【摘要】为了加强多媒体教室的建设和管理,创新了多媒体教室计算机终端的管理与维护,构建了新型多媒体教室管理系统｡该系统利用基于桌面虚拟化技术实现对计算机的统一管理与维护,为教学提供高效､灵活的环境,提升了多媒体教室管理的整体支持能力和服务水平｡

【关键词】桌面虚拟化;多媒体教室;教学环境建设

    为满足信息化教学的需要,很多高校将传统教室改造为多媒体教室｡多媒体教室已经成为学校进行现代化教学的必备基础设施｡

    计算机系统是多媒体演示系统的核心部件,决定着多媒体教学软件能否可靠运行[1]｡由于多媒体教室分布在不同的楼宇,计算机终端数量众多､品牌和配置各异,对计算机系统的管理与维护是比较困难的事情,也是多媒体教室管理的焦点问题｡加强多媒体教室的建设和管理,创新多媒体教室计算机终端的管理与维护,已成为多媒体教室管理亟待解决的问题之一｡

1 传统多媒体教室计算机管理难点分析

1.1 数量多且分布区域广

    以中国矿业大学为例,公用多媒体教室多达360间,分布在不同教学楼的不同楼层,管理人员人均维护量达到了60~70间｡为处理突发故障,管理人员需要奔波于教室之间,而当出现设备并发故障,往往不能及时到达现场处置,很难做到不影响正常教学｡

1.2 维护效率低､工作量大

    由于计算机终端分布在各教学楼的多媒体教室,为不影响正常的教学活动,管理人员只能在教室空闲时才能进行维护｡因计算机的型号､配置等多样化,管理维护工作是很大的负担｡如果需要更新计算机系统､软件或者安装补丁程序,或因使用者操作不当发生系统崩溃,管理人员就需要消耗大量的时间和精力逐台部署,劳动强度大､工作效率低｡显然,这种单点部署和维护模式已经不适应多媒体教室的管理需求｡

1.3 无法满足教师的个性化需求

    公用多媒体教室是通用教学场所,根据课程教学需要,任课教师会对系统和软件环境提出各自的要求,例如需要安装不同的操作系统和大型专业软件｡当一台计算机安装很多不同专业､不同类型的软件时,软件兼容性和稳定性会较差,容易造成计算机运行缓慢甚至死机｡有些临时借用的教室需要重新部署计算机软件,也会占用一些课堂教学时间｡为教师提供个性化服务,例如可自由选择的操作系统和应用软件,是多媒体教室亟待解决的问题｡

1.4 病毒难以防护

    多媒体教室使用人员的流动性大､设备使用率高,用户频繁使用U盘,容易感染计算机病毒｡查杀计算机病毒不仅增加了管理人员的维护工作负担,还可能影响正常教学秩序｡

2 桌面虚拟化概述 

    桌面虚拟化是指支持企业级实现桌面系统的远程动态访问与数据中心统一托管的技术[2],可以实现桌面使用的安全性和灵活性[3]｡目前桌面虚拟化技术主要分为VDI(virtual desktop infrastructure)和VoI(virtual OS infrastructure)两种模式[4]。

    VDI虚拟桌面是基于早期的RDP协议和瘦客户机发展而来的,采用集中管理､集中计算､分布显示,统一将操作系统和应用程序存放在数据中心的服务器及存储设备上,在服务器上进行集中处理｡VDI通过虚拟化技术在后台建立虚拟机池,用户使用的瘦客户端或专用小型终端机,不需配置任何操作系统和应用程序就可以访问他们的桌面｡由于VDI模式需使用硬件仿真和瘦协议,对网络的依赖程度比较高,所以不适用高清视频､IP语音以及其他大型计算或图形密集型应用程序[4]｡由于工科类高校的多媒体教室会涉及大型计算软件､虚拟仿真､3D等,而基于服务器的VDI模式对服务器的配置有很高的要求,从传统的PC模式升级为VDI模式,前期需重新购买服务器｡这些问题会使学校重新思考部署VDI的可行性问题｡

