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摘 要：目前，高校计算机实验室中设备数量大，教学、科研用软件实验环境各异，各个实验环境的安装与运行维护都需要耗费极大的人力物力。为提升管理效率，降低实验室运行维护成本，该文就如何将云计算应用到实验室的日常管理和维护中进行了研究，通过本校虚拟桌面建设项目的实施，阐明了云计算在计算机实验室管理中应该具备的功能，并与传统计算机实验室管理模式进行了对比，为高校计算机实验室管理模式转变提供了理论到实践的有益尝试。
关键词：云计算 虚拟化 计算机实验室 实验室建设管理
中图分类号：TP308 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）03（b）-0201-04
The Research of University’s Computer Laboratory Management Mode Based on Virtual Desktop
Wang Lan
（Chengdu University School of literature and Journalism，Chengdu Sichuan，610106，China）
Abstract：A large number of equipment exist in current Universities’ computer labs， the experimental environment for teaching and scientific research on these equipment are varied. This situation makes the installation and maintenance of these environment consume a great deal of manpower and material resources. In order to improve the efficiency of management， reduce the operation and maintenance costs of the laboratory， this paper studies how to apply cloud computing to the daily lab’s management and maintenance. On the basis of a virtual desktop project implemented in author’s University， this paper clarified the functions which should be realized during apply cloud computing in computer lab management， and compared the new management mode with the traditional computer lab management mode. The practice and research in this paper provides a theory-practice beneficial attempt for the University computer laboratory management mode transformation.
Key Words： Cloud computing； Visualization； Computer laboratory； Laboratory construction management
随着“互联网+”的推进，社会各个行业对高校毕业生计算机应用能力的要求与日俱增。而学生计算机应用能力的提升，不仅仅是理论的学习，还需要大量的上机实践练习。这对计算机实验室的建设、维护和管理提出了严峻考验。以往传统的实验室建设与管理方式日益无法满足新形势下教学、科研的需要，其不足之处如下：
（1）实验室建设成本高。
随着计算机技术的发展，专业课程所需的软件更新频繁，对计算机性能提出了更高的要求，大约每隔5年，计算机硬件性能就无法跟上操作系统和新应用软件的要求[1]。设备的周期性购置，必然造成建设成本的提升。
（2） 实验室管理分散，设备总量大，运维成本高。
通常一个实验室一般有60台左右的计算机，大的实验室会有近200台计算机，每台机器都需要管理人员进行软硬件的维护。特别是在每学期开学之初，实验管理人员需要将实验环境在每台计算机上进行部署，耗时而费力。另一方面，由于设备数量大、使用频率高、安装软件种类多、机器配置不统一、学生使用习惯不良等因素，每台计算机也需要管理人员经常性的进行检查和维护，造成运维成本的提升[2]。
（3） 实验室利用率低，资源共享度低。
由于硬件设备资源的限制，不同专业的实验室往往只安裝了与其专业相关的软件，造成一个实验室只能完成有限课程的实验内容。另一方面，由于国有资产管理制度的限制，实验室的资源只能在实验室里才能使用，使得这些资源受到时间、场地限制，共享度较低[3]。
为解决这些不足之处，基于云计算的桌面虚拟化技术近年来逐步应用到高校计算机实验室管理中，并得到了良好的效果[4]。
1 云计算与虚拟化桌面
1.1 云计算
