薄鈞戈，崔舒寧，齊 琪

(西安交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 引 言

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，高校實驗室信息化管理也成為信息化建設(shè)的重要組成部分。目前，大部分高校在信息化建設(shè)方面已經(jīng)完成了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，可以借助高校信息化以及先進的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)資源共享。而由于現(xiàn)階段實驗室機房硬件設(shè)備更新速度太快，導(dǎo)致前期購置的硬件設(shè)備跟不上，報廢可惜，繼續(xù)使用又不能滿足主流實驗教學(xué)環(huán)境的要求，因此提出了一種云環(huán)境支撐下的大規(guī)模與創(chuàng)新性實驗教學(xué)應(yīng)用的解決方案。文中重點探討了云桌面在大規(guī)模與創(chuàng)新性實驗教學(xué)平臺中的應(yīng)用，并且提出了一些想法和建議。

1 傳統(tǒng)機房在實驗教學(xué)過程中存在的問題

(1)一般實驗室機房都會分散在不同的校區(qū)、教學(xué)樓、樓層，而終端PC機都由機房管理老師統(tǒng)一管理維護，不同機房所需教學(xué)軟件的安裝、升級、維護都需要機房管理老師統(tǒng)一操作，然而由于終端PC機數(shù)量大，位置分散，軟件部署任務(wù)繁重[1-2]。

(2)一般實驗室機房的PC機都會分批進行采購，導(dǎo)致各個計算機的配置、操作系統(tǒng)、軟件所需環(huán)境存在差異，使得機房管理老師在部署機房軟件環(huán)境時不能統(tǒng)一部署，消耗了時間和精力，效率低下。

(3)由于實驗室機房會承擔(dān)多門不同課程的上機需求，這就需要安裝不同課程需要的多種教學(xué)軟件，即使是同一門課程，由于上課老師的使用習(xí)慣不同，所需教學(xué)環(huán)境和版本也不同，這就要求一臺PC機需安裝大量的軟件運行。

(4)根據(jù)上課老師的需求，教學(xué)環(huán)境會定期進行版本的升級維護，由于很多軟件都需要一些授權(quán)許可，而軟件授權(quán)許可需和計算機硬件進行綁定，這就要求機房管理老師在軟件安裝完后，需要對每臺計算機進行逐一激活[2]，消耗時間和精力。

(5)傳統(tǒng)的實驗室機房無法滿足一些對實驗環(huán)境有特殊要求的實驗(比如多機多操作系統(tǒng)實驗、病毒防護實驗、計算機組成原理實驗等)，這些實驗由于機房的限制只能被迫簡化或者取消。

(6)由于前來實驗的學(xué)生計算機操作水平參差不齊，經(jīng)常由于對計算機的誤操作、配置修改導(dǎo)致計算機死機、藍(lán)屏等問題，需要協(xié)調(diào)更換機房或計算機，影響正常的實驗教學(xué)。而一個實驗室機房每天會有多個不同班級前來上機，經(jīng)常會使用U盤進行課件、視頻音頻等的拷貝，有可能導(dǎo)致計算機感染病毒，進而影響到計算機的正常使用，給實驗室管理維護造成了麻煩。

2 云桌面實驗教學(xué)平臺解決方案

2.1 云桌面技術(shù)概述

云計算技術(shù)是利用計算機軟件進行模擬，并且運行在物理計算機設(shè)備上，共享軟硬件資源和信息，使其具有完整的硬件系統(tǒng)功能，它是基于互聯(lián)網(wǎng)的計算方式，通過網(wǎng)絡(luò)以按需獲取、容易擴展的方式獲得的服務(wù)[3-5]。云計算技術(shù)的虛擬化、可擴展、按需服務(wù)以及資源池靈活調(diào)度等特性顛覆了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)模式和商業(yè)模式[6]。云技術(shù)的有效利用，可以最大限度地提高基礎(chǔ)設(shè)施、平臺和軟件的使用效率。在云環(huán)境中，提供給用戶的計算資源和存儲資源通常對應(yīng)一定數(shù)量和類型的節(jié)點，節(jié)點類型限定了其處理能力、吞吐量、單位時間的費用等特性[7]。

