桌面云实验平台的数据模型设计与应用

陈大军

关键词：桌面云；数据模型；数据表设计；数据获取

桌面云技术在我国的发展可追溯到2006年，历经17年的发展历程，近年来，随着新一代信息技术进步的推动，对桌面云的需求节节攀升，伴随着我国桌面云标准化进程的演进，桌面云在主流架构、部署模式以及解决方案等方面不断完善，逐步深入应用到各行业，尤其在教育行业得到快速的发展[1]。

虽然桌面云技术的应用方案，研究成果丰富，但针对其数据模型设计方面研究较少，同时，在艺术类教学实践保障中存在软件更新部署耗时多，教学环境与考试环境不能快速切换，现有桌面云产品对GPU支持存在算力不足问题，无法满足艺术教学的需求。因此，本文从桌面云数据模型设计的视角，研究桌面云的应用效果，期望利用桌面云技术解决教学中遇到的问题，可以轻松实现数据上云，集中管理，兼容原有设备，提高教学保障的效能。

1 平台需求分析

1.1 业务场景分析

通过虚拟化技术，实现实验室终端集中化管理，通过服务器在CPU、GPU方面的算力，存储空间优势，构建实验平台桌面云，用户可在多场景中访问资源，建设私有云网盘，实现移动教学办公。

1.2 系统角色与用户组设计

1） 系统管理员。角色具有管理平台整体功能，平台授权，分级管理的功能。

2） 教师用户组。具有查看教室情况，终端运行情况，安装镜像文件等功能。

3） 学生用户组。具有查看教室情况，使用系统环境，资源回看等功能。

4） 维修用户组。具有查看设备情况，教室情况，报修情况，部署镜像文件等权限。

1.3 功能性需求

1） 平台软件建设内容。构建桌面云融合管理平台，满足多媒体教室教学办公场景需求，适应VDI、IDV、一体机、兼容PC等多终端并存现状桌面架构的技术界限，平台采用B/S架构模式，通过虚拟化技术为平台提供统一的资源池支持；实现对资源、机房、终端、模板、场景和桌面等诸多业务处理逻辑，构建统一融合桌面云实验管理平台[2]。

2） 平台硬件建设内容。平台硬件主要涉及后端服务器与前端客户机，其中后端服务器分为控制节点服务器和计算节点服务器，前端客户机为IDV终端。

3） 平台云盘功能。建立私有云云盘，为教师提供教学资源的个人存储空间，无需U盘即可联网上传和下载资源，更高效、便捷、安全地管理个人教学资源，同时，提供组织工作组功能，便于在工作组内共享资料，协同开展虚拟教研室工作。

1.4 非功能性需求

在进行平台架构规划时，采用成熟先进的技术架构，在充分考虑应用性能的基础上，保护原有资源。实现终端与数据的分离，终端通过网络访问云端资源，适应教育行业发展趋势。

采用主流的技术和平台框架，满足IT信息化建设的扩展性需求，能支撑未来校园应用服务化，并实现断网不影响教学使用的功能，保持教学业务连续性，支持主监控服务、支持虚实双系统，实现系统的安全可靠。

采用市场上成熟先进的高性能硬件配置，实现设备运行与数据处理的高效性、稳定性和安全性，为用户提供自由、灵活、快速、稳定的信息服务硬件保障。采用针对教育行业的专业解决方案系统，有丰富的本地化案例和售后服务团队。

2 数据模型设计

2.1 设计思想

1） 数据库设计原则。数据库设计适当冗余，数据表字段设置丰富的标签，字符类型设计充足的字长，数据设计遵守范式要求。

2） 逻辑结构设计。逻辑设计规范，设计清晰的数据库表结构，规划元数据设计体系和多源异构数据设计，做好自身数据、集成数据、推送数据的设计。

3） 数据库安全设计。数据设计遵循安全性、完整性、可维护性原则，确保数据库安全可靠[3]。

2.2 数据库表设计

桌面云实验平台的数据模型设计的主要内容对桌面云镜像的结构信息设计及优化，包括每个镜像文件对应路径、类型、格式、容量及CPU和内存的资源分配相关数据[4]。本文将桌面云镜像的信息及所涉及的各类实体对象进行抽象、归纳，建立各类实体在数据库系统中的映射，由此在数据模型中设计、定义了30 张数据表，以镜像文件名称为主键，通过镜像名称、用户编号形成两级索引，从而关联各个数据表。主要由用户组、教学组、存储组、桌面组、网络组5部分构成。

