算机机房建设模式研究[J].中国地质教育，2020，29（4）：11-15.

[3] 姚倩.基于VOI模式的教学机房多环境管理系统的设计研究[J].中国信息技术教育，2020（S3）：171-173.

[4] 謝胡林.基于多种模式的云桌面技术在高校各类应用场景的研究[J].电脑与电信，2019（11）：46-48.

[5] 张海峰，狄明远，朱光明.基于融合模式的高校教学桌面云建设模式研究[J].信息与电脑（理论版），2021，33（17）：238-241.

[6] 肖光华.云桌面与传统PC在高校信息化机房建设中的比较研究[J].软件导刊（教育技术），2019，18（8）：91-93.

[7] 庄月青.云桌面在高校教学的应用研究[J].科技经济市场，2021（8）：139-140.

[8] 高沙沙.云桌面在教学实验基地的实际应用[J].福建电脑，2021，37（2）：128-130.

收稿日期：2022-03-09

作者简介：卢畅（1979—），男，浙江台州人，高级实验师，硕士，研究方向为计算机技术在各个领域的应用;徐光明（1978—），男，浙江绍兴人，工程师，硕士，研究方向为信息管理和数据库应用技术。