云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问， 进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络，服务器，存储，应用软件，服务），这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互[5]。利用云计算技术，可以使教学资源的集中化、系统搭建的简单化变得易于实现[6]。 1.2 虚拟化桌面
桌面虚拟化是一种典型的云计算应用，它能够在“云”中为用户提供远程的计算机桌面服务。通过在远程服务器上运行用户需要的操作系统和应用软件，利用专门的桌面交付协议将操作系统桌面视图按图像方式传送给用户终端设备上，从而达到逻辑视图与物理计算机隔离。通过桌面虚拟化技术，用户在个人终端上只需发出指令，通过网络传输，所有的计算和存储都由远程服务器完成。而服务器上的计算、存储资源可以为多个用户共享，并根据用户需求进行资源的分配、交付。这样的方式，可以极大提升资源利用率，降低实验室整体建设、运维成本[7]。
1.3 虚拟化桌面的技术架构
目前市场上虚拟化桌面的主要技术架构可以分为：虚拟桌面基础架构VDI（Virtual Desktop Infrastructure）和虚拟操作系统基础架构VOI（Virtual OS Infrastructure）[8]。
1.3.1 VDI架构
VDI不会给每个用户配置一台运行了操作系统的桌面PC，而是通过中心机房的服务器上运行操作系统，将用户的桌面进行虚拟化。用户通过客户端设备的客户计算协议与服务器上的虚拟桌面进行连接，从而达到如同访问本地桌面一样的效果。
VDI可以让用户在任何地方连接到他们在服务器上的虚拟桌面，而管理人员也更易于管理位于中心机房服务器上的虚拟桌面。目前，国外知名的虚拟化厂商VMware、思杰、微软都极力推荐此架构。
1.3.2 VOI架构
VOI不仅可实现基于服务端的远程虚拟OS、APPS、UserProfiles的按需交付，也可实现基于客户端的本地缓存OS、APP及UserProfiles，这样不仅仅可利用终端本地资源处理计算及图形密集型应用，比如：如音视频、大型设计及工业软件等，也可支持各种计算机外设以适应复杂的应用环境及未来的应用扩展。同时，对网络和服务器的依赖性将大大降低，即使网络中断或服务器宕机终端也可继续使用，数据可实现云端集中存储，也可实现终端本地加密存储，且终端应用数据不会因网络或服务端故障而丢失。目前，由IBM推出的VOI正成为VDI的有力挑战者。
1.3.3 VDI与VOI的选择
VDI与VOI都有着自身的优势和特点，如表1所示。在桌面虚拟化建设中，选择何种技术，需要根据用户自身的业务要求和两种技术的特点进行判断[9]。
高校计算机实验室主要进行计算机教学实验，业务流程相对较为简单。同时，由于经费预算受限，在实际建设中，选择VDI技术成为高校计算机实验室建设的一般选择[10]。
2 桌面虚拟化在实验室建设和管理的应用
学院现计算机专业实验室现有计算机350台，分布在6间实验室。这些计算机大部分都已经超过使用年限，每年运行维修经费在15万左右。由于性能成旧，很多计算机专业实验所需的大型软件运行速度难以达到师生的要求，而如果要更换这些设备已到达教学的要求，需要投入经费约140万。为此，笔者所在学校选用了桌面虚拟化的方式进行实验室改造。总投入90万左右，主要购置云服务器15台，各类交换机10台，虚拟化桌面软件350套等。通过项目的实施和运行，在不升级原有计算机硬件的基础上，通过虚拟化桌面的方式，完全解决了专业实验所需各种软件的流畅运行，通过一年的运行，得到了师生的一致好评。
2.1 实验室桌面虚拟化系统结构
整个系统将云服务器通过虚拟化技术，生成指定的虚拟桌面，然后利用远程桌面显示协议，通过网络将服务器端的桌面发送给机房的终端设备。实验室管理人员通过任意浏览器访问管理平台，对服务器集群和所有桌面进行管理维护。整体结构如图1所示。
2.2 实验室桌面虚拟化功能实现
高校计算机实验室的主要目标是服务教学和科研，桌面虚拟化的建设是为了给教学科研提供更便捷的管理。为此，我们提出如图2所示的功能。
2.2.1 云端管理功能：解决传统机房管理人员运维工作量大的问题
管理员通过基于WEB的图形化集中管理平台，可以在任意联网的终端设备上訪问管理平台，实现对物理服务器的管理；虚拟机的创建、删除和修改；虚拟机系统和软件的安装；用户行为的统一管理等。在办公室内便可以部署或管理所有机房，实现远程集中管理，降低管理维护难度。
2.2.2 设备管理功能：解决社会化考试时对设备的特殊要求
一些社会化考试时会遇到诸如禁止USB使用等要求，为此，需提供对设备管理的功能，可对桌面进行USB的使用权限设置；同时可以对终端设备进行管理，实现了对终端设备的计算机名修改、IP地址修改、远程开关机等。
2.2.3 桌面使用调度功能：解决教学、考试等多场景的自动切换
在实际教学中，不同的专业需要的实验教学场景不同，为此，需要提供各种场景的切换功能，保证管理员可以根据不同的教学需求，方便快捷的进行用于支持不同专业的教学场景，例如可以支持不同的操作系统场景、不同的应用软件场景。同时，为今后实验室的自动化管理，提供根据课表自动切换桌面的功能，以保证学生上课时能自动进入到与课程配套的实验环境中。
2.2.4 安全保障功能：解决系统还原和资源分配
为教学运行中，随着学生安装各种软件，桌面的操作系统会出现各种各样的问题，对管理人员而言，解决这些不带普遍性的随机问题是没有多大意义的。为此，需要在管理中提供快速的系统还原功能，方便管理人员在系统遇到问题时，直接恢复到系统最初安装时的状态，保证教学的正常运行。同时，虚拟化桌面应提供“快照”和系统备份功能，保证单台服务器出故障后能快速迁移到指定的正常服务器上运行。
