云桌面技術在虛擬仿真系統中的應用研究

萬晨

摘要：文章從論述虛擬仿真技術在輔助教育教學方面的作用入手，分析虛擬仿真系統使用和管理中存在的問題，針對現存的問題提出了一種新穎的將云桌面應用于虛擬仿真系統的方案。深入探討了方案的設計目標，設計了方案的總體架構，分析云桌面技術應用于虛擬仿真系統的優勢及云桌面與虛擬仿真技術融合在教育教學的應用。通過該方案能實現虛擬仿真系統的統一維護和管理，能有效提高虛擬仿真系統的使用和管理效率，創新教學模式，提高教學質量。

關鍵詞：云桌面；虛擬仿真；教育教學

中圖分類號：TP311.1? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）01-0130-03

1 研究背景

隨著信息技術的發展與進步，將虛擬仿真技術應用于教育教學越來越受到各大高校的關注。虛擬仿真技術能構建可視化、高度仿真、身臨其境的虛擬仿真場景，給用戶帶來互動性、趣味性和沉浸感等多樣化的體驗，將其應用于教育教學對培養學生的想象力、創造力和學習興趣具有重要作用[1]。目前高校已嘗試將虛擬仿真系統應用于課堂教學[2]、實踐教學、虛擬智慧教室[3]等教學場景中，解決了因傳統教育模式導致學生主體地位無法凸顯、因實際教學條件有限導致學生動手能力和創新能力無法充分培養的問題。通過應用虛擬仿真技術豐富了高校的教學形式，打破了時間空間的束縛，為學生創造了更加好的學習環境[4]。在新冠肺炎疫情期間，為確保停課不停學，高校開展在線教學、組織網上考試、開放在線教學資源，努力為師生提供服務[5]，虛擬仿真系統在其中發揮了重要作用。

雖然將虛擬仿真系統應用于教育教學中取得了一定的成效，但虛擬仿真軟件在使用中依然存在安全性低、兼容性差、仿真軟件安裝復雜、訪問速度慢、數據共享困難等問題[6]。在云桌面技術支持下，通過云桌面虛擬化改造虛擬仿真系統的使用和管理方式，為虛擬仿真系統提供統一的訪問入口，能改變虛擬仿真系統建設和管理思路，節約大量的人力物力，提高虛擬仿真系統的管理效率，創新教學模式，提高教學質量[7]。

2 虛擬仿真系統使用和管理現狀

虛擬仿真系統已經成為高校開展課堂教學和實踐教學的重要在線學習系統，虛擬仿真系統也正在逐漸成為教學活動中使用最為頻繁的系統之一，然而通過深入研究分析發現，當前虛擬仿真系統使用過程中存在著以下問題。

2.1 虛擬仿真系統易受攻擊，安全性差

虛擬仿真系統制作和設計比較復雜，導致安全問題排查和定位復雜，難以處理和解決。高校開放的網絡環境使得訪問系統的用戶難于管理，且并非所有的系統都對接高校統一身份認證系統，導致系統容易遭受攻擊，存在信息數據泄露、丟失等的風險。

2.2 虛擬仿真軟件安裝復雜，兼容性差

通常不同虛擬仿真系統采用不同的開發引擎和軟件架構，師生在使用系統時常因為缺少特定的插件導致系統的內容無法正常展示，需要重新安裝虛擬仿真軟件或者運行環境軟件，同時不同配置設備在運行系統時容易出現不兼容、卡頓等問題，導致虛擬仿真系統在教學中難以發揮應有的作用。

2.3 虛擬仿真系統統一維護和管理難度大

虛擬仿真系統通常都是根據教學需求逐步建設的，不同時期建設的系統存在系統間相互封閉，使得系統難于統一管理。隨著虛擬仿真系統不斷升級更新，系統的穩定性、軟硬件的兼容等問題將逐漸凸顯，系統的管理難度和管理工作量呈上升增長趨勢。

2.4 硬件建設和升級更新成本高

運行虛擬仿真系統通常需要高性能的終端設備，建設與系統配套的硬件設備成本高，且隨著系統的升級更新，硬件設備也同時需要迭代更新，每次對所有設備進行升級是一筆較大的支出。

3 云桌面應用于虛擬仿真系統的方案

方案設計的目的是通過利用云桌面與虛擬仿真等技術的融合，依托于計算服務器集群、存儲服務器及桌面虛擬化平臺提供的資源，現實虛擬仿真系統的整合、重構、組織和管理，通過云桌面為師生統一配置用戶權限、操作系統、CPU資源、內存資源和存儲資源，在保證各項資源有效合理利用情況下，讓師生流暢地訪問各類虛擬仿真系統。

