基于桌面虛擬化的實驗教學平臺的研究

林引盈

摘要：隨著云計算和虛擬化技術(shù)的日益發(fā)展成熟，廣大高校實驗室管理人員越來越多的青睞于虛擬桌面技術(shù)。并希望以此來整合資源、提高效率和簡化管理。該文以此為背景，闡述了在當前高校計算機類的實驗環(huán)境使用與管理中所存在的一些問題。分析了虛擬桌面技術(shù)的應用為傳統(tǒng)計算機實驗教學與管理帶來的巨大優(yōu)勢，提出一個基于虛擬桌面技術(shù)的實驗教學平臺設(shè)計方案，對平臺功能、框架設(shè)計和技術(shù)實現(xiàn)進行了論述。希望該文能為高校利用和開發(fā)虛擬化平臺提供思路和借鑒。

關(guān)鍵詞：桌面虛擬化；實驗教學平臺；vSphere

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）09-0135-02

1 引言

隨著近年來計算機技術(shù)以及國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展。作為最主要的網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的計算機已經(jīng)成為當前高校實驗教學中的一個重要工具，幾乎所有的實驗教學都無法脫離計算機的應用。各地高校均建有數(shù)量眾多的計算機類實驗室。然而，傳統(tǒng)的計算機類實驗室普遍存在以下問題：

1）計算機系統(tǒng)環(huán)境紛繁復雜[1]。為了滿足多門實驗課程，單臺計算機中往往安裝有多套實驗軟件并配置不同環(huán)境變量，極其容易產(chǎn)生軟件沖突問題，不利于管理維護。

2）實驗軟件及環(huán)境變化頻繁。很多實驗課程軟件時常有眾多的各類大小更新，升級頻繁；偶爾有突發(fā)的實驗課程或各種依賴計算機平臺的考試需要臨時安裝部署軟件與環(huán)境。

3）實驗室使用不便。實驗室場地遙遠，計算機系統(tǒng)帶有定期還原等因素會造成無法給學生提供長久的支持。

4）計算機類實驗室的復用率低。雖然建設(shè)數(shù)量眾多，但因各實驗室安裝的實驗軟件固定，如果面對大量并發(fā)的實驗教學任務(wù)，實驗室仍會處于捉襟見肘的狀態(tài)，無法調(diào)和短期的需求矛盾。

如何提高計算機類實驗室的管理水平、滿足用戶的個性化需求和提升資源利用率，已經(jīng)成為計算機類實驗室管理者所必須考慮的問題之一。本文通過對一種基于虛擬桌面的實驗教學平臺建設(shè)模式的介紹，探討一種不同的教學與實驗模式。

2 虛擬桌面的應用

近年虛擬化桌面（VDI）產(chǎn)品作為一種實驗教學的解決方案引起越來越多高校的注意[2]。用戶可以通過遠程訪問桌面系統(tǒng)，獲得和傳統(tǒng)使用計算機相接近的體驗；管理員也只需要在后臺中心就可以輕松完成所有的管理工作。該技術(shù)將用戶使用與系統(tǒng)管理進行了有效的分離。帶來的直接好處就是用戶對桌面系統(tǒng)的訪問不需要被限制在具體設(shè)備、具體地點和具體時間[3]。虛擬桌面的應用，簡化了實驗室的實驗軟件與環(huán)境管理，降低實驗室的管理成本、加強對各類實驗系統(tǒng)的控制，同時又能為終端用戶提供更多靈活的訪問方式。虛擬化技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，在x86平臺上發(fā)展出了多款不同的商業(yè)化產(chǎn)品，當前基于完全虛擬化技術(shù)的主流虛擬桌面產(chǎn)品主要有VMware Horizon View、Citrix XenDesktop、Microsoft Hyper-V遠程桌面服務(wù)和其他基于KVM的虛擬桌面產(chǎn)品等[4]。但這些商業(yè)化產(chǎn)品普遍針對企業(yè)的日常辦公用途，很少有面向高校實驗室提供產(chǎn)品的定制服務(wù)，不能完全滿足各類實驗室特殊的實驗教學與科研創(chuàng)新需求。

3平臺設(shè)計目標與功能

面向高校實驗教學的平臺應具有基本的實驗教學功能，能滿足大部分以計算機作為實驗設(shè)備的課程。用戶進入平臺后可以選擇不同的實驗課程，并利用平臺中相關(guān)的實驗教學資源進行學習與實驗。平臺的實驗環(huán)境主要采用虛擬桌面技術(shù)實現(xiàn)，能實現(xiàn)以下功能：

1） 模塊化的教學資源

不同的課程之間擁有互相獨立的文檔資源和實驗環(huán)境，用戶可以選擇參與不同的課程。

2） 無客戶端實驗環(huán)境

用戶的實驗環(huán)境利用虛擬桌面技術(shù)，可以通過瀏覽器直接進行訪問，因而無需特別安裝任何客戶端軟件，簡化使用流程。

3） 實驗環(huán)境可定制

針對不同課程和不同用戶，可以定制相應的虛擬桌面。不同虛擬桌面彼此獨立，極大地減少了實驗軟件兼容性風險。

4 基于虛擬桌面的實驗平臺系統(tǒng)設(shè)計

4.1 總體設(shè)計架構(gòu)