1） 用户组

用户表（Users） ：存储用户的基本数据，包括用户账号、复杂密码、个人邮箱等。

教师表（Teachers） ：存储教师账号的相关数据，包括教师ID、是否在线、登录时间等。

管理员（Admins） ：存储用户在云桌面中的管理员及授权信息，包括用户ID、虚拟机/虚拟桌面ID、权限级别等。

2） 教学组

课程表（Lessons） ：存储课程数据。包括课程ID、课程名、模板镜像名等。

班级表（Classes） ：存储班级数据。包括班级ID、班级、学院、入学年月等。

班级学生表（Class_Students） ：存储班级与学生对应关系数据。包括班级ID、学生ID等。

课程班级表（Lession_Classes） ：如果需要对用户进行分组管理，可以设计一个用户组表来记录用户组的信息和所属用户。

3） 存储组

存储池表（Pools） ：如果存在多个物理服务器或资源池，可以存储资源池的信息，例如资源池ID、物理服务器名称、IP地址等。

模板镜像表（Bases） ：存储模板镜像的相关数据，包括镜像ID、镜像名称、存储路径、镜像类型、镜像方式、容量、访问时间等。

实例镜像表（Images） ：实例镜像，如果需要提供不同的操作系统镜像供用户选择，包括镜像ID、名称、版本、容量大小等。

数据表（Data） ：模板镜像，如果需要提供事先配置好的桌面环境作为模板给用户使用，可以设计一个模板表来存储模板的信息，例如模板ID、名称、配置信息等。

镜像表（Isos） ：存储安装镜像的相关数据，包括镜像名、镜像路径、镜像类型、镜像格式、容量等。

存储表（Storage） ：如果需要存储用户的文件和数据，可以设计一个存储表来管理用户文件的存储路径、大小等信息。

容器表（Container） ：如果云桌面支持容器化技术，可以设计一个容器表来存储容器的信息，如容器ID、名称、镜像等。

分布式存储表（Distributed Storage） ：如果需要使用分布式存储来提供高可用性和可扩展性，可以设计一个存储表来记录各个存储节点的信息和状态。

集群表（Cluster） ：如果云桌面采用集群架构，可以设计一个集群表来存储集群节点的信息、状态和负载等。

备份表（Backup） ：如果需要对用户的虚拟机或桌面进行定期备份，可以设计一个备份表来记录备份任务的信息，包括备份ID、备份时间、备份文件路径等。

文件系统表（File System） ：如果需要提供文件共享和存储功能，可以设计一个文件系统表来存储用户文件的信息、路径和访问权限。

4） 桌面组

域表（Domains） ：存储桌面云配置基本信息，包括云桌面ID、云桌面名、操作系统、镜像数据、网络地址、CPU、内存及用户组相关数据。

虚拟机表（Local_vms） ： 存储基于本地的虚拟机数据，包括虚拟桌面ID、虚拟机状态、所属用户、所属课程、对应模板镜像和实例镜像。

应用程序表（Application） ：存储各种可用的应用程序信息，包括应用程序ID、名称、版本、描述等。

定时任务表（Scheduled Task） ：如果需要执行定时任务，如定时清理过期数据或执行系统维护操作，可以设计一个定时任务表来存储任务的信息，包括任务ID、执行时间、任务类型等。

消息队列表（Message Queue） ：如果需要实现异步消息处理和任务调度，可以设计一个消息队列表来存储消息的内容、状态和处理结果。

统计表（Statistics） ：如果需要统计和分析系统的使用情况和资源消耗，可以设计一个统计表来记录各种指标，如用户登录次数、虚拟机使用率、网络流量等。

日志表（Log） ：记录系统的操作日志、错误日志和审计日志等，以便进行故障排查、安全审计和性能优化。

5） 网络组

虚拟网络表（V Nets） ：如果需要管理虚拟网络的配置，可以设计一个网络表来存储虚拟网络的相关信息，如网络ID、子网、IP地址范围等。

安全表（Security） ：如果需要记录用户权限、安全策略等信息，可以设计一个安全表来管理这些信息，以提供安全性管理和访问控制。

事件表（Event） ：记录系统的事件和警报信息，例如虚拟机启动/关闭、资源使用超过阈值等。

告警表（Alert） ：如果需要监控系统状态并生成告警，可以设计一个告警表来存储告警的信息，包括告警ID、告警级别、触发条件等。

各表之间存在广泛的依存关系，数据表关联可以使得不同表之间相关数据连接在一起，提供更全面的数据信息，便于后续的数据分析和处理。在设计数据表结构时，需要注意关联字段的属性类型和值的准确性。主要数据表关系如图1所示。

2.3 数据获取与处理

1） 数据类型及特点。云桌面的数据类型特点包括虚拟机镜像格式、远程显示协议格式、用户数据文件格式以及配置信息文件格式、日志文件格式、元数据文件格式以及镜像文件格式等。这些数据类型共同组成了云桌面的数据存储和交互方式。云桌面的数据可以按照不同的分类编码标准进行组织和管理。以下是一些常见的分类编码标准：

文件类型： 根据文件的扩展名或MIME类型进行分类编码，例如文本文件（TXT、DOCX、PDF） 、图片文件（JPG、GIF、PNG） 、音频文件（MP3、WMA、WAV、视频文件（MP4、H.265、AVI） 等。

