采用桌面虚拟化技术的现代实验室设计与应用

随着教学信息化、网络化、智能化的程度越来越高,为知识和文化的传播开创了前所未有的历史阶段,也为高等教育教学带来了惊喜与震撼。尤其是信息化实验室在教学中的运用,不仅给各学科的教育教学提供了空前的便利与支持,也给教与学带来了革命性的意义。各大高校均建立了颇具规模的多媒体教室、实验实训机房、模拟仿真实验实训室、自主上机实验室和电子阅览室。但信息化实验室的建设同时也带来了困扰,前期的软硬件投资大不说,购置的PC仅仅为了满足一项或几项教学应用需求,对于绝大多数师生而言,PC太多、太强的功能,其实是一种浪费。而在上课或机考期间发生的莫名其妙的系统崩溃、病毒的感染,计算机无法开机等问题,不仅耽误师生宝贵的时间还会影响正常的教学秩序。而且维修起来费时费力,必须保证实验技术人员随叫随到现场处理问题。可以说,PC带给高校师生和实验人员的是投资、功能上浪费和永不停歇的“烦恼”。

1.高校信息化实验室的现状与问题

(1)高校信息化实验室的现状

目前的高校IT环境,往往是PC终端数量巨大,形式多样、部署分散、品牌繁多,为满足各专业不同的教学需求(如动漫、绘图、仿真模拟等),需要采购不同配置的PC和不同形式的软件。各高校不仅要为此付出高额的采购成本,还要为传统PC庞大的体积准备宽裕的教学场地,在实施过程中还需要配备专门的人力、物力和财力。

在高校信息化实验室管理方面,高校的PC硬件一般是由实验中心或现代化教育中心的实验技术人员负责维护管理,部分学校由代课老师兼职,由于不同的课程对应不同的教学软件,就意味着要同时管理、维护、升级几十种教学软件,为保证PC的正常使用,实验机房和实验实训室里一般从制度和技术两个方面开展管理。在制度上,对PC使用者出台强制管理制度规定,如不得随意打开或关闭主机;不得私自带U盘进入机房;不得删除、更改桌面图标;不得更改桌面及系统设置等等。在技术上,采用软件和硬件两种方法综合进行,软件控制一般采用安装杀毒和防火墙软件,禁用部分PC功能,手动Ghost还原系统等方法;硬件控制方面,一般采取安装还原卡,手动替换硬盘、内存等方式。

多媒体教室中的PC各种问题更是层出不穷。如某位教师授课用的软件没有安装,上课时教室电脑系统突然崩溃,还原卡失效导致电脑中毒瘫痪,一个管理维护人员需要管理多个不同教室的PC,每种机型需要准备多个克隆镜像等问题不仅影响了教学,而且一直在困扰着学校的维护管理人员。

(2)高校信息化实验室存在的问题

实验实训室、实验机房PC当前管理办法的弊端有:违规行为频繁发生,规范形同虚设;上机环境准备困难,终端系统维护量大,影响教学工作开展;频繁使用系统还原卡易蓝屏死机,不能跨网段统一管理。病毒库、补丁无法实时更新,机房PC安全性低。

传统高校信息化实验室的计算机软件系统一般采取三种管理模式:①虚拟机软件管理模式。由服务器通过PXE等协议把桌面操作系统传送到局域网内的虚拟工作站(如VMware Workstation),PC(客户机)在虚拟环境下运行一个操作系统实例。带来的不足为客户机性能下降;一些软件无法安装。②无盘系统管理模式。由服务器通过PXE等协议把桌面操作系统传送到局域网内的PC上,在PC(客户)硬件上直接运行一个操作系统实例。其不足为所有数据集中在服务器上,对服务器性能要求高。③还原卡管理模式:接管BIOS的INT13中断,将FAT记录、引导区、CMOS信息、中断向量表等信息都保存到卡内的临时储存单元中或是在硬盘的隐藏扇区中,用自带的中断向量表来替换原始的中断向量表;其不足为容易中机器狗病毒;不能管理不同硬件配置的PC;不能跨网段;自身故障后很难维护PC。

在面对设备的管理、维护、升级等挑战,高校各级管理人员和实验技术人员经常会不断地提出疑问:我们到底需要什么样的终端设备呢?是需要不断升级、硬件功能强大的PC吗?

2.桌面虚拟化技术概述

(1)桌面虚拟化。桌面虚拟化技术,是一种基于服务器的计算模型,并且借用了传统的瘦客户端的模型,让管理员与用户能够同时获得两种方式的优点:将所有桌面虚拟机在数据中心进行托管并统一管理;同时用户能够获得完整PC的使用体验。形象地说,我们可以通过任何设备,在任何地点,任何时间访问在网络上的属于我们个人的桌面系统。

(2)桌面虚拟化系统。桌面虚拟化系统是一个硬件和软件相结合的系统。虚拟桌面的所有计算处理都是在服务器端完成,终端与服务器之间的交互仅仅是输入指令和输出显示图片,不存在实际数据的交互。

3.桌面虚拟化技术在现代实验室中的构建与实施

(1)桌面虚拟化实验室的设计(www.xing528.com)

（5）存在正定对角阵P，使得是一个正定矩阵.

