计算机实验教学中心虚拟化桌面设计
摘要：分析了高校计算机实验教学中心实验室存在的问题。针对当前实验中心实验室机器性能不均衡、资源严重浪费、管理困难、不易满足实验教学需求等现象，提出了可以通过桌面虚拟化技术构建虚拟化桌面实验室的方式来解决。阐述了虚拟化桌面实验室的构建思路，并以我校为例，提出了一种虚拟化桌面实验室设计方案。该方案架构设计简单、易于实现，具有管理方便、节约资源、安全稳定等优点，能够有效简化实验室日常管理工作，提升实验教学效果，满足各类考试需求。
关键词：桌面虚拟化；计算机实验教学中心；设计方案
高校计算机实验教学中心一般承担着学院计算机专业课、全校计算机文化基础课的教学任务和全国计算机等级考试、计算机文化基础考试等各类考试任务[1]。目前，高校的计算机实验教学中心大多停留在由普通的计算机机房构成的阶段。计算机数量多、零件容易老化等问题给实验室管理工作和实验教学带来诸多困难。为了使计算机实验教学中心方便管理，充分发挥实验教学作用，可以考虑使用桌面虚拟化技术构建虚拟化桌面实验室来解决[2]。桌面虚拟化技术具有配置灵活、便于管理、节约成本等优点，能有效解决现有实验室管理不便、维护困难等问题，可以减轻实验室管理人员的工作负担，提高实验教学服务质量。
1高校计算机实验教学中心存在的问题
（1）机器性能不均衡。由于高校对实验中心逐年加大投入，计算机在配置上会越来越高，性能会越来越强，这就造成建设时间相差越大的实验室，在计算机硬件配置方面差异越大，性能差距越大，使得某些专业性较强，对硬件配置要求较高的实验课程只能在性能较好的实验室开设，而性能较低的实验室只能开设对机器性能要求不高的课程，造成实验室设备使用不均衡，实验室利用不充分。（2）资源严重浪费[3]。由于计算机的使用频繁，容易造成计算机零部件老化，计算机往往在使用1-2年后，就容易出现硬盘损坏、显示器故障等问题。并且由于计算机的更新速度较快，往往在3-5年内，计算机的硬件配置就不能满足新的教学软件的需求，需要重新购置一批配置更高的计算机，旧的计算机只能淘汰掉，造成资源严重浪费。（3）管理困难。传统的计算机实验室都是依靠还原卡来进行管理和维护[4]。利用还原卡可以方便安装软件和恢复故障系统，但有时还原卡使用起来也很麻烦。还原卡都是针对同型号的机器同传，因此一般都是单个实验室同传。并且还原卡对网络的性能要求很高，网速过慢或网络不稳定，都会导致整个同传过慢。（4）不易满足实验教学需求[5]。有时教师需要在课堂分享学习资料，让学生现场提交作业，需要购买额外的电子课堂软件才能够满足。电子课堂软件还需要额外的加密狗才能够使用，加密狗长时间插到计算机上会因为发热导致失效，管理不善的话也容易造成丢失。
2虚拟化桌面实验室的构建
桌面虚拟化是指将计算机的终端系统（也称作桌面）进行虚拟化，以达到桌面使用的安全性和灵活性。可以通过任何设备，在任何地点，任何时间通过网络访问属于我们个人的桌面系统。桌面虚拟化的原理图见图1。数据中心由物理服务器集群构成，利用桌面虚拟化技术，可以将物理服务器集群的硬件资源（CPU、内存、硬盘等资源）形成一个硬件资源池实现集中统一管理，并在物理服务器集群上虚拟出多台虚拟机（即虚拟出来的主机），将这些硬件资源分配给虚拟机使用，并为每台虚拟机分配操作系统。每一台虚拟机都相当于一台独立的PC主机，用户通过桌面终端（通常为一台显示器）就可以使用一台虚拟机，与使用PC的体验完全一样。图1桌面虚拟化原理图
3虚拟化桌面实验室设计方案
3.1虚拟化桌面实验室的架构设计
目前，我校计算机实验教学中心共有5个实验室，计算机约400台，其中2个实验室用作虚拟化桌面实验室并各包含90台桌面终端。虚拟化桌面实验室采用VOI技术（VirtualOSInfrastructure，虚拟操作系统基础设施），其搭建方式按照图2的结构示意图进行搭建。服务器集群为获得良好的降温效果放在数据中心里。服务器集群共包含5台服务器，每台服务器含2颗12核IntelE52650V4处理器，160g内存，4块千兆集成网卡，1块4T硬盘和1块PCI-E400g固态硬盘。桌面终端配有一个显示器外加X86云终端（含1颗intelJ1900CPU，2g内存，1个USB3.0接口，5个USB2.0接口，1个千兆网卡）。每个实验室配4台24端口千兆交换机。机房网线采用超五类线。
3.2虚拟化桌面实验室的功能设计
