基于云桌面技術(shù)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用研究

鄧文鋒

摘要：高校傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)已觸碰到了瓶頸，云桌面技術(shù)的出現(xiàn)恰到好處地破解傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的困境，該文分析了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)狀，探究了云桌面技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，分析了不同虛擬化技術(shù)架構(gòu)模式，提出了不同應(yīng)用場(chǎng)景下的云桌面技術(shù)架構(gòu)選擇方案。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室;云桌面;虛擬化技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）13-0200-02

為實(shí)現(xiàn)國家教育信息化規(guī)劃目標(biāo)，著重解決國家教育信息化全局性、基礎(chǔ)性、領(lǐng)域共享重大問題，教育部早在2012年3月發(fā)布了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》，《規(guī)劃》明確提出了充分整合和利用各級(jí)各類教育機(jī)構(gòu)的信息基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)覆蓋全國、分布合理、開放開源的基礎(chǔ)云環(huán)境，支撐形成云基礎(chǔ)平臺(tái)、云資源平臺(tái)和云教育管理服務(wù)平臺(tái)的層級(jí)架構(gòu)。高校作為高等教育在國民教育中處于首要位置，是先進(jìn)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的首先場(chǎng)所，對(duì)推動(dòng)國家教育信息化有著至關(guān)重要的作用。計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)水平是高校信息化水平的重要體現(xiàn)，現(xiàn)有的大部分計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理模式已逐漸不適應(yīng)信息化要求和難于滿足教學(xué)科研、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的需求，其不足日顯突出，利用新技術(shù)加快實(shí)驗(yàn)室革新，以提升高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室信息化水平。

1 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀分析

2020年5月教育部發(fā)布的《2019年全國教育事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》數(shù)據(jù)顯示，教學(xué)科研儀器設(shè)備總值6095.08億元，比2018年增加562.02億元。高校在硬件設(shè)施建設(shè)的投入不斷提高，加上近幾年計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室在這次機(jī)遇中得到了快速發(fā)展，先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)逐漸應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)驗(yàn)室的數(shù)量和硬件配置都得到了很大的提升。但是隨著計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室數(shù)量增加和設(shè)備不斷升級(jí)，在后期的管理上出現(xiàn)了諸多弊端。

1.1 管理維護(hù)困難

由于計(jì)算機(jī)的采購批次和數(shù)量不同，實(shí)驗(yàn)室里出現(xiàn)機(jī)型眾多，配置參差不齊，難于集中統(tǒng)一管理，兼容性也越來越差;計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室不僅要滿足教學(xué)、科研和實(shí)踐應(yīng)用的差異化需求，還要滿足各類機(jī)考（計(jì)算機(jī)、英語等級(jí)考試）的要求，計(jì)算機(jī)上同時(shí)裝配多個(gè)系統(tǒng)和應(yīng)用程序，裝配耗時(shí)和容易沖突;實(shí)驗(yàn)室一般通過局域網(wǎng)搭建網(wǎng)絡(luò)，師生訪問外網(wǎng)及使用移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備極易使計(jì)算機(jī)感染病毒，病毒極易網(wǎng)內(nèi)互相傳播，嚴(yán)重時(shí)致使實(shí)驗(yàn)室設(shè)備整體癱瘓;安裝有保護(hù)卡的計(jì)算機(jī)雖可以快速恢復(fù)系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，但大大限制了個(gè)性化需求，也使每一次增配或升級(jí)時(shí)，需花大量精力制作“母機(jī)”并進(jìn)行拷貝傳輸。

1.2 升級(jí)成本巨大

以筆者所在學(xué)校為例，實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)過了維保期后，故障率就會(huì)明顯升高且難于維修，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的生命周期五年左右時(shí)間，淘汰換代耗費(fèi)的資金較大。近幾年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，硬件配置越來越高，軟件更新迭代越來越快，前沿課程和新版軟件對(duì)計(jì)算機(jī)的整體性能要求不斷提高，頻繁的教學(xué)應(yīng)用軟件環(huán)境的部署、升級(jí)和切換，要求實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)配置需要與之匹配，以保證教學(xué)科研實(shí)訓(xùn)的正常開展。

1.3 用戶體驗(yàn)性差

計(jì)算機(jī)課程多需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試等，良好的用戶體驗(yàn)?zāi)軌虼龠M(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。但因諸多因素，同一實(shí)驗(yàn)室也會(huì)出現(xiàn)不同配置的計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)臃腫導(dǎo)致運(yùn)行緩慢、不穩(wěn)定，應(yīng)用軟件版本更新遲緩，網(wǎng)絡(luò)擁堵等問題，同時(shí)不能提供個(gè)性化的應(yīng)用環(huán)境和保存本地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，更不用說提供遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)和資源共享了。以上問題直接影響師生在實(shí)驗(yàn)室的使用效果和導(dǎo)致課后資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

