下一代云桌面在教育行业应用的实践探索 _前端

NGD(Next,下一代云桌面)采用了混合计算技术，既支持服务器的后端计算资源池弹性分配，又支持客户机前端计算资源的分布式运算，从福建省教育行业的应用案例效果来看，在脱离服务器和网络运行的条件下，这种技术具有更强、更符合用户环境的适应性，也体现出其可用性和安全性，且有广泛的应用前景。
基于NGD的桌面虚拟化，既具备在部署、管理、交付上的简捷性，又可以实现集中管理和安全性。同时，充分利用计算机资源、节省建设成本、减轻信息化部门的维护成本，更好地保障业务连续性。目前，在教育行业计算机终端作为承载各类应用的基?。?一直处于松散的管理模式之下，包括多媒体教室、机房、电子阅览室、行政办公等各类应用场景，在管理和运行上存在不少难题。
教育终端桌面面临的问题
1.公共电子机房和阅览室面向广大学生开放，学生在使用过程中容易滥用资源，下载安装和教学无关软件，删除重要系统文件，时常导致终端电脑崩溃。
2.多媒体教室区域位置分布广，应用个性化强，网络稳定性较差，任课教师自行安装软件，容易出现病毒木马的传播感染。
3.农村中小学地域偏远，缺乏计算机专业维护人员，一旦出现系统故障，任课教师束手无策，且县(区)教育局也无足够人手提供技术支撑，导致计算机长期因故障搁置，影响教育信息化的应用效果。
传统教育终端桌面管理技术的缺陷
1.(网络)还原卡存在的问题
还原卡是教育行业最常见的一种教学终端管理技术，有基于网卡的，也有基于硬盘IDE接口的，但基础原理基本一样。主要缺陷包括：
(1)还原卡完全依赖计算机本地硬件，一旦出现计算机硬盘故障，计算机就无法开机工作。
(2)还原卡是一个硬件产品，容易出现硬件单点故障，损坏后更新维护麻烦。同时还原卡本身的安全机制并不完善，机器狗、磁碟机等病毒都可以穿透还原卡，导致系统中毒崩溃。
【下一代云桌面在教育行业应用的实践探索】(3)同一批还原卡只支持相同型号、相同版本、相同计算机配置的硬盘管理，不能实现多个不同计算机型号的连网管理，由于教学需要，发生教学应用更新时，对不同网络、不同型号计算机只能逐个机房进行更新，工作量很大。
(4)由于还原卡对操作系统进行了保护，造成计算机性能下降，还原卡进入保护状态下，不能保留病毒定义码或补丁升级，要想实现病毒库及教学应用更新或升级需要全部对传，且无法跨网对传，工作量大。
(5)还原卡通常需要保留本地硬盘上的一个重启不还原的分区，用于学生存放个人资料。资料容易感染或携带病毒，导致病毒在校园网中交叉感染。
2.无盘工作站
无盘工作站也是早期教育终端管理的常见手段之一，利用PXE启动原理，所有终端客户机上不需要硬盘，都通过读取服务器的网络磁盘来进行工作。主要缺陷：
(1)无盘工作站完全通过网络引导启动，对网络依赖性极强，一旦出现断网或者服务器宕机，所有客户机无法启动;
(2)由于无盘工作站在启动时需要将操作系统的引导文件读取到本地内存，数据传输量大，工作站启动时间长，师生使用体验差;
(3)无盘工作站无法支持多节点叠加模式，一旦需要大量的操作系统镜像模板时无法支持;
(4)无盘工作站无法支持移动设备的接入，终端硬件资源固定，无法弹性扩展终端计算性能，无法在多媒体教室、教师办公室等环境中部署。
传统云桌面的利弊
VDI(，即虚拟桌面基础架构)桌面虚拟化是近几年来出现的新技术，也称为传统云桌面，有的企业称其为“云课堂”、“云学堂”或者“云教室” 。其总体技术模式一样电脑桌面的文件打开方式改了打不开如何恢复默认值，都是通过瘦客户机连接到服务器，利用服务器的计算资源，包括CPU、内存、硬盘和显卡等，然后通过远程显示协议在前端瘦客户机显示器上展示出来。结构图见图1 。
