虛擬化技術(shù)在高職云計算實(shí)驗室建設(shè)中的應(yīng)用研究

趙立新

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息傳媒學(xué)院，河南三門峽472000）

高職院校的教學(xué)以培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐操作能力為目標(biāo)，實(shí)驗操作課程對提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力及知識創(chuàng)新能力起著舉足輕重的作用。隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，計算機(jī)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更新很快，而機(jī)房等實(shí)驗室從規(guī)劃、建設(shè)到投入使用及日常的維護(hù)都需要投入不少的資金和人力。同時，很多高職院校的實(shí)驗基地除了正常教學(xué)任務(wù)，還要承擔(dān)一些社會服務(wù)的工作，比如承擔(dān)社會培訓(xùn)及考試考證任務(wù)等，根據(jù)不同任務(wù)的需求，對實(shí)驗室設(shè)備的軟硬件資源的配置要求各不相同，這就對實(shí)驗室的管理工作提出了更高的要求。將云計算技術(shù)引入到高職實(shí)驗室建設(shè)中，能夠改變傳統(tǒng)的實(shí)驗室教學(xué)和管理觀念，最大化的發(fā)揮實(shí)驗室的教學(xué)效益，提高實(shí)驗設(shè)備的利用率，促使實(shí)驗室建設(shè)和管理的信息化發(fā)展［1］。

1 云計算實(shí)驗室建設(shè)的需求分析

云計算集中化管理的特點(diǎn)，不僅能夠降低基于云計算技術(shù)的實(shí)驗室的運(yùn)營成本，還能提高設(shè)備的運(yùn)維效率。云計算實(shí)驗室與傳統(tǒng)實(shí)驗室相比具有以下優(yōu)勢：

（1）降低實(shí)驗室的資金投入，提高設(shè)備的利用率。云計算對用戶終端設(shè)備的要求不高，不需要頻繁更換設(shè)備，大大降低了實(shí)驗室的資金投入，同時使設(shè)備的利用率最大化，節(jié)約了資源。

（2）有利于實(shí)驗室的開放共享。結(jié)合云計算技術(shù)的實(shí)驗室，可以為師生提供不受時間和地點(diǎn)限制的學(xué)習(xí)方式，師生可以通過任何可以接入網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備訪問云端，享受云計算提供的虛擬云桌面及軟件環(huán)境，而且實(shí)驗數(shù)據(jù)可以存放在云端，方便學(xué)生課堂外繼續(xù)學(xué)習(xí)。教師的上課素材及備課資料也可以存放在云端，方便教師隨時隨地利用實(shí)驗室的資源進(jìn)行備課或科研。

（3）方便實(shí)驗室的管理和維護(hù)。實(shí)驗室承擔(dān)的課程類型較多，需要安裝不同的操作系統(tǒng)和專業(yè)軟件，配置不同的實(shí)驗環(huán)境，借助云計算技術(shù)，管理員可以將實(shí)驗室的軟硬件資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，在進(jìn)行系統(tǒng)更新維護(hù)和軟件安裝升級時，管理員只需要在服務(wù)器上操作即可，而不需要逐臺電腦進(jìn)行部署和設(shè)置，大大降低了管理員的工作強(qiáng)度和實(shí)驗室的管理成本，提高了管理效率。

2 高職實(shí)驗室虛擬化技術(shù)分析

（1）服務(wù)器虛擬化。通過服務(wù)器虛擬化，可以在一臺物理服務(wù)器上虛擬出多個虛擬服務(wù)器，每個虛擬服務(wù)器上運(yùn)行不同的服務(wù)，這樣就可以提高服務(wù)器的利用率，降低IT系統(tǒng)部署的復(fù)雜度，減少設(shè)備預(yù)算支出。此外，服務(wù)器虛擬化還為虛擬機(jī)的運(yùn)行提供了良好的隔離環(huán)境和安全策略，當(dāng)某個服務(wù)器發(fā)生故障無法正常工作時，其他的服務(wù)器能夠通過備份的虛擬機(jī)映像快速恢復(fù)服務(wù)，確保服務(wù)器正常運(yùn)行，保證數(shù)據(jù)信息的安全性［2］。借助虛擬化技術(shù)，操作系統(tǒng)的安裝、磁盤的格式化以及木馬和病毒的破壞性實(shí)驗等無法在物理機(jī)上進(jìn)行的教學(xué)和實(shí)驗都可以輕松實(shí)現(xiàn)。服務(wù)器虛擬化架構(gòu)如圖1所示。

