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摘 要：云计算技术不断发展，其中，云桌面技术的发展为高校计算机机房建设和改造提供了全新的方案。文章提出一套基于VDI桌面云代替传统PC主机的高校计算机机房建设方案，并从能耗、管理方式、安全性等角度分析基于VDI的桌面云架构及其相对传统PC主机的优势。
关键词：云桌面;计算机实验室;VDI
0 引言
随着高校课程改革的不断推进，越来越多高校开始注重培养学生实践能力，对于计算机及相关专业的学生，计算机实验室是培养其动手能力的主要场所。目前，许多高校由于资金和管理人员不足等原因，导致部分计算机实验室存在硬件设备老旧、管理混乱等问题。如何利用有限的资金和人员来提高这些计算机实验室的使用体验，成了摆在高校实验室管理者面前的一道难题。
计算机实验室是理工科学生进行上机操作的重要场所，对培养学生的上机操作能力起着至关重要的作用。目前，云桌面技术能在满足学生及老师教学和上机实验需求的基础上，大大降低计算机实验室的建设和使用成本，并有效降低实验室的管理难度，为高校计算机实验室建設提供了高效且完善的解决方案。
1 云桌面技术介绍
随着社会的发展，人们生产和生活中越来越离不开计算资源，硬件的更新频率越来越快。然而，计算机等计算设备频繁更新会造成资源浪费和利用率较低等问题，如果能利用公共资源来满足人们对计算资源的需求，将极大地降低资源浪费并节约成本，云计算正是在这样一种需求下被业界提出。
云计算是继互联网、计算机后在信息时代又一种革新。云计算是按使用量付费的模式，这种模式提供可用、便捷、按需、可配置的计算资源共享池（资源包括网络、服务器、存储、应用软件、服务），只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互，这些资源能够被快速提供。云计算核心是可以将很多的计算机资源协调在一起，用户通过网络就可以获取到无限的资源，同时获取的资源不受时间和空间的限制。云计算按照层级分可以分为3类：基础设施即服务（Infrastructure as a Servic，Iaas）;平台即服务（Platform-as-a-Service，Paas）;软件即服务（Software-as-a-Service，Saas）。
云桌面属于云计算中Saas的一种应用形式，是基于虚拟化技术的终端操作系统交付与管理方案，可以根据业务场景的不同，定制标准化的系统模板。终端客户端可以通过远程桌面传输协议、虚拟磁盘读写指令、虚拟地址映射等多种技术实现模板的本地化呈现。云桌面可以有效提高终端的操作系统部署与运维效率。
目前，云桌面有3种主流技术架构：虚拟桌面基础架构（Virtual Desktop Infrastructure，VDI），虚拟操作系统基础架构（Virtual OS Infrastructure，VOI），智能桌面虚拟化（Intelligent Desktop Virtualization，IDV）。根据学校计算机机房的使用场景和建设成本，选择基于VDI技术的云桌面架构比较合适。VDI云桌面架构基于KVM虚拟化技术，根据不同的用户需求对桌面进行虚拟化配置，安装操作系统和软件后，将虚拟机发布给终端用户使用[1]。用户可通过终端设备连接云桌面服务器，该终端不进行任何的存储和计算，只负责连接安装在服务器端的系统，因此配置要求不高。为节约建设成本，目前一般专用终端为ARM架构。VDI架构具有高可用、热迁移、批量部署等特点，用户可通过平板手机随时随地登录智能设备使用，比较适合于有专业运维技术人员的使用场景，如高（职）校、大中型企业、医院等[2]。
2 高校计算机实验室存在的主要问题
2.1 计算机硬件设备陈旧
高校计算机实验室内计算机普遍购置时间较长，随着实验教学软件版本的更新，计算机硬件配置已无法满足软件的配置要求。尤其是计算机专业的虚拟仿真等软件对显卡和内存的要求较高，现有计算机设备的配置基本无法满足，影响实验课学生的上机学习质量。很多计算机已经处于超寿命运行状态，大大增加了出现硬件故障的概率。发生故障后，如不能及时进行维修，将影响正常的授课安排[3]。