    VOI虚拟桌面实现了基于服务端OS(操作系统)的标准化与即时分发,以及APPS(应用程序)､UserProfiles(用户特征定义)的按需交付｡VOI采用了虚拟容器的概念,以客户端虚拟容器技术为底层基础,将终端客户机的存储介质由物理转为虚拟,可实现基于客户端的本地缓存操作系统､应用程序以及用户的个性化设置,使虚拟化的操作系统完全工作于本机物理硬件之上[5]｡这样,不但实现了所有的操作系统都可以由数据中心按需分发､统一部署､进行集中管理和维护,而且能充分利用本地缓存资源来处理音频和视频､大型计算､工业设计､图像处理等应用程序,支持多种计算机外围设备来适应丰富的应用环境以及扩展的应用程序｡此外,VOI虚拟桌面减少了对服务器和网络的依赖,即使服务器发生故障或者网络断开,系统也可以利用本地缓存的资源正常进行[5]｡

    近年来,操作系统开发商和独立软件开发商提供了多种桌面虚拟化解决方案,有些还是开源免费的｡国外虚拟化产品开发商主要有Citrix､VMware､Mi—crosoft等,国内主要有华为､深信服､OS-Easy(噢易)､鑫网电(Phantosys)等,开源桌面虚拟化软件应用比较多的有QEMU—KVM､Ulteo 0VD､SPICE､VirtualBox､Libvir等｡虽然各家产品的技术方案不同,但桌面云为客户带来的效益大致相同｡

3 桌面虚拟化多媒体教室的部署

3.1 桌面虚拟化系统结构

    桌面虚拟化的拓扑结构如图1所示[6]。图l 虚拟桌面拓扑结构图

    桌面虚拟化的基本工作模式为:云服务器集群通过虚拟化技术生成大量虚拟机或者虚拟桌面,并根据虚拟桌面协议发送给终端设备｡通过授权后,教师可以在网络上使用各终端设备(台式机､笔记本､瘦客户端等)随时随地访问属于自己的教学桌面或个人桌面系统;管理人员可通过IE浏览器(B/S架构)或者客户端(c/s架构)访问服务器管理平台,对服务器集群和所有虚拟桌面/虚拟机进行管理与维护[7]｡

3.2 多媒体教室桌面虚拟化方案描述

3.2.1 网络环境

    桌面虚拟化需基于网络进行数据的传输,安全､稳定､快速的网络是多媒体教室内客户端进行数据交互的保证｡在实施桌面虚拟化项目之前,应要充分考虑网络架构､楼宇链路､接人层的交换与传输能力｡

    为了保证良好的用户体验,根据目前主流的桌面虚拟化对网络的基本要求,数据中心服务器端之间采用双链路冗余光纤交换机,以防服务器与存储间因通信线路出故障而导致所有应用宕机｡各个楼宇间要有一个千兆以上的上联,接人交换机的端口为全千兆｡我校核心区域已部署2台锐捷RG-$8606核心交换机;在汇聚层部署有增强型SFP接口千兆交换机(锐捷RG一$5750)｡锐捷RG—S575O通过光纤链路接核心交换机,端口可进行万兆上行,接人层交换机为全千兆锐捷RG-S2952G,交换机实现大容量业务数据的传输｡核心汇聚层交换设备和各教学楼交换设备的数据交换能力分别达到了万兆和千兆,完全可以满足本次云桌面的部署｡

3.2.2 lOPS和虚拟桌面系统规划

    常见桌面的生命周期IOPS(input/output opera—tions per second)值为:启动:26 IOPS;登录:14 IOPS;工作:12-15 IOPS;空闲:4 IOPS;注销:15 IOPS｡常见操作系统对硬件的最低要求如表1所示:表1 常见办公操作系统对硬件的最低要求

3.2.3 计算和存储节点

    计算和存储节点是桌面云平台设计的关键点之一,它不但在整体投资中占较大比重,而且是影响用户体验的关键组件之一,若选择不当将可能造成资源浪费或资源不足｡需要注意的是,在计算空间需求时还要考虑虚拟化平台自身对计算和存储资源的消耗｡为了保证300个用户并发访问和虚拟桌面的流畅运行,将SSD盘和SAS盘结合使用来满足系统IOPS以及容量需求,将虚拟桌面的系统磁盘文件存放在SSD盘上,将用户数据存放在SAS盘上｡我校需要对300间多媒体教室计算机进行云桌面部署,操作系统为win—dows7(64位),每个终端的基本配置为CPU1GHz､内存4GB､系统盘40GB､数据盘50GB｡