传统的计算机实验室由于受硬件条件的限制，对一些性能要求较高的软件无法正常运行，限制了实验室所能承接的实验类型。而虚拟云桌面可以通过资源的弹性分配，将用户桌面所对应的内存、CPU等在服务器性能满足的条件下进行升级，从而无需更换终端硬件而达到升级软件的功能。同时，虚拟化桌面还应提供“动态迁移”功能，以保证管理员可以手动或自动将虚拟机迁移到其他服务器，“负载均衡”功能，以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，最大化的利用服务器硬件资源。
2.3 实验室桌面虚拟化管理与传统方式优劣对比
通过桌面虚拟化项目的具体实施与应用，该文总结出桌面虚拟化管理模式与传统管理模式的优劣之处，具体情况如表 2所示。
3 结语
通过桌面虚拟化项目中四个功能模块的实现，有效的解决了以往实验室管理难以解决的一系列问题，有效的降低了管理人员工作量，提升了管理效率，降低了计算机机房建设和运维成本，为后期计算机实验室的现代化管理奠定了坚实基础。
参考文献
[1] 刘永，吴杰，宁玉富，等.高校虚拟化桌面实施研究[J].计算机技术与发展，2016（2）：140-143.
[2] 何均健，黄志宏.浅谈高校桌面虚拟化的实施[J].网络安全技术与应用，2014（7）：193-194.
[3] 曾阳艳.基于虚拟云技术的实验室建设和管理[J].电脑知识与技术：学术交流，2015，11（18）：47-49.
[4] 姜宁，何婧媛，牛永洁.基于虚拟云桌面的高校计算机实验室管理[J].延安大学学报：自然科学版，2016，35（3）：36-37.
[5] 雷葆华.云计算解码[M].2版.电子工业出版社，2012.
[6] 吴海燕.基于云计算的高校实验室管理平台的设计与实现[J]. 计算机光盘软件与应用，2013（22）：276-277.
[7] 陈黎明，王蓉.高校桌面虚拟化的量化设计方案研究[J].电脑知识与技术，2016，12（10）：71-72.
[8] 王峰，江峰，李朝阳. 虚拟桌面及关键技术分析[J]. 电信技术， 2011，1（1）：26-28.
[9] 两种主流桌面虚拟化的对决[EB/OL]http：//www.vesystem.com/Article/ShowInfo.asp InfoID=224.
[10] 苏文莉，叶晟，钱蔚.地方应用型本科院校云计算实验室建设的研究[J].科技视界，2016（15）：143.
关键词：云计算 虚拟化 计算机实验室 实验室建设管理
中图分类号：TP308 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）03（b）-0201-04
The Research of University’s Computer Laboratory Management Mode Based on Virtual Desktop
Wang Lan
（Chengdu University School of literature and Journalism，Chengdu Sichuan，610106，China）
Abstract：A large number of equipment exist in current Universities’ computer labs， the experimental environment for teaching and scientific research on these equipment are varied. This situation makes the installation and maintenance of these environment consume a great deal of manpower and material resources. In order to improve the efficiency of management， reduce the operation and maintenance costs of the laboratory， this paper studies how to apply cloud computing to the daily lab’s management and maintenance. On the basis of a virtual desktop project implemented in author’s University， this paper clarified the functions which should be realized during apply cloud computing in computer lab management， and compared the new management mode with the traditional computer lab management mode. The practice and research in this paper provides a theory-practice beneficial attempt for the University computer laboratory management mode transformation.
