基于云技术的虚拟化教学系统搭建与应用研究

郑舟杰 郭志华 吴湘洪 赵国源

[摘 要] 随着云技术的发展，将之应用于教学实践中，并作为智慧校园建设的重要组成部分已成必然趋势。借大数据发展理念，结合云技术、综合管理平台等软硬件的前沿发展，搭建了虚拟化教学系统，通过云计算和虚拟技术，完成信息资源的集成和优化，共享云计算“资源池”。实现了桌面终端和应用环境的集中控制和管理、OS&AP以及个性化计算环境随需分配，提高了系统的安全性、可靠性，解决了计算机教学中多系统、多应用带来的困扰和管理难题，充分体现了先进、简洁、灵活、高效、可靠、环保等特点。

[关 键 词] 云技术；虚拟化；资源池；对象管理

[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2017）35-0010-02

随着信息技术的发展，桌面云改变了传统的工作环境和信息系统部署方式，实现了对原本分散的众多用户桌面环境与数据的集中管理，使升级维护更高效、数据使用更安全、接入更灵活、业务处理能力更强、系统可靠性更高；人机分离，桌面的无缝切换，低温无燥的绿色环保的实验环境，更加适用于人群较集中的课堂教学。

一、研究意义

借大数据发展理念，结合云技术、综合管理平台等软硬件的前沿发展，搭建了虚拟化教学系统，开展相关的研究、实施和推广工作，对新技术在教学中的应用，具有较强的理论意见和现实意义：

（一）推进教育教学改革，提高办学水平

对公共教学资源统一整合和管理，培养了一支掌握前沿技术的专业教师队伍，有效推进教育教学改革，提高整体办学水平。学生在使用中不断增强对新技术的学习和了解，感受新技术带来的变革，开阔了视野。

（二）提高教学业务连续性

虚拟资源架构中的虚拟机迁移服务、资源分配管理服务、高可用性服务可以很好地实现教学业务数据保护、高可用性以及灾难恢复，做到桌面随人走。

（三）资源开放共享，提高教学资源使用效益

保证资源应用实效性的同时，实现资源的最大共享，提高教学资源使用和管理效益。

（四）创新开放的计算机教学网络管理架构

更轻松的教学环境建制、管理和维护；更快、更高效、个性化的教学环境调整，可以满足多元化教学模式。

（五）集中部署减少维护

通过自动化管理流程，80%的维护工作将自动完成，不但减少了大量的维护工作量，还提供了迅捷的故障处理能力；在面临各种认证考试、职业考试需要不同版本的操作系统以及应用软件等复杂业务场景里，能完成便捷、快速的专业要求部署。

（六）示范引领作用

将当前信息化主流的、先进的技术应用到实际教学中，在一定范围和区域内起到引领、示范作用，推动新技术在教学领域的应用和推广。

二、理论依据

云计算（CloudComputing）是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。云技术发展至今已经非常成熟，具有以下特点：

（一）超大规模

“云”具有相当的规模，能赋予用户前所未有的计算能力。

（二）虚拟化

云计算支持用户在任意位置、使用各种终端获取应用服务。所请求的资源来自“云”，而不是固定的有形的实体。

（三）高可靠性

“云”使用了数据多副本容错、计算节点同构可互换等措施来保障服务的高可靠性，使用云计算比使用本地计算机可靠。

（四）通用性

云计算不针对特定的应用，在“云”的支撑下可以构造出千变万化的应用，同一个“云”可以同时支撑不同的应用运行。

（五）高可扩展性

“云”的规模可以动态伸缩，能满足应用和用户规模增长的需要。

（六）按需服务

“云”是一个庞大的资源池，按需分配资源。

三、研究内容和目标

搭建“基于云技术的虚拟化教学系统”并应用于教学实践中。以“学习、实训、管理和服务”为主线，面向教学者、学习者、管理者3类用户群体，提升教学水平，满足学生自主式个性化学习需求，制订基于对象管理的《基于云技术的虚拟化教学系统建设方案》。

