楊 楠，趙 驥，鄭紅英，呂 欣

(華北理工大學 現(xiàn)代技術(shù)教育中心，河北 唐山 063210)

一、研究背景

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)時代到來給人類生活思維帶來的巨大變革，在高校教學過程中智能化學習工具的普及，線上互聯(lián)網(wǎng)教學的開展，基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的大數(shù)據(jù)分析日益智能化，學習環(huán)境的不斷創(chuàng)新變更已成為高校教育技術(shù)變革的重要內(nèi)容。如何將多媒體技術(shù)教學管理平臺的應用和革新與傳統(tǒng)教育教學設計課堂有機整合發(fā)展起來，既發(fā)揮高校教師傳統(tǒng)課堂上的引導、啟發(fā)的主導作用，同時全面改進多媒體教室設備的管理和維護，提升高校教師課堂時間的利用率和創(chuàng)新教學效果成為了亟待解決的重要內(nèi)容。

由于網(wǎng)絡多媒體教學模式越來越多的應用于高校教學環(huán)境之中，高校教師采用的教學模式也更側(cè)重于多向互動，日趨個性化和多樣化，但傳統(tǒng)功能單一、地域限制、模式老舊、維護困難的教室使得高校互聯(lián)網(wǎng)時代智慧校園的建設出現(xiàn)阻礙,傳統(tǒng)模式已逐漸不能滿足當今高校的教學發(fā)展需求。

總之，隨著高校多媒體教室使用率的不斷提高，設備數(shù)量和使用率都在不斷增長，管理任務趨向復雜，而目前普遍管理模式在使用過程中無法滿足當下的管理需求，在設備調(diào)度、日常管理等方面面臨著諸多挑戰(zhàn)。

多媒體教室作為學校重要的信息化教學信息平臺，承載著學校所有老師的上課教學活動。師生在體驗先進教育方式的同時，也為多媒體教室的維護和管理提出了更高的要求。傳統(tǒng)的多媒體教室具有如下非便利條件。

多媒體教室分布區(qū)域不集中。大部分傳統(tǒng)高校多媒體教室，具有數(shù)量多、分布廣的特點，教室地理位置較分散，多媒體教師機分布在各個樓棟和各個教室之間，分散不集中是最大的特點。再加上不同專業(yè)不同計算機配置多樣化、校園網(wǎng)絡不穩(wěn)定、系統(tǒng)更新維護時間長等一系列問題，給多媒體教室的設備系統(tǒng)管理和機器維護工作帶來了諸多困擾。

多媒體教師機配置差異大。多媒體教室計算機數(shù)量眾多，造成各機器的機型、配置、操作系統(tǒng)、軟件環(huán)境不能完全相同，存在差異，當對教師機進行軟件更新和系統(tǒng)維護時，工作量特別大，需要管理人員逐個教室去更新安裝，勞動強度大，工作效率不高。所以給管理員部署多媒體教室軟件環(huán)境造成困難，需要對每個終端逐個部署。

軟件安裝、更新困難。面對更換操作系統(tǒng)、升級常用軟件等提高計算機性能的操作，管理工作出現(xiàn)速度慢、易掉線、成功率的現(xiàn)象。并且電腦操作系統(tǒng)占用空間都較大，電腦運行緩慢，給教師在日常教學使用過程中也帶來了諸多困擾。同一教室需要承擔多個專業(yè)的教學任務，需要針對不同專業(yè)的教學安裝不同的教學軟件，這樣容易造成計算機由于安裝程序過多而出現(xiàn)運行緩慢甚至死機現(xiàn)象。如果臨時更換教室，計算機軟件往往不能滿足教學需求，需要重新部署才能開始教學，占用正常教學時間。急需一種通用性強、穩(wěn)定性高且易于管理的新模式來滿足高校各學院全學科的各類教學需求。