3.1 方案總體架構設計

云桌面應用于虛擬仿真系統的方案如圖1所示，將虛擬仿真系統服務器與云桌面虛擬化平臺聯通，通過云桌面虛擬化平臺統一管理虛擬仿真系統訪問入口，通過云桌面訪問虛擬仿真系統依賴高速、穩定、安全的網絡傳輸，為滿足網絡帶寬的要求，云桌面虛擬化平臺接入萬兆鏈路核心交換機，核心交換機通過千兆光纖接入每棟樓宇匯聚交換機。匯聚交換機通過百兆鏈路接入到每間辦公室、教室和實驗室，保證接入網絡的帶寬，同時為每個獨立區域劃分獨立的虛擬局域網，通過設置網絡策略讓每臺終端設備在獨立安全的環境下工作。為便于師生在校外也可登錄云桌面系統，本方案同時設計了校外訪問鏈路，通過在核心交換機和邊界防火墻設置策略，保證校外訪問云桌面系統的速度和安全性。虛擬云桌面系統支持多終端多操作系統接入，運算和存儲要求大，因此將計算服務器集群、存儲服務器作為云桌面虛擬化平臺服務器運行環境支撐，保證云桌面虛擬化平臺服務器擁有快速的運行速度和足夠的存儲空間。

云桌面虛擬化平臺在配置策略和分配資源時，允許多個用戶同時登錄云桌面系統，并保證各自系統獨立運行，同時能共享CPU、內存、網絡連接以及存儲器等底層物理硬件資源。該種設計方式能讓每個用戶擁有獨立的操作系統，彼此互不影響，實現資源的精確分配，最大限度利用現有的各類服務器資源。同時將服務器的物理資源形成動態資源池，根據師生實際使用虛擬仿真系統的情況動態調整各類資源，以滿足不同用戶需求。云桌面虛擬化平臺設計和配置能保證多路終端同時接入，以此保證系統的接入能力。

4 云桌面技術應用于虛擬仿真系統的優勢

云桌面的核心技術是桌面虛擬化，通過一臺性能強大的服務器虛擬出若干臺虛擬云桌面系統，所有云桌面系統通過后臺系統統一管理，師生可以在個人云桌面操作系統中預先安裝各類虛擬仿真系統、插件及其他應用程序，并能通過瘦客戶機、筆記本、手機及平板等設備隨時隨地訪問和使用私有的云桌面系統。將云桌面技術應用于虛擬仿真系統具有以下優勢。

4.1 提升虛擬仿真系統的安全性

早期建設的虛擬仿真系統以C/S架構為主，隨著信息技術的發展，后期建設的虛擬仿真系統架構逐漸升級改為B/S架構，目前高校虛擬仿真系統使用情況是C/S架構和B/S架構系統并行使用，部分系統擁有一套獨立的用戶管理功能，師生使用不同系統需要重新注冊新的賬號密碼，該部分系統也難于跟學校統一身份認證系統對接，系統升級困難，系統的安全性低難于管理，存在極大的安全隱患。云桌面技術所依托的桌面云數據安全機制，為虛擬仿真系統安全性引入了一種新型的模式，將所有訪問和使用的數據集中存儲在云桌面存儲服務器，虛擬仿真系統交互數據只會在虛擬仿真業務系統與云桌面架構之間進行，師生使用的瘦客戶機、筆記本、手機及平板等設備訪問云桌面系統時并不對其設備傳輸虛擬仿真系統數據，僅僅傳輸云桌面的云端鏡像數據，實現數據在云端，保障虛擬仿真系統及數據的安全。云桌面系統能有效與學校統一身份認證系統對接，師生能應用一套賬號密碼通過云桌面訪問所有虛擬仿真系統，有效保障了訪問系統的安全性。

4.2 便于虛擬仿真系統的統一維護、管理及資源的開放共享

通過云桌面技術可為師生提供云端的操作系統，管理人員可以根據師生教學的需要預先在云端操作系統中安裝各類虛擬仿真系統、資源及其插件，使各虛擬仿真系統在一套穩定的云端環境中運行，并能根據虛擬仿真系統的需求對系統持續迭代升級，并能以鏡像的形式批量下發給師生，師生能通過云桌面系統訪問和使用所需的虛擬仿真系統，實現所有虛擬仿真資源在云桌面環境下的開放和共享，同時管理員能實時監控各終端設備運行的數據，及時發現和解決云桌面系統在運行虛擬仿真系統過程中出現的各類問題，提升虛擬仿真資源利用率。

