云桌面下的计算机机房建设模式研究
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高校是为社会提供高质量人才的场所，高校教学管理工作的水平，对于学生、院校的发展以及经济社会的进步均具有积极意义。尽快构建能够匹配现代化教育的信息化体系，合理地将网络教与学环境进行融合，确保教学、科研、服务功能发挥其实际价值，是高校教育现代化的有效路径。为此，现代高校中计算机机房的建设也受到关注，尤其是近年来随着各项信息化技术的不断进步，促使计算机机房的建设也在向更多方向发展。教育信息化经过多年的飞速发展，高校数字化校园的建设日趋完善，大部分学校已实现了数字化教学大楼、校园网办公、网络学习平台等建设工作，构建了以现代化教学环境作为标志的校园信息基础平台，保障各高校之间跨区教学工作的开展。但计算机机房的变化是近10年教育信息化过程中变化最小的，仍然是以各类型号的个人计算机为主，不仅无法支撑跨区教学任务的开展，而且，随着计算机机房规模的增长，对于管理也带来很大挑战。而通过调研，发现云桌面是一种可以很好解决上述跨区教育和管理问题的架构，所以本文将主要分析基于云桌面的计算机机房与基于个人计算机的机房，在资源弹性、管理效率方面的优势。
一、云计算与云桌面简述
1.云计算技术
云计算可以视为一种基于互联网的应用服务，用户所需要的应用无须运行在自己的计算机上，只需要通过浏览器或其他非常方便地访问方式即可使用位于外部环境中的应用程序[1]。那么对于高校师生来讲，教师、学生所需要的教学或实训应用无须运行在自己的计算机上，只需要通过调用浏览器或其他访问方式，在任何地点都可以访问所需要的应用程序。这种方式可以忽略每个用户计算机性能、操作系统、使用地点的差异，可以很大程度提升教与学的效率。
2.云桌面
云桌面（VDI）即虚拟桌面基础架构，英文全称VirtualDesktopInfrastructure，是云计算的一个重要分支，基本理念与云计算相同，但云桌面向用户交付的不仅仅是应用程序，而是整个操作系统。其基本原理是通过虚拟化技术，在服务器集群上生成若干个虚拟桌面，利用远程桌面传输协议，通过互联网将服务器集群上的这些虚拟桌面交付到终端设备供用户使用。用户无须在本地安装和运行操作系统及应用程序，只需要通过互联网即可直接调用位于远端的操作系统和应用程序，这种架构可以完全忽略用户本机的软硬件差异，并且用户可以在任意地点、任意时间来访问桌面进行工作或学习，打破了以往以设备为中心的桌面使用方式，转变为以人为中心的桌面使用方式。
3.云计算与云桌面应用现状
以目前实际情况来看，云计算共有三大类应用模式，即云计算基础架构及服务、云计算软件及服务、云计算平台及服务。云计算的应用范围相对比较广泛，最典型的是在云存储、云安全以及云桌面中的应用，此外云计算在现代交通管理、企业信息化建设、医疗、金融以及高校教学等方面也有广泛应用。而云桌面这种新型的桌面技术，把以往的个人电脑桌面中的存储和计算的功能都转交给服务器处理，然后把使用者所需要的信息反馈给使用者，这样使用者本地的桌面可以得到极大程度的简便。在服务器中对应每一个使用者有一个虚拟的桌面系统。这样的云桌面技术保障了使用者信息资源数据的安全完整，极大地减轻了本地使用者和维护者的工作负担，并达到了环境保护的效果。
二、国内高校计算机机房建设存在的问题
1.硬件与软件之间不匹配