2 云技術(shù)分析

2.1 云計(jì)算

2006年谷歌首席執(zhí)行官埃里克·施密特在搜索引擎大會(huì)首次提出“云計(jì)算”（Cloud Computing）。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）定義：云計(jì)算是一種按使用量付費(fèi)的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問，進(jìn)入可配置的計(jì)算資源共享池，這些資源能夠被快速提供，只需投入很少的管理工作，或與服務(wù)供應(yīng)商進(jìn)行很少的交互。工業(yè)和信息化部電信研究院（現(xiàn)為中國信息通信研究院）在2012年發(fā)布的《云計(jì)算白皮書（2012年）》中定義：云計(jì)算是一種通過網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一組織和靈活調(diào)用各種ICT信息資源，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模計(jì)算的信息處理方式。

2.2 云桌面

云桌面技術(shù)是基于云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用的一種服務(wù)技術(shù)，其利用服務(wù)器集群部署策略，通過虛擬化技術(shù)將各種應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)匯集到云平臺(tái)中，用戶可借助網(wǎng)絡(luò)在云平臺(tái)中各取所需，而不用考慮系統(tǒng)的硬件配置、軟件安裝以及數(shù)據(jù)計(jì)算和存儲(chǔ)的問題，從而實(shí)現(xiàn)了客戶端的輕量化。

2.3 云桌面的優(yōu)缺點(diǎn)

云桌面實(shí)驗(yàn)室是通過云計(jì)算技術(shù)全面革新了計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)模式，云桌面實(shí)驗(yàn)室在架構(gòu)、性能和能耗等方面與傳統(tǒng)相比有突出的優(yōu)勢(shì)，但也存在技術(shù)上的不足。

2.3.1 架構(gòu)對(duì)比

在設(shè)備部署管理上，多個(gè)機(jī)房的設(shè)備部署起來復(fù)雜，且網(wǎng)絡(luò)繁多，管理需要耗費(fèi)大量的人力，云桌面實(shí)驗(yàn)室客戶端僅有顯示器和接收盒，接收盒采用模塊化，幾乎不用維護(hù)，省下了大量的人力物力。在系統(tǒng)資源管理上，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備基本是固定配置，升級(jí)困難，資源也無法共享，而云桌面實(shí)驗(yàn)室可以按需分配，彈性分配硬件和網(wǎng)絡(luò)資源，使資源利用達(dá)到最大化。

2.3.2 性能對(duì)比

云桌面實(shí)驗(yàn)室客戶端性能主要由服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)性能決定，相對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，性能優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：一是集中方便的WEB后臺(tái)管理方式，實(shí)現(xiàn)“單點(diǎn)”管理向“整面”管理轉(zhuǎn)變，可以節(jié)約管理大量的人力和時(shí)間成本;二是采用鏈接克隆技術(shù)使系統(tǒng)環(huán)境部署能夠快速完成，系統(tǒng)環(huán)境升級(jí)能夠一鍵操作;三是系統(tǒng)資源實(shí)現(xiàn)共享共分、靈活分配;四是移動(dòng)桌面使用戶使用不受時(shí)空限制，實(shí)現(xiàn)用戶桌面、軟件、數(shù)據(jù)統(tǒng)一;五是硬件擴(kuò)展僅針對(duì)服務(wù)器，升級(jí)更加方便快捷;六是在安全防護(hù)上，僅需做好服務(wù)器和交換機(jī)端的病毒防范，不用擔(dān)心用戶端的病毒感染。

2.3.3 能耗對(duì)比

以100臺(tái)終端的實(shí)驗(yàn)室為例，每天按8小時(shí)的使用時(shí)間計(jì)算，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室每天的耗電量約為240KW，云桌面實(shí)驗(yàn)室每天的耗電量約為40KW（其中終端耗電量約為12KW，服務(wù)器端按24小時(shí)計(jì)算耗電量約為28KW），傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的耗電量約是云桌面實(shí)驗(yàn)室的六倍。由此可見，云桌面實(shí)驗(yàn)室的能耗遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，能夠大大減輕實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行成本，同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排效果。

2.3.4 存在不足

云桌面技術(shù)的應(yīng)用主要依賴于服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)，因此對(duì)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)資源要求大和高，服務(wù)器資源不足、網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等都會(huì)直接影響云桌面的使用。此外，云端服務(wù)器對(duì)圖形圖像的處理能力不強(qiáng)，如對(duì)圖形化要求高，則還需配置GPU服務(wù)器，性能高端的顯卡昂貴，投入成本高。

