基于云技术的虚拟化教学系统搭建
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时间：2018-01-03
课 题：本文系广东省人社厅2015年广东省技工教育和职业培训省级教学研究课题《基于云技术的虚拟化教学系统搭建应用研究》（课题编号KT201501）研究成果。
随着校园信息化的不断普及和推广，各院校利用电子教室进行教学、学习的课程越来越多，但因建设局限和使用需求的发展，传统IT架构下的PC已经不能满足实训室对IT系统的要求。桌面云改变了传统的工作环境和信息系统部署方式，实现了对原本分散的众多用户桌面环境与数据的集中管理，使升级维护更高效、数据使用更安全、接入更灵活、业务处理能力更强、系统可靠性更高。
一、传统教学系统现状分析
学校现有的计算机实训室桌面系统是基于传统PC方式，需要在每台PC上安装业务所需的软件程序及客户端，在系统功能、安全、使用率等方面存在较多问题。
1.资源管理难
重要的数据分散在各PC上，不能方便地进行集中存储及备份。学生的随堂作业与教师的授课资源没有得到很好的规划，导致课时内教学效率不高。
2.安全隐患多
由于PC机的安全漏洞较多，客户端安全隐患增加，一旦学生上课操作不规范，容易导致电脑中毒，从而影响整个教室及整个学校网络的稳定。信息中心统计发现，很多攻击是源自内部的攻击。
3.维护管理成本高
现有的计算机实训室一旦出现软硬件故障，只能被动地等待技术人员来修复。由于计算机实训室数量多，分布广，维护人员不足而导致了维护响应能力的不足，带来工作效率低下的问题，严重影响教师教学进度。因此，桌面终端的维护成本也不断上升，维护人员不仅要对PC机进行硬件维护，还要对操作系统环境、应用的安装配置和更新进行桌面管理和维护。
4.课堂控制难
老旧计算机实训室为了控制学生的上课行为，使用了各种手段进行控制，包括封USB口等极端的手段，然而效果并不理想。
因此，简化客户端环境，实施集中化部署、管理和运行维护，实施桌面虚拟化教学系统是有效解决当前学校计算机实训室管理维护问题的办法。
二、虚拟化教学系统建设需求分析
本次研究主要針对满足复杂教学环境及职业考试上机操作使用。
一是满足包括办公软件，网络管理软件、网络开发软件以及其他一些非图形化设计及渲染、影视剪辑等的教学应用。
二是完成基于“对象管理”的、强大且理念先进的专用软件平台设计，实现与学籍管理系统等多个系统的数据共享。学生从进校就拥有自己独立的系统空间，在任意机房只需用学号登记，即可享用专属空间，直至毕业。
三是在面临各种认证考试、职业考试需要不同版本的操作系统以及应用软件等复杂业务场景里，能完成便捷、快速的专业要求部署。
三、虚拟化教学系统设计
1.系统架构设计
虚拟化教学系统主要由三个部分组成，前端就是用户终端，包括通常的显示器、鼠标键盘以及虚拟化专用的瘦终端；中间是传输部分，即网络系统；后端是服务端，包括计算资源、存储资源、备份资源等。其架构示意图如下。
2.虚拟化教学系统后端设计
虚拟化目前有几种主流的应用架构，机架式服务器+共享存储，机架式服务器做虚拟化存储；刀片服务器+共享存储，刀片服务器做虚拟化存储。但单纯从硬件角度，其实就是两种，即共享存储架构和虚拟存储架构。
共享存储架构是服务器配搭传统的存储阵列来实现虚拟化。服务器通过虚拟化成为计算资源池（包括CPU资源池、内存资源池、网络资源池），存储阵列作为物理的存储资源池。服务器与存储之间通过光纤交换网络实现数据通读，并通过虚拟化平台的划分管理，实现虚拟化的目标。
共享存储的架构，服务器、存储、光纤交换机都最少需要两台以上才能有效保证满足需求，投入成本相对较高。虚拟存储的架构则可以将多台服务器的本次磁盘单独抽出来形成虚拟存储使用，并可以实现双副本甚至多副本的数据备份。如果服务器本地硬盘数量及容量可以满足实际需求，则整个架构的性价比会更高。考虑到服务器数量以及能耗，本文后端系统架构将采用基于刀片服务器的虚拟存储的整体架构。