2.2 缺乏专业机房运维人员
目前，高校计算机机房维护由实验课授课老师和计算机专业学生负责，大都缺乏专业的机房运维知识，对于一些简单的软硬件故障尚可以处理，但对于重大软硬件故障，往往无法及时处理，需要联系专业维修人员，维修周期较长。
3 云桌面架构机房的优势
3.1 系统可靠性高
传统PC机硬件和软件故障较多，且不易排查问题原因，一旦出现问题需要由厂家专业人员进行维护，耗时较长，影响正常授课。云桌面管理平台支持快速迁移技术，在出现设备宕机等故障时，可由管理员使用迁移技术实现云桌面快速切换，有效保障了实验课实验环境的可靠性。同时，实验室教师授课终端一般采用x86架构，在无法连接到云桌面服务器时，可使用本机自带系统进行临时授课，保障了授课环境的可靠性。
3.2 系统部署效率高
计算机实验室授课种类繁多，不同课程需要使用不同的上机实验软件。云桌面支持快速自动化部署，只需由工作人员将实验课所需软件安装到模板虚拟机上，再通过虚拟机克隆的方式就可以自动派生出多台和模板虚拟机一致的用户虚拟机，大大提高部署效率，降低运维难度。管理员还可以根据不同课程需求，定制不同硬件配置的云桌面系统，实现硬件资源的动态分配。
3.3 建设成本低
云桌面方式和传统PC机方式在实验室建设的首次投入上相差不大，但云桌面支持资源的按需分配和动态调整，对于性能要求较高的实验室，可以动态分配较高的CPU和内存资源，保证用户的正常使用，无须重新采购新的服务器等设备;即使需要建设新的计算机实验室，一般只需采购终端连接设备和显示设备，投入成本较低。传统PC机实验室，当主机性能无法满足使用要求时，只能更换新的PC主机，如需建设新的实验室，也只能重新采购主机，无法做到充分利旧，投入成本较高。 3.4 安全性高
云桌面数据存放在服务器端，能完全做到数据不落地，数据安全性很高。同时，可以通过后台管理平台，添加屏蔽 u盘等安全设置，可避免u盘携带病毒等情况的发生，提高系统安全性。此外，通过统一管理平台，管理员可以对云桌面系统及时更新补丁，及时修复系统安全漏洞，进一步降低了系统被病毒攻击的风险。
3.5 运维成本低
传统PC机房一般每四百台主机就需要配置一名IT运维人员，而云桌面方式可以大大减少运维人员，一般全校计算机实验室只需配置一名运维人员。云桌面虽然硬件设备增加，但它的维护工作主要都集中在服务器端，所有用户使用的系统和运行的数据都存储在服务器端，大大降低了运维工作量。
3.6 使用成本低
机房的使用成本主要为用电成本，在这方面云桌面架构机房相較于传统PC机架构机房有明显的成本优势。以200台主机为例，假设每天机房主机运行10小时，每年实际使用时间为200天，计算用电成本如表1所示。
通过比较发现，以3年为计算周期，云桌面方式的使用成本仅为传统PC机的1/5，而且随着设备规模的加大，使用周期增长，两者的使用成本将会有更大的差距。
4 基于云桌面的高校机房整体架构
机房的整体架构如图1所示。各机房内云终端可以通过校园网连接位于数据中心内服务器上的云桌面虚拟机，用户数据被放置于数据中心存储服务器上，通过账号和密码，用户可使用自身专属的桌面环境，管理员可以根据课程的具体安排动态分配虚拟机配置，同时通过服务器上层的防火墙、WAF等防护设备，可有效防止病毒入侵系统，杜绝安全隐患。
5 结语
随着5G物联网等技术的发展，在校师生对于计算机算力的需求成倍增加，对计算机机房建设也提出了新的挑战。在有效的投入下如何尽可能满足学生的实验、实训、计算等多方面的应用，成为摆在实验室管理者面前的一道难题。通过比较发现，基于云桌面架构的新型计算机机房相较于传统PC机架构机房，在建设成本、使用成本、维护效率、使用体验方面都有明显的优势，可有效提高计算机相关专业实验课的授课质量，可以在我国高校的计算机机房建设项目中进行大力推广。
[参考文献]
[1]张策.运用云桌面技术优化计算机实验室管理的路径探索[J].大众标化，2020（24）：158-159.
[2]刘全，黄维平.基于云桌面的高校计算机机房建设模式研究[J].中国教育，2020（4）：11-15.