    存储性能需求:通常多媒体教室要求I/O 性能为20IOPS,以300个用户计算,共需要6000IOPS[8]｡

    存储容量需求:以每个用户40GB系统空间､5OGB数据存储空间计算,在采用Composer技术时,多个用户可共享系统空间,300个终端约需15TB存储空间｡为了满足数据安全,额外需要5 TB的备份空间,因此总存储容量大约需要20TB[8]｡

    服务器CPU资源:按照每个虚拟桌面系统主频1GHz,可满足Windows 7系统需求,同时考虑服务器虚拟化自身消耗15,则总体所需300×1GHz×115 = 345 GHz｡

    内存资源:运行Windows 7系统,每个用户分配4GB内存,4GB×300—1200GB内存｡

3.2.4 主要硬件的配置参数

    (1)云服务器管理节点1台:2颗6核Intel XeonE5-2620V3处理器,2×16 GB/DDR4内存,2×300GB 15K RPM SAS硬盘,4×1000M 网络;

    (2)云服务器计算节点14台:2颗6核Intel E5—2620V3处理器,6×16 GB DDR4内存,2×1 TB企业级SATA 和1×PCI—E Intel 750 400G SSD 硬盘,2×1000 Mb网络;

    (3)存储系统1套:FC SAN存储系统,全光纤双控制器盘阵机头,配置2×16 GB高速缓存,8个FC 8Gb主机通道,冗余电源,配置10块400 GB MLCSSD固态磁盘(RAID 5)以提高存储/读写/缓存性能,配置10块900 GB 1OK SAS硬盘以提供虚拟化平台高性能存储容量;

    (4)汇聚交换机1台:48个固化千兆电口,交换容量≥256 Gbit/s,包转发率≥108 Mbit/s;

    (5)光纤交换机13台:24口SAN光纤交换机,激活16端口,接口速度8 Gbit/s,16个SFP光模块｡

3.3 系统实施

    桌面虚拟化在多媒体教室管理采用了OS-Easy教育桌面云｡OS—Easy教育桌面云采用桌面虚拟化技术,用虚拟的桌面来替换传统PC,统一集中存放在云端,让终端设备通过网络连接,可随时随地获取桌面环境｡OS-Easy教育桌面云主要由桌面云管理平台､计算服务器集群､存储及教学应用系统等构成,其三大组件为主控节点(Console)､计算节点(Agent)和客户端(Client)｡

    主控节点是部署在服务器上的虚拟化软件,是所有虚拟桌面管理控制的中心｡它集成了管理平台控制中心和数据库,对用户提供GUI的管理界面,方便管理员通过浏览器对服务器集群和进行桌面的批量化部署､管理､监控和维护｡主控节点也可以创建虚拟机提供给终端用户｡

    计算节点是部署在服务器上的虚拟化软件,以KVM 为基础提供虚拟化层,虚拟化物理服务器的CPU､内存､存储以及网络资源,并将其分配给多台虚拟机｡计算节点主要对外提供计算服务,多个计算节点可以组成集群｡

    客户端程序安装在终端设备上,用于连接虚拟桌面的程序,通过客户端程序连通网络,访问后端服务器集群里面的虚拟桌面系统｡目前发布的有Windows､Linux和ARM 客户端程序｡

    OS-Easy教育桌面云提供链接克隆功能,创建虚拟桌面非常简单｡管理员只需要根据需求创建一个OS系统模板镜像,再根据镜像批量复制具有相同配置的虚拟桌面,通过终端名或用户名进行批量的桌面分发,实现系统和桌面的快速交付｡管理员只需通过集中管理平台在服务器端进行操作,即可实现对所有终端的更新与维护,极大地简化了教学环境的配置和部署过程｡

