基于VOI模式的教学机房多环境管理系统的设计研究
摘要：随着网络教学的不断发展，教学模式和教学环境越来越多样化，然而传统的教学机房存在着功能单一、不易维护和故障频发等问题，已不能满足当今教学发展的要求。由于虚拟桌面技术具有集中化管理和个性化定制等优势，文章提出了一种基于VOI模式的教学机房多环境管理系统的设计方案，实现了教学机房管理的灵活性和多样性。
关键词：VOI模式;虚拟桌面技术;教学机房管理
中图分类号：G434? 文献标识码：A? 论文编号：1674-2117（2020）13/14-0171-03
● 研究背景
教学机房作为重要的教学场所和实践平台，在教学活动的开展中发挥着重要作用。例如，笔者所在的中国科学技术大学，拥有东区、西区两个教学实践中心，每个中心分别有5间机房240余台计算机，常年为本科教学提供服务和支撑。然而，随着教学改革的不断深入，学校教学机房在建设和管理上面临着如下难题。
①教学机房不仅要保障各学科的线上教学活动，为师生课后自主上机提供环境，还要用做英语四六级口语、托福和GRE等大型考试的考点。因而，它对教学环境的安全性和多样性有较高要求，故需要搭建、管理和维护多个操作系统以满足不同应用场景的需求。
②由于操作系统、教学软件和考试程序不断迭代和更新，为了更好地保障各类教学活动，教学机房需要及时对系统和软件进行升级。但目前它缺乏集中化的管理方式，只能逐个系统逐台计算机进行部署和安装，整体工作量大，工作效率低，管理难度高。
③托福和GRE考试作为重要的全球性考试，对网络安全性的要求非常高，考试中心提供了指定网段的IP地址，要求对考试环境进行专网专线管理，而教学机房在日常的教学活动中只能采用经网络中心划分的校园局域网。因而，教学机房现有的管理模式无法满足多环境多网段的教学需求。
因此，教学机房需要一种能够集中管理、灵活多变的管理方案，以提供全方位的教学服务。虚拟桌面技术的出现为教学机房的建设提供了一种新的构建思路，基于VOI模式的管理系统成为学校建设教学机房的首选。[1]
● 相关技术
1.VOI模式
虚拟操作系统基础架构（Virtual OS Infrastructure，简称VOI）作为虚拟桌面技术的一种新模式，已成为当今桌面虚拟化的主流发展方向。“集中管理，本地运行”是VOI模式的基本特征，它以客户端虚拟容器技术为底层基础，将客户端完全虚拟化，建立虚拟容器池，再在容器池上部署操作系统和应用软件。[2]当客户端发生启动、更新等操作时，服务端则将所需资源以数据流的形式传送过来，并在客户端执行运算，实现了基于服务端的按需交付和客户端的本地缓存。
VOI不仅具有集中化管理的优势，能将分散的操作系统和应用软件等终端资源形成镜像文件，集中到服务器中进行管理，还能通过将终端资源缓存在客户端的方式，减小对网络和服务器依赖。[3]将VOI模式运用到教学机房管理中能实现集中、统一、灵活的管理，降低运维成本，提升工作效率。
2.PIM镜像文件
镜像文件是由特定的一系列文件按照一定的格式制作而成的单一文件，可以包含系统文件、引导文件、分区表信息等多种类型，为用户下载和使用提供方便。基于VOI模式的教学机房多环境管理系统的设计方案中，采用了PIM镜像文件作为终端资源格式存储在服务端，通过客户端本地缓存PIM镜像文件实现了群集文件的跨平台读取和共享。
3.DHCP
动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol，简称DHCP）是一种在局域网内计算机用来获得配置信息的网络协议。网络主机向指定服务器提出申请，DCHP使其自动获得IP地址、Gateway地址、DNS服务器地址等网络信息。[4]将DHCP应用到教学机房管理系统中，不仅能提升网络地址的使用率，还能实现客户端的集中化管理。
● 设计方案
在上述相关技术的指导下，笔者提出了一种基于VOI模式的教学机房多环境管理系统的设计方案，主要包括系统架构设计、网络拓扑设计和应用管理设计三个方面。
1.系统架构设计
教学机房多环境管理系统架构（如图1），主要分为客户端和服务端两个部分。客户端位置相对集中，且与服务器位于同一个局域网下，因而可以采用DHCP的方式自动获取网络配置，进而与服务端进行网络通信和数据传输。服务端由DHCP服务、TFTP服务、BOOT服务和IO服务四个部分组成，通过对网络信息、启动文件和PIM镜像文件的统一部署，实现了对教学机房集中且灵活的管理。
教学机房客户端采用PXE网络启动的方式向服务器提出申请，服务端收到请求后利用DHCP向客户端分配IP地址、Gateway地址、DNS服务器地址等网络信息。客户端可根据服务器地址通过TFTP协议下载BIN启动文件，由启动文件包完成终端基本设置，从而引导预先安装在服务端中的终端操作系统。随后，客户端与IO服务进行通信，服务端将指定的PIM镜像文件以数据流的形式传输到客户端并保存在本地。
2.网络拓扑设计
教学机房多环境管理系统网络拓扑图如下页图2所示。由于在教学活动的开展过程中，需要使用校园网和托福专网两种网络类型，所以在服务端开通了两台虚拟机作为服务器，并为每台服务器分配不同类型的网络地址，以实现物理上分开部署和逻辑上分类管理。接着，从服务端分出两路线路引入至教学实践中心，经中心的汇聚交换机将两路线路分别转发至每间教学机房。各教学机房再根据实际应用场景选取信号源并使得机房内的客户机与所需服务器相连，解决了不同地址的切换问题，实现了多环境多网段的教学需求。
3.应用管理设计
教学机房多环境管理模式主要包括后台服务管理、镜像文件管理和终端分组管理三个方面（如图3）。后台服务管理中涉及对两台虚拟机的管理，它们分别划分了基础盘、汇出盘和存储盘三个磁盘空间，用于群集文件的生成、更新和备份，还为它们分别配置了校园网和托福专网两种类型的网络地址，实现不同网段的分类管理。根据教学机房的实际运行情况，将镜像文件分为了教学上机系统、在线考试系统和托福考试系统三类，管理员可以按需选取系统镜像运行客户端，以满足不同教学活动的需求。在对终端的管理上，采取了分组的方式，以教学机房为单位进行分组管理。在每间教学机房的分组下创建与机房机位相对应的终端节点，实现了对客户端的集中、统一、灵活的管理。
● 结束语
虚拟桌面技术给高校现代教育技术的发展和进步提供了新思路和新方向，将VOI模式应用到教学机房管理系统的建设中能优化管理模式，减小运维难度，提高工作效率，从而使教学机房能更好地服务并支撑教学活动的开展，促进智慧校园的建设。
参考文献：
[1]郝妮.基于VOI的桌面虚拟化语言实验室构建研究[J].计算机产品与流通，2019（09）：189-190.
[2]刘期建，冯灵林，张大敏，等.基于VOI模式的多媒体教学环境构建研究[J].电脑知识与技术，2014（12）：8289-8290.
[3]李晓燕，李京忠.高校公共机房桌面虚拟化应用探索[J].电脑知识与技术，2017，13（33）：241-242.
[4]鲁凌云.计算机网络基础应用教程[M].北京：清华大学出版社，2012.
作者简介：姚倩（1988—）女，安徽宣城人，助理工程師，硕士研究生，主要从事信息化教学管理与开发。