圖1 服務(wù)器虛擬化架構(gòu)

實(shí)驗室采用服務(wù)器虛擬化技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

1）提升實(shí)驗室資源的利用率。出于安全問題考慮，傳統(tǒng)的實(shí)驗室每臺服務(wù)器上只運(yùn)行一種應(yīng)用，CPU資源使用率低，通過該服務(wù)器虛擬技術(shù)能夠解決此問題，提高實(shí)驗室資源的利用率。

2）動態(tài)分配資源。服務(wù)器虛擬化中的遷移技術(shù)能夠根據(jù)虛擬機(jī)內(nèi)部的具體使用情況，對CPU、內(nèi)存及網(wǎng)絡(luò)資源等進(jìn)行實(shí)時遷移，通過軟件調(diào)整API，實(shí)現(xiàn)動態(tài)的合理分配資源。

3）加速應(yīng)用部署。傳統(tǒng)的實(shí)驗室部署包括操作系統(tǒng)的安裝、課程軟件的安裝及測試運(yùn)行等工作，眾多實(shí)驗室的部署工作耗時耗力，通過服務(wù)器虛擬化技術(shù)只需要部署一個模板性的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的虛擬機(jī)，通過虛擬機(jī)的快速克隆，就可輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)驗室的應(yīng)用部署工作，此后系統(tǒng)和應(yīng)用程序的升級工作只需在模板機(jī)上進(jìn)行即可。

4）提高服務(wù)可用性。借助服務(wù)器虛擬機(jī)的動態(tài)遷移、HA等技術(shù)，可以在某個物理機(jī)或虛擬機(jī)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能夠及時將正在運(yùn)行的業(yè)務(wù)切換到備份服務(wù)器的虛擬機(jī)上，以保證業(yè)務(wù)運(yùn)行的連續(xù)性。

（2）桌面虛擬化。桌面虛擬化可以將終端數(shù)據(jù)資源及物理資源集中到后臺數(shù)據(jù)中心進(jìn)行統(tǒng)一管理，能夠更靈活地實(shí)現(xiàn)資源的動態(tài)分配［3］。構(gòu)建統(tǒng)一的云桌面平臺，能夠為平臺上運(yùn)行的虛擬機(jī)配備完整的運(yùn)行環(huán)境及硬件環(huán)境，實(shí)現(xiàn)一臺物理機(jī)上可以安裝多種操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序，并使它們可以互不影響地運(yùn)行。此種模式不僅適合同校區(qū)不同實(shí)驗室的信息共享，也適合不同校區(qū)間遠(yuǎn)程模式下教學(xué)資源的傳輸，云桌面系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 桌面虛擬化架構(gòu)

實(shí)驗室采用桌面虛擬化技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

1）設(shè)置個性化桌面。師生可以通過終端設(shè)備隨時隨地訪問自己的專屬桌面。

2）快速安裝部署。不同課程對實(shí)驗環(huán)境配置不同，云桌面平臺能夠省去系統(tǒng)及應(yīng)用程序安裝和調(diào)試的日常工作，幾分鐘就可以部署成百個桌面操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序。

3）提高管理效率。集中式的桌面交付管理使管理員能夠通過后臺管理工具對虛擬桌面進(jìn)行統(tǒng)一管理，輕松實(shí)現(xiàn)教學(xué)環(huán)境、考試環(huán)境的配置、切換及恢復(fù)等工作。

4）快照備份。通過虛擬機(jī)可以對桌面進(jìn)行快照和備份，當(dāng)桌面環(huán)境被破壞時，后臺管理工具可以通過母鏡像和快照功能恢復(fù)保存的備份。

（3）應(yīng)用虛擬化。應(yīng)用虛擬化是將應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)解耦合，把應(yīng)用程序?qū)Φ讓酉到y(tǒng)和硬件的依賴抽象出來，為應(yīng)用程序提供一個虛擬的運(yùn)行環(huán)境和可執(zhí)行文件。在虛擬化環(huán)境中，應(yīng)用程序能夠屏蔽可能與其產(chǎn)生沖突的內(nèi)容，解決了不同實(shí)驗環(huán)境中軟硬件版本不兼容的問題。