[3]李怀成.虚拟云桌面在高校机房中的应用与展望[J].中国新通信，2020（24）：14-15.
（编辑 姚 鑫）
关键词：云桌面;计算机实验室;VDI
0 引言
随着高校课程改革的不断推进，越来越多高校开始注重培养学生实践能力，对于计算机及相关专业的学生，计算机实验室是培养其动手能力的主要场所。目前，许多高校由于资金和管理人员不足等原因，导致部分计算机实验室存在硬件设备老旧、管理混乱等问题。如何利用有限的资金和人员来提高这些计算机实验室的使用体验，成了摆在高校实验室管理者面前的一道难题。
计算机实验室是理工科学生进行上机操作的重要场所，对培养学生的上机操作能力起着至关重要的作用。目前，云桌面技术能在满足学生及老师教学和上机实验需求的基础上，大大降低计算机实验室的建设和使用成本，并有效降低实验室的管理难度，为高校计算机实验室建設提供了高效且完善的解决方案。
1 云桌面技术介绍
随着社会的发展，人们生产和生活中越来越离不开计算资源，硬件的更新频率越来越快。然而，计算机等计算设备频繁更新会造成资源浪费和利用率较低等问题，如果能利用公共资源来满足人们对计算资源的需求，将极大地降低资源浪费并节约成本，云计算正是在这样一种需求下被业界提出。
云计算是继互联网、计算机后在信息时代又一种革新。云计算是按使用量付费的模式，这种模式提供可用、便捷、按需、可配置的计算资源共享池（资源包括网络、服务器、存储、应用软件、服务），只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互，这些资源能够被快速提供。云计算核心是可以将很多的计算机资源协调在一起，用户通过网络就可以获取到无限的资源，同时获取的资源不受时间和空间的限制。云计算按照层级分可以分为3类：基础设施即服务（Infrastructure as a Servic，Iaas）;平台即服务（Platform-as-a-Service，Paas）;软件即服务（Software-as-a-Service，Saas）。
云桌面属于云计算中Saas的一种应用形式，是基于虚拟化技术的终端操作系统交付与管理方案，可以根据业务场景的不同，定制标准化的系统模板。终端客户端可以通过远程桌面传输协议、虚拟磁盘读写指令、虚拟地址映射等多种技术实现模板的本地化呈现。云桌面可以有效提高终端的操作系统部署与运维效率。
目前，云桌面有3种主流技术架构：虚拟桌面基础架构（Virtual Desktop Infrastructure，VDI），虚拟操作系统基础架构（Virtual OS Infrastructure，VOI），智能桌面虚拟化（Intelligent Desktop Virtualization，IDV）。根据学校计算机机房的使用场景和建设成本，选择基于VDI技术的云桌面架构比较合适。VDI云桌面架构基于KVM虚拟化技术，根据不同的用户需求对桌面进行虚拟化配置，安装操作系统和软件后，将虚拟机发布给终端用户使用[1]。用户可通过终端设备连接云桌面服务器，该终端不进行任何的存储和计算，只负责连接安装在服务器端的系统，因此配置要求不高。为节约建设成本，目前一般专用终端为ARM架构。VDI架构具有高可用、热迁移、批量部署等特点，用户可通过平板手机随时随地登录智能设备使用，比较适合于有专业运维技术人员的使用场景，如高（职）校、大中型企业、医院等[2]。
2 高校计算机实验室存在的主要问题
2.1 计算机硬件设备陈旧
高校计算机实验室内计算机普遍购置时间较长，随着实验教学软件版本的更新，计算机硬件配置已无法满足软件的配置要求。尤其是计算机专业的虚拟仿真等软件对显卡和内存的要求较高，现有计算机设备的配置基本无法满足，影响实验课学生的上机学习质量。很多计算机已经处于超寿命运行状态，大大增加了出现硬件故障的概率。发生故障后，如不能及时进行维修，将影响正常的授课安排[3]。
2.2 缺乏专业机房运维人员
