云桌面技术在高校计算机实验教学中的应用探究

摘要：为了加快高校信息化建设，加大医工复合型人才培养力度，本文针对计算机实验室在传统单机管理模式下出现的问题，提出了云桌面技术解决方案，搭建了一套用于生物医学工程专业的实验教学和个性化学习的云桌面系统。该系统提升了实验室的管理效率和服务力度，改进了生物医学工程专业的计算机实验教学模式，提高了学生的信息化素养。

关键词：云桌面技术；VDI架构；计算机实验室信息化建设

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2025）02-0098-06

引言

随着高校信息化建设的不断推进，高校对计算机实验室设备性能以及实验室管理水平的要求也越来越高。笔者所在学校生物医学工程学院计算机实验室（以下简称“实验室”）是学校信息化类课程的实验教学基地，由于实验室多元化需求增多、实验教学环境复杂、实验教学任务重，实验室出现了单机负载重、管理烦琐、维护效率低下等问题。[1]同时，在“新工科”[2]背景下，生物医学工程专业（以下简称“生工专业”）作为笔者所在学校具有代表性的交叉性学科[3]，对学生信息化素养的培养更是加大力度，但由于受到有限的实验教学时间和单机固定的实验教学环境限制，传统的单机管理模式已经不能更好地满足生工专业的实验教学和个性化学习需求。

近几年，云桌面技术在高校得到广泛应用[4-7]，其将物理资源映射为逻辑的虚拟资源，对计算机桌面环境进行虚拟化，使用户在终端访问云桌面时桌面与访问单机环境的桌面一致。同时，云桌面技术具有资源集中管理、共享和虚拟桌面的快速部署[8-9]等特点，可提高桌面使用的安全性以及灵活性。

结合云桌面技术特点，针对当前传统的单机管理模式在高校实验教学中出现的问题，笔者所在学校的实验室设计了一套基于云桌面技术的实验教学平台，既满足了生工专业的医工复合型人才的培养需求，又为计算机实验室信息化建设开辟了有效途径。

云桌面虚拟化架构

目前，云桌面系统中常见的桌面虚拟化架构有虚拟桌面基础架构（Virtual Desktop infrastructure，VDI）、虚拟操作系统基础架构（Virtual Operatingsystem infrastructure，VOI）、智能桌面虚拟化（Intelligent Desktop Virtualization，IDV）等。[10]VDI采用了集中存储和集中计算的架构，可实现硬件资源的统一管理和弹性分配，且能够高效利用硬件资源。[11]因为计算和管理都集中在服务器端，VDI的终端不运行计算软件也不存储数据，所以VDI对服务器端配置要求较高，但对终端配置要求低，同时，VDI可支持多终端硬件设备访问云桌面。VOI采用服务器端集中存储、终端分布式计算的架构。[12]VOI将计算功能迁移到终端，因此对客户端的硬件配置要求较高，同时在使用云桌面系统时，需将镜像下载到终端才可使用，所以虚拟桌面部署速度慢于VDI。IDV也是采用服务器端集中存储、终端计算的架构[13-14]，但是相比于VOI架构，IDV需要在终端运行硬件虚拟化层和镜像，对终端硬件性能要求更高。

基于以上三种云桌面架构的特性，首先，结合目前生工专业实验教学的使用规模和计算量，考虑采用VDI，原因是不会造成服务器过载和网络带宽问题。其次，VDI云桌面系统可统一管理资源，快速部署云桌面，方便实验室统一管理调配资源和云桌面的维护。最后，相比于VOI和IDV，VDI对终端资源占用少，终端配置要求低，可解决目前实验室单机模式管理面临的问题。因此，学校实验室选择采用基于VDI架构的云桌面系统。

云桌面系统设计

1.云桌面系统模型

云桌面系统采用VMware公司的VMware vSphere和VMware Horizon进行搭建。VMware vSphere是虚拟化基础架构[15]，VMware Horizon是基于VDI的云桌面基础架构，可实现在vSphere环境中，按需快速创建云桌面，并将云桌面安全交付给终端。[16]

