云桌面下的計算機機房建設模式研究
前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了云桌面下的計算機機房建設模式研究范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。
高校是為社會提供高質量人才的場所，高校教學管理工作的水平，對于學生、院校的發展以及經濟社會的進步均具有積極意義。盡快構建能夠匹配現代化教育的信息化體系，合理地將網絡教與學環境進行融合，確保教學、科研、服務功能發揮其實際價值，是高校教育現代化的有效路徑。為此，現代高校中計算機機房的建設也受到關注，尤其是近年來隨著各項信息化技術的不斷進步，促使計算機機房的建設也在向更多方向發展。教育信息化經過多年的飛速發展，高校數字化校園的建設日趨完善，大部分學校已實現了數字化教學大樓、校園網辦公、網絡學習平臺等建設工作，構建了以現代化教學環境作為標志的校園信息基礎平臺，保障各高校之間跨區教學工作的開展。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，不僅無法支撐跨區教學任務的開展，而且，隨著計算機機房規模的增長，對于管理也帶來很大挑戰。而通過調研，發現云桌面是一種可以很好解決上述跨區教育和管理問題的架構，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、管理效率方面的優勢。
一、云計算與云桌面簡述
1.云計算技術
云計算可以視為一種基于互聯網的應用服務，用戶所需要的應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境中的應用程序[1]。那么對于高校師生來講，教師、學生所需要的教學或實訓應用無須運行在自己的計算機上，只需要通過調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用程序。這種方式可以忽略每個用戶計算機性能、操作系統、使用地點的差異，可以很大程度提升教與學的效率。
2.云桌面
云桌面（VDI）即虛擬桌面基礎架構，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用程序，而是整個操作系統。其基本原理是通過虛擬化技術，在服務器集群上生成若干個虛擬桌面，利用遠程桌面傳輸協議，通過互聯網將服務器集群上的這些虛擬桌面交付到終端設備供用戶使用。用戶無須在本地安裝和運行操作系統及應用程序，只需要通過互聯網即可直接調用位于遠端的操作系統和應用程序，這種架構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學習，打破了以往以設備為中心的桌面使用方式，轉變為以人為中心的桌面使用方式。
3.云計算與云桌面應用現狀
以目前實際情況來看，云計算共有三大類應用模式，即云計算基礎架構及服務、云計算軟件及服務、云計算平臺及服務。云計算的應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用，此外云計算在現代交通管理、企業信息化建設、醫療、金融以及高校教學等方面也有廣泛應用。而云桌面這種新型的桌面技術，把以往的個人電腦桌面中的存儲和計算的功能都轉交給服務器處理，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。在服務器中對應每一個使用者有一個虛擬的桌面系統。這樣的云桌面技術保障了使用者信息資源數據的安全完整，極大地減輕了本地使用者和維護者的工作負擔，并達到了環境保護的效果。
二、國內高校計算機機房建設存在的問題
1.硬件與軟件之間不匹配
現代高校計算機實驗室中，比較常見的問題是計算機硬件設備較為陳舊，有的應用時間達到了10年[2]。一些版本較新的軟件與操作系統無法在之前的計算機硬件系統中安裝。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增加了幾倍。相應的，為了使應用程序更好地實現交互和體驗，以及集中研發精力的實際需求，通常只會基于近3年的硬件進行開發和適配，因而導致這些應用對資源的消耗，已遠遠超過5年前主流計算機的性能，使得這類終端應用運行體驗很差甚至無法運行。另外，除硬件設備陳舊外，Intel自KabyLake架構（第七代酷睿）、AMD自Zen架構處理器開始，僅支持使用Windows10操作系統，但學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課程的開展。為此，學校方面應該適當增加對于計算機機房建設的資金投入[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。
2.更新與維護工作量大