Key Words： Cloud computing； Visualization； Computer laboratory； Laboratory construction management
随着“互联网+”的推进，社会各个行业对高校毕业生计算机应用能力的要求与日俱增。而学生计算机应用能力的提升，不仅仅是理论的学习，还需要大量的上机实践练习。这对计算机实验室的建设、维护和管理提出了严峻考验。以往传统的实验室建设与管理方式日益无法满足新形势下教学、科研的需要，其不足之处如下：
（1）实验室建设成本高。
随着计算机技术的发展，专业课程所需的软件更新频繁，对计算机性能提出了更高的要求，大约每隔5年，计算机硬件性能就无法跟上操作系统和新应用软件的要求[1]。设备的周期性购置，必然造成建设成本的提升。
（2） 实验室管理分散，设备总量大，运维成本高。
通常一个实验室一般有60台左右的计算机，大的实验室会有近200台计算机，每台机器都需要管理人员进行软硬件的维护。特别是在每学期开学之初，实验管理人员需要将实验环境在每台计算机上进行部署，耗时而费力。另一方面，由于设备数量大、使用频率高、安装软件种类多、机器配置不统一、学生使用习惯不良等因素，每台计算机也需要管理人员经常性的进行检查和维护，造成运维成本的提升[2]。
（3） 实验室利用率低，资源共享度低。
由于硬件设备资源的限制，不同专业的实验室往往只安裝了与其专业相关的软件，造成一个实验室只能完成有限课程的实验内容。另一方面，由于国有资产管理制度的限制，实验室的资源只能在实验室里才能使用，使得这些资源受到时间、场地限制，共享度较低[3]。
为解决这些不足之处，基于云计算的桌面虚拟化技术近年来逐步应用到高校计算机实验室管理中，并得到了良好的效果[4]。
1 云计算与虚拟化桌面
1.1 云计算
云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问， 进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络，服务器，存储，应用软件，服务），这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互[5]。利用云计算技术，可以使教学资源的集中化、系统搭建的简单化变得易于实现[6]。 1.2 虚拟化桌面
桌面虚拟化是一种典型的云计算应用，它能够在“云”中为用户提供远程的计算机桌面服务。通过在远程服务器上运行用户需要的操作系统和应用软件，利用专门的桌面交付协议将操作系统桌面视图按图像方式传送给用户终端设备上，从而达到逻辑视图与物理计算机隔离。通过桌面虚拟化技术，用户在个人终端上只需发出指令，通过网络传输，所有的计算和存储都由远程服务器完成。而服务器上的计算、存储资源可以为多个用户共享，并根据用户需求进行资源的分配、交付。这样的方式，可以极大提升资源利用率，降低实验室整体建设、运维成本[7]。
1.3 虚拟化桌面的技术架构
目前市场上虚拟化桌面的主要技术架构可以分为：虚拟桌面基础架构VDI（Virtual Desktop Infrastructure）和虚拟操作系统基础架构VOI（Virtual OS Infrastructure）[8]。
1.3.1 VDI架构
VDI不会给每个用户配置一台运行了操作系统的桌面PC，而是通过中心机房的服务器上运行操作系统，将用户的桌面进行虚拟化。用户通过客户端设备的客户计算协议与服务器上的虚拟桌面进行连接，从而达到如同访问本地桌面一样的效果。
VDI可以让用户在任何地方连接到他们在服务器上的虚拟桌面，而管理人员也更易于管理位于中心机房服务器上的虚拟桌面。目前，国外知名的虚拟化厂商VMware、思杰、微软都极力推荐此架构。
1.3.2 VOI架构
VOI不仅可实现基于服务端的远程虚拟OS、APPS、UserProfiles的按需交付，也可实现基于客户端的本地缓存OS、APP及UserProfiles，这样不仅仅可利用终端本地资源处理计算及图形密集型应用，比如：如音视频、大型设计及工业软件等，也可支持各种计算机外设以适应复杂的应用环境及未来的应用扩展。同时，对网络和服务器的依赖性将大大降低，即使网络中断或服务器宕机终端也可继续使用，数据可实现云端集中存储，也可实现终端本地加密存储，且终端应用数据不会因网络或服务端故障而丢失。目前，由IBM推出的VOI正成为VDI的有力挑战者。
1.3.3 VDI与VOI的选择
VDI与VOI都有着自身的优势和特点，如表1所示。在桌面虚拟化建设中，选择何种技术，需要根据用户自身的业务要求和两种技术的特点进行判断[9]。
高校计算机实验室主要进行计算机教学实验，业务流程相对较为简单。同时，由于经费预算受限，在实际建设中，选择VDI技术成为高校计算机实验室建设的一般选择[10]。
2 桌面虚拟化在实验室建设和管理的应用