二、基于VOI模式下的多媒體教學環(huán)境背景

在虛擬技術(shù)和云平臺環(huán)境不斷發(fā)展和進化的過程中，基于VOI架構(gòu)的多媒體教室的應用逐漸受到關(guān)注。所謂VOI架構(gòu)，全稱Virtual OS Infrastructure，指的是虛擬技術(shù)操作系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)，也被稱為虛擬終端管理系統(tǒng)。近些年，作為虛擬操作系統(tǒng)技術(shù)的一種創(chuàng)新型架構(gòu)，VOI模式逐漸成為了計算機虛擬化管理的主導發(fā)展方向。

VOI模式的基本特征是集中管理、分布式運算和本地運行。VOI利用終端的運算能力，采取前端運算，屬于非虛擬機桌面形態(tài)；與此相對的VDI使用共享服務器的計算能力，進行后端運算，屬于虛擬機桌面形態(tài)。桌面云作為電腦桌面部署與管理的新型技術(shù)架構(gòu)，其中和傳統(tǒng)模式最大的不同在于可以讓云桌面結(jié)合服務器端，遠程實施統(tǒng)一部署和管理。這種模式既可以減少維護成本還能夠優(yōu)化運維流程。當多媒體教室客戶端啟動關(guān)機或是需要日常維護、軟件更新的時候，遠程服務器能夠?qū)⒉僮髦噶詈徒虒W資源以數(shù)據(jù)流的形式傳輸至多臺分散的客戶端教師機，在客戶端執(zhí)行運算的同時能夠?qū)崿F(xiàn)按需交付給服務端并緩存給本地客戶端。

簡單來說，VOI是一種集中存儲和分布式計算的模式。這種虛擬模式可以在服務器端存儲管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析并在客戶機上加載操作系統(tǒng)和應用到本地緩存。VOI模式的應用，從桌面應用程序交付轉(zhuǎn)向操作系統(tǒng)標準化和按需即時分發(fā)的能力不再僅僅依賴于CPU的虛擬化技術(shù)，如傳統(tǒng)的VDI架構(gòu)方式，并將數(shù)據(jù)從物理存儲介質(zhì)直接重定向到I/O輸入輸出層，以確保虛擬化操作系統(tǒng)完全高于本地物理硬件。VOI模式以客戶端虛擬容器技術(shù)為底層基礎(chǔ)，而所謂的虛擬容器，實際上是將終端徹底的虛擬化，建成一個虛擬的容器池，在這個容器池上再部署操作系統(tǒng)，由于終端已經(jīng)被虛擬化，所以從操作系統(tǒng)角度來看，它們面對的“硬件”已經(jīng)是虛擬的，沒有差別了。[1]

近些年，虛擬化技術(shù)和桌面云系統(tǒng)在教育界內(nèi)的發(fā)展十分迅猛，一種能夠應用在高校多媒體教室的維護管理和更新升級過程中的創(chuàng)新型管理模式和技術(shù)架構(gòu)應運而生。智能化教學、便捷式運維、綠色化的環(huán)境逐漸成為了改善傳統(tǒng)教學環(huán)境并構(gòu)建新型教學模式的建設目標。基于VOI模式的桌面云的應用使得高校教學中的便捷性和連續(xù)性得以保障，逐步實現(xiàn)了便捷地維護管理和數(shù)據(jù)的有效融合，用戶教師機的操作系統(tǒng)也呈現(xiàn)出個性化、多性能的特征，以此實現(xiàn)了教學系統(tǒng)運維的集中管理。

