下一代云桌面在教育行業(yè)應用的實踐探索 _前端

NGD(Next,下一代云桌面)采用了混合計算技術(shù) ，既支持服務器的后端計算資源池彈性分配，又支持客戶機前端計算資源的分布式運算，從福建省教育行業(yè)的應用案例效果來看，在脫離服務器和網(wǎng)絡運行的條件下，這種技術(shù)具有更強、更符合用戶環(huán)境的適應性，也體現(xiàn)出其可用性和安全性，且有廣泛的應用前景。
基于NGD的桌面虛擬化，既具備在部署、管理、交付上的簡捷性，又可以實現(xiàn)集中管理和安全性。同時，充分利用計算機資源、節(jié)省建設成本、減輕信息化部門的維護成本，更好地保障業(yè)務連續(xù)性。目前，在教育行業(yè)計算機終端作為承載各類應用的基?。?一直處于松散的管理模式之下，包括多媒體教室、機房、電子閱覽室、行政辦公等各類應用場景，在管理和運行上存在不少難題。
教育終端桌面面臨的問題
1.公共電子機房和閱覽室面向廣大學生開放，學生在使用過程中容易濫用資源，下載安裝和教學無關(guān)軟件，刪除重要系統(tǒng)文件，時常導致終端電腦崩潰。
2.多媒體教室區(qū)域位置分布廣，應用個性化強，網(wǎng)絡穩(wěn)定性較差，任課教師自行安裝軟件，容易出現(xiàn)病毒木馬的傳播感染。
3.農(nóng)村中小學地域偏遠，缺乏計算機專業(yè)維護人員，一旦出現(xiàn)系統(tǒng)故障，任課教師束手無策，且縣(區(qū))教育局也無足夠人手提供技術(shù)支撐，導致計算機長期因故障擱置，影響教育信息化的應用效果。
傳統(tǒng)教育終端桌面管理技術(shù)的缺陷
1.(網(wǎng)絡)還原卡存在的問題
還原卡是教育行業(yè)最常見的一種教學終端管理技術(shù)，有基于網(wǎng)卡的，也有基于硬盤IDE接口的，但基礎(chǔ)原理基本一樣。主要缺陷包括：
(1)還原卡完全依賴計算機本地硬件，一旦出現(xiàn)計算機硬盤故障，計算機就無法開機工作。
(2)還原卡是一個硬件產(chǎn)品，容易出現(xiàn)硬件單點故障，損壞后更新維護麻煩。同時還原卡本身的安全機制并不完善，機器狗、磁碟機等病毒都可以穿透還原卡，導致系統(tǒng)中毒崩潰。
【下一代云桌面在教育行業(yè)應用的實踐探索】(3)同一批還原卡只支持相同型號、相同版本、相同計算機配置的硬盤管理，不能實現(xiàn)多個不同計算機型號的連網(wǎng)管理，由于教學需要，發(fā)生教學應用更新時，對不同網(wǎng)絡、不同型號計算機只能逐個機房進行更新，工作量很大。
(4)由于還原卡對操作系統(tǒng)進行了保護，造成計算機性能下降，還原卡進入保護狀態(tài)下，不能保留病毒定義碼或補丁升級，要想實現(xiàn)病毒庫及教學應用更新或升級需要全部對傳，且無法跨網(wǎng)對傳，工作量大。
(5)還原卡通常需要保留本地硬盤上的一個重啟不還原的分區(qū) ，用于學生存放個人資料。資料容易感染或攜帶病毒，導致病毒在校園網(wǎng)中交叉感染。
2.無盤工作站
無盤工作站也是早期教育終端管理的常見手段之一，利用PXE啟動原理，所有終端客戶機上不需要硬盤，都通過讀取服務器的網(wǎng)絡磁盤來進行工作。主要缺陷：
(1)無盤工作站完全通過網(wǎng)絡引導啟動，對網(wǎng)絡依賴性極強，一旦出現(xiàn)斷網(wǎng)或者服務器宕機，所有客戶機無法啟動;
(2)由于無盤工作站在啟動時需要將操作系統(tǒng)的引導文件讀取到本地內(nèi)存，數(shù)據(jù)傳輸量大，工作站啟動時間長，師生使用體驗差;
(3)無盤工作站無法支持多節(jié)點疊加模式，一旦需要大量的操作系統(tǒng)鏡像模板時無法支持;
(4)無盤工作站無法支持移動設備的接入，終端硬件資源固定，無法彈性擴展終端計算性能，無法在多媒體教室、教師辦公室等環(huán)境中部署。
傳統(tǒng)云桌面的利弊
VDI(，即虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu))桌面虛擬化是近幾年來出現(xiàn)的新技術(shù)，也稱為傳統(tǒng)云桌面，有的企業(yè)稱其為“云課堂”、“云學堂”或者“云教室” 。其總體技術(shù)模式一樣電腦桌面的文件打開方式改了打不開如何恢復默認值，都是通過瘦客戶機連接到服務器，利用服務器的計算資源，包括CPU、內(nèi)存、硬盤和顯卡等，然后通過遠程顯示協(xié)議在前端瘦客戶機顯示器上展示出來。結(jié)構(gòu)圖見圖1 。
