云桌面下的計算機機房建設(shè)模式研究

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關(guān)鍵詞：云桌面；高校；計算機機房；建設(shè)模式

高校是為社會提供高質(zhì)量人才的場所，高校教學(xué)管理工作的水平，對于學(xué)生、院校的發(fā)展以及經(jīng)濟社會的進步均具有積極意義。盡快構(gòu)建能夠匹配現(xiàn)代化教育的信息化體系，合理地將網(wǎng)絡(luò)教與學(xué)環(huán)境進行融合，確保教學(xué)、科研、服務(wù)功能發(fā)揮其實際價值，是高校教育現(xiàn)代化的有效路徑。為此，現(xiàn)代高校中計算機機房的建設(shè)也受到關(guān)注，尤其是近年來隨著各項信息化技術(shù)的不斷進步，促使計算機機房的建設(shè)也在向更多方向發(fā)展。教育信息化經(jīng)過多年的飛速發(fā)展，高校數(shù)字化校園的建設(shè)日趨完善，大部分學(xué)校已實現(xiàn)了數(shù)字化教學(xué)大樓、校園網(wǎng)辦公、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺等建設(shè)工作，構(gòu)建了以現(xiàn)代化教學(xué)環(huán)境作為標志的校園信息基礎(chǔ)平臺，保障各高校之間跨區(qū)教學(xué)工作的開展。但計算機機房的變化是近10年教育信息化過程中變化最小的，仍然是以各類型號的個人計算機為主，不僅無法支撐跨區(qū)教學(xué)任務(wù)的開展，而且，隨著計算機機房規(guī)模的增長，對于管理也帶來很大挑戰(zhàn)。而通過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)云桌面是一種可以很好解決上述跨區(qū)教育和管理問題的架構(gòu)，所以本文將主要分析基于云桌面的計算機機房與基于個人計算機的機房，在資源彈性、管理效率方面的優(yōu)勢。

一、云計算與云桌面簡述

1.云計算技術(shù)

云計算可以視為一種基于互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用服務(wù)，用戶所需要的應(yīng)用無須運行在自己的計算機上，只需要通過瀏覽器或其他非常方便地訪問方式即可使用位于外部環(huán)境中的應(yīng)用程序[1]。那么對于高校師生來講，教師、學(xué)生所需要的教學(xué)或?qū)嵱?xùn)應(yīng)用無須運行在自己的計算機上，只需要通過調(diào)用瀏覽器或其他訪問方式，在任何地點都可以訪問所需要的應(yīng)用程序。這種方式可以忽略每個用戶計算機性能、操作系統(tǒng)、使用地點的差異，可以很大程度提升教與學(xué)的效率。

2.云桌面

云桌面（VDI）即虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)，英文全稱VirtualDesktopInfrastructure，是云計算的一個重要分支，基本理念與云計算相同，但云桌面向用戶交付的不僅僅是應(yīng)用程序，而是整個操作系統(tǒng)。其基本原理是通過虛擬化技術(shù)，在服務(wù)器集群上生成若干個虛擬桌面，利用遠程桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議，通過互聯(lián)網(wǎng)將服務(wù)器集群上的這些虛擬桌面交付到終端設(shè)備供用戶使用。用戶無須在本地安裝和運行操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序，只需要通過互聯(lián)網(wǎng)即可直接調(diào)用位于遠端的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，這種架構(gòu)可以完全忽略用戶本機的軟硬件差異，并且用戶可以在任意地點、任意時間來訪問桌面進行工作或?qū)W習(xí)，打破了以往以設(shè)備為中心的桌面使用方式，轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀藶橹行牡淖烂媸褂梅绞健?/p>