現代各高校計算機機房已經成為多門課程教學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定，需要定期對設備進行維護。另外，為迎合教學活動的需求，計算機機房內部的課程軟件以及相關技術都需要做到經常性的更新，而定期維護與軟件硬件的升級等問題也相應需要有專業人員管理，隨著學校計算機機房的規模越來越大，承擔的課程越來越多，在設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的發展均具有促進作用，而這一點在高校發展中也至關重要[6]。各高校近年來普遍實現了信息化建設，包括教育系統與學生管理系統等，在日常授課中也均在逐步推進信息化技術的應用。但不同專業、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生與教師提供所需服務，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，在具體應用過程中，學生與教師無法結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，此種情況也限制了相關資源的利用率。
4.安全隱患較大
在互聯網環境中，存在著眾多安全隱患，包括信息丟失、惡意信息入侵等，高校的信息化建設以及實踐應用中還需要加強對安全問題的關注[8]。在高校計算機機房中，基于學生所用資料的接收與存放多會通過U盤進行，而U盤應用期間可能會將某種病毒帶入到計算機網絡中，致使網絡癱瘓，影響相關課程或學習任務的進行[9]。同時，在現有計算機機房的架構下，大量的個人計算機分散在學校各個不同的計算機機房中，大規模安全防護軟件的更新、網絡危害的處理，所耗費的人力和精力已經遠遠超出了大多數高校機房管理部門的能力。在此種情況下，如不能及時處理網絡危害，將會導致計算機機房建設及應用面臨著諸多潛在風險。
三、基于云桌面的計算機機房建設優勢
1.教學環境具備個性化特征
教育云桌面在虛擬系統環境下，能夠結合個性化需求提供相應的教學環境。教師與學生借助網絡平臺登錄云桌面，參考學習任務與教學方式等選擇適合的教學環境，便于教學活動的開展。同時，云桌面還能夠提供遠程教學服務，教師在任何地方均能夠登錄云桌面。可隨時將預先設計好的教學課件與相應資料上傳到云平臺，并應用云桌面，完成對教學課件內容的講解。
2.可實現資源使用率與共享率的提升
教育云桌面經由虛擬技術完成多服務器的創建，能夠同步創建多個不同操作系統、不同應用的桌面場景，迎合學生與教師在教學活動中的需求。在計算機機房教學期間，計算機課程與其他課程內容存在著一定差異，傳統計算機需要參考此種差異實現區域劃分。但云桌面的應用不必要進行區域劃分，可直接結合具體需求構建起適合的桌面場景，便于滿足教學實踐需求。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，教師能夠經由網絡傳輸在云桌面上為校外學生提供教學服務，促使資源利用率得到進一步提升。
3.投入應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，其建設初期所需要投入的成本并未存在顯著差異。但在后期應用中，傳統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，此環節需要投入較高成本。但教育云桌面由于用戶所使用的操作系統的應用程序運行在云端，與本地個人計算機完全無關，因此本地個人計算機基本無須進行維護和升級，并且由于運行環境完全在服務器上，本地個人計算機不存在硬件升級這一環節，僅僅需要追加服務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.有助于提升應用安全性與經濟性
教育云桌面所提供的是虛擬教學環境，本地終端僅僅負責顯示及輸入與輸出，操作系統、應用安裝與數據的傳輸及存儲等全部在云端服務器上執行。云桌面的操作系統是置于數據中心的，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更新安全補丁，僅需在數據中心對操作系統鏡像進行一次安裝，所有用戶的桌面都可以得到對應的補丁升級。此種操作模式能夠有效控制傳統計算機可能出現的木馬與病毒攻擊風險，進一步提升系統安全性。在經濟性方面，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度，可以大大提高資源的共享率，減少總體設備數量，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備中不存儲數據，所以使用中僅需對運行在數據中心的桌面和應用進行集中維護，而末端設備幾乎免維護，可以大幅降低設備的后續維護成本。
四、基于云桌面的高校計算機機房建設
1.云桌面的架構設計
云桌面底層的核心架構是將用戶桌面環境和系統運行環境分離，把用戶的數據和應用都統一放在后端服務器之上，在服務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、操作系統和應用環境，這時，用戶可以使用云終端設備通過互聯網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
