基于虛擬化的中醫(yī)院校計(jì)算機(jī)教學(xué)生態(tài)環(huán)境研究

李京忠　王蘋　李建志

[摘要] 傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)教學(xué)生態(tài)環(huán)境信息系統(tǒng)分散，師生缺乏互動(dòng)，實(shí)驗(yàn)室管理繁瑣，實(shí)訓(xùn)教學(xué)開展困難。本文通過對(duì)虛擬化技術(shù)的分析，認(rèn)為服務(wù)器虛擬化技術(shù)和桌面虛擬化技術(shù)相互結(jié)合是改善中醫(yī)院校計(jì)算機(jī)教學(xué)生態(tài)環(huán)境、提升實(shí)訓(xùn)效果、降低軟硬件運(yùn)維成本以及基礎(chǔ)設(shè)施整合的最佳選擇，對(duì)進(jìn)行計(jì)算機(jī)教學(xué)改革以及學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)具有積極意義。

[關(guān)鍵詞] 虛擬化；教學(xué)生態(tài)環(huán)境；Hyper-V；實(shí)訓(xùn)平臺(tái)；VDI；VOI

[中圖分類號(hào)] G434 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