图1 传统VDI结构图
由于采用了虚拟桌面方式，可以实现集中管理和分发，计算机故障容易解决、软件环境部署灵活、云计算功能、资源弹性分配、瘦客户机省电、占用空间小等优点明显。通过实际案例考察、实验测试、搭建应用环境等多种方式反复验证，2013年，我省曾选择部分学校进行试用，发现基于全后端计算的VDI桌面云方式暂时不具备大规模推广的条件。

文章插图

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1.可靠性差
由于VDI完全依赖后端计算资源，所有的显示都是通过网络进行传输，一旦出现网络中断或者延迟，前端桌面就会出现卡机或者跳帧的情况，严重影响正常使用。VDI桌面云部署方式通常有两种：一种是通过光纤将中小学和教育局连接，所有服务器集中在教育局数据中心，中小学机房部署瘦客户机，通过网络连接服务器运行桌面;一种是在每一个教室中部署一台服务器，各自管理。前一种方式一旦出现教育局到中小学的网络故障，都将直接导致教学事故。后一种方式虽然网络故障率较低，但由于只有一台服务器，万一宕机整个教学将完全中断，且只能等待厂家的技术人员来解决，学校网络人员则束手无策。
2.对高清和3D类应用支持效果差
由于VDI桌面云完全是利用服务器的计算资源进行工作，一旦涉及到高清3D类应用就会出现GPU资源不足的问题。从实践来看，只要10台以上并发运行3D类教学课件就会出现严重的跳帧情况，教学无法进行。而随着国家教育信息化的发展，高清3D应用的课件内容将会越来越多，特别是高校的电子教室更是如此， VDI桌面云无法满足未来教育信息化的新需求。
3.维护技术难度高
由于VDI桌面云将核心计算都放置在服务器上，前端瘦客户机相当于显示器，必须要完全掌握虚拟化技术才能很好的应对故障问题，做好维护工作。而普通中小学的技术人员很难快速全面掌握虚拟化知识，只能进行最基础的操作配置，一旦出现桌面云自身的系统故障，没有任何方法可以快速恢复教学。
4.后期投入成本不可估量
采用VDI桌面云后，所有的桌面读写都是依赖服务器的磁盘I/O性能。一旦长时间进行读写后，服务器的性能会有大幅度下降。目前教育行业计算机淘汰周期普遍5-6年，而VDI桌面云的性能在3年后就严重下滑，省内一些地方部署的VDI桌面云在2年10个月后桌面开机速度已经长达5分钟，同比PC电脑性能差距在50%以上，预计到第4-5年，VDI桌面云的性能几乎不可用。要提高性能，要么升级更换服务器硬件，要么升级更换存储，额外增加成本。
下一代云桌面应用探究
虽然VDI桌面虚拟化存在着不少缺陷，但它也打开了教育桌面管理的新思路。我们在尝试改造升级，看看是否可以既保留桌面虚拟化的优势，又可以规避其劣势。期间，在福建省的一所本科大学建设了一套虚拟化桌面管理平台，其作为下一代云桌面技术将带来教学信息化的新变革。
下一代云桌面(NGD)技术是在传统VDI桌面虚拟化技术上融合了前端计算能力，不但可以利用服务器的计算资源，也可以同时利用前端瘦客户机的计算资源。由于CPU芯片技术的发展，瘦客户机的CPU和GPU能力都相当不错，完全可以支持Win7以上操作系统和1080P高清视频的流畅播放。下一代云桌面的技术架构如图2所示。
图2 NGD部署架构示意图