在把基于VOI模式下的桌面云應用于高校多媒體教室的教學管理的過程中，為了使本地計算機能夠按時按需工作，只需在要啟動設備時把操作系統(tǒng)和軟件應用通過服務器加載到本地緩存即可。它的應用在網(wǎng)絡中斷或離線狀態(tài)下同樣支持運行，并且能夠集中并具安全性地管理桌面系統(tǒng)；兼容性的問題得到有效解決的同時還能與傳統(tǒng)PC保持同樣的性能和操作體驗。對于數(shù)據(jù)的安全性、硬件的精簡化也做出了進一步的改善。在啟動狀態(tài)下，根據(jù)多媒體教室的各類應用需求，服務器會用數(shù)據(jù)流傳輸?shù)姆椒ò研枰碌牟僮飨到y(tǒng)和軟件應用導入至客戶端便于高效有序地運行。同時，也能夠脫離網(wǎng)絡進行本地離線運行。這種技術(shù)不僅投資小，而且具備極強的圖像密集型運算能力。

三、基于VOI架構(gòu)桌面云與VDI架構(gòu)的異同及其優(yōu)勢和局限性

將基于VOI模式下的桌面云應用到高校多媒體教室的運維管理中，能夠使得整個管理過程變得智能化和集中化，兼具統(tǒng)一性和靈活性，在保證工作效率的同時還可以有效的降低運維成本，實現(xiàn)運維管理雙贏。VOI模式一方面具有將分散在各處的多媒體教師機的操作系統(tǒng)和軟件應用轉(zhuǎn)換成為鏡像文件進行集中化管理的優(yōu)點，另一方面還能通過將終端資源緩存在客戶端的方式，減小對網(wǎng)絡和服務器依賴。[2]這種創(chuàng)新型架構(gòu)能夠很好的克服虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)VDI模式下產(chǎn)生的很多問題。在實際操作中由于服務器亦不需要傳統(tǒng)模式下過多的運算量，可以直接利用虛擬終端資源運行操作系統(tǒng)，來減少數(shù)據(jù)中心較重的負荷。

(一)基于VOI架構(gòu)桌面云與VDI架構(gòu)的異同

1.對于高校教室多媒體教師機配置差異大的情況

云桌面在服務器上統(tǒng)一制作滿足教學要求的鏡像，然后分發(fā)給各個終端，VDI架構(gòu)由于使用的虛擬機，不存在配置差異大導致的兼容性問題。而VOI架構(gòu)，逐漸已經(jīng)發(fā)展出了適應與異構(gòu)機型的方案，如自動學習模式，可以在學習各機型的硬件配置后，各桌面各自加載需要的驅(qū)動，達到一個鏡像適配多種機型的目的。

2.多媒體教師機硬件外設多的現(xiàn)狀

VDI架構(gòu)桌面是服務器上的虛擬機，虛擬機對各種硬件外設的支持要通過一個透傳的過程，難免遇到兼容性的問題，兼容性問題無疑會增加更多的維護和管理的成本，與高校教師的訴求不符。與PC機相似，VOI架構(gòu)桌面是直接運行在終端上的，具備相對優(yōu)化的外設兼容性。

(二)基于VOI架構(gòu)桌面云的優(yōu)勢及其局限性

由服務器來管理操作系統(tǒng)鏡像，并下發(fā)給終端，操作系統(tǒng)運行于終端本地硬件上。計算任務完全由終端承擔，服務器只負責鏡像管理、鏡像上傳下載、以及終端的管理工作(VOI省掉了本地虛擬化，操作系統(tǒng)直接工作在硬件上)，基于VOI架構(gòu)的桌面云優(yōu)勢細則整理如下(如表1)。