为进一步提升教学条件，推进教育教学改革，提高办学水平，实现统一集中管理，减少物理基礎架构成本和运营维护成本，应做到：（1）虚拟桌面系统支持安装当前教学和实训室所需的软件程序及客户端。（2）满足学生和教师在任何时候任何地点登录，都能访问自己的桌面及用户数据。（3）桌面资源可弹性扩展，按需为用户分配虚拟桌面，虚拟桌面独享且相互隔离，确保数据的安全性。（4）支持统一运维平台，降低维护成本。（5）数据集中存储，方便备份和恢复。（6）开发《云桌面实训室网络管理软件》，并投入使用。

四、虚拟化教学系统设计要求

（一）设计要求

虚拟化教学系统主要由三个部分组成，前端是用户终端，包括通常的显示器、鼠标键盘以及虚拟化专用的瘦终端；中间是传输部分，即网络系统；后端是服务端，包括计算资源、存储资源、备份资源等。开发云桌面实训室网络管理软件，与整个系统结合。实现桌面终端和应用环境的集中控制和管理、OS&AP以及个性化计算环境随需分配，提高系统的安全性、可靠性，解决计算机教学中多系统、多应用带来的困扰。

基于“对象管理”的、强大且理念先进的专用软件平台设计，可根据教师、专业、班级、语言、分组、座位、学生、考试或者实验需要，任意切换的个性化教学环境，甚至可以做到让共用机房的每个学生都有自己的专有学习系统、互不干扰，达到专属教学、考试、学习和实验环境的和谐统一。

（二）主要功能要求

桌面资源统一管理、维护；平台集群化，提高了资料的利用率和可靠性；实现了网络万兆主干互联，链路冗余负载；桌面系统与用户文件存储分离，系统存储实现双副本备份，用户存储采用Raid阵列保护；前端设备全部采用12V低压安全供电，低耗环保系统功能实现前端瘦客户机来电自启，桌面资源定时开关机并自动还原；通过云桌面实训室网络管理软件，实现虚拟桌面与个人文件夹单点登录、网络联动认证（统一身份）；支持灵活扩展，为未来建设预留扩展性能及对接接口。

网络方面采用UCS-SPL-FI48P控制矩阵，数据中心服务器与核心网络交换采用万兆网络冗余互联设计，核心网络到汇聚网络采用万兆网络冗余互联设计，汇接到接入采用双千兆网络冗余互联设计，接入采用百兆网络互联设计，网络主干均实现冗余备份，负载分担的性能效果。

前端设备均采用12V供电方式，保证低功耗的同时，可以有效避免因电力使用问题存在的师生人身安全风险。

（三）系统先进性

与同类成果相比，具有以下优势和创新突破：

1.人机环境

实训室的空间设计充分利用和体现了云桌面的简洁性，改变了传统机房的臃肿；同时考虑用电的安全性及可控性，设计了低压直流集中供电。

2.基于对象的设计理念

针对对象流动性大、使用频繁、应用环境多变等特点，结合统一身份验证（LDAP），基于对象进行管理，采用虚拟化平台灵活的身份验证方式，对人的行为管理方面取得突破。

3.整体安全架构

为保障桌面云系统安全，系统采用了完整的安全架构，避免出现安全真空，强化了网络隔离和虚拟化隔离，在安全架构层面主要采用了分层和纵深防御。

4.桌面资源灵活性

构建若干虚拟桌面池资源，将桌面按需索取動态调配分发给学生用户。让所有的用户都能够拥有标准化的教学桌面，同时拥有个性化的个人云存储空间，实现教学资源共享。终端采用Android系统，具有很强的二次开发和扩展性。

五、实用性分析

云技术在教学实训中的实践应用，TCO（总拥有成本）大幅度降低35%；动态绿色节能设计，桌面云能耗降低30%；基于云平台，IT系统的资源利用率提高65%。依托教育云庞大的规模效应，最大限度地实现教育资源的共享，实现教育资金社会效益的最大化。

基于云技术的虚拟化教学系统采用集中管理的新模式，有利于解决当前公共计算机实训室的管理难题；桌面虚拟化技术的应用有利于学校紧跟技术发展脚步，树立良好的社会形象，促进学校与企业的交流合作；桌面虚拟化技术主应用，进一步深化信息化建设，有利于走在技术前沿，在实践中培养了一支技术领先、理念超前的专业团队，并在工作中加以完善，探索出一条低成本、高效能的公共计算机实训室建设和管理新新路径；为各院校提供借鉴，也适合于企业、行政单位、图书馆等日常办公、电子阅览等，示范带动相关新技术的广泛应用。