基于融合架构的桌面云构造“互联网 +”教学设施共享平台设计论文

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　　摘 要 ：随着互联网技术的广泛应用,以及“互联网 +”在教育领域的持续渗透,教学资源管理模式的信息化、网络化和 数字化推动了以桌面云为代表的创新融合架构,为教学资源共享平台建设提供了支撑。本文以“互联网 +”教学设施共享平台 为研究对象,深入讨论基于融合架构的桌面云构造逻辑,优化“互联网 +”教学设施共享平台架构,完善其功能体系,实现教 学设施的跨网络共享。

　　【Abstract】：With the wide application of Internet technology and the continuous penetration of "Internet+" in the field of education, the informatization, networking and digitalization of teaching resource management mode have promoted the innovative integration architecture represented by desktop cloud, providing support for the construction of teaching resource sharing platform . This paper takes the "Internet+" teaching facility sharing platform as the research object, deeply discusses the desktop cloud construction logic based on the fusion architecture, optimizes the "Internet+" teaching facility sharing platform architecture, improves its functional system, and realizes cross network sharing of teaching facilities.

　　【Key words】：integration architecture;desktop cloud;network sharing;"Internet+"

　　电子信息技术的发展推动了教学设施的信息化、数 字化,在“互联网 +”背景下,教学资源在空间和时间 上的分配问题得到了不同程度的解决。然而,受传统教 学资源共享机制的影响,以及现有网络资源共享平台的 基本架构和功能体系等多种因素的共同影响,教学设施 共享平台的作用并未得到充分发挥。针对这一问题,利用 融合架构的桌面云创新“互联网 +”教学设施共享平台设 计方案,从而满足新时期教学设施共享的多元化需求。

　　1 融合架构技术概述

　　计算机网络技术的多行业应用需要定制化的解决方案,早期方案构成主要包括服务器、存储单元和网络(互 联网或局域网),这是融合架构的雏形。随着计算机网络 技术的不断完善,融合架构的设计强调大数据背景下存储 单元的合理化配置,提高数据存、读效率,并解决传统网 络异构下存储单元扩展性问题 [1]。在规模化部署要求下, 分布式网络架构下的存储和计算节点大量增加, 在减少融 合架构成本的同时,其存储能力和计算能力显著增加,融 合架构成为多行业信息化系统建设的最佳解决方案。

　　2 融合架构技术特点

　　为应对大规模信息系统管理带来的压力,融合架构将数据中心作为计算单元、存储单元和基础网络架构的 融合平台,从而实现资源的协同部署,减少非必要节点 管理带来的开销。根据融合架构的组成,以及结合实践 经验,其特点主要包括以下几个方面。

　　2.1 资源分配智能决策

　　融合架构可以根据需求提供定制化的资源部署服 务,通过动态获取网络基础架构配置和资产接入情况, 实现对融合架构资源管理效率进行评价,并根据分布式 资源使用情况智能调整资源分配。在持续优化融合架构 资源管理模型的基础上,融合架构可以对所提供技术服 务的问题进行溯源,根据溯源结果智能选择解决方案, 并按照优先级顺序执行,提高资源管理效率。

　　2.2 有效控制成本支出

　　基于资源分配的智能决策机制,融合架构能够针对 不同用户需求下的复杂业务管理提供最优的成本控制方 案,减少非必要资源开销下的成本支出。在保证融合架 构科学性、合理性和安全性的前提下,可通过开放服务 接入端口与外部资源进行协同,发挥第三方服务平台的 资源优势,从而有效降低融合架构下资源管理成本的支 出,在集中管理机制下提高资源部署效率。

　　2.3 基于数据的效率管理

　　融合架构的设计是为了优化传统信息化系统解决方 案中的资源部署,在大规模并发资源调用请求下,融合 架构能够实现关联数据的动态分析,并通过绘制聚合视 图的方式为融合架构管理提供参考。在融合架构资源构 成发生变化的情况下,调整后的数据报文含有设备信 息,通过智能引导机制对融合架构资源配置进行更新, 扩充各层级协议,从而为满足完整视图下基于数据分析 的融合架构管理效率提升需求。

　　3 基于融合架构的桌面云构造“互联网 +”教学设施共 享平台

　　为实现集群化教学设施的全面共享,以及提高资源 管理效率,减少规模访问请求下教学资源管理开销,可 利用基于融合架构的桌面云打造“互联网 +”教学设施 共享平台。相比较传统教学设施共享系统,桌面云的融 合架构的智能化水平显著提升,且能够适应不同业务环 境下的各种需求。

　　3.1 基于融合架构的桌面云关键技术分析

　　桌面云是一种可以在服务器上运行的虚拟化桌面, 在授权范围内,相关人员可以通过终端访问桌面云 [2]。 其 主 要 采 用 了 虚 拟 存 储 技 术(Kernel-based Virtual Machine, KVM)搭建桌面云的虚拟架构,并通过互 联网实现对各类型接入设备的集中管控。因此,基于融合架构的桌面云关键技术有如下几点。