實(shí)驗室采用應(yīng)用虛擬化具有以下優(yōu)勢：

1）集群部署，免終端安裝。實(shí)驗室所用的所有應(yīng)用程序都部署在終端服務(wù)器上，統(tǒng)一發(fā)布、更新，無須終端安裝。

2）按需交付。應(yīng)用虛擬化可以根據(jù)用戶的不同需求，將所需的應(yīng)用服務(wù)傳送到客戶端，將個性化需求和按需分配相結(jié)合，使用戶更方便地獲取自己所需的應(yīng)用服務(wù)。

3）安全策略。通過應(yīng)用虛擬化，能使應(yīng)用程序以虛擬化的方式與終端設(shè)備交互，在虛擬機(jī)上運(yùn)行的應(yīng)用與本地邏輯計算是相隔離的，服務(wù)器端為用戶提供獨(dú)立的邏輯計算后將應(yīng)用服務(wù)傳輸給終端客戶，保證應(yīng)用運(yùn)行的安全性和可靠性。

3 高職實(shí)驗室虛擬化解決方案

3.1 基于云計算的實(shí)驗室整體架構(gòu)

基于云計算的實(shí)驗室整體架構(gòu)如圖3所示，整個結(jié)構(gòu)分為云基礎(chǔ)設(shè)施硬件層、虛擬資源管理層、虛擬桌面管理軟件層和云端接入層。

圖3 云計算實(shí)驗室整體架構(gòu)

云基礎(chǔ)設(shè)施硬件層：該層包括計算資源設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備等，如服務(wù)器、微型機(jī)、路由器、磁盤陣列等，各設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。

虛擬資源管理層：該層負(fù)責(zé)對物理資源的虛擬化，對計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行按需分配部署，實(shí)現(xiàn)對虛擬資源的統(tǒng)一管理和動態(tài)調(diào)度，提高資源的利用率，降低管理維護(hù)復(fù)雜度［4］。

虛擬桌面管理軟件層：該層負(fù)責(zé)根據(jù)不同用戶對虛擬桌面系統(tǒng)的要求，對整個虛擬桌面系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度分配。用戶經(jīng)過控制系統(tǒng)的身份認(rèn)證后，可以獲取授權(quán)使用云桌面，能夠?qū)τ脩舻膶?shí)驗數(shù)據(jù)、軟件數(shù)據(jù)及系統(tǒng)數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行存儲和維護(hù)。

云端接入層：該層為終端用戶與云計算應(yīng)用提供統(tǒng)一規(guī)范的接口。云計算對終端接入設(shè)備的硬件要求較低，構(gòu)建基于云計算的實(shí)驗室，可以將一些大型軟件，如AutoCad、3dmax等安裝在云服務(wù)器中，終端用戶通過登錄云端服務(wù)器，就可以獲取所需程序的運(yùn)行服務(wù)，并提供大容量的存儲空間服務(wù)，從而突破了不斷升級更新的軟件對終端設(shè)備的性能要求，避免實(shí)驗室頻繁升級、更新設(shè)備。

3.2 實(shí)驗室虛擬化的解決策略

本文結(jié)合高職院校機(jī)房實(shí)驗室的特點(diǎn)，綜合使用Windows Server2012 Active Directory、Vmware Server實(shí)現(xiàn)服務(wù)器虛擬化，使用Microsoft App-V實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序虛擬化，實(shí)驗室的虛擬化解決策略如圖4所示。

圖4 高職實(shí)驗室虛擬化解決策略

實(shí)驗室虛擬化解決策略的步驟說明如下：首先給服務(wù)器端安裝Windows Server2012，并配置Active Directory域服務(wù)器，創(chuàng)建域用戶；其次在學(xué)生端安裝Windows 7 Professional版，Active Directory域用戶中添加Win7的“Power Users”組，所有加入到域中的用戶必須使用域名登錄，方便進(jìn)行統(tǒng)一管理，學(xué)生也無法隨意刪除、添加或更改軟件。