现代高校计算机实验室中，比较常见的问题是计算机硬件设备较为陈旧，有的应用时间达到了10年[2]。一些版本较新的软件与操作系统无法在之前的计算机硬件系统中安装。摩尔定律认为硬件性能每18个月将增加一倍，成本下降一半[3]。虽然近年来摩尔定律有逐渐失效的趋势，但是过去10年中，计算机硬件的性能至少已经增加了几倍。相应的，为了使应用程序更好地实现交互和体验，以及集中研发精力的实际需求，通常只会基于近3年的硬件进行开发和适配，因而导致这些应用对资源的消耗，已远远超过5年前主流计算机的性能，使得这类终端应用运行体验很差甚至无法运行。另外，除硬件设备陈旧外，Intel自KabyLake架构（第七代酷睿）、AMD自Zen架构处理器开始，仅支持使用Windows10操作系统，但学校仍然有很多教材和考试使用的程序仍然基于Windows7，造成这部分教材和考试无法在某些新采购的机器上运行，极大地影响了计算机相关课程的开展。为此，学校方面应该适当增加对于计算机机房建设的资金投入[4]，采用更加灵活、更加弹性的方案来进行计算机机房的建设。
2.更新与维护工作量大
现代各高校计算机机房已经成为多门课程教学活动开展的主要场所，计算机机房的使用频率较高[5]。如果要保证高频率使用的稳定，需要定期对设备进行维护。另外，为迎合教学活动的需求，计算机机房内部的课程软件以及相关技术都需要做到经常性的更新，而定期维护与软件硬件的升级等问题也相应需要有专业人员管理，随着学校计算机机房的规模越来越大，承担的课程越来越多，在设备管理上的成本投入也越来越高。
3.资源共享与利用率不足
信息化时代下，资源的共享对于各行业的发展均具有促进作用，而这一点在高校发展中也至关重要[6]。各高校近年来普遍实现了信息化建设，包括教育系统与学生管理系统等，在日常授课中也均在逐步推进信息化技术的应用。但不同专业、不同用途的机房中计算机的性能与所安装的软件存在差异[7]。此种情况下仅仅能够在特定的时段中为特定学生与教师提供所需服务，极大地影响了机房资源共享程度以及资源的使用效率。另外，在具体应用过程中，学生与教师无法结合自身需求完成各项定制操作，仅仅能够在有限时间完成简单课程任务，此种情况也限制了相关资源的利用率。
4.安全隐患较大
在互联网环境中，存在着众多安全隐患，包括信息丢失、恶意信息入侵等，高校的信息化建设以及实践应用中还需要加强对安全问题的关注[8]。在高校计算机机房中，基于学生所用资料的接收与存放多会通过U盘进行，而U盘应用期间可能会将某种病毒带入到计算机网络中，致使网络瘫痪，影响相关课程或学习任务的进行[9]。同时，在现有计算机机房的架构下，大量的个人计算机分散在学校各个不同的计算机机房中，大规模安全防护软件的更新、网络危害的处理，所耗费的人力和精力已经远远超出了大多数高校机房管理部门的能力。在此种情况下，如不能及时处理网络危害，将会导致计算机机房建设及应用面临着诸多潜在风险。
三、基于云桌面的计算机机房建设优势
1.教学环境具备个性化特征
教育云桌面在虚拟系统环境下，能够结合个性化需求提供相应的教学环境。教师与学生借助网络平台登录云桌面，参考学习任务与教学方式等选择适合的教学环境，便于教学活动的开展。同时，云桌面还能够提供远程教学服务，教师在任何地方均能够登录云桌面。可随时将预先设计好的教学课件与相应资料上传到云平台，并应用云桌面，完成对教学课件内容的讲解。
2.可实现资源使用率与共享率的提升
教育云桌面经由虚拟技术完成多服务器的创建，能够同步创建多个不同操作系统、不同应用的桌面场景，迎合学生与教师在教学活动中的需求。在计算机机房教学期间，计算机课程与其他课程内容存在着一定差异，传统计算机需要参考此种差异实现区域划分。但云桌面的应用不必要进行区域划分，可直接结合具体需求构建起适合的桌面场景，便于满足教学实践需求。另外，还能够促使计算机机房得到充分利用。云桌面也可满足远程办公的需求，教师能够经由网络传输在云桌面上为校外学生提供教学服务，促使资源利用率得到进一步提升。