相比傳統(tǒng)的IT系統(tǒng)建設(shè)與資源提供方式，云計算能夠有效提升IT資源利用率，降低管理復(fù)雜度，加快IT響應(yīng)速度[8]。云桌面技術(shù)是以精簡的瘦客戶端代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PC機，利用服務(wù)器集群策略，通過虛擬化技術(shù)，將各種應(yīng)用作為集中服務(wù)，按需交付，從而實現(xiàn)了桌面和后臺工作系統(tǒng)的連接訪問[9]。一般情況下，云桌面技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)包括五層：硬件設(shè)施層、虛擬化層、虛擬化管理層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層以及終端接入層。

2.2 云桌面實驗教學(xué)體系架構(gòu)設(shè)計

一套完整的云桌面實驗教學(xué)平臺需包括：云計算平臺、云桌面管理系統(tǒng)、安全網(wǎng)關(guān)以及客戶端軟件[10-11](PC端、手機端、平板端)，其邏輯架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)將IT資源虛擬化，可以根據(jù)實驗教學(xué)需求動態(tài)配置云桌面，模板、配置設(shè)置好，將不同課程所需的云桌面推送到相應(yīng)實驗室機房(或者PC機、瘦客戶端)，老師和學(xué)生可以通過客戶端訪問使用云桌面。

圖1 云桌面實驗教學(xué)平臺邏輯架構(gòu)

2.3 云桌面實驗教學(xué)平臺在高校計算機實驗教學(xué)中的應(yīng)用

(1)利用虛擬技術(shù)提高硬件教學(xué)效率。學(xué)生可以上類似《計算機組裝與維護》等硬件課程，學(xué)生可以隨意進行硬盤分區(qū)、參數(shù)設(shè)置，即使操作錯誤導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，也能快速恢復(fù)，不會破壞計算機系統(tǒng)[12]。

(2)通過虛擬技術(shù)進行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上的教學(xué)。在一臺PC機上運行多個云桌面，學(xué)生可以通過虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)實驗任務(wù)。

(3)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)方面的應(yīng)用[10]。將虛擬技術(shù)應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的教學(xué)上，在給學(xué)生推送的虛擬機上通過主動植入一些病毒文件，將病毒的傳播過程進行演示，能夠很清楚地講解如何消除病毒、建立防御體系，進而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在實驗結(jié)束后，銷毀虛擬機，不影響后續(xù)實驗的使用。

(4)編程應(yīng)用與測試。對于一些編程開發(fā)類課程，經(jīng)常需要在不同的操作系統(tǒng)和開發(fā)環(huán)境中進行測試，通過虛擬技術(shù)可以有效地解決編程應(yīng)用與測試問題，提高實驗教學(xué)效率。

3 應(yīng)用案例

3.1 云桌面部署和使用情況

為了更好地滿足上課老師和學(xué)生對實驗教學(xué)上機的體驗，減少計算機更新?lián)Q代的支出，中心決定將計算資源和存儲資源在云端進行集中管理，以提供云桌面的方式將實驗用機推送給老師和學(xué)生。根據(jù)中心實驗室機房的具體情況，通過學(xué)校招標(biāo)，中心采用了廣州云晫信息科技有限公司針對教學(xué)領(lǐng)域提出的一套“智慧教學(xué)云桌面”解決方案，該方案在硬件上由3臺寶德PR2715G服務(wù)器組成(1個控制節(jié)點、2個計算節(jié)點)，軟件上由云平臺虛擬化管理軟件、云安全網(wǎng)關(guān)以及虛擬化桌面軟件組成。中心采用的這套解決方案可以同時支持150個云桌面使用，其部署拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 “智慧教學(xué)云桌面”解決方案部署拓?fù)?/p>