3.后端硬件平台设计
作为现代化的教学系统，其稳定性及性能必须是首要保证的。因此，硬件平台设计要选择稳定可靠的硬件平台。通过多次硬件平台的架构及性能测试对比，思科公司的UCS（统一计算系统）比传统简单整合的刀片服务器更具备优势。
统一计算系统是一种新的计算模式，在一个紧密结合的系统中整合了计算、网络、存储接入与虚拟化功能，降低总体拥有成本的同时提高业务灵活性。该系统具有一个单一的系统整合、统一的管理模式、高效的扩展和低成本等特点。
将交换资源集中在一起，通过消除刀片机箱内部的交换，减少了网络接入层分段。该架构采用了统一以太网交换阵列，在一个统一的网络基础设施上传输局域网、存储和高性能计算流量。该方法能够整合或完全消除多个服务器适配器、机箱多个异构网络交换机、线缆及其他支外围基础设施。
4.后端软件平台设计
随着校园信息化的不断普及和推广，各院校利用电子教室进行教学、学习的课程越来越多，但因建设局限和使用需求的发展，传统IT架构下的PC已经不能满足实训室对IT系统的要求。桌面云改变了传统的工作环境和信息系统部署方式，实现了对原本分散的众多用户桌面环境与数据的集中管理，使升级维护更高效、数据使用更安全、接入更灵活、业务处理能力更强、系统可靠性更高。
一、传统教学系统现状分析
学校现有的计算机实训室桌面系统是基于传统PC方式，需要在每台PC上安装业务所需的软件程序及客户端，在系统功能、安全、使用率等方面存在较多问题。
1.资源管理难
重要的数据分散在各PC上，不能方便地进行集中存储及备份。学生的随堂作业与教师的授课资源没有得到很好的规划，导致课时内教学效率不高。
2.安全隐患多
由于PC机的安全漏洞较多，客户端安全隐患增加，一旦学生上课操作不规范，容易导致电脑中毒，从而影响整个教室及整个学校网络的稳定。信息中心统计发现，很多攻击是源自内部的攻击。
3.维护管理成本高
现有的计算机实训室一旦出现软硬件故障，只能被动地等待技术人员来修复。由于计算机实训室数量多，分布广，维护人员不足而导致了维护响应能力的不足，带来工作效率低下的问题，严重影响教师教学进度。因此，桌面终端的维护成本也不断上升，维护人员不仅要对PC机进行硬件维护，还要对操作系统环境、应用的安装配置和更新进行桌面管理和维护。
4.课堂控制难
老旧计算机实训室为了控制学生的上课行为，使用了各种手段进行控制，包括封USB口等极端的手段，然而效果并不理想。
因此，简化客户端环境，实施集中化部署、管理和运行维护，实施桌面虚拟化教学系统是有效解决当前学校计算机实训室管理维护问题的办法。
二、虚拟化教学系统建设需求分析
本次研究主要針对满足复杂教学环境及职业考试上机操作使用。
一是满足包括办公软件，网络管理软件、网络开发软件以及其他一些非图形化设计及渲染、影视剪辑等的教学应用。
二是完成基于“对象管理”的、强大且理念先进的专用软件平台设计，实现与学籍管理系统等多个系统的数据共享。学生从进校就拥有自己独立的系统空间，在任意机房只需用学号登记，即可享用专属空间，直至毕业。
三是在面临各种认证考试、职业考试需要不同版本的操作系统以及应用软件等复杂业务场景里，能完成便捷、快速的专业要求部署。
三、虚拟化教学系统设计
1.系统架构设计
虚拟化教学系统主要由三个部分组成，前端就是用户终端，包括通常的显示器、鼠标键盘以及虚拟化专用的瘦终端；中间是传输部分，即网络系统；后端是服务端，包括计算资源、存储资源、备份资源等。其架构示意图如下。
2.虚拟化教学系统后端设计
虚拟化目前有几种主流的应用架构，机架式服务器+共享存储，机架式服务器做虚拟化存储；刀片服务器+共享存储，刀片服务器做虚拟化存储。但单纯从硬件角度，其实就是两种，即共享存储架构和虚拟存储架构。
共享存储架构是服务器配搭传统的存储阵列来实现虚拟化。服务器通过虚拟化成为计算资源池（包括CPU资源池、内存资源池、网络资源池），存储阵列作为物理的存储资源池。服务器与存储之间通过光纤交换网络实现数据通读，并通过虚拟化平台的划分管理，实现虚拟化的目标。