3.投入应用所需成本不高而便捷性较高
教育云桌面计算机机房与以往计算机机房进行对比，其建设初期所需要投入的成本并未存在显著差异。但在后期应用中，传统计算机机房需要对软硬件进行不断的升级与更新，同时还需要定期对其进行维护，此环节需要投入较高成本。但教育云桌面由于用户所使用的操作系统的应用程序运行在云端，与本地个人计算机完全无关，因此本地个人计算机基本无须进行维护和升级，并且由于运行环境完全在服务器上，本地个人计算机不存在硬件升级这一环节，仅仅需要追加服务器与存储空间等便能够提升云桌面的性能。无须淘汰任何硬件，可以最大限度地保护已有投资。
4.有助于提升应用安全性与经济性
教育云桌面所提供的是虚拟教学环境，本地终端仅仅负责显示及输入与输出，操作系统、应用安装与数据的传输及存储等全部在云端服务器上执行。云桌面的操作系统是置于数据中心的，安全级别相比原有分散的个人计算机更高。并且，如果需要对操作系统更新安全补丁，仅需在数据中心对操作系统镜像进行一次安装，所有用户的桌面都可以得到对应的补丁升级。此种操作模式能够有效控制传统计算机可能出现的木马与病毒攻击风险，进一步提升系统安全性。在经济性方面，教育云桌面的单个桌面投入成本与单台个人计算机投入基本相同，但教育云桌面的所有资源都可以按需调度，可以大大提高资源的共享率，减少总体设备数量，从而降低整体采购成本。另外，教育云桌面由于分散的终端设备中不存储数据，所以使用中仅需对运行在数据中心的桌面和应用进行集中维护，而末端设备几乎免维护，可以大幅降低设备的后续维护成本。
四、基于云桌面的高校计算机机房建设
1.云桌面的架构设计
云桌面底层的核心架构是将用户桌面环境和系统运行环境分离，把用户的数据和应用都统一放在后端服务器之上，在服务器上生成若干个虚拟桌面，每一个虚拟桌面都具备相对独立的硬件资源、操作系统和应用环境，这时，用户可以使用云终端设备通过互联网来访问自己独立的虚拟桌面。单个用户的桌面请求交互逻辑如图1所示。
2.基于云桌面的机房整体架构
（1）云桌面的机房整体逻辑架构。机房整体逻辑架构如图2所示。采用云桌面架构将原有各个单体的计算机机房进行整合，将原有各个机房所需要使用的操作系统、应用全部集中到后端数据中心的云平台之上，各个机房终端通过互联网访问位于后端数据中心的操作系统和应用。师生可以根据需求在后端数据中心的云桌面平台上申请自身所需的硬件资源，并部署操作系统和应用，形成自身专属的桌面环境，有需要时在任意一个机房或其他地点均可访问所需的桌面环境，从而使所有计算机机房都具备满足所有专业、所有课程教学实训能力的多功能计算机机房。（2）云桌面的机房实现框架。教育云桌面结合虚拟化技术构建适合高校师生应用的计算机管理平台，在运行模式与教学需求等层面迎合需求，有助于培养学生良好的学习习惯。云桌面设计中，虚拟桌面应用多个用户端对网络服务器中的虚拟机进行访问。具体为，多个用户端具有独立桌面体验，能够在任何时候对虚拟机内安装软件与上传数据。在存储功能设计中，将云桌面的软件与数据集中存储到云存储空间，避免服务器出现问题而限制用户的访问。应用云桌面后，仅仅需要一个客户端设备，借助于专用程序或浏览器，便能够访问停留在服务器端的个人桌面与多种应用，效果与传统的个人电脑不存在明显差异，技术实现框架如图3所示。
3.基于云桌面的高校计算机机房建设效果