3.云計算與云桌面應(yīng)用現(xiàn)狀

以目前實際情況來看，云計算共有三大類應(yīng)用模式，即云計算基礎(chǔ)架構(gòu)及服務(wù)、云計算軟件及服務(wù)、云計算平臺及服務(wù)。云計算的應(yīng)用范圍相對比較廣泛，最典型的是在云存儲、云安全以及云桌面中的應(yīng)用，此外云計算在現(xiàn)代交通管理、企業(yè)信息化建設(shè)、醫(yī)療、金融以及高校教學(xué)等方面也有廣泛應(yīng)用。而云桌面這種新型的桌面技術(shù)，把以往的個人電腦桌面中的存儲和計算的功能都轉(zhuǎn)交給服務(wù)器處理，然后把使用者所需要的信息反饋給使用者，這樣使用者本地的桌面可以得到極大程度的簡便。在服務(wù)器中對應(yīng)每一個使用者有一個虛擬的桌面系統(tǒng)。這樣的云桌面技術(shù)保障了使用者信息資源數(shù)據(jù)的安全完整，極大地減輕了本地使用者和維護者的工作負擔(dān)，并達到了環(huán)境保護的效果。

二、國內(nèi)高校計算機機房建設(shè)存在的問題

1.硬件與軟件之間不匹配

現(xiàn)代高校計算機實驗室中，比較常見的問題是計算機硬件設(shè)備較為陳舊，有的應(yīng)用時間達到了10年[2]。一些版本較新的軟件與操作系統(tǒng)無法在之前的計算機硬件系統(tǒng)中安裝。摩爾定律認為硬件性能每18個月將增加一倍，成本下降一半[3]。雖然近年來摩爾定律有逐漸失效的趨勢，但是過去10年中，計算機硬件的性能至少已經(jīng)增加了幾倍。相應(yīng)的，為了使應(yīng)用程序更好地實現(xiàn)交互和體驗，以及集中研發(fā)精力的實際需求，通常只會基于近3年的硬件進行開發(fā)和適配，因而導(dǎo)致這些應(yīng)用對資源的消耗，已遠遠超過5年前主流計算機的性能，使得這類終端應(yīng)用運行體驗很差甚至無法運行。另外，除硬件設(shè)備陳舊外，Intel自KabyLake架構(gòu)（第七代酷睿）、AMD自Zen架構(gòu)處理器開始，僅支持使用Windows10操作系統(tǒng)，但學(xué)校仍然有很多教材和考試使用的程序仍然基于Windows7，造成這部分教材和考試無法在某些新采購的機器上運行，極大地影響了計算機相關(guān)課程的開展。為此，學(xué)校方面應(yīng)該適當增加對于計算機機房建設(shè)的資金投入[4]，采用更加靈活、更加彈性的方案來進行計算機機房的建設(shè)。

2.更新與維護工作量大

現(xiàn)代各高校計算機機房已經(jīng)成為多門課程教學(xué)活動開展的主要場所，計算機機房的使用頻率較高[5]。如果要保證高頻率使用的穩(wěn)定，需要定期對設(shè)備進行維護。另外，為迎合教學(xué)活動的需求，計算機機房內(nèi)部的課程軟件以及相關(guān)技術(shù)都需要做到經(jīng)常性的更新，而定期維護與軟件硬件的升級等問題也相應(yīng)需要有專業(yè)人員管理，隨著學(xué)校計算機機房的規(guī)模越來越大，承擔(dān)的課程越來越多，在設(shè)備管理上的成本投入也越來越高。

3.資源共享與利用率不足

信息化時代下，資源的共享對于各行業(yè)的發(fā)展均具有促進作用，而這一點在高校發(fā)展中也至關(guān)重要[6]。各高校近年來普遍實現(xiàn)了信息化建設(shè)，包括教育系統(tǒng)與學(xué)生管理系統(tǒng)等，在日常授課中也均在逐步推進信息化技術(shù)的應(yīng)用。但不同專業(yè)、不同用途的機房中計算機的性能與所安裝的軟件存在差異[7]。此種情況下僅僅能夠在特定的時段中為特定學(xué)生與教師提供所需服務(wù)，極大地影響了機房資源共享程度以及資源的使用效率。另外，在具體應(yīng)用過程中，學(xué)生與教師無法結(jié)合自身需求完成各項定制操作，僅僅能夠在有限時間完成簡單課程任務(wù)，此種情況也限制了相關(guān)資源的利用率。