共享存储的架构，服务器、存储、光纤交换机都最少需要两台以上才能有效保证满足需求，投入成本相对较高。虚拟存储的架构则可以将多台服务器的本次磁盘单独抽出来形成虚拟存储使用，并可以实现双副本甚至多副本的数据备份。如果服务器本地硬盘数量及容量可以满足实际需求，则整个架构的性价比会更高。考虑到服务器数量以及能耗，本文后端系统架构将采用基于刀片服务器的虚拟存储的整体架构。
3.后端硬件平台设计
作为现代化的教学系统，其稳定性及性能必须是首要保证的。因此，硬件平台设计要选择稳定可靠的硬件平台。通过多次硬件平台的架构及性能测试对比，思科公司的UCS（统一计算系统）比传统简单整合的刀片服务器更具备优势。
统一计算系统是一种新的计算模式，在一个紧密结合的系统中整合了计算、网络、存储接入与虚拟化功能，降低总体拥有成本的同时提高业务灵活性。该系统具有一个单一的系统整合、统一的管理模式、高效的扩展和低成本等特点。
将交换资源集中在一起，通过消除刀片机箱内部的交换，减少了网络接入层分段。该架构采用了统一以太网交换阵列，在一个统一的网络基础设施上传输局域网、存储和高性能计算流量。该方法能够整合或完全消除多个服务器适配器、机箱多个异构网络交换机、线缆及其他支外围基础设施。
4.后端软件平台设计
虚拟化教学系统的关键组成部分就是虚拟化软件平台。由于硬件平台设计使用的是基于虚拟存储的硬件架构，因此，在软件平台上，也必须有虚拟存储功能的支持才能满足实际需求。
经过对多个虚拟化平台的测试与功能了解、功能联系、定制开方等方面的调研，综合功能、性能、价格等方面因素，本文选用深信服VMP4.8系统的桌面虚拟化软件平台。该平台除了当前的软件功能外，还能为学校提供配套的结合学校实际情况进行适当的定制服务，从而实现虚拟化教学系统及智慧校园建设规划的功能需求。
5.虚拟化教学系统网络传输设计
在传输网络方面，后端UCS平台通过交换矩阵与核心交换机进行万兆互联实现网络通讯。服务器内部网络数据交换自成体系，不参与学校原网络系统，只有服务数据才会与原有的网络系统进行交换。原有网络系统中，核心交换机与汇聚交换机通过万兆互联，汇聚交换机到每间云实训室的接入交换机，通过两条双绞线链路实现聚合互联。接入交换机通过百兆网络与云实训室虚拟化教学系统的前端设备互连。
6.虚拟化教学系统前端设计
前端硬件平台包括瘦终端、显示器和鼠标键盘这三样。其中，瘦终端为实现批量管理、配置功能，并结合虚拟化软件平台实现特定功能，采用深信服aDesk瘦终端设备。该设备使用12 V供电，支持1080 P高清输出，具有6个USB接口及音频出接口，1个千兆网络接口，完全满足常规教学需求。显示器支持1080 P高清分辨率，同样使用12 V供电的显示器。
前端瘦终端通过DHCP自动分配IP地址，并连接到VDC数据中心后，可以获取到相关的桌面资源。
四、虚拟化教学系统的效益分析
使用虛拟化来支持桌面工作负荷，提升了IT管理效率、降低设备及管理成本、功能更加完善高效。
第一，客户端的利用。因为桌面虚拟化环境的边缘很少发生计算执行过程，所以计算体系结构对终端设备处理能力的依赖性降低。这使得终端硬件成本可以大幅降低，且瘦客户端设备的生命周期通常是标准 PC 的两倍。
第二，与学校网络及管理系统结合，实现统一单点认证和动态的安全准入管理，保证接入桌面云的设备和用户安全，默认设置访问学校内网，通过对学校网络安全设备策略设定结合单点登录实现一次登录即可访问桌面、网盘以及策略指定的互联网，提高了虚拟桌面系统的安全防护水平及学生课堂行为的规范。
第三，改进数据安全性。由于能够将数据从IT环境的边缘（传统的PC硬盘）移到数据中心（服务器）内，从本质上降低了管理部门在计算机实训室的维护中所面临的安全风险。数据访问集中化能够缓解数据丢失、破坏的风险并简化合规性工作程序。
第四，简化数据备份。集中化虚拟桌面完全驻留在数据中心内，所以更容易确保完全遵守备份策略。而且，使用合并的映像和增量存储文件可以进一步简化重要数据的提取和收集，从而简化备份流程。