这所大学原来的多媒体教室存在管理分散、防护能力差、地理位置分布较远等问题，网络延迟情况时有发生，而移动设备由于采用无线网络接入，网络的稳定性最弱。这次在12间电子教室、上百间多媒体教室以及部分移动办公设备共计近千台部署了下一代云桌面产品，其中电子教室内部分别采用了千兆和百兆网络连接，分布在各个教学楼的多媒体教室全部是百兆网络远程连接，移动办公设备则采用无线网络接入校园网。电子教室按照教学需要安装了、、会声会影、PRO/E的大型应用软件，下一代云桌面可以通过前端计算模式直接调用客户机的计算性能来运行等大型软件，由于采用的是分布式计算，即使数百台电脑同时运行也能够流畅工作，完全不会有VDI桌面云的卡顿情况。通过镜像缓存的方式，下一代云桌面可以实现离线运行，即使多媒体教室的网络中断，任课教师也可以继续使用电脑进行多媒体教学，不会像VDI桌面云那样宕机，影响教学业务。而需要灵活办公的移动终端如手机、平板则可以通过连接到下一代云桌面的远程虚拟桌面上进行办公，通过账户和密码随意在电脑、手机之间切换访问桌面。
有了高校的应用案例之后，我们又尝试在永安市教育局进行了中小学环境的大规模应用。永安教育局下属数10所学校位置分散，有很多中小学在偏远乡镇，网络环境比较差，不仅是学校外网带宽低，而且内部网络质量很差。应用下一代云桌面的部署方案时，因没有条件采用全光纤接入的方式进行改造，推荐采用多级部署的方式进行，将一级服务器部署在数据中心，将二级服务器部署在每个中小学，然后通过一级服务器进行集中监控和管理。这种技术方案既减少了服务器的投入(仅需要PC级服务器就可以支持200台以上终端)，又保证了瘦客户机在低带宽下独立运行。由于下一代云桌面同时支持前端计算，实现瘦客户机的离线可用，因此即使在10M环境下也可以保证中小学桌面稳定运行，即使1000台瘦客户机同时开机不超过1分钟，千台瘦客户机同时运行1080P高清和3D影像无任何卡顿，完全满足了多媒体教学的需要。
这两个典型项目实验取得较好的效果，验证了我们所设想的桌面云升级改造技术的可行性，完全满足了原来预想的教育桌面云的技术要求：
1.可靠性强
下一代云桌面技术同时支持前端计算和后端计算，能够做到离线可用，即使出现了网络延迟、中断或者服务器宕机，都可以保证教学业务的正常开展，不会由于桌面云系统本身导致教学事故。
2.全面支持多媒体教学
下一代云桌面可以充分利用前端和后端的计算资源，可以采用分布式GPU播放1080P高清视频和3D应用，即使千台并发也非常流畅，不会有卡顿死机情况发生，满足各类多媒体课件的性能要求。
3.维护简单
下一代云桌面的架构决定了系统的稳定性，用户只需要会基本使用即可，即使下一代云桌面系统自身崩溃，终端瘦客户机也可以正常运行，不用等待厂家技术来维修和更换系统。
4.一次性投入
下一代云桌面可以同时利用前端瘦客户机和后端服务器的性能，桌面的读写压力不会完全落在服务器上，在相同使用率的情况下，也是传统VDI桌面云近2倍的性能，在5-6年的教育信息化终端生命周期中不用再增加投入。
结束语
在未来的教育信息化领域中，单纯依赖服务器集中计算的VDI桌面云模式很难满足教育行业的发展需要电脑桌面的文件打开方式改了打不开如何恢复默认值，特别是网络复杂的中小学环境无法大规模复制推广，而下一代云桌面(NGD)充分融合了前后端计算，采用混合计算模式充分发挥前端瘦客户机和后端服务器的性能，既可以利旧保护投资，又可以离线运算，流畅运行3D高清。下一代云桌面技术不论在高校机房的高性能教学业务，还是在中小学跨区域的大规模桌面集中管理，都是非常值得推广复制的。因此，通过近几年的理论研究和实践探索，我们坚信下一代云桌面技术势必带来教育信息化的新变革。(作者：何林，福建省教育管理信息中心)
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