4.3 虛擬仿真系統使用數據云端備份，縮短故障修復時間

通過云桌面技術為師生分配獨立的云桌面環境后，師生可以在個人云桌面操作和使用各類虛擬仿真系統，師生云桌面環境數據都保存在存儲服務器中，通過存儲服務器集中為所有用戶數據做備份處理，當出現人為操作失誤刪除了某些虛擬仿真系統環境和插件、安裝了帶病毒軟件或者操作系統環境出現問題時，可以快速啟用云端恢復機制，避免了因人為操作失誤和網絡攻擊行為而導致的數據被破壞和丟失，有效地縮短了故障的修復時間，便于師生更好地使用虛擬仿真系統。

4.4 降低硬件采購成本，增加硬件使用壽命

云桌面系統將所有計算資源和存儲資源都部署在云端，對所有計算資源及存儲資源進行集中式管理和部署，所有桌面全部運行在云端，本地訪問的硬件終端僅僅需要承載一個基礎的系統，在云桌面環境下運行虛擬仿真系統，當虛擬仿真系統升級更新后，僅需要更新云桌面后臺服務器計算資源、存儲資源等小部分資源的硬件設備，同時云桌面后臺能根據師生使用情況動態將資源分配給正在使用系統的師生，在保證師生流暢訪問虛擬仿真系統的情況下，最大化地優化各類硬件資源的利用率。使用云桌面后可有效降低終端硬件設備采購成本，延長終端設備的使用壽命。

5 云桌面與虛擬仿真技術融合在教育教學的應用

5.1 輔助教學工作開展，創新教育教學模式

將云桌面與虛擬仿真系統融合應用于教育教學是促進教育教學發展的一種新型技術手段。在傳統教學模式中，很多抽象難以理解的理論知識，很難讓學生真正理解，利用云桌面教師在上課前可根據教授課程的需要，提前將教學資料同步到云桌面及創建虛擬仿真教學環境，學生在課前通過虛擬仿真系統可直觀提前預習和學習各知識點，課程中教師可以根據學生學習情況有針對性地講解學生難以理解的知識，并通過現場演示和展示進一步加深學生對知識點的理解，課后學生可以使用云桌面及虛擬仿真系統根據個人的自身情況，隨時隨地在線學習相關課程知識，將以教師教為主的教學模式，變為學生主動學習的模式，能有效提高教學效果和學習效率。

5.2 打造開放型實驗實訓平臺，促進人才培養

如何提高學生實踐動手能力一直是學校關注的重點。很多專業由于設備、實驗實訓條件有限，不能很好地將理論與實踐結合起來。通過云桌面與虛擬仿真系統融合能為學生提供開放型的在線實驗實訓平臺，能擴展實驗實訓教學內容廣度和深度、延伸實驗實訓教學時間和空間，使原來“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的實驗實訓教學成為可能。通過對實驗實訓虛擬場景的還原，使學習者可以在其中進行自由探索和自主學習，豐富和完善現有教學手段，消除實驗實訓教學盲點，激發學生的學習積極性，更好地提高實驗實訓課程質量，使實驗實訓教學變得更加生動、豐富。通過增強學生實踐能力，以加深學生對知識的掌握，促進學生實踐技能的提高，促進學校創新型應用人才培養。

6 結束語

虛擬仿真系統已成為提高教學質量的重要手段，將云桌面技術應用于虛擬仿真系統能解決傳統虛擬仿真系統統一維護和管理難度大、安全性差等問題。管理人員能通過云桌面虛擬化平臺對師生使用虛擬仿真系統過程中產生的故障進行快速定位并及時修復，以此提升虛擬仿真系統維護和管理的工作效率。同時將本文設計的方案應用于教育教學能有效解決課堂教學、實驗實訓教學中存在的諸多問題，達到優化教育資源，提高教學質量的目的。

參考文獻：

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[3] 湯顯峰，沈麗燕，董榕，等.基于云渲染的VR/AR智慧教室的設計與應用[J].現代教育技術，2021，31（5）：82-89.

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[7] 梁偉杰.基于云桌面技術的高校計算機實驗室資源共享平臺創建[J].電腦與信息技術，2022，30（1）：84-87.

【通聯編輯：梁書】