第五，简化问题恢复。维护人员能够快速轻松地将虚拟桌面还原到上次所知良好的状态，虚拟机大大简化了问题恢复工作。
第六，缩短部署时间及变更时间。当在桌面虚拟化体系结构中使用瘦客户端时，由于不需要在终端设备上安装任何内容，因此围绕部署的流程明显得到简化。无论是增加应用程序，还是更改某项配置，只需要在母盘镜像做出修改，统一发布即可，无须再逐个安装修改。
总体来看，基于桌面虚拟化技术的教学系统设计使得学校对资源的利用更加高效、管理手段灵活、数据中心更加智能和强壮，桌面安全灵活。有利于进一步推进了学校信息化建设，为学校智慧校园的建设打下坚实的基础。
经过对多个虚拟化平台的测试与功能了解、功能联系、定制开方等方面的调研，综合功能、性能、价格等方面因素，本文选用深信服VMP4.8系统的桌面虚拟化软件平台。该平台除了当前的软件功能外，还能为学校提供配套的结合学校实际情况进行适当的定制服务，从而实现虚拟化教学系统及智慧校园建设规划的功能需求。
5.虚拟化教学系统网络传输设计
在传输网络方面，后端UCS平台通过交换矩阵与核心交换机进行万兆互联实现网络通讯。服务器内部网络数据交换自成体系，不参与学校原网络系统，只有服务数据才会与原有的网络系统进行交换。原有网络系统中，核心交换机与汇聚交换机通过万兆互联，汇聚交换机到每间云实训室的接入交换机，通过两条双绞线链路实现聚合互联。接入交换机通过百兆网络与云实训室虚拟化教学系统的前端设备互连。
6.虚拟化教学系统前端设计
前端硬件平台包括瘦终端、显示器和鼠标键盘这三样。其中，瘦终端为实现批量管理、配置功能，并结合虚拟化软件平台实现特定功能，采用深信服aDesk瘦终端设备。该设备使用12 V供电，支持1080 P高清输出，具有6个USB接口及音频出接口，1个千兆网络接口，完全满足常规教学需求。显示器支持1080 P高清分辨率，同样使用12 V供电的显示器。
前端瘦终端通过DHCP自动分配IP地址，并连接到VDC数据中心后，可以获取到相关的桌面资源。
四、虚拟化教学系统的效益分析
使用虛拟化来支持桌面工作负荷，提升了IT管理效率、降低设备及管理成本、功能更加完善高效。
第一，客户端的利用。因为桌面虚拟化环境的边缘很少发生计算执行过程，所以计算体系结构对终端设备处理能力的依赖性降低。这使得终端硬件成本可以大幅降低，且瘦客户端设备的生命周期通常是标准 PC 的两倍。
第二，与学校网络及管理系统结合，实现统一单点认证和动态的安全准入管理，保证接入桌面云的设备和用户安全，默认设置访问学校内网，通过对学校网络安全设备策略设定结合单点登录实现一次登录即可访问桌面、网盘以及策略指定的互联网，提高了虚拟桌面系统的安全防护水平及学生课堂行为的规范。
第三，改进数据安全性。由于能够将数据从IT环境的边缘（传统的PC硬盘）移到数据中心（服务器）内，从本质上降低了管理部门在计算机实训室的维护中所面临的安全风险。数据访问集中化能够缓解数据丢失、破坏的风险并简化合规性工作程序。
第四，简化数据备份。集中化虚拟桌面完全驻留在数据中心内，所以更容易确保完全遵守备份策略。而且，使用合并的映像和增量存储文件可以进一步简化重要数据的提取和收集，从而简化备份流程。
第五，简化问题恢复。维护人员能够快速轻松地将虚拟桌面还原到上次所知良好的状态，虚拟机大大简化了问题恢复工作。
第六，缩短部署时间及变更时间。当在桌面虚拟化体系结构中使用瘦客户端时，由于不需要在终端设备上安装任何内容，因此围绕部署的流程明显得到简化。无论是增加应用程序，还是更改某项配置，只需要在母盘镜像做出修改，统一发布即可，无须再逐个安装修改。
总体来看，基于桌面虚拟化技术的教学系统设计使得学校对资源的利用更加高效、管理手段灵活、数据中心更加智能和强壮，桌面安全灵活。有利于进一步推进了学校信息化建设，为学校智慧校园的建设打下坚实的基础。
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