4.安全隱患較大

在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，存在著眾多安全隱患，包括信息丟失、惡意信息入侵等，高校的信息化建設(shè)以及實踐應(yīng)用中還需要加強對安全問題的關(guān)注[8]。在高校計算機機房中，基于學(xué)生所用資料的接收與存放多會通過U盤進行，而U盤應(yīng)用期間可能會將某種病毒帶入到計算機網(wǎng)絡(luò)中，致使網(wǎng)絡(luò)癱瘓，影響相關(guān)課程或?qū)W習(xí)任務(wù)的進行[9]。同時，在現(xiàn)有計算機機房的架構(gòu)下，大量的個人計算機分散在學(xué)校各個不同的計算機機房中，大規(guī)模安全防護軟件的更新、網(wǎng)絡(luò)危害的處理，所耗費的人力和精力已經(jīng)遠遠超出了大多數(shù)高校機房管理部門的能力。在此種情況下，如不能及時處理網(wǎng)絡(luò)危害，將會導(dǎo)致計算機機房建設(shè)及應(yīng)用面臨著諸多潛在風(fēng)險。

三、基于云桌面的計算機機房建設(shè)優(yōu)勢

1.教學(xué)環(huán)境具備個性化特征

教育云桌面在虛擬系統(tǒng)環(huán)境下，能夠結(jié)合個性化需求提供相應(yīng)的教學(xué)環(huán)境。教師與學(xué)生借助網(wǎng)絡(luò)平臺登錄云桌面，參考學(xué)習(xí)任務(wù)與教學(xué)方式等選擇適合的教學(xué)環(huán)境，便于教學(xué)活動的開展。同時，云桌面還能夠提供遠程教學(xué)服務(wù)，教師在任何地方均能夠登錄云桌面?？呻S時將預(yù)先設(shè)計好的教學(xué)課件與相應(yīng)資料上傳到云平臺，并應(yīng)用云桌面，完成對教學(xué)課件內(nèi)容的講解。

2.可實現(xiàn)資源使用率與共享率的提升

教育云桌面經(jīng)由虛擬技術(shù)完成多服務(wù)器的創(chuàng)建，能夠同步創(chuàng)建多個不同操作系統(tǒng)、不同應(yīng)用的桌面場景，迎合學(xué)生與教師在教學(xué)活動中的需求。在計算機機房教學(xué)期間，計算機課程與其他課程內(nèi)容存在著一定差異，傳統(tǒng)計算機需要參考此種差異實現(xiàn)區(qū)域劃分。但云桌面的應(yīng)用不必要進行區(qū)域劃分，可直接結(jié)合具體需求構(gòu)建起適合的桌面場景，便于滿足教學(xué)實踐需求。另外，還能夠促使計算機機房得到充分利用。云桌面也可滿足遠程辦公的需求，教師能夠經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸在云桌面上為校外學(xué)生提供教學(xué)服務(wù)，促使資源利用率得到進一步提升。

3.投入應(yīng)用所需成本不高而便捷性較高

教育云桌面計算機機房與以往計算機機房進行對比，其建設(shè)初期所需要投入的成本并未存在顯著差異。但在后期應(yīng)用中，傳統(tǒng)計算機機房需要對軟硬件進行不斷的升級與更新，同時還需要定期對其進行維護，此環(huán)節(jié)需要投入較高成本。但教育云桌面由于用戶所使用的操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序運行在云端，與本地個人計算機完全無關(guān)，因此本地個人計算機基本無須進行維護和升級，并且由于運行環(huán)境完全在服務(wù)器上，本地個人計算機不存在硬件升級這一環(huán)節(jié)，僅僅需要追加服務(wù)器與存儲空間等便能夠提升云桌面的性能。無須淘汰任何硬件，可以最大限度地保護已有投資。