圖1 傳統(tǒng)VDI結(jié)構(gòu)圖
由于采用了虛擬桌面方式，可以實現(xiàn)集中管理和分發(fā)，計算機故障容易解決、軟件環(huán)境部署靈活、云計算功能、資源彈性分配、瘦客戶機省電、占用空間小等優(yōu)點明顯。通過實際案例考察、實驗測試、搭建應用環(huán)境等多種方式反復驗證，2013年，我省曾選擇部分學校進行試用，發(fā)現(xiàn)基于全后端計算的VDI桌面云方式暫時不具備大規(guī)模推廣的條件。

文章插圖

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1.可靠性差
由于VDI完全依賴后端計算資源，所有的顯示都是通過網(wǎng)絡進行傳輸，一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡中斷或者延遲，前端桌面就會出現(xiàn)卡機或者跳幀的情況，嚴重影響正常使用。VDI桌面云部署方式通常有兩種：一種是通過光纖將中小學和教育局連接，所有服務器集中在教育局數(shù)據(jù)中心，中小學機房部署瘦客戶機，通過網(wǎng)絡連接服務器運行桌面;一種是在每一個教室中部署一臺服務器，各自管理。前一種方式一旦出現(xiàn)教育局到中小學的網(wǎng)絡故障，都將直接導致教學事故。后一種方式雖然網(wǎng)絡故障率較低，但由于只有一臺服務器，萬一宕機整個教學將完全中斷，且只能等待廠家的技術(shù)人員來解決，學校網(wǎng)絡人員則束手無策。
2.對高清和3D類應用支持效果差
由于VDI桌面云完全是利用服務器的計算資源進行工作，一旦涉及到高清3D類應用就會出現(xiàn)GPU資源不足的問題。從實踐來看，只要10臺以上并發(fā)運行3D類教學課件就會出現(xiàn)嚴重的跳幀情況，教學無法進行。而隨著國家教育信息化的發(fā)展，高清3D應用的課件內(nèi)容將會越來越多，特別是高校的電子教室更是如此， VDI桌面云無法滿足未來教育信息化的新需求。
3.維護技術(shù)難度高
由于VDI桌面云將核心計算都放置在服務器上，前端瘦客戶機相當于顯示器，必須要完全掌握虛擬化技術(shù)才能很好的應對故障問題，做好維護工作。而普通中小學的技術(shù)人員很難快速全面掌握虛擬化知識，只能進行最基礎(chǔ)的操作配置，一旦出現(xiàn)桌面云自身的系統(tǒng)故障，沒有任何方法可以快速恢復教學。
4.后期投入成本不可估量
采用VDI桌面云后，所有的桌面讀寫都是依賴服務器的磁盤I/O性能。一旦長時間進行讀寫后，服務器的性能會有大幅度下降。目前教育行業(yè)計算機淘汰周期普遍5-6年，而VDI桌面云的性能在3年后就嚴重下滑，省內(nèi)一些地方部署的VDI桌面云在2年10個月后桌面開機速度已經(jīng)長達5分鐘，同比PC電腦性能差距在50%以上，預計到第4-5年，VDI桌面云的性能幾乎不可用。要提高性能，要么升級更換服務器硬件，要么升級更換存儲，額外增加成本。
下一代云桌面應用探究
雖然VDI桌面虛擬化存在著不少缺陷，但它也打開了教育桌面管理的新思路。我們在嘗試改造升級，看看是否可以既保留桌面虛擬化的優(yōu)勢，又可以規(guī)避其劣勢。期間，在福建省的一所本科大學建設了一套虛擬化桌面管理平臺，其作為下一代云桌面技術(shù)將帶來教學信息化的新變革。
下一代云桌面(NGD)技術(shù)是在傳統(tǒng)VDI桌面虛擬化技術(shù)上融合了前端計算能力，不但可以利用服務器的計算資源，也可以同時利用前端瘦客戶機的計算資源。由于CPU芯片技術(shù)的發(fā)展，瘦客戶機的CPU和GPU能力都相當不錯，完全可以支持Win7以上操作系統(tǒng)和1080P高清視頻的流暢播放。下一代云桌面的技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。
圖2 NGD部署架構(gòu)示意圖