3 云桌面在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用

3.1 虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)是為了整合和共享計(jì)算機(jī)資源的一種計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用方案，云計(jì)算就是虛擬化技術(shù)的一種典型應(yīng)用。虛擬化技術(shù)最早是由IBM公司為了充分利用大型計(jì)算機(jī)資源而研發(fā)的一種技術(shù)。經(jīng)過多年技術(shù)的迭代和應(yīng)用，該技術(shù)越來越成熟，應(yīng)用場(chǎng)景及行業(yè)也越來越廣泛。其中，云計(jì)算就是利用該技術(shù)，將集中的服務(wù)器集群進(jìn)行資源整合和池化，再按終端需求進(jìn)行統(tǒng)一分配和管理，最終通過網(wǎng)絡(luò)傳輸以桌面化形式顯示在終端。

3.2 虛擬化技術(shù)架構(gòu)

移動(dòng)辦公需求推動(dòng)了虛擬化技術(shù)在云桌面中的應(yīng)用，云桌面技術(shù)近幾年在高校信息化建設(shè)中開始廣泛應(yīng)用，其突出的優(yōu)勢(shì)恰好能夠解決困擾計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)多年的使用需求復(fù)雜、運(yùn)維繁重和擴(kuò)容升級(jí)困難等問題。當(dāng)前，主流云桌面技術(shù)構(gòu)架主要包括：VDI、IDV和VOI。

3.2.1 VDI 架構(gòu)

VDI（Virtual Desktop Infrastructure，虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)）是桌面虛擬化最初的架構(gòu)模式，也是目前桌面虛擬化的主流模式。這種架構(gòu)將管理和運(yùn)算集中在服務(wù)器端，對(duì)服務(wù)器性能和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求較高，而客戶端則實(shí)現(xiàn)輕量化。

3.2.2 IDV架構(gòu)

IDV（Intelligent Desktop Virtualization，智能桌面虛擬化架構(gòu)）是服務(wù)器端集中管理，客戶端分布運(yùn)算的桌面虛擬化技術(shù)，它充分利用客戶端資源運(yùn)行虛擬桌面，從而減輕了服務(wù)器端的負(fù)擔(dān)，但要求客戶端需要相同配置來支持。

3.2.3 VOI架構(gòu)

VOI（Virtual Operating-system Infrastructure，虛擬操作系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)）是IDV架構(gòu)上的一種優(yōu)化模式，都屬于“胖終端”，客戶端需要配置齊全的硬件來支持從服務(wù)器上下載的操作系統(tǒng)鏡像和應(yīng)用程序，與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的使用體驗(yàn)相差無幾，對(duì)服務(wù)器性能要求不高，但需要客戶端有較好的數(shù)據(jù)和圖像等處理能力。

3.3 云桌面技術(shù)架構(gòu)選用

就高校而言，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)著不同的教學(xué)、科研和考試等任務(wù)，針對(duì)不同的需求，不同的應(yīng)用場(chǎng)景應(yīng)采用不同的云桌面解決方案，以達(dá)到資金投入最合理、資源利用最充分以及運(yùn)行維護(hù)最便捷。

VDI架構(gòu)方案對(duì)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)的要求較高，且需專業(yè)的運(yùn)維隊(duì)伍，前期投入較大，后期升級(jí)管理方便，適合對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)算性能不高、圖像處理要求不高、應(yīng)用環(huán)境單一以及需實(shí)現(xiàn)移動(dòng)訪問需求的實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景;IDV架構(gòu)方案對(duì)客戶端硬件要求較高，需要客戶端配置統(tǒng)一且支持虛擬環(huán)境，對(duì)服務(wù)器的要求則不高，適合資金投入較少，數(shù)量較少的實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景;VOI架構(gòu)方案是“胖終端”，需要客戶端設(shè)備支持，可對(duì)實(shí)驗(yàn)室原有設(shè)備充分利舊，適合用戶個(gè)性化需求高、無移動(dòng)訪問需求，運(yùn)算和圖像處理性能較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景。

4 結(jié)束語

高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室通常要完成教學(xué)、科研和實(shí)訓(xùn)等任務(wù)，不同任務(wù)需要的設(shè)備配置和性能又不盡相同，多場(chǎng)景和多應(yīng)用是計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的基本需求，而各種云桌面技術(shù)架構(gòu)均存在不同短板，綜合考慮建設(shè)成本、舊設(shè)備利用、設(shè)備兼容、師生體驗(yàn)等因素，可嘗試融合各種架構(gòu)的功能優(yōu)勢(shì)，通過云服務(wù)器實(shí)施資源統(tǒng)一調(diào)度，根據(jù)資源池負(fù)載情況，為不同需求進(jìn)行分配，讓系統(tǒng)資源充分利用。例如，對(duì)于公共計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)選用VDI 技術(shù)構(gòu)架，對(duì)于專業(yè)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)選用VOI 技術(shù)構(gòu)架，各子網(wǎng)匯集在云平臺(tái)上，用戶根據(jù)需求在云平臺(tái)中選用不同架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)云桌面架構(gòu)之間的靈活切換。

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