　　3.1.1 虚拟化技术

　　传统混合虚拟技术虽然能够满足桌面云集中管理功 能要求,但是,反复调用不同管理工具造成系统资源开 销过大。因此,基于融合架构的桌面云在虚拟化技术基 础上增加了抽象管理层的设计, 如 Libvirt 等。Libvirt 为上层提供各种管理虚拟化平台的开源 API,主要管理 对象包括虚拟机、远程访问、存储单元、网络接口、虚 拟 NAT 和路由网络,具体内容如表 1 所示。

　　借助透明化的分层手段, Libvirt 能够为不同类型 的虚拟化工具提供规范、稳定、可靠的程序接口,从而 实现虚拟化方式由繁到简的转变。并且,虚拟化技术的 通用 API 为虚拟机监控程序提供了环境支撑,虚拟机监 控程序通过连接 API、域 API、网络 API、存储卷 API 和存储池 API 等,实现其基本功能。

　　3.1.2 USB 重定向技术

　　USB 的典型架构包括主控制器、设备和集线器,因 此,USB 的系统驱动根据其架构也分为了三个层级,即 总线驱动、设备驱动和主控制器驱动(如图 1 所示), 而虚拟桌面是虚拟机的一种类型,因此,其同样具有 USB 三层驱动结构。其中, UBS 总线驱动主要用于识 别端口接入设备;USB 设备驱动则用于执行相关指令,实现对接入设备的精准控制;USB 主控制驱动则用于主 机与接入设备之间的信息传输。

　　USB 重定向则是在虚拟化技术的基础上,通过替 换 USB 驱动的方式对接入桌面云的本地设备进行控制, 根据驱动替换方式,可将其分为端口重定向和设备重定 向,并且, USB 重定向功能可根据实际情况开启或关闭, 从而实现对 USB 重定向策略的灵活控制 [3]。在具体实 施过程中,设计人员需要为桌面云添加 USB2 EHCI 驱 动,参考需要接入的 USB 设备数量调整 Channels 注 册,否则,桌面云则无法与接入设备之间正常通信。

　　针对局域网内 USB 设备的接入,则主要是由客户 端进行管理,通过 USB 重定向实现对 USB 接入的端口 配置,在虚拟主机与接入设备之间建立稳定的信息传输 路径。在此过程中,需要使用到 RDP 协议、SPICE 协 议和 USBRedir 协议等,而 Spice 协议在 USB 重定向中 的作用最为突出,其协议架构如图 2 所示。从图 2 中可 以看出, SPICE 协议架构较为复杂,在层级划分方面以 功能为依据,为能够提供更加便捷、高效的业务管理平 台, SPICE 架构下的客户端是以用户终端设备为运行载 体,依托动态链接库实现跨网络节点握手,通过 USB 重定向为服务端和 KVM 虚拟机提供支撑。

　　3.2“互联网 +”教学设施共享平台设计

　　为实现教学设施的集中管理,以及结合融合架构的 桌面云技术,该“互联网 +”教学设施共享平台采用了 多节点接入的拓扑结构(如图 3 所示),通过搭建 VDI 网络、VOI 网络,在系统内部和教学设施之间建立高质 量的通信网络。该设计在考虑平台稳定性的同时,也强 调了对成本的控制,将现有教学设施进行分类管理,并 通过桌面云实现以用户登录为主要方式的 VDI、VOI 桌 面系统,而教师则通过远程桌面实现对关联教学资源的调用和管理。

　　根据图 3 可以看出,该“互联网 +”教学设施共享 平台拓扑结构主要包括控制单元、设备单元、应用单 元。针对教学设施共享平台的功能设计,以及根据桌面 云融合架构的分布式设计,对应单元的具体组成、功能 如下：

　　(1) 控制单元由中控台和 VOI 桌面应用软件组成, 中控台主要用作平台管理员登录,通过中控台可实现对 教学设施的集中或独立管控,调整不同服务对象的平台 授权范围,拥有最高的优先级 [4]。VOI 桌面应用软件则 是教学管理人员进行教学管理的重要工具, VOI 桌面应 用可以对与 USB 重定向设备之间进行通信,从而在保证 “互联网 +”教学设施共享平台各项功能正常的基础上, 还能够对所需教学资源进行管理,以满足教学需要。

　　(2)设备单元包括主、备控服务器,以及传统 PC、 数据库、计算中心和路由器、交换机等计算机网络设备, 主、备控服务器的冗余设计能够提升“互联网 +”教学 设施共享平台的稳定性和可靠性,且主、备控服务器也 是应用层相关软件的载体,依据 TCP/IP 协议与 USB 重 定向后的教学设施之间进行通信 [5]。数据库是“互联 网 +”教学设施共享平台的数据存储中心,从数据安全 等方面考虑,该设计采用了分布式存储系统,同时也提高 了数据存取效率。计算中心同样采用了分布式技术,在云 计算技术日益成熟的背景下, VGPU 资源池的设计更加科 学,能够应对教学设施共享下大规模并发处理任务。