該解決方案自2017年1月部署以來，已經(jīng)使用了兩個學(xué)期，包括高級程序設(shè)計課、可視化程序設(shè)計、建筑法規(guī)、小學(xué)期項目實訓(xùn)、期中考試模擬等，上課情況及CPU、內(nèi)存、硬盤使用率如表1所示。具體管理過程是根據(jù)實驗教學(xué)的具體應(yīng)用需求，定制符合實驗教學(xué)培養(yǎng)方案的云計算系統(tǒng)，向客戶端推送具有針對性的實驗環(huán)境(包括Win7、Win10、Win XP、Linux等多個操作系統(tǒng)，且安裝好實驗所需軟件)。一個云桌面可以同時推送到多個不同配置的硬件設(shè)備(PC機、筆記本、瘦客戶端、手機等)，也可以給一個硬件設(shè)備推送多個云桌面。目前中心主要采用“課程云桌面”和“固定云桌面”兩種方式向老師和學(xué)生提供服務(wù)。

從表1可以看出，云桌面解決方案基本可以滿足該校需使用機房進行實驗的多類課程，使用的軟件從一般程序設(shè)計類課程需用的開發(fā)工具Visual Studio 2015、Sql Server2012等到一些專業(yè)課需用的專有軟件AutoCAD、Rhino、SPSS、Qt 5.3.0等。其中使用人數(shù)最多的是一次大基課程的期中模擬考試，共有110人，硬盤利用率達(dá)到88.29%，接近飽和。從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著上課人數(shù)的增加，CPU、內(nèi)存、硬盤利用率也隨之增加，而CPU的利用率變化不是很明顯。通過這些數(shù)據(jù)可以為下一階段對不同配置型號的服務(wù)器采購提供參考。

表1 云桌面使用情況

3.2 課程云桌面

課程云桌面是支持傳統(tǒng)的定時上下課的上課場景，學(xué)生上課前需對實驗相關(guān)環(huán)境以及課程等信息進行設(shè)置，其設(shè)置過程如圖3所示。其中，導(dǎo)入學(xué)生名單和制作課程鏡像模板只需在開學(xué)初期設(shè)置一次，然后在每次課程上課前管理系統(tǒng)會為每個學(xué)生推送一個課程所需的系統(tǒng)，學(xué)生只需輸入正確的用戶名及密碼就能使用，課程結(jié)束后5分鐘(時間可以設(shè)置)學(xué)生云桌面收回。管理系統(tǒng)除了對課程云桌面進行創(chuàng)建、修改、刪除等操作，還可以在課程進行過程中隨時對某個學(xué)生的云桌面進行重啟、還原、延長實驗時間、關(guān)閉等操作，讓學(xué)生在云桌面的體驗過程中顯得更靈活。

在2016-2017第二學(xué)期，中心有兩門課程以“課程云桌面”的形式使用了這套解決方案，分別是90人的高級程序設(shè)計課以及30人的可視化程序設(shè)計課。這兩門課程由于是嚴(yán)格按照具體的上課時間段進行上課，這兩個班使用的原機房的老舊計算機作為終端使用，遠(yuǎn)程接入云桌面，為學(xué)生提供了高性能、高可靠的桌面教學(xué)服務(wù)。

圖3 課程云桌面設(shè)置過程

3.3 固定云桌面

固定云桌面不同于課程云桌面，不參與云桌面的自動調(diào)度，為老師或者需長時間進行實驗的課程提供類似傳統(tǒng)PC機的服務(wù)。教師可以使用固定云桌面進行辦公、實驗、多媒體教學(xué)等多場景應(yīng)用，從而解決了U盤攜帶、無法通過移動設(shè)備進行訪問桌面等問題。目前，中心已為十多位老師建立了二十多個云桌面。