這所大學原來的多媒體教室存在管理分散、防護能力差、地理位置分布較遠等問題，網(wǎng)絡延遲情況時有發(fā)生，而移動設備由于采用無線網(wǎng)絡接入，網(wǎng)絡的穩(wěn)定性最弱。這次在12間電子教室、上百間多媒體教室以及部分移動辦公設備共計近千臺部署了下一代云桌面產(chǎn)品，其中電子教室內(nèi)部分別采用了千兆和百兆網(wǎng)絡連接，分布在各個教學樓的多媒體教室全部是百兆網(wǎng)絡遠程連接，移動辦公設備則采用無線網(wǎng)絡接入校園網(wǎng) 。電子教室按照教學需要安裝了、、會聲會影、PRO/E的大型應用軟件，下一代云桌面可以通過前端計算模式直接調(diào)用客戶機的計算性能來運行等大型軟件，由于采用的是分布式計算，即使數(shù)百臺電腦同時運行也能夠流暢工作，完全不會有VDI桌面云的卡頓情況。通過鏡像緩存的方式，下一代云桌面可以實現(xiàn)離線運行，即使多媒體教室的網(wǎng)絡中斷，任課教師也可以繼續(xù)使用電腦進行多媒體教學，不會像VDI桌面云那樣宕機，影響教學業(yè)務。而需要靈活辦公的移動終端如手機、平板則可以通過連接到下一代云桌面的遠程虛擬桌面上進行辦公，通過賬戶和密碼隨意在電腦、手機之間切換訪問桌面。
有了高校的應用案例之后，我們又嘗試在永安市教育局進行了中小學環(huán)境的大規(guī)模應用。永安教育局下屬數(shù)10所學校位置分散，有很多中小學在偏遠鄉(xiāng)鎮(zhèn)，網(wǎng)絡環(huán)境比較差，不僅是學校外網(wǎng)帶寬低，而且內(nèi)部網(wǎng)絡質(zhì)量很差。應用下一代云桌面的部署方案時，因沒有條件采用全光纖接入的方式進行改造，推薦采用多級部署的方式進行，將一級服務器部署在數(shù)據(jù)中心，將二級服務器部署在每個中小學，然后通過一級服務器進行集中監(jiān)控和管理。這種技術(shù)方案既減少了服務器的投入(僅需要PC級服務器就可以支持200臺以上終端)，又保證了瘦客戶機在低帶寬下獨立運行。由于下一代云桌面同時支持前端計算，實現(xiàn)瘦客戶機的離線可用，因此即使在10M環(huán)境下也可以保證中小學桌面穩(wěn)定運行，即使1000臺瘦客戶機同時開機不超過1分鐘，千臺瘦客戶機同時運行1080P高清和3D影像無任何卡頓，完全滿足了多媒體教學的需要。
這兩個典型項目實驗取得較好的效果，驗證了我們所設想的桌面云升級改造技術(shù)的可行性，完全滿足了原來預想的教育桌面云的技術(shù)要求：
1.可靠性強
下一代云桌面技術(shù)同時支持前端計算和后端計算，能夠做到離線可用，即使出現(xiàn)了網(wǎng)絡延遲、中斷或者服務器宕機，都可以保證教學業(yè)務的正常開展，不會由于桌面云系統(tǒng)本身導致教學事故。
2.全面支持多媒體教學
下一代云桌面可以充分利用前端和后端的計算資源，可以采用分布式GPU播放1080P高清視頻和3D應用，即使千臺并發(fā)也非常流暢，不會有卡頓死機情況發(fā)生，滿足各類多媒體課件的性能要求。
3.維護簡單
下一代云桌面的架構(gòu)決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，用戶只需要會基本使用即可，即使下一代云桌面系統(tǒng)自身崩潰，終端瘦客戶機也可以正常運行，不用等待廠家技術(shù)來維修和更換系統(tǒng) 。
4.一次性投入
下一代云桌面可以同時利用前端瘦客戶機和后端服務器的性能，桌面的讀寫壓力不會完全落在服務器上，在相同使用率的情況下，也是傳統(tǒng)VDI桌面云近2倍的性能，在5-6年的教育信息化終端生命周期中不用再增加投入。
結(jié)束語
在未來的教育信息化領(lǐng)域中，單純依賴服務器集中計算的VDI桌面云模式很難滿足教育行業(yè)的發(fā)展需要電腦桌面的文件打開方式改了打不開如何恢復默認值，特別是網(wǎng)絡復雜的中小學環(huán)境無法大規(guī)模復制推廣，而下一代云桌面(NGD)充分融合了前后端計算，采用混合計算模式充分發(fā)揮前端瘦客戶機和后端服務器的性能，既可以利舊保護投資，又可以離線運算，流暢運行3D高清。下一代云桌面技術(shù)不論在高校機房的高性能教學業(yè)務，還是在中小學跨區(qū)域的大規(guī)模桌面集中管理，都是非常值得推廣復制的。因此，通過近幾年的理論研究和實踐探索，我們堅信下一代云桌面技術(shù)勢必帶來教育信息化的新變革。(作者：何林，福建省教育管理信息中心)
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