（1）集中管理降低维护量。利用云桌面技术对机房进行管理后，实现机房内所有设备的集中管理，给机房管理人员日常维护和管理带来极大的便利。传统的机房管理模式需要管理人员对每个机房的操作系统及教学软件进行安装和调试。受时间和空间的限制，特别是在机房的日常使用中，给机房的管理和维护带来了较大的困难。使用云桌面后，机房只需要通过管理平台对办公中的所有计算机进行管理和维护，并在背景中更新所有操作，不影响前端用户的使用，可以在任何地方使用任意智能设备来执行这一操作，更新时间10min(以60个桌面为例)。利用统一的管理部署和监控平台，可以支持任何智能设备登录管理和监控平台，能够监测硬件设备使用率和Mac地址故障原因，可以进行数据统计，业务扩展可以在短时间内提供所需的信息。（2）节能环保，减少成本。云桌面技术可以实现所有终端设备的集中管理，计算机机房可以坐在办公室里，使用自己的个人电脑或移动终端设备远程访问服务器，并在服务器上相关操作。机房环境的安装和部署以及大多数云桌面采用瘦客户端+服务器模式，满足学校使用计算机系统的需求，可以大大降低学校维护成本，减少维护人员数量。在云桌面中部署机房后，由于客户端不易损坏、长寿命和低能耗，购买成本远低于传统PC机，高校可以通过定期升级服务器配置，提高机房的整体性能，大大节约了学校的投资成本。对比传统电脑，基于云桌面的客户端能耗具有显著优势（表1）。（3）保障数据安全。由于在机房中使用云桌面技术，所有操作系统以及机房的数据都在服务器中，而服务器一般都放置在网络中心等环境要求较高的专业环境中，数据和网络安全性较高，预防措施更好，系统不易被侵袭，数据不易被改变。云前端客户端能够快速连接服务器，执行相关操作，受机房环境影响较小，在很大程度上保证了数据的安全。利用云桌面技术，使机房管理人员能够快速、便捷地部署房间环境，并根据不同课程在不同时间点的需求来满足课堂的个性化需求，为教师的教学提供了极大的便利，激发了教师的积极性，为提高学校整体教学质量带来了一定的帮助。对于学生来说，学生根据自己的专业背景和实验环境来定制学习环境，极大地激发了学生的学习积极性和学习兴趣。
五、结论
随着5G、AIoT、人工智能等信息经济的进一步发展，社会的所有参与者对算力的需求仍然会成倍增加。而目前各大高校的计算中心根本无法满足这么大幅度增长的算力需求，所以大多数高校的实训平台、计算平台均未完全向所有师生开放，但很多师生对算力的需求是客观存在的，这部分需求如果想要全部满足，各大高校需要投入巨大的成本建设大量的计算中心。而另一方面，随着个人电脑的普及，原有固定计算机机房的价值将越来越低，但短时间内暂时又无法完全改变现有单机实训教学的模式，所以如果采用云桌面来承载目前各个专业实训任务的同时，云桌面本身的资源也是高校计算平台的一部分。采用这种架构可以明显地提升算力资源的利用率，从而降低成本。
参考文献：
[1]杨正洪，周发武.云计算和物联网[M].北京：清华大学出版社，2011：2-3.
[2]马立荣，何鑫.探究云桌面技术的公共机房资源的共享整合—以陕西能源职业技术学院为例[J].信息与电脑(理论版)，2019(15)：18-19.
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[7]张皓瑜，王莉.基于KVM技术的桌面云计算模式在高校应用与研究[J].网络安全技术与应用，2019，9（2）：42-43.
[8]倪学平.虚拟技术+云桌面技术在计算机公共机房中的应用探究[J].电脑编程技巧与维护，2018，7（11）：167-169.
作者：刘全 黄维平 单位：中国地质大学