在2017年的學(xué)校小學(xué)期計算機實訓(xùn)過程中，由于實訓(xùn)學(xué)生人數(shù)眾多，中心機房無法滿足實訓(xùn)要求，因此需要占用其他單位的機房并且還需部分學(xué)生自帶筆記本進行實訓(xùn)。小學(xué)期計算機實訓(xùn)中有游戲開發(fā)、音樂播放器開發(fā)、單片機開發(fā)、HIS系統(tǒng)開發(fā)等模塊，這些模塊大多都需要Visual Studio、Sql Server等開發(fā)工具的支持，而其他機房平時沒有計算機相關(guān)課程的實驗，機房沒有安裝vs等開發(fā)工具，并且這些開發(fā)工具安裝過程比較復(fù)雜，且占用內(nèi)存較大，其他機房不便安裝這些軟件；還有一些自帶筆記本的學(xué)生，由于筆記本配置不一，且大多數(shù)學(xué)生都非計算機專業(yè)學(xué)生，有相當(dāng)一部分學(xué)生都無法成功安裝這些開發(fā)工具，因此云桌面發(fā)揮了作用。

由于在兩周的小學(xué)期計算機實訓(xùn)過程中，學(xué)生需要有一個連續(xù)的實驗環(huán)境，無法采用“課程云桌面”的形式，需給學(xué)生設(shè)置“固定云桌面”。固定云桌面在小學(xué)期開始之前系統(tǒng)管理老師會設(shè)置好相關(guān)實驗環(huán)境、配置、應(yīng)用軟件，并導(dǎo)入學(xué)生名單，然后學(xué)生通過云桌面客戶端登陸就能長時間進行實驗，在小學(xué)期結(jié)束后，系統(tǒng)管理老師會回收相應(yīng)固定云桌面。在2017小學(xué)期計算機實訓(xùn)中，有游戲開發(fā)、單片機開發(fā)、HIS系統(tǒng)開發(fā)三個模塊，90多學(xué)生使用了“固定云桌面”，而HIS系統(tǒng)開發(fā)是學(xué)生自帶筆記本電腦在一般的教室里連接校園無線網(wǎng)絡(luò)使用，除了有時由于網(wǎng)絡(luò)問題會稍有卡頓，大部分時間學(xué)生都能流暢使用，順利完成了小學(xué)期的任務(wù)。

4 云桌面解決方案成效比較

4.1 計算和數(shù)據(jù)資源集中管理

云桌面解決方案將教學(xué)需要的“云桌面環(huán)境”推送到實驗教學(xué)應(yīng)用終端，學(xué)生通過終端客戶端遠(yuǎn)程訪問連接云桌面。在實驗教學(xué)的過程中，實驗室管理老師根據(jù)學(xué)生使用云桌面中出現(xiàn)的問題，快速進行重啟、重置、延長使用時間等動態(tài)調(diào)整，相比傳統(tǒng)機房重復(fù)繁瑣的維護工作，云桌面解決方案具有維護成本低、資源復(fù)用等優(yōu)勢。

4.2 實驗管理自動化

傳統(tǒng)機房在安排設(shè)置實驗上機時，每學(xué)期初會提前將實驗上機的班級名單信息、上機實驗機房導(dǎo)入到機房管理系統(tǒng)中，雖然導(dǎo)入一次就不用再導(dǎo)入，但是在班級每次上機前實驗室管理老師還需為相應(yīng)機房設(shè)置“免登陸”操作，并且還得檢查機房PC機是否正常。而云桌面解決方案根據(jù)實驗課程的上課時間、上機實驗機房、課程相關(guān)內(nèi)容進行智能、動態(tài)的資源調(diào)度和云桌面分配，實驗室管理老師一次配置后，一勞永逸，在每次實驗課開始之前系統(tǒng)會自動開啟相應(yīng)的云桌面，學(xué)生只需登錄完成就可以進行實驗。并且在云桌面使用過程中，可以動態(tài)限制桌面學(xué)生使用的權(quán)限和用戶行為，降低系統(tǒng)損壞的維修難度，提高云桌面的監(jiān)管力度。