（1）虚拟化桌面具备的使用功能①操作系统还原保护功能。对桌面终端的操作系统进行保护，当终端重启后，之前学生在系统盘做的所有操作都不会保存，可以保证系统完好如初。学生的作业等资料可以放到存储盘，这样重启之后资料也不会丢失。②支持多个教学桌面使用。因为不同的教学软件，其计算机配置环境不同，为了保护软件安装和运行不冲突，要在不同的教学桌面里安装软件，所以就会创建多个教学桌面。学生打开终端后，可以选择所使用的软件所在的教学桌面。终端上的各个教学桌面相互独立，不冲突，保证了软件良好的运行环境。③虚拟化桌面独立运行。因为服务器虚拟化出来的虚拟机都是独立分配硬件资源的，并且虚拟化技术可以保证虚拟机独立运行，互不影响，所以学生使用虚拟化桌面如同单个的PC机一样，功能强大，又互不影响。（2）虚拟化桌面具备的管理功能①远程控制功能。管理员通过浏览器直接访问虚拟化桌面管理平台，可以查看远处各个机房的桌面终端状态，远程启动、关闭、重启终端，并可以按照桌面序号、终端座号、桌面IP、桌面计算机名、桌面用户名等多种方式实现终端的自动排序。设置机房的IP地址段、终端桌面分辨率等。②资源统计功能。虚拟化桌面管理平台可以自动统计服务器集群硬件资源池的变化、包括CPU、内存、硬盘的使用量和利用率等并提供可视化统计视图，方便管理员了解资源使用情况，为新创建的虚拟机分配CPU、内存、硬盘等硬件资源。③批量生成虚拟化桌面功能。管理员可以先创建一个虚拟机模板，为该模板分配合适的CPU、内存、硬盘等资源，并在模板上安装操作系统和所需软件，然后通过该模板，平台可以批量生成虚拟机（即虚拟化桌面）。④资源按需分配功能。虚拟化桌面管理平台是按照管理员创建的虚拟机模板和生成的虚拟机数量分配硬件资源池中CPU、内存、存储等资源的。平台资源池中的硬件资源根据生成虚拟机的数量实时变化，如果用户关闭桌面终端，虚拟机也会被关闭，虚拟机的硬件资源就会被平台收回，重新作为平台资源池的资源分配给新创建的虚拟机。⑤多教学桌面部署功能。管理员可以针对每个软件所需的使用环境，分别部署系统环境不同的教学桌面，满足实验教学需求。⑥个人桌面部署功能。管理员可以为教师设置个人桌面，教师凭自己的账号和密码登录，这样教师就相当于拥有了一台私人电脑，可以进行上传资料、安装使用软件等各项操作。（3）多媒体教室管理功能为方便教师日常的实验教学，可以为虚拟化桌面安装多媒体教室软件，这样虚拟化桌面又增加了多媒体教室管理功能。①屏幕广播功能。教师可以在给学生讲解的同时，把自己的操作步骤演示给所有学生，方便学生理解实验过程。②遥控监看功能。教师可以在本地查看所有学生的虚拟化桌面状态，了解学生实验情况，避免学生上课做与实验无关的操作。③行为管控功能。教师可以禁止学生使用U盘、光盘等。可设置网页的白名单和应用程序白名单等。④影音广播功能。可以流畅广播MPEG1-4、amv、wmv、MP4等多种格式的视频文件，若同时选择多个文件，可以自动循环播放。⑤学生演示功能。教师可以指定某个学生进行操作演示，其他学生通过各自的虚拟化桌面观看。⑥文件传输功能。教师可以把学习资料等发送到所有的虚拟化桌面，学生也可以在本地桌面终端向教师提交实验报告。
4虚拟化桌面应用场景
（1）教学应用场景。学生在上课前可以启动桌面终端，自行选择教学桌面进入桌面操作系统。教师也可以一键选择所有学生进入指定桌面或者通过课表计划自动批量切换到指定桌面。学生登录到桌面后就可以进行各种操作。桌面的多种启动方式保证了开机的灵活性和高效性。教师在上课的时候，可以利用多媒体教室软件进行屏幕广播、播放影音视频或分享学习资料等。（2）考试应用场景。可以应用于全国计算机等级考试、计算机文化基础考试等。全国计算机等级考试对考试服务器和考试计算机的性能要求很高[6]。由于虚拟化桌面的硬件资源能够按需分配，可以为考试服务器和每台虚拟机分配较多的硬件资源以达到考试性能要求。在教师的终端创建一个单独的虚拟化桌面作为考试服务器，并为其分配充足的硬件资源，安装操作系统、数据库系统和考试管理软件。在学生的终端也创建一个单独的虚拟化桌面作为考试机，为其分配CPU、内存、等硬件资源，并安装操作系统和各类考试软件。通过网络设置，将服务器和考试机进行连接。考试前首先打开教师的终端进入考试服务器虚拟化桌面，然后启动学生终端进入考试机虚拟化桌面，就可以进行考试了。
5结束语
虚拟化桌面实验室是利用桌面虚拟化技术构建虚拟化服务器集群和虚拟化桌面终端的新型实验教学系统。该系统具有资源配置灵活、管理方便、资源节约等优点，不仅可以简化实验室管理人员的日常管理工作，还可以借助多媒体教室管理软件实现实验教学效果的提升。虚拟化桌面实验室还可以用来快速灵活搭建各类考试环境，满足各类考试需求。虚拟化桌面的广泛应用必会成为未来计算机实验室的发展趋势。
参考文献：
[1]张宝瑛，李书珍，沈俊辉，等.高校计算机实验室的部署与管理[J].实验技术与管理，2013.
[2]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.
[3]尹廷钧，张立.网络机房管理和维护模式的探索研究[J].网络安全技术与应用，2019.
[4]蔺俊杰.计算机操作系统维护中还原技术的应用[J].信息与电脑（理论版），2019.
[5]姜军平.高校计算机基础实验教学模式在云平台下教学改革的研究[J].网络安全技术与应用，2019.
[6]黄健，阮灿华，舒兆港.探索桌面虚拟化在全国计算机等级考试中的应用[J].实验技术与管理，2014.
作者：刘永 单位：山东青年政治学院
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