　　(3) 应用单元可根据载体的不同分为服务终端应用 软件和客户终端应用软件,服务终端应用软件是指在服 务器上运行的平台管理软件,此类软件关联所有虚拟端 口,可实现对分布式节点教学设施的集中或独立控制。

　　客户终端应用软件是以教师、学生为主要群体,根据软 件端口授权情况,可以访问对应的教学设施,并与桌面 云进行双向通信。

　　3.3“互联网 +”教学设施共享平台服务设计

　　基于融合架构的桌面云构造“互联网 +”教学设施 共享平台解决了线上教学资源集中管理的问题,提高了 教学设施的利用率,从而有效降低了传统教学设施采 购成本 [6]。该“互联网 +”教学设施共享平台的业务流 程参考了桌面云的设计,可提供相对完善的服务,如 Thor-WebSocketGo、VDI-API、VDI-API-RPC 等,多 元化的服务设计为丰富教学设施共享平台功能提供了支 撑,进而拓展了基于融合架构的桌面云构造“互联网 +” 教学设施共享平台的应用场景。

　　3.3.1 Thor-WebSocketGo 服务

　　该服务主要负责端的连接管理和消息转发功能,职 责简单清晰,该模块在 WebSocket 协议上实现消息连 接转发业务,其主要在“互联网 +”教学设施共享平台 的接入层充当端和各业务模块的枢纽中心和 Golang 语 言实现。其中,该平台设计中 Thor-WebSocketGo 服 务的执行文件路径为 /usr/lib/python2.7/site-packages/ tcloud/thor/websocketGO/websocketGo, 而 日 志 存 储目录则为 etc/thor/log/webSocketGo.log。

　　3.3.2 VDI-API 服务

　　该服务主要负责端的注册、登录、场景获取、推送、 登出、修改密码、设置序号、操作虚拟机(重启、关 机)、联动关机等业务。职责主要是为端主动请求的业务 处理服务、PYTHON 实现、单线程多进程默认 8 个进程。 在该设计中, VDI-API 服务的执行文件路径为 /usr/lib/ venvs/vdi/bin/python /usr/lib/venvs/vdi/bin/vdi-api --config-file /etc/vdi/vdi.conf --log-dir/var/log/vdi, 基于执行文件稳定性的考虑,应尽可能减少文件路径层 级,并选择 /var/log/vdi/api.log 作为文件存储目录。

　　3.3.3 VDI-API-RPC 服务

　　该服务主要负责转发 Console 对端发送的指令进行 转发(如重启、关机、修改终端参数、终端排序、强制 终端升级等)、Python 实现、单线程单进程。VDI-API- RPC 服务执行文件路径为 /usr/lib/venvs/vdi/bin/python/usr/lib/venvs/vdi/bin/vdi-api-rpc --config-file /etc/ vdi/vdi.conf --log-dir /var/log/vdi, 这 与 VDI-API 服 务的执行文件路径设置具有较高的重复性,且日志存储 路径同样为 var/log/vdi/api_rpc.log, 由此, 则能够有 效缩短 VDI-API 服务和 VDI-API-RPC 服务执行文件调 用所需时长。

　　除以上几个较为典型的服务外,基于融合架构的桌 面云“互联网 +”教学设施共享平台的服务功能还包括 VDI-Compute 服 务、Httpd 服 务、Thor-Vdistatus 服 务、Thor-Vdimonitor 服务、Thor-Guest 服务等。通 过响应虚拟机发送的各种请求,实现对不同任务的及时 响应和后台进程的加载,为主机和虚拟机搭建稳定的通 信链路,从而保证虚拟桌面对操作指令的准确响应。

　　4 总结

　　基于融合架构的桌面云构造“互联网 +”教学设施 共享平台解决了长期以来教学设施跨网调度的问题,通 过分布式的融合架构设计,以及桌面云丰富的功能构 成,为教学设施的线上调度提供了强有力的支撑。随着 线上教学模式的推广,类似桌面云的线上教学平台将得 到进一步推广应用,在此背景下,融合架构的技术优势 将能够使“互联网 +”教学设施共享平台有效应对大规 模并发访问导致的网络拥堵问题,创新传统教学设施管 理模式,提高教学质量。

　　参考文献

　　[1] 雷显臻,张晶 .多种架构的桌面云模式选型及融合场景解决 方案研究[J].智能城市,2020.6(20):16-17.
　　[2] 张颖,凌仕勇 .VDI+VOI融合的多媒体教室桌面云设计与实 践[J].实验室研究与探索,2017.36(10):145-148+168.
　　[3] 闵鹏 .基于智慧校园的桌面虚拟化建设探究[J].教育信息技 术,2019(11):55-57.
　　[4] 韩邱晨 .基于IDV与VDI技术的融合云桌面在高校信息化建 设中的应用研究[J].信息与电脑(理论版),2021.33(16):173-175.
　　[5] 赵晓杰.VDI+VOI融合的多媒体教室桌面云设计与实践分析 [J]. 电子世界,2021(3):21-22.
　　[6] 廖淑华 .基于VDI架构的云桌面管理模式研究[J].现代信息 科技,2022.6(16):32-35.
 
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