表1 VOI架構(gòu)下的桌面云優(yōu)勢

高校多媒體教室的管理在基于VOI架構(gòu)云平臺的環(huán)境下，存在著諸多優(yōu)勢。首先，解決了傳統(tǒng)多媒體教室繁冗的運維管理工作，在多媒體教室的管理過程中，可以一鍵安裝大部分相應組件，從而使高校多媒體教學環(huán)境運維管理環(huán)節(jié)變得更智能化、高效化。教師機的操作平臺能夠通過系統(tǒng)鏡像集中部署和分發(fā)桌面云，具備便捷性。管理人員的遠程管理有效縮短了傳統(tǒng)教室管理中的故障排查時間以提升系統(tǒng)維修效率。實時監(jiān)測的性能亦能夠?qū)崿F(xiàn)，可以即時即刻監(jiān)控到多媒體教室桌面云系統(tǒng)的使用狀況和故障問題。桌面云系統(tǒng)的創(chuàng)新型技術(shù)可兼容不同種類不同配置的異構(gòu)終端系統(tǒng)，對異構(gòu)終端能夠?qū)嵤┘械呐挪楹凸芾恚媒y(tǒng)一的操作系統(tǒng)鏡像來配適各種不同類型的計算機，對全部終端的更新和維護可以通過更新虛擬鏡像系統(tǒng)來實現(xiàn)，也可以對系統(tǒng)進行批量部署。運維人員對其中一臺計算機進行安裝應用或是更新操作系統(tǒng)的操作就能實現(xiàn)全部終端桌面環(huán)境的改變，在無需中斷教學的前提下可以只更新磁盤差異的數(shù)據(jù)，減免了不必要的操作。桌面云系統(tǒng)通過客戶端資源，將所有桌面環(huán)境制作成模板鏡像上傳至主服務器上，部署到一個虛擬磁盤中，從而實現(xiàn)集中管理并部署，同一分發(fā)和收回。每個虛擬磁盤都包含一個桌面環(huán)境，多臺客戶端可以同時使用一個桌面環(huán)境的虛擬磁盤。與此同時，主服務器能夠交付也可以收回客戶端所提供的桌面環(huán)境的服務。在數(shù)據(jù)更新方面可以實現(xiàn)桌面環(huán)境的隨時更新并且不會中斷或影響教學過程。

其次，云平臺的安全性能有所保障，關(guān)于涉及到移動存儲設備的管理中，創(chuàng)新型加密通道的投入使用實現(xiàn)了客戶機與服務器之間數(shù)據(jù)的安全傳輸，安全管控能夠有效實行。在網(wǎng)絡狀況不佳甚至是斷網(wǎng)情況下的離線技術(shù)有可持續(xù)性，在教學過程中即使出現(xiàn)網(wǎng)絡故障也同樣可以操作部分界面。

再次，基于VOI架構(gòu)下的桌面云的使用過程和操作方法是靈活易掌控的，可以按用戶需求調(diào)整功能配置。在無需重啟系統(tǒng)的情況下，多個設備操作系統(tǒng)可以通過同一管理帳號的自由切換，從而實現(xiàn)桌面漫游，多個管理賬號也可以在同一終端設備上切換登錄并且桌面互不干擾。

但從各項指標對比，也可發(fā)現(xiàn)VOI架構(gòu)下存在的局限性。首先，VOI架構(gòu)需要安裝多個鏡像模板，鏡像的容量變大，上傳和下發(fā)時會占用更多的傳輸時間和帶寬，部署比較耗時。其次，因為它使用前端計算，所以對于客戶機的硬件配置要求較高，客戶機必須支持X86的設備。再次，VOI架構(gòu)在廣域網(wǎng)的環(huán)境下無法實現(xiàn)桌面漫游，必須搭配其他方式，比如，可以將數(shù)據(jù)全部存儲在網(wǎng)盤上，然后讓網(wǎng)盤跟隨系統(tǒng)，所有的個性化數(shù)據(jù)通過網(wǎng)盤的方式來傳輸。

表2 VOI架構(gòu)下的局限性

四、基于VOI架構(gòu)桌面云的實際應用

(一)桌面云管理

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

現(xiàn)階段傳統(tǒng)應用PC的多媒體教室逐漸被更智能化的桌面云系統(tǒng)所替代。在系統(tǒng)運行中，桌面可以在同步用戶數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，幫助教師隨時隨地進行科研、教學及備課等工作。如果網(wǎng)絡出現(xiàn)問題，也可以直接打開終端的本地桌面緩存數(shù)據(jù)，這樣不僅能保障實踐教學的連續(xù)性，而且可以提升整體教學水平。[3]