4.3 教學(xué)資源快捷發(fā)布，存儲多樣化

傳統(tǒng)機房在實驗課中學(xué)生提交實驗報告，往往是實驗室管理老師提前建好FTP服務(wù)器，然后將FTP服務(wù)器地址告知上課老師和同學(xué)，由于存在多個班級公用一個FTP服務(wù)器，導(dǎo)致FTP服務(wù)器文件管理混亂，學(xué)生也會經(jīng)常忘記FTP服務(wù)器地址。云桌面解決方案可以自動掛載課程共享存儲空間或?qū)W生個人存儲空間，其中課程共享存儲空間存放課程公共資源或提交實驗報告，具有課程共享文件、作業(yè)上傳、課件下載等功能，個人存儲空間則存放學(xué)生個人文件，具有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲、不同課程共享等功能。其多樣化存儲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。這樣可以進一步方便快捷地進行課程共享資料、實驗報告上傳和學(xué)生個性化數(shù)據(jù)存儲等管理。

圖4 云桌面解決方案多樣化存儲網(wǎng)路結(jié)構(gòu)示意

4.4 跨平臺訪問

近年來，學(xué)生自帶筆記本電腦越來越普遍，一些上機實驗課有部分同學(xué)自帶筆記本電腦，其中也有個別同學(xué)使用蘋果品牌筆記本，而由于系統(tǒng)間軟件的兼容性問題，一些上機所需的軟件無法安裝在蘋果筆記本上(例如Visual Studio軟件)。自中心機房部署了云桌面解決方案后，很好地解決了該問題。學(xué)生在筆記本電腦上安裝好云桌面客戶端后，就能訪問連接到實驗所需環(huán)境，給學(xué)生帶來良性體驗。當(dāng)然，也可以通過手機、平板電腦等多種終端訪問。

4.5 學(xué)生上機權(quán)限可控

傳統(tǒng)機房，在每次學(xué)期末進行機考時，實驗室管理老師會為每臺電腦貼上封條封住PC機前后的USB插口，防止學(xué)生作弊，同時還要手動對網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)置，使其不能訪問外網(wǎng)，導(dǎo)致重復(fù)性工作增加。而云桌面解決方案可以定義各種教學(xué)模板，包括設(shè)置上網(wǎng)策略、外設(shè)訪問策略、IO端口拷貝權(quán)限控制、學(xué)生上機行為權(quán)限控制等。通過這些權(quán)限的統(tǒng)一、快速控制，增強桌面管理力度，降低運維壓力。學(xué)生云桌面權(quán)限相關(guān)控制示意圖如圖5所示。

圖5 學(xué)生云桌面權(quán)限相關(guān)控制

5 結(jié)束語

實驗教學(xué)管理過程面臨著諸多問題，而對于實驗教學(xué)的管理，也需與時俱進，采用一些新穎的管理模式和手段，針對實驗機房的分散化應(yīng)用管理和維護，云桌面技術(shù)提供了一個很好的解決思路，并且也通過了大量的實踐驗證。隨著云計算技術(shù)的發(fā)展，在國內(nèi)外部分高校的實驗教學(xué)平臺上，云計算技術(shù)已經(jīng)得到了應(yīng)用[9]，云桌面實驗教學(xué)平臺提供了簡潔、高效、靈活的系統(tǒng)(軟件)批量部署方式，在保持用戶使用習(xí)慣的基礎(chǔ)上，大大提高了實驗教學(xué)管理水平，降低了管理維護成本，保證了實驗教學(xué)的順利進行。

云桌面實驗教學(xué)平臺的建成，使該校實驗教學(xué)中心在實驗室機房管理過程中由分散的管理模式轉(zhuǎn)化為高效的集中式管理，并且使一些老舊的設(shè)備實現(xiàn)了有效的升級，更使實驗室機房管理和實驗教學(xué)管理提升到了“云時代”的高效體驗。下一步要充分利用該平臺的功能，將一些實驗內(nèi)容、科研管理、高性能計算、大數(shù)據(jù)處理等融入進來，充分發(fā)揮其在科研和教學(xué)中的作用。