4.有助于提升應(yīng)用安全性與經(jīng)濟性

教育云桌面所提供的是虛擬教學(xué)環(huán)境，本地終端僅僅負責(zé)顯示及輸入與輸出，操作系統(tǒng)、應(yīng)用安裝與數(shù)據(jù)的傳輸及存儲等全部在云端服務(wù)器上執(zhí)行。云桌面的操作系統(tǒng)是置于數(shù)據(jù)中心的，安全級別相比原有分散的個人計算機更高。并且，如果需要對操作系統(tǒng)更新安全補丁，僅需在數(shù)據(jù)中心對操作系統(tǒng)鏡像進行一次安裝，所有用戶的桌面都可以得到對應(yīng)的補丁升級。此種操作模式能夠有效控制傳統(tǒng)計算機可能出現(xiàn)的木馬與病毒攻擊風(fēng)險，進一步提升系統(tǒng)安全性。在經(jīng)濟性方面，教育云桌面的單個桌面投入成本與單臺個人計算機投入基本相同，但教育云桌面的所有資源都可以按需調(diào)度，可以大大提高資源的共享率，減少總體設(shè)備數(shù)量，從而降低整體采購成本。另外，教育云桌面由于分散的終端設(shè)備中不存儲數(shù)據(jù)，所以使用中僅需對運行在數(shù)據(jù)中心的桌面和應(yīng)用進行集中維護，而末端設(shè)備幾乎免維護，可以大幅降低設(shè)備的后續(xù)維護成本。

四、基于云桌面的高校計算機機房建設(shè)

1.云桌面的架構(gòu)設(shè)計

云桌面底層的核心架構(gòu)是將用戶桌面環(huán)境和系統(tǒng)運行環(huán)境分離，把用戶的數(shù)據(jù)和應(yīng)用都統(tǒng)一放在后端服務(wù)器之上，在服務(wù)器上生成若干個虛擬桌面，每一個虛擬桌面都具備相對獨立的硬件資源、操作系統(tǒng)和應(yīng)用環(huán)境，這時，用戶可以使用云終端設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)來訪問自己獨立的虛擬桌面。單個用戶的桌面請求交互邏輯如圖1所示。

2.基于云桌面的機房整體架構(gòu)

（1）云桌面的機房整體邏輯架構(gòu)。機房整體邏輯架構(gòu)如圖2所示。采用云桌面架構(gòu)將原有各個單體的計算機機房進行整合，將原有各個機房所需要使用的操作系統(tǒng)、應(yīng)用全部集中到后端數(shù)據(jù)中心的云平臺之上，各個機房終端通過互聯(lián)網(wǎng)訪問位于后端數(shù)據(jù)中心的操作系統(tǒng)和應(yīng)用。師生可以根據(jù)需求在后端數(shù)據(jù)中心的云桌面平臺上申請自身所需的硬件資源，并部署操作系統(tǒng)和應(yīng)用，形成自身專屬的桌面環(huán)境，有需要時在任意一個機房或其他地點均可訪問所需的桌面環(huán)境，從而使所有計算機機房都具備滿足所有專業(yè)、所有課程教學(xué)實訓(xùn)能力的多功能計算機機房。（2）云桌面的機房實現(xiàn)框架。教育云桌面結(jié)合虛擬化技術(shù)構(gòu)建適合高校師生應(yīng)用的計算機管理平臺，在運行模式與教學(xué)需求等層面迎合需求，有助于培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。云桌面設(shè)計中，虛擬桌面應(yīng)用多個用戶端對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中的虛擬機進行訪問。具體為，多個用戶端具有獨立桌面體驗，能夠在任何時候?qū)μ摂M機內(nèi)安裝軟件與上傳數(shù)據(jù)。在存儲功能設(shè)計中，將云桌面的軟件與數(shù)據(jù)集中存儲到云存儲空間，避免服務(wù)器出現(xiàn)問題而限制用戶的訪問。應(yīng)用云桌面后，僅僅需要一個客戶端設(shè)備，借助于專用程序或瀏覽器，便能夠訪問停留在服務(wù)器端的個人桌面與多種應(yīng)用，效果與傳統(tǒng)的個人電腦不存在明顯差異，技術(shù)實現(xiàn)框架如圖3所示。