4 桌面虚拟化在多媒体教室中的应用效能

4.1 集中管理与控制,提高管理和维护效率

    传统的PC安装部署复杂､繁琐而又费时｡桌面虚拟化将用户的操作系统集中于数据中心的服务器上运行,只需制作相关的操作系统和应用软件模板,下发至客户端即可,能够在很短的时间内完成用户桌面的部署｡管理员也可以通过任意联网的终端设备访问管理平台,进行虚拟机的创建､删除和修改,在数据中心办公室即可部署和管理所有分散的多媒体教室终端｡

    当系统和应用软件需要更改､升级以及安装系统补丁时,也只需要操作一次,大大降低了维护的难度､缩短了维护时间､提高了工作效率｡

    虚拟桌面可以设置为还原模式,不管用户如何操作,重启计算机之后都可以恢复到初始状态｡即使系损坏,只需要通过管理端进行原始的系统镜像进行恢复即可｡终端设备在使用“虚拟桌面”的同时,也可以在本地终端缓存部署本地系统,当网络中断时,重启系统可切换到本地系统｡

    桌面虚拟化大大降低了多媒体教室的运维成本,提高了计算机的管理与维护效率,为正常教学活动的开展提供了强有力的保障｡

4.2 满足教师的个性化需求

    多媒体教室面向全校开放,而不同的课程有可能需要不同的教学软件和不同的操作系统｡在传统的多媒体教室管理模式下,教室排课结束后,学期末会集中收集教师的特殊需求,在多媒体教室的电脑上集中安装,最后有的教室PC上安装了很多类型专业类软件｡计算机安装的软件过多易出现卡顿或者死机现象,影响教学进程｡

    实施桌面虚拟化之后,可以为有个性化需求的教师分配一个专属的账号｡只要接入网络,教师就可以使用自己的设备(台式机､笔记本､一体机等)安全､方便地登录自己的教学桌面环境,进行个性化的配置,建立属于自己的专有桌面环境,满足个性化教学需求｡

4.3 保证教学数据的安全性

    桌面虚拟化以后,所有的数据和运算都集中在数据中心的服务器上而不是在终端存储,设备终端仅接收图像｡数据中心会统一进行数据的管理与维护,并定期备份数据,从而避免了数据损坏和丢失｡

    传统的PC主要采用U盘拷贝文件,很容易造成病毒及恶意软件的传播;而虚拟桌面可以灵活定制桌面,不易遭受恶意攻击或者计算机病毒侵袭｡管理人员只需在数据中心对Windows镜像模板进行安全补丁､对杀毒软件病毒库进行安装更新,所有用户的桌面都可以得到升级,能大大降低系统风险､保证数据的安全｡

4.4 弹性分配｡提高资源利用率

    采用桌面虚拟化技术以后,大量计算任务都在服务器端,对终端的配置要求不高,使用瘦客户端或欲淘汰的PC机作为终端,都能很顺畅地运行Windows 7系统｡当系统硬件配置无法满足需求时,可以通过管理平台进行内存､CPU等资源的弹性分配,提升桌面性能而无需更换终端硬件,延长终端的使用年限｡此外,系统可自动平衡各服务器的利用率,在保证业务流畅的同时,资源弹性使用,最大化地利用硬件资源｡

4.5 降低耗电量｡降低教学成本

    瘦客户端具有低功耗､低噪音､体积小等特点,功率大约只有25 W,耗电量约为传统PC机1/10,不但可以节省大量的电费支出,而且符合节能､环保要求｡终端数量越多,节能效果越显著[9]｡

    此外,PC机的生命周期一般只有3~5年,而瘦客户端使用寿命可达7~1O年,可以大大降低教学成本｡

5 结语

    对于数量多､分散的多媒体教室的管理,桌面虚拟化是个新的解决方案和基础架构理念[10],它能够帮助学校构建弹性､灵活的管理架构,提升智能化管理水平,提高资源利用率,降低能耗｡已有越来越多的高校在多媒体教室管理中运用这项技术｡当然,桌面虚拟化技术在实际应用中还存在前期建设成本高､对网络带宽要求高等问题,但随着虚拟化技术和学校信息化基础环境的不断完善,这项技术最终可为教学提供高效､灵活的环境,提升多媒体教室管理和服务水平｡

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