目前，高校计算机机房维护由实验课授课老师和计算机专业学生负责，大都缺乏专业的机房运维知识，对于一些简单的软硬件故障尚可以处理，但对于重大软硬件故障，往往无法及时处理，需要联系专业维修人员，维修周期较长。
3 云桌面架构机房的优势
3.1 系统可靠性高
传统PC机硬件和软件故障较多，且不易排查问题原因，一旦出现问题需要由厂家专业人员进行维护，耗时较长，影响正常授课。云桌面管理平台支持快速迁移技术，在出现设备宕机等故障时，可由管理员使用迁移技术实现云桌面快速切换，有效保障了实验课实验环境的可靠性。同时，实验室教师授课终端一般采用x86架构，在无法连接到云桌面服务器时，可使用本机自带系统进行临时授课，保障了授课环境的可靠性。
3.2 系统部署效率高
计算机实验室授课种类繁多，不同课程需要使用不同的上机实验软件。云桌面支持快速自动化部署，只需由工作人员将实验课所需软件安装到模板虚拟机上，再通过虚拟机克隆的方式就可以自动派生出多台和模板虚拟机一致的用户虚拟机，大大提高部署效率，降低运维难度。管理员还可以根据不同课程需求，定制不同硬件配置的云桌面系统，实现硬件资源的动态分配。
3.3 建设成本低
云桌面方式和传统PC机方式在实验室建设的首次投入上相差不大，但云桌面支持资源的按需分配和动态调整，对于性能要求较高的实验室，可以动态分配较高的CPU和内存资源，保证用户的正常使用，无须重新采购新的服务器等设备;即使需要建设新的计算机实验室，一般只需采购终端连接设备和显示设备，投入成本较低。传统PC机实验室，当主机性能无法满足使用要求时，只能更换新的PC主机，如需建设新的实验室，也只能重新采购主机，无法做到充分利旧，投入成本较高。 3.4 安全性高
云桌面数据存放在服务器端，能完全做到数据不落地，数据安全性很高。同时，可以通过后台管理平台，添加屏蔽 u盘等安全设置，可避免u盘携带病毒等情况的发生，提高系统安全性。此外，通过统一管理平台，管理员可以对云桌面系统及时更新补丁，及时修复系统安全漏洞，进一步降低了系统被病毒攻击的风险。
3.5 运维成本低
传统PC机房一般每四百台主机就需要配置一名IT运维人员，而云桌面方式可以大大减少运维人员，一般全校计算机实验室只需配置一名运维人员。云桌面虽然硬件设备增加，但它的维护工作主要都集中在服务器端，所有用户使用的系统和运行的数据都存储在服务器端，大大降低了运维工作量。
3.6 使用成本低
机房的使用成本主要为用电成本，在这方面云桌面架构机房相較于传统PC机架构机房有明显的成本优势。以200台主机为例，假设每天机房主机运行10小时，每年实际使用时间为200天，计算用电成本如表1所示。
通过比较发现，以3年为计算周期，云桌面方式的使用成本仅为传统PC机的1/5，而且随着设备规模的加大，使用周期增长，两者的使用成本将会有更大的差距。
4 基于云桌面的高校机房整体架构
机房的整体架构如图1所示。各机房内云终端可以通过校园网连接位于数据中心内服务器上的云桌面虚拟机，用户数据被放置于数据中心存储服务器上，通过账号和密码，用户可使用自身专属的桌面环境，管理员可以根据课程的具体安排动态分配虚拟机配置，同时通过服务器上层的防火墙、WAF等防护设备，可有效防止病毒入侵系统，杜绝安全隐患。
5 结语
随着5G物联网等技术的发展，在校师生对于计算机算力的需求成倍增加，对计算机机房建设也提出了新的挑战。在有效的投入下如何尽可能满足学生的实验、实训、计算等多方面的应用，成为摆在实验室管理者面前的一道难题。通过比较发现，基于云桌面架构的新型计算机机房相较于传统PC机架构机房，在建设成本、使用成本、维护效率、使用体验方面都有明显的优势，可有效提高计算机相关专业实验课的授课质量，可以在我国高校的计算机机房建设项目中进行大力推广。
[参考文献]
[1]张策.运用云桌面技术优化计算机实验室管理的路径探索[J].大众标化，2020（24）：158-159.
[2]刘全，黄维平.基于云桌面的高校计算机机房建设模式研究[J].中国教育，2020（4）：11-15.
[3]李怀成.虚拟云桌面在高校机房中的应用与展望[J].中国新通信，2020（24）：14-15.
（编辑 姚 鑫）