教學(xué)軟件在安裝時可以根據(jù)不同情況選擇不同的安裝方式，比如：Microsoft Office等MSI格式文件可以通過組策略發(fā)布，使其安裝到加入到AD域中的每臺學(xué)生機(jī)上；Photoshop、Flash等Adobe系列軟件可以通過App-V發(fā)布；Windows Server、Linux等操作系統(tǒng)類課程的實(shí)驗通過VMware Server虛擬機(jī)發(fā)布。模板服務(wù)器準(zhǔn)備好后，通過Ghost方式發(fā)布到整個機(jī)房，方便實(shí)驗教學(xué)的進(jìn)行，也有利于維護(hù)整個實(shí)驗室。

虛擬機(jī)的管理使用是基于Web頁面的，客戶端只需要安裝相關(guān)的插件就可以通過B/S模式從瀏覽器獲取一臺虛擬機(jī)，圖5顯示的是客戶端的運(yùn)行情況，學(xué)生可以通過云桌面平臺共享AutoCAD等學(xué)習(xí)軟件。

3.3 數(shù)據(jù)中心的遷移

數(shù)據(jù)中心的遷移是實(shí)驗室虛擬化工作的重中之重，如何將高職實(shí)驗室的核心應(yīng)用遷移至虛擬環(huán)境，保障實(shí)驗環(huán)境符合師生需求是實(shí)驗室虛擬化建設(shè)的重要工作。

圖5 云桌面登錄后界面

高職實(shí)驗室的數(shù)據(jù)中一般包含了學(xué)校的FTP、WEB及存儲等核心應(yīng)用，若直接通過VMware Server創(chuàng)建新的虛擬數(shù)據(jù)中心，將面臨著因物理機(jī)軟件環(huán)境及配置復(fù)雜帶來的問題，輕則需要花費(fèi)大量的時間進(jìn)行配置和遷移數(shù)據(jù)，嚴(yán)重時會導(dǎo)致應(yīng)用癱瘓，無法進(jìn)行正常的教學(xué)和學(xué)習(xí)［5］。鑒于上述情況，在進(jìn)行數(shù)據(jù)中心遷移時，可使用VMware vCenter Converter Standalone完成數(shù)據(jù)中心從物理機(jī)到虛擬機(jī)（P2V）的遷移，并將物理機(jī)的軟件環(huán)境一并進(jìn)行遷移，物理機(jī)在整個數(shù)據(jù)遷移過程中不需要關(guān)閉，遷移完成后，虛擬就是物理機(jī)的克隆，最后將遷移出來的虛擬鏡像在VMware Server中打開，經(jīng)過簡單配置就可以替代物理機(jī)運(yùn)行。

本次實(shí)驗沒有在服務(wù)器上進(jìn)行，選用的是普通的PC機(jī)，經(jīng)過測試，鏡像文件大小為73.2 G的遷移時間大約為1小時35分，如果改為服務(wù)器的話時間必然會大大縮短。在物理機(jī)向虛擬機(jī)的轉(zhuǎn)換過程中，原物理機(jī)是可以正常使用的，因此師生的正常應(yīng)用是不會受到影響的。物理機(jī)在VMware Server中運(yùn)行轉(zhuǎn)化后的鏡像如圖6所示。

圖6 在VMware Server中運(yùn)行轉(zhuǎn)化后的鏡像

4 結(jié)語

高職院校的實(shí)驗室是教育教學(xué)的重要場所，實(shí)驗室的管理任務(wù)相當(dāng)重要和繁瑣，本文結(jié)合高職院校實(shí)驗室普遍存在的安全問題和日常管理難題進(jìn)行分析，結(jié)合云計算技術(shù)，提出采用虛擬化解決方案和數(shù)據(jù)遷移策略構(gòu)建基于云環(huán)境的實(shí)驗室，為實(shí)施云教育示范工程提供范例。

［1］王金鳳.云計算對高等教育信息化的促進(jìn)［J］.科技導(dǎo)刊,2015（3）:155-156.

［2］韋柬.“云計算”在中職學(xué)校教育教學(xué)中的應(yīng)用探索［J］.信息與電腦,2016（9）:129-131.

［3］盧穎,劉白林.云模式下大學(xué)區(qū)教育資源服務(wù)平臺及關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2016,36（9）:738-741.

［4］鄭平輝,莊鴻鴻.基于云計算的高校實(shí)驗室研究與實(shí)現(xiàn)［J］.赤峰學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版）,2015,31（5）:17-19.

［5］陳昌興.高校實(shí)驗室信息化的云計算策略與方法［J］.實(shí)驗技術(shù)與管理,2014,31（1）:221-223.