云桌面系统模型分为四层（如图1）。底层硬件资源将现有的硬件设备组成一个小型集群。在此基础上搭建VMware vSphere虚拟化基础架构，在vSphere环境中部署VMware Horizon云桌面。终端访问平台借助Horizon提供的客户端轻量级软件或支持HTML5的浏览器，将PC机、笔记本电脑、平板电脑等作为瘦客户端远程访问云桌面。

2.云桌面系统构成

云桌面系统主要由ESXi系统、vCenter Server（中心服务器）、Connection Server（连接服务器）、Active Directory域服务器（活动目录域服务器）和若干云桌面构成。

ESXi系统和vCenter Server是VMware vSphere虚拟化架构的两个核心组件。ESXi系统虚拟化整个硬件系统，并在物理服务器上创建和管理虚拟机。ESXi系统可直接在裸机上安装，生成ESXi主机。vCenter Server通过建立数据中心，统一管理资源池，将现有CPU、存储、网络，包括ESXi主机、虚拟机和所有虚拟化的资源等都迁移至数据中心，并通过vSphere管理端软件vSphere client监控整个vSphere的虚拟化环境。Connection Server是Horizon的重要组件之一，可将用户请求的云桌面定向到对应的虚拟机上，同时借助Active Directory域服务器对连接终端进行身份验证，管理对远程云桌面的访问权限。

3.云桌面系统实施

计算机实验室云桌面系统具体实施如上页图2所示。

实验室将现有两台联想服务器Lenovo ThinkSystem SR850、Lenovo ThinkSystem SR860和联想ThinkSystem DE4000H磁盘阵列组成一个小型集群。磁盘阵列分别通过光纤通道（Fiber Channel，FC）与两台服务器冗余链接，用作小型集群的共享存储，用户访问的云桌面以虚拟机的形式分布在共享存储上。整个小型集群作为云桌面系统的服务器端硬件资源。

在小型集群上安装ESXi系统，生成两台ESXi主机，即ESXi01和ESXi02，将其规划为云桌面系统的两个计算节点，ESXi主机通过集中式共享存储方式，将虚拟化资源存储在磁盘阵列上。vSphere的核心组件vCenter Server以虚拟机形式部署在ESXi01主机上，部署大小选择“小型”，“小型”规模的主机及虚拟机上限数量分别为100和1000台，该规模足以满足生工专业师生使用。通过vCenter Server新建虚拟机和虚拟机模板，利用Horizon的Connection Server的桌面池功能将虚拟机模板批量克隆生成若干虚拟机，并自动进行快速配置和部署。云桌面系统共安装了4个虚拟机模板，2个用于实验教学的Windows和Ubuntu虚拟机模板，每个模板中安装实验教学所需软件。虚拟机配置为2个虚拟CPU资源，8GB内存，硬盘采用精简置备，即根据使用情况弹性调节硬盘大小，最大到150GB。另外2个Windows和Ubuntu虚拟机模板用于个性化学习，依据申请人数可以随时克隆生成虚拟机，虚拟机由学生自行安装软件，可满足个性化学习需求。在虚拟机模板上需要安装Horizon Agent代理服务，与Horizon客户端程序一起实现云桌面监控、云打印以及本地USB设备连接等功能。在创建桌面池时，Horizon Agent代理服务可自动安装到每一个由模板生成的虚拟机上。

整个云桌面系统采用Windows的Active Directory域服务器（简称AD域服务器）管理，AD域服务器主要负责标识系统中的主机及虚拟机，同时存储和验证用户信息。在AD域服务器上建立域2j402.vdi，并配置DHCP服务，可在生成的虚拟机上自动分配IP地址、子网掩码、网关和DNS等网络参数。在AD域服务器下创建USER组，设置50个用户，分别用于验证登录云桌面系统访问虚拟机的50个用户。