對傳統(tǒng)的多媒體教室進行改建，讓現(xiàn)行的云計算統(tǒng)一的管理模式替換傳統(tǒng)PC，管理人員可直接利用WEB管理界面對分散的計算機系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。為了解決傳統(tǒng)模式下管理員環(huán)境部署難和管理難的問題可以采取批量建立新的終端環(huán)境的方式。運用VOI的技術(shù)，可以使得多媒體設備在云端部署和管理，遠端對終端的操作環(huán)境進行批量快速更新和克隆，自定義對終端切換操作系統(tǒng)等操作。為規(guī)范教學環(huán)境并提高教學質(zhì)量采取VOI的技術(shù)和桌面行為管控的技術(shù)有效相融合的方式。

VOI架構(gòu)下的桌面云在構(gòu)建新型的云教室的過程中，采用的是集中管理，分布式運算的方法。服務器一方面負責系統(tǒng)鏡像的管理操作工作并下發(fā)給終端，由終端來進行數(shù)據(jù)計算，另一方面負責鏡像文件的輸入輸出和管理終端數(shù)據(jù)。[4]采用VOI模式的多媒體教室終端將徹底虛擬化的系統(tǒng)鏡像統(tǒng)一加載到教師機的操作桌面上，這樣的管理模式具備更強的穩(wěn)定性，可拓展性和兼容性。避免斷網(wǎng)對上課造成的影響，操作系統(tǒng)直接通過硬件運行，減去了本地虛擬化這個步驟。支持單系統(tǒng)多頻道，相同操作系統(tǒng)下只存儲不同的軟件，可提高電腦運行速度及性能。

創(chuàng)新型桌面云的虛擬終端技術(shù)操作系統(tǒng)即VOI在集中管理多媒體教室終端系統(tǒng)鏡像的過程中，通過操作系統(tǒng)和軟件應用的虛擬化把鏡像用數(shù)據(jù)流的形式定時按需分發(fā)到分散的多媒體教室里的主機中。它可以針對不同課程制定不同的系統(tǒng)鏡像，分門別類以適應各學院教師各類課程的應用系統(tǒng)要求，有效避免了傳統(tǒng)系統(tǒng)模式在穩(wěn)定性和使用率上產(chǎn)生的問題。[5]教師在操作云桌面系統(tǒng)的過程中，其操作方式與傳統(tǒng)PC機的操作方式并無差異，不會給教師的具體使用上帶來明顯的差異，從而可以實現(xiàn)從傳統(tǒng)PC到VOI架構(gòu)下的桌面云升級中的平穩(wěn)過渡。

對于高校多媒體教室鏡像系統(tǒng)的部署和管理工作可以批量集中地進行，也可以按照獨立教室進行單獨管理。在運維過程中如果采用統(tǒng)一部署集中管理的方法，工作效率和維護速度會更高，終端能夠利用統(tǒng)一的虛擬鏡像配適整塊區(qū)域的系統(tǒng)。如果環(huán)境設定在多媒體計算機房，也可以采用云教室終端的單獨管理，單個教室進行單獨部署，由教師機下發(fā)至學生用機。這種模式對校園網(wǎng)絡的依賴性更低，不會受到網(wǎng)絡安全性的影響。[6]

把B/S架構(gòu)應用到集中遠程管理的進程中，運維人員可以遠程通過手機或平板等多種設備登錄WEB界面對教室服務器、計算機操作系統(tǒng)、應用配置等便捷有效的進行方案部署并集中管理，交互界面易操作易掌握。也可在手機上安裝應用管理軟件以查看多媒體教室使用情況和在線終端數(shù)量并對終端進行單獨操作或者統(tǒng)一管理。對于各種復雜的網(wǎng)絡環(huán)境例如跨VLAN，跨網(wǎng)段等，所有操作管理同局域網(wǎng)內(nèi)操作一致，并且能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡同傳與硬盤保護。操作系統(tǒng)管理和系統(tǒng)安全防護的實現(xiàn)使得網(wǎng)絡教學環(huán)境井然有序，操作系統(tǒng)的安全性也有了保障。