利用引理2.11中的等价性（5），可以给出M-矩阵的如下一般定义.

定义2.18 如果方阵B的所有非对角元都非正，且存在正定对角阵P，使得是一个非负定矩阵，则称B 是一个M-矩阵.

显然，相比于定义2.17，上面的定义2.18同时包含了可能奇异的M-矩阵，而前面加权有向图的Laplace矩阵就恰是一个奇异的M-矩阵.下面我们给出它的一个重要性质.

(2)桌面虚拟化实验室的实施

通过“桌面漫游”使老师能够在多个地点,多种设备上(如PC、笔记本、IPAD、智能手机、云终端等)进行灵活便利的、连续性的备课和授业活动。无论学生在与不在教室,在授权许可下,都能够访问课业桌面获得完整的学习环境,也可以通过电子书包访问桌面,实现桌面才能做到的各种操作;师生只要在实验实训平台中换一下用户名密码,就能快速切换到新的实训教学环境,使教室与实训中心的设施得以充分利用;管理员只需进行用户绑定和后台管理,课程资料就会以桌面形式完整归档;当硬件发生故障时,用户只需简单替换终端设备即可恢复工作,实现桌面与终端硬件无关,使用系统镜像回滚或者备份文件重启功能,只需几分钟系统和应用即可恢复使用,不用担心用户数据的丢失;通过虚拟桌面远程监控功能,可以保证学生正常使用云服务的同时又能遵循行为规范,监控日志也可为出现问题的系统第一时间定位原因。可限定用户在指定时间和地点只能使用指定桌面,避免用户做与工作、学习无关的事情;限定只有少数USB设备才能用于访问机密数据,在同一方案中同时支持虚拟桌面和虚拟应用,根据业务需要,用户自主选择使用虚拟桌面或虚拟应用,配置简单灵活,无需复杂专业知识。

4.桌面虚拟化在现代实验室中的应用效果

桌面虚拟化在实验室中应用后,其优势体现为:①使用优势。实现移动教学,在各类教室中自由漫游,所有的用户在使用电脑时都不会察觉到虚拟桌面系统的运行;②管理优势。管理员能统一控制管理电脑的操作系统和软件,集中管理、中央控制电脑部署,管理员的工作不再烦恼,教师、学生不再抱怨。③成本优势,拥有合理的建设成本和使用成本,保护机房PC原有投资,发挥本地计算性能。和传统PC+显示器的模式相比,降低80%的电费,所有的设备节能环保,符合国家发展规划;④技术优势。采用云计算技术,是IT技术发展的方向,可以轻松架构任何系统平台,包括windows、linux等。⑤安全优势。能够适时备份各种数据,而且与终端分离,避免风险。⑥共享优势。标准化统一,其他终端可以随时接入;实现所有资料共享,随时轻松办公、学习,不同校区、专业的教学资料能够轻松相互借鉴。具体介绍如下:

(1)多媒体教室。所有教室桌面实现统一管理,减轻管理员的工作压力;数据更新快,应用下发更迅速。更新一台、一百台、一千台计算机仅需更新一台主镜像即可;可以离线使用,保证了在断网的情况下不影响正常教学。

(2)实验机房。在100台PC上更新数据如同在一台PC上更新一样,且不需要先还原卡那样对每一台计算机网络同传;学生的个性化数据可以实现漫游,数据不局限在同一台PC中,也实现了计算机的一机多用;软件对Linux、Windows系统的支持使得终端部署可以多样化,不经过INT13实现还原,无论是系统的部署速度,运算速度均不会受影响。

(3)语音教室。可根据教学需求,使用排程功能,达到个性化、多样化教学。

(4)电子阅览室、教师办公区。集中管理,免维护,系统损坏后可轻松恢复,能快速更新数据,并下发至所有客户机,不改变教师使用习惯,保留个性化设置,管理维护简单方便,不需要专业的技术人员,不降低现有PC使用性能。

在实验室中应用桌面虚拟化技术后,高校的决策者们真正找到了性价比最高、技术最先进的建设方案,不再为年年更新与淘汰设备而烦恼;教师们的所有资料实现共享,无论何时何地轻松获取,不再继续奔波在教案、材料的来回拷贝中;学生们可以轻松利用学校的各种资源,不再抱怨机器太慢了,又中毒了。管理员通过管理员身份及时处理各种应急状况,不再有忙碌的身影与无尽的抱怨,桌面虚拟化为数字化实训平台提供了有力的保障,为学校的发展提供了坚实的基础。