数据格式：根据数据的格式进行分类编码，例如JSON、XML、CSV等。这些编码标准可以帮助快速识别和解析数据。

日期时间：根据数据的创建时间、修改时间或者归档时间进行分类编码，例如按年份、月份、周数等进行分类。

用户身份及权限：根据用户的身份或权限进行分类编码，例如按照不同部门、岗位或者项目组划分。

数据敏感性级别：根据数据的敏感性级别进行分类编码，例如公开数据、内部数据、机密数据等。这有助于控制数据的访问权限和安全性。

数据关联性：根据数据之间的关联关系进行分类编码，例如按照相关项目、任务或者文件夹进行分类，以便于快速查找和管理相关数据。

2） 数据获取的规划与实施。用户组与教学组数据一般通过与数据交换平台建立的中间库或视图方式来获取，数据交换平台通过统一身份认证获取一数一源的标准化数据，为各业务系统提供良好数据来源。学生数据源头一般由教务系统产生，学号是主键，唯一标识学生信息。教工数据源头一般由人事系统产生，教工号是主键，唯一标识教工信息。教学相关班级和课程数据一般由教务系统产生，以上信息推送至数据交换平台，实现与各业务系统数据共享。

存储类镜像数据在数据库管理员完成设计后，由系统管理员将镜像文件上传至系统，存储到服务器或存储中，供系统调用，服务器端负责镜像模板的编辑、管理、下发、终端策略的管理等[5]。在镜像文件上传过程中，需添加充足的数据标签，为检索提供依据，并在镜像文件命名时，遵循数据标准，让命名有意义易识别。

为了方便用户操作和使用，本平台设计了对教学视频数据的处理。云桌面播放高清视频时占用大量带宽资源，容易卡顿等问题，采用H.265 视频压缩编码，更适合终端播放视频的应用场景，具有一定的应用参考价值。

2.4 数据存储设计

硬盘数量规划设计：平台采用超融合技术实现，数据存储空间以各类镜像为主。平台采用容量4TB的硬盘进行存储设计，考虑到硬盘格式化、分区等损耗问题，故4TB硬盘的实际容量为4TB×0.9=3.6TB。所需硬盘数量：所需存储空间÷3.6TB=所需硬盘块数（向上取整）。

服务器数量规划设计：系统设计采用36盘位存储服务器，按每台设备做3个RAID5，并配置1块热备盘计算，共消耗4块硬盘，每台36盘位存储服务器可用硬盘数为36-4=32块。所需存储服务器数量：所需硬盘块数÷32=所需存储服务器数量（向上取整）。

3 实证分析

3.1 平台的运行环境

1） 物理环境。服务器：采用物理服务器，中央处理器：2颗8核；内存：64GB；存储容量12T；支持虚拟桌面数量60台。

学生端：采用品牌台式电脑，中央处理器：英特尔i5 双核；内存：4 GB；硬盘：500 GB / 7200 转/分。显卡：显存1GB。

2） 软件环境。采用锐捷课堂桌面云虚拟化平台，平台有教学环境部署、桌面应用环境、实验互动教学、在线精细运维及教学云盘等功能模块。

3.2 平台的系统测试

平台的系统测试通过10学时的课堂教学和一次模式考试为样本，开展了教学环境和学生方面的实验测试。

1） 教学环境测试

测试任务：通过平台快速部署日常教学及考试环境。

测试内容：授课教师申请所需的环境，管理员制作镜像，一键部署。

测试步骤：授课教师发起申请，提交所需操作系统环境和教学软件列表，教学软件包可一并提交；管理员审核申请通过后，开始制作镜像文件，将教学镜像和考试镜像上传至服务器；通过平台分发部署镜像、调试环境、测试效果。

2） 学生实验测试

测试任务：操作桌面云终端的操作系统和教学软件，对比桌面云安装前后体验差异。

测试内容：学生同时开启测试终端，按对比项目测试效果。

测试步骤：学生操作系统进行体验，通过任务管理器查看利用率；通过教学软件分步操作来测试系统反应速度及稳定性。

3.3 平台的性能评估

通过表1的对比项目评估，可以看出在桌面云平台使用后，CPU、内存、硬盘的利用率都有显著提高。

通过表2的对比项目评估，可以看出在桌面云平台使用后，除增加服务器数量外，资源利用率得到提升，设备故障率降低，部署时间快，设备实现数字化管理，并降低能耗。

4 结论

桌面云实验平台能够兼容现有设备，采用的TCI 模式，解决了网络中断影响正常使用问题，在数据库设计中增加标签冗余设计，有利于提高检索性能，数据集成对接，实现数据的同步与共享，在平台功能方面用户体验有待进一步提高，对数据的利用方面需进一步规划提升。