学院现计算机专业实验室现有计算机350台，分布在6间实验室。这些计算机大部分都已经超过使用年限，每年运行维修经费在15万左右。由于性能成旧，很多计算机专业实验所需的大型软件运行速度难以达到师生的要求，而如果要更换这些设备已到达教学的要求，需要投入经费约140万。为此，笔者所在学校选用了桌面虚拟化的方式进行实验室改造。总投入90万左右，主要购置云服务器15台，各类交换机10台，虚拟化桌面软件350套等。通过项目的实施和运行，在不升级原有计算机硬件的基础上，通过虚拟化桌面的方式，完全解决了专业实验所需各种软件的流畅运行，通过一年的运行，得到了师生的一致好评。
2.1 实验室桌面虚拟化系统结构
整个系统将云服务器通过虚拟化技术，生成指定的虚拟桌面，然后利用远程桌面显示协议，通过网络将服务器端的桌面发送给机房的终端设备。实验室管理人员通过任意浏览器访问管理平台，对服务器集群和所有桌面进行管理维护。整体结构如图1所示。
2.2 实验室桌面虚拟化功能实现
高校计算机实验室的主要目标是服务教学和科研，桌面虚拟化的建设是为了给教学科研提供更便捷的管理。为此，我们提出如图2所示的功能。
2.2.1 云端管理功能：解决传统机房管理人员运维工作量大的问题
管理员通过基于WEB的图形化集中管理平台，可以在任意联网的终端设备上訪问管理平台，实现对物理服务器的管理；虚拟机的创建、删除和修改；虚拟机系统和软件的安装；用户行为的统一管理等。在办公室内便可以部署或管理所有机房，实现远程集中管理，降低管理维护难度。
2.2.2 设备管理功能：解决社会化考试时对设备的特殊要求
一些社会化考试时会遇到诸如禁止USB使用等要求，为此，需提供对设备管理的功能，可对桌面进行USB的使用权限设置；同时可以对终端设备进行管理，实现了对终端设备的计算机名修改、IP地址修改、远程开关机等。
2.2.3 桌面使用调度功能：解决教学、考试等多场景的自动切换
在实际教学中，不同的专业需要的实验教学场景不同，为此，需要提供各种场景的切换功能，保证管理员可以根据不同的教学需求，方便快捷的进行用于支持不同专业的教学场景，例如可以支持不同的操作系统场景、不同的应用软件场景。同时，为今后实验室的自动化管理，提供根据课表自动切换桌面的功能，以保证学生上课时能自动进入到与课程配套的实验环境中。
2.2.4 安全保障功能：解决系统还原和资源分配
为教学运行中，随着学生安装各种软件，桌面的操作系统会出现各种各样的问题，对管理人员而言，解决这些不带普遍性的随机问题是没有多大意义的。为此，需要在管理中提供快速的系统还原功能，方便管理人员在系统遇到问题时，直接恢复到系统最初安装时的状态，保证教学的正常运行。同时，虚拟化桌面应提供“快照”和系统备份功能，保证单台服务器出故障后能快速迁移到指定的正常服务器上运行。
传统的计算机实验室由于受硬件条件的限制，对一些性能要求较高的软件无法正常运行，限制了实验室所能承接的实验类型。而虚拟云桌面可以通过资源的弹性分配，将用户桌面所对应的内存、CPU等在服务器性能满足的条件下进行升级，从而无需更换终端硬件而达到升级软件的功能。同时，虚拟化桌面还应提供“动态迁移”功能，以保证管理员可以手动或自动将虚拟机迁移到其他服务器，“负载均衡”功能，以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，最大化的利用服务器硬件资源。
2.3 实验室桌面虚拟化管理与传统方式优劣对比
通过桌面虚拟化项目的具体实施与应用，该文总结出桌面虚拟化管理模式与传统管理模式的优劣之处，具体情况如表 2所示。
3 结语
通过桌面虚拟化项目中四个功能模块的实现，有效的解决了以往实验室管理难以解决的一系列问题，有效的降低了管理人员工作量，提升了管理效率，降低了计算机机房建设和运维成本，为后期计算机实验室的现代化管理奠定了坚实基础。
参考文献
[1] 刘永，吴杰，宁玉富，等.高校虚拟化桌面实施研究[J].计算机技术与发展，2016（2）：140-143.
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[3] 曾阳艳.基于虚拟云技术的实验室建设和管理[J].电脑知识与技术：学术交流，2015，11（18）：47-49.
[4] 姜宁，何婧媛，牛永洁.基于虚拟云桌面的高校计算机实验室管理[J].延安大学学报：自然科学版，2016，35（3）：36-37.
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[8] 王峰，江峰，李朝阳. 虚拟桌面及关键技术分析[J]. 电信技术， 2011，1（1）：26-28.
[9] 两种主流桌面虚拟化的对决[EB/OL]http：//www.vesystem.com/Article/ShowInfo.asp InfoID=224.
[10] 苏文莉，叶晟，钱蔚.地方应用型本科院校云计算实验室建设的研究[J].科技视界，2016（15）：143.