實驗教學平臺由兩大部件構(gòu)成。其一是提供基本實驗教學資源的教學管理平臺。平臺具有強交互性，可提供實驗指導、實驗素材、教學視頻、實驗環(huán)境等資源，能完成一門課程完整的教學周期，具有完善的教學教務(wù)管理功能。其中實驗環(huán)境主要由虛擬桌面提供，教學平臺能完成對虛擬桌面資源的調(diào)用與管理。另一部件是虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)，主要用來提供虛擬機實驗環(huán)境。該基礎(chǔ)架構(gòu)提供的虛擬機應具有批量創(chuàng)建和刪除虛機、創(chuàng)建虛機快照和調(diào)整硬件配置等基本功能。綜合考慮現(xiàn)有虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)的成熟性、穩(wěn)定性和安全性，采用了VMware vSphere作為實驗環(huán)境的基礎(chǔ)設(shè)施。此外利用開源項目Guacamole提供用戶接入虛擬桌面的解決方案。平臺整體構(gòu)成如圖1所示。

4.2 vSphere及其SDK

vSphere是VMware公司的一套服務(wù)器虛擬化解決方案。它是虛擬桌面的基礎(chǔ)架構(gòu)，vSphere 的兩個核心組件是 ESXi 和 vCenter Server。ESXi 虛擬化平臺用于創(chuàng)建和運行虛擬機和虛擬設(shè)備。vCenter Server 服務(wù)用于管理網(wǎng)絡(luò)和池主機資源中連接的多個主機[5]。核心組件ESXi直接獨立安裝和運行在各主機服務(wù)器硬件之上的系統(tǒng)，它不再依存于其他的宿主操作系統(tǒng)。因此它可以利用更多的硬件資源來承載更多的虛擬機。vSphere可以完全控制各虛擬機的硬件資源分配，運行其中的虛擬機更接近物理機的性能，也更易于管理與擴展[6]。

如果要從實驗教學平臺對vSphere的虛機資源進行調(diào)用和管理，需要訪問VMware提供的應用程序編程接口。VMware提供多種了不同的API和SDK。其中針對ESX/ESXi和vCenter Server系統(tǒng)，VMware提供了用于管理vSphere組件的Web Services SDK，來創(chuàng)建客戶端應用程序，如圖2所示。該SDK是功能最全面的管理API，同時適用于ESX / ESXi和vCenter Server系統(tǒng)。它使用Web Services技術(shù)對外界開放出能夠通過Internet進行調(diào)用的API。利用此API和SDK，可以對快速而便捷的管理虛機資源。例如從模板虛機以克隆方式批量創(chuàng)建虛機時，可以利用在CloneVM_Task方法中的VirtualMachineCloneSpec參數(shù)[7]，其中有自定義規(guī)范CustomizationSpec，用其可以快速的為新創(chuàng)建的虛機部署計算機名和IP地址等個性化屬性配置。

4.3 無客戶端訪問虛擬桌面的實現(xiàn)

為了實現(xiàn)用戶的無客戶端訪問虛擬桌面系統(tǒng)的功能，可在實驗教學管理平臺中整合嵌入Apache社區(qū)的開源項目—Guacamole[8]。Guacamole是一個HTML5 Web應用程序，它使用遠程桌面協(xié)議（如VNC或RDP）提供對桌面環(huán)境的訪問。有了它就可以直接通過web瀏覽器，快速訪問Windows系統(tǒng)界面。用戶通過HTML5瀏覽器連接到Guacamole服務(wù)器。用JavaScript編寫的Guacamole客戶端由Guacamole服務(wù)器內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器提供給用戶。一旦加載，該客戶端使用Guacamole協(xié)議通過HTTP連接回服務(wù)器[9]。通過Guacamole可使用戶無縫連接訪問vSphere端的虛擬主機系統(tǒng)，用戶體驗接近VMware的虛擬桌面平臺。該項目因其優(yōu)異的性能和開源的特點，正被國內(nèi)外其他眾多的用戶所接受并逐步推廣與使用。

5 結(jié)語

虛擬桌面技術(shù)正因其巨大的優(yōu)勢，在一些通用性比較強的場合逐步替代傳統(tǒng)的臺式計算機設(shè)備。各地高校和其他教育單位也漸漸認識到虛擬桌面所帶來的革命性的變化，并逐步擴大對虛擬桌面設(shè)備的采購。實驗教學作為培養(yǎng)學生實踐與創(chuàng)新能力的重要手段，更應該結(jié)合新技術(shù)、新手段，創(chuàng)造新的環(huán)境與平臺，以達到不斷激發(fā)學生的學習積極性和創(chuàng)造性的目標。相信虛擬桌面會在這一不斷創(chuàng)新的過程中得到更加蓬勃的發(fā)展。

參考文獻：

[1] 梁迎麗.基于虛擬桌面的IT實驗室系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)在教育技術(shù)，2012，22：111-115.

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[3] 吳孔輝.VMware Horizon桌面與應用虛擬化權(quán)威指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015.

[4] 王峰，江峰，李朝陽.虛擬桌面及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].電信技術(shù)，2011（1） 24-26.

[5] VMware.VMware vSphere[OL].

[6] 陳波，唐靈麗，周忠海，等.基于VMware vSphere SDK的虛擬化客戶應用程序?qū)崿F(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù)，2010，6（2）：331-333.

[7] VMware.VMware vSphere 5.1文檔[OL].

[8] Apache Guacamole.Guacamole Manual[OL].

[9] 韓翔宇.基于虛擬化的云桌面管理平臺設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：北京交通大學，2015：28-29.