（1）云桌面的機房整體邏輯架構。機房整體邏輯架構如圖2所示。采用云桌面架構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、應用全部集中到后端數據中心的云平臺之上，各個機房終端通過互聯網訪問位于后端數據中心的操作系統和應用。師生可以根據需求在后端數據中心的云桌面平臺上申請自身所需的硬件資源，并部署操作系統和應用，形成自身專屬的桌面環境，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境，從而使所有計算機機房都具備滿足所有專業、所有課程教學實訓能力的多功能計算機機房。（2）云桌面的機房實現框架。教育云桌面結合虛擬化技術構建適合高校師生應用的計算機管理平臺，在運行模式與教學需求等層面迎合需求，有助于培養學生良好的學習習慣。云桌面設計中，虛擬桌面應用多個用戶端對網絡服務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，能夠在任何時候對虛擬機內安裝軟件與上傳數據。在存儲功能設計中，將云桌面的軟件與數據集中存儲到云存儲空間，避免服務器出現問題而限制用戶的訪問。應用云桌面后，僅僅需要一個客戶端設備，借助于專用程序或瀏覽器，便能夠訪問停留在服務器端的個人桌面與多種應用，效果與傳統的個人電腦不存在明顯差異，技術實現框架如圖3所示。
3.基于云桌面的高校計算機機房建設效果
（1）集中管理降低維護量。利用云桌面技術對機房進行管理后，實現機房內所有設備的集中管理，給機房管理人員日常維護和管理帶來極大的便利。傳統的機房管理模式需要管理人員對每個機房的操作系統及教學軟件進行安裝和調試。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備來執行這一操作，更新時間10min(以60個桌面為例)。利用統一的管理部署和監控平臺，可以支持任何智能設備登錄管理和監控平臺，能夠監測硬件設備使用率和Mac地址故障原因，可以進行數據統計，業務擴展可以在短時間內提供所需的信息。（2）節能環保，減少成本。云桌面技術可以實現所有終端設備的集中管理，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備遠程訪問服務器，并在服務器上相關操作。機房環境的安裝和部署以及大多數云桌面采用瘦客戶端+服務器模式，滿足學校使用計算機系統的需求，可以大大降低學校維護成本，減少維護人員數量。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PC機，高校可以通過定期升級服務器配置，提高機房的整體性能，大大節約了學校的投資成本。對比傳統電腦，基于云桌面的客戶端能耗具有顯著優勢（表1）。（3）保障數據安全。由于在機房中使用云桌面技術，所有操作系統以及機房的數據都在服務器中，而服務器一般都放置在網絡中心等環境要求較高的專業環境中，數據和網絡安全性較高，預防措施更好，系統不易被侵襲，數據不易被改變。云前端客戶端能夠快速連接服務器，執行相關操作，受機房環境影響較小，在很大程度上保證了數據的安全。利用云桌面技術，使機房管理人員能夠快速、便捷地部署房間環境，并根據不同課程在不同時間點的需求來滿足課堂的個性化需求，為教師的教學提供了極大的便利，激發了教師的積極性，為提高學校整體教學質量帶來了一定的幫助。對于學生來說，學生根據自己的專業背景和實驗環境來定制學習環境，極大地激發了學生的學習積極性和學習興趣。
五、結論
隨著5G、AIoT、人工智能等信息經濟的進一步發展，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，所以大多數高校的實訓平臺、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，但短時間內暫時又無法完全改變現有單機實訓教學的模式，所以如果采用云桌面來承載目前各個專業實訓任務的同時，云桌面本身的資源也是高校計算平臺的一部分。采用這種架構可以明顯地提升算力資源的利用率，從而降低成本。
參考文獻：
[1]楊正洪，周發武.云計算和物聯網[M].北京：清華大學出版社，2011：2-3.
[2]馬立榮，何鑫.探究云桌面技術的公共機房資源的共享整合—以陜西能源職業技術學院為例[J].信息與電腦(理論版)，2019(15)：18-19.
[5]肖光華.云桌面與傳統PC在高校信息化機房建設中的比較研究[J].軟件導刊（教育技術），2019，18（8）：91-93.
[6]李政.大數據時代計算機機房管理中云桌面技術的運用現狀及探究[J].通訊世界，2019，5（11）：35-38.
[7]張皓瑜，王莉.基于KVM技術的桌面云計算模式在高校應用與研究[J].網絡安全技術與應用，2019，9（2）：42-43.
[8]倪學平.虛擬技術+云桌面技術在計算機公共機房中的應用探究[J].電腦編程技巧與維護，2018，7（11）：167-169.
作者：劉全 黃維平 單位：中國地質大學