(二)鏡像下發(fā)

VOI具備P2P和廣播等多種下發(fā)方式，由于多媒體教室的終端分散、網(wǎng)絡復雜，P2P的方式更加適合高校整體環(huán)境。

假定鏡像服務器的網(wǎng)絡帶寬為N，終端的數(shù)量為M，需同時下載的鏡像的大小為P，由此可以從一個公式計算出在理想情況下需要花費的時間T應為：

T=P/(N/M)可以得出如下結(jié)論：

1.當點數(shù)規(guī)模較大時，下載數(shù)據(jù)耗時非常長；

2.將鏡像服務器網(wǎng)絡帶寬擴充到萬兆，能有效降低下載耗時，但隨著規(guī)模增加，還是會存在明顯的瓶頸，且成本較高；

3.使用P2P方式進行下載，使多個計算節(jié)點同時下載同一鏡像的過程中，鏡像服務器不會成為瓶頸。

為了實現(xiàn)不依賴網(wǎng)絡使用桌面，需要將鏡像緩存到終端，當大量終端同時做緩存時，緩存速度就成了影響體驗的關(guān)鍵因素。另外還要考慮緩存過程中占用網(wǎng)絡帶寬后對其他桌面正常使用是否會造成影響。P2P與廣播混合鏡像分發(fā)技術(shù)可以有效解決實際問題。

P2P是一種點對點的傳輸技術(shù)，利用該技術(shù)可以使得所有終端在傳輸網(wǎng)絡中處于平等地位，每一個終端都將為其他終端提供數(shù)據(jù)傳輸，以保證傳輸效率的最大化。

從實際應用的角度分析，基于VOI架構(gòu)下的桌面云，具有更符合高校多媒體教學環(huán)境和教學需求的適應性和實用性，深入解決了集中管控以及加密存儲數(shù)據(jù)等安全性能方面的問題。一方面對網(wǎng)絡依賴性極大的降低了，另一方面在服務器脫離的狀態(tài)下也能實現(xiàn)正常運行，使得VOI模式的可拓展性得到了提高，擁有了更好的教學使用體驗。[7]

圖2 P2P體系結(jié)構(gòu)圖

這種基于VOI模式下的創(chuàng)新型桌面云虛擬終端管理模式，是通過操作系統(tǒng)集中管理、分布式運算的方式實現(xiàn)的。集中智能化地部署和維護分散的異構(gòu)終端，在運維人員沒有到場的情況下，系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和更新也能通過遠程操作得以完成。[8]桌面云在網(wǎng)絡不穩(wěn)定、外設多、在線考試或PC利舊等相對復雜的場景下都能發(fā)揮較好的性能優(yōu)勢。它使得終端可以實現(xiàn)精確的、可細化到分鐘數(shù)的定時開關(guān)機任務，并且可使設備聯(lián)動關(guān)機的操作集中完成。

五、結(jié)論

通過上述分析，面對日新月異的網(wǎng)絡信息技術(shù)的發(fā)展，在高校教學環(huán)境中，虛擬化終端管理技術(shù)的應用，為高?，F(xiàn)代技術(shù)教育的發(fā)展拓展了新的方向?；赩OI模式的桌面云，在客戶端操作系統(tǒng)的部署管理工作上能夠有效的進行，對教學應用資源按需分配的操作使得資源利用變得更加合理化和有效化。也能夠改善運維管理傳統(tǒng)的模式，提高了運維工作效率，并減小了操作難度。從而使得高校多媒體教室能在智能化的環(huán)境中更好地為教學活動的開展起到支撐和促進的作用，為教師的教學過程提供更穩(wěn)定且便捷的服務，使得高校智慧化教學環(huán)境的建設也更近了一步。