实验室管理员通过vSphere Client管理端远程访问vCenter Server服务，管理和监控整个vSphere运行环境。

在校园网内，用户可采用Horizon客户端软件或者直接使用支持HTML5的浏览器访问云桌面。

云桌面系统的网络规划及硬件配置具体如上页表1所示。

4.终端接入方式

Horizon提供了两种终端接入方式，即终端软件Horizon Client和直接使用支持HTML5的浏览器访问云桌面。Horizon Client可运行在不同的物理机平台上，支持Windows、Linux、MacOS、Android和IOS等系统，Horizon一般会先将最新的功能在终端软件上实现。如果没有安装终端软件，可直接使用浏览器访问云桌面。两种接入方式均提供窗口或全屏幕访问，全屏幕访问可以做到本地机与云桌面无差别访问；两种接入方式同时支持VMware Blast Extreme显示协议，该协议具有优质的显示效果和低带宽占用，同时对CPU损耗低，延长了物理设备使用寿命。在两种接入方式中，Horizon Client功能更全，操作更方便，但是需要安装，浏览器接入方式访问灵活，但是支持的功能有限。

以PC机安装Horizon Client终端软件为例，PC机首先设置DNS服务器地址为AD域服务器的IP地址172.31.238.114，本机IP地址选择“自动获得IP地址”，然后打开Horizon Client终端软件，添加服务器，服务器名为“cs.2j402.vdi”，地址为“https：//cs.2j402.vdi/”，单击已添加的服务器“cs.2j402.vdi”，输入客户端访问的用户名和密码，登录云桌面系统，选择相应的云桌面登录。Windows和Ubuntu云桌面如图3所示。

云桌面系统应用

云桌面系统在2023—2024第一学期分别在21级和23级生工专业的计算机实验教学中应用，表2列出了21级和23级生工专业师生使用云桌面进行实验教学的课程、使用人数、上课周次以及在实验室内外登录云桌面的时长对比。

讨论

从计算机实验教学和个性化学习方面来看，云桌面系统的应用保证了实验教学的正常进行，同时提供了灵活的访问方式，除了在实验室内借助终端软件或浏览器访问云桌面以外，还可以在校园网内使用瘦客户端随时随地登录云桌面。通过问卷调查显示，91%的学生认为使用云桌面系统中的软件比较流畅，78%的学生认为在校内使用瘦客户端登录云桌面系统十分便捷，97%的学生认为使用云桌面巩固了课堂所学的计算机知识，64%学生认为云桌面的使用拓展了课外计算机相关知识，满足了个性化学习需求，提升了个人信息化素养。从总体上看，有约89%的学生对云桌面系统的整体评价是满意及非常满意。

从实验室管理方面来看，原有硬件系统维护需要管理员拆卸机箱进行部件更换。软件系统维护主要以硬件还原卡为主，复制一套完整实验教学环境时间较长，不能高效解决突发的单机故障。在云桌面系统投入使用后，只在实验室单机环境中安装了轻量级的客户端软件Horizon Client，降低了单机负载，减少了硬件故障发生，同时延长了终端硬件使用寿命。在原有单机管理模式下，实验室管理员在巡检时需检查每一台单机使用情况，在云桌面系统投入使用后，管理员可远程监控云桌面状态，当发现问题时，可在远端及时对云桌面进行重置、重启、开机或关机等操作，缩短了传统单机管理模式下的巡检时长，降低了解决单机故障的平均时长。具体实验室使用云桌面系统前后的运维管理对比如表3所示。

从云桌面系统的安全性方面来看，由于云桌面系统采用VDI架构，数据在服务器端统一管理，因此服务器端的安全成为云桌面系统正常运转的重点。vSphere提供了保障服务器端数据安全方法。vSphere集群服务（vSphere Cluster Services，vCLS）可确保在vCenter Server变得不可用时，仍可维护在集群中运行的工作负载的资源和运行状况，保证了系统的稳定性。同时，为了平衡负载，在集群上开启vSphere DRS 和vSphere HA两个服务，其中vSphere DRS服务可监控系统负载情况，自动迁移主机上的虚拟机，用于平衡主机上的资源，防止过载。vSphere HA服务保证如果其中一台ESXi主机出现故障，可自动将故障ESXi主机上的虚拟机迁移至集群中另一台ESXi主机上。