3.基于云桌面的高校計算機機房建設(shè)效果

（1）集中管理降低維護量。利用云桌面技術(shù)對機房進行管理后，實現(xiàn)機房內(nèi)所有設(shè)備的集中管理，給機房管理人員日常維護和管理帶來極大的便利。傳統(tǒng)的機房管理模式需要管理人員對每個機房的操作系統(tǒng)及教學(xué)軟件進行安裝和調(diào)試。受時間和空間的限制，特別是在機房的日常使用中，給機房的管理和維護帶來了較大的困難。使用云桌面后，機房只需要通過管理平臺對辦公中的所有計算機進行管理和維護，并在背景中更新所有操作，不影響前端用戶的使用，可以在任何地方使用任意智能設(shè)備來執(zhí)行這一操作，更新時間10min(以60個桌面為例)。利用統(tǒng)一的管理部署和監(jiān)控平臺，可以支持任何智能設(shè)備登錄管理和監(jiān)控平臺，能夠監(jiān)測硬件設(shè)備使用率和Mac地址故障原因，可以進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，業(yè)務(wù)擴展可以在短時間內(nèi)提供所需的信息。（2）節(jié)能環(huán)保，減少成本。云桌面技術(shù)可以實現(xiàn)所有終端設(shè)備的集中管理，計算機機房可以坐在辦公室里，使用自己的個人電腦或移動終端設(shè)備遠程訪問服務(wù)器，并在服務(wù)器上相關(guān)操作。機房環(huán)境的安裝和部署以及大多數(shù)云桌面采用瘦客戶端+服務(wù)器模式，滿足學(xué)校使用計算機系統(tǒng)的需求，可以大大降低學(xué)校維護成本，減少維護人員數(shù)量。在云桌面中部署機房后，由于客戶端不易損壞、長壽命和低能耗，購買成本遠低于傳統(tǒng)PC機，高?？梢酝ㄟ^定期升級服務(wù)器配置，提高機房的整體性能，大大節(jié)約了學(xué)校的投資成本。對比傳統(tǒng)電腦，基于云桌面的客戶端能耗具有顯著優(yōu)勢（表1）。（3）保障數(shù)據(jù)安全。由于在機房中使用云桌面技術(shù)，所有操作系統(tǒng)以及機房的數(shù)據(jù)都在服務(wù)器中，而服務(wù)器一般都放置在網(wǎng)絡(luò)中心等環(huán)境要求較高的專業(yè)環(huán)境中，數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)安全性較高，預(yù)防措施更好，系統(tǒng)不易被侵襲，數(shù)據(jù)不易被改變。云前端客戶端能夠快速連接服務(wù)器，執(zhí)行相關(guān)操作，受機房環(huán)境影響較小，在很大程度上保證了數(shù)據(jù)的安全。利用云桌面技術(shù)，使機房管理人員能夠快速、便捷地部署房間環(huán)境，并根據(jù)不同課程在不同時間點的需求來滿足課堂的個性化需求，為教師的教學(xué)提供了極大的便利，激發(fā)了教師的積極性，為提高學(xué)校整體教學(xué)質(zhì)量帶來了一定的幫助。對于學(xué)生來說，學(xué)生根據(jù)自己的專業(yè)背景和實驗環(huán)境來定制學(xué)習(xí)環(huán)境，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)興趣。

五、結(jié)論

隨著5G、AIoT、人工智能等信息經(jīng)濟的進一步發(fā)展，社會的所有參與者對算力的需求仍然會成倍增加。而目前各大高校的計算中心根本無法滿足這么大幅度增長的算力需求，所以大多數(shù)高校的實訓(xùn)平臺、計算平臺均未完全向所有師生開放，但很多師生對算力的需求是客觀存在的，這部分需求如果想要全部滿足，各大高校需要投入巨大的成本建設(shè)大量的計算中心。而另一方面，隨著個人電腦的普及，原有固定計算機機房的價值將越來越低，但短時間內(nèi)暫時又無法完全改變現(xiàn)有單機實訓(xùn)教學(xué)的模式，所以如果采用云桌面來承載目前各個專業(yè)實訓(xùn)任務(wù)的同時，云桌面本身的資源也是高校計算平臺的一部分。采用這種架構(gòu)可以明顯地提升算力資源的利用率，從而降低成本。

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作者：劉全 黃維平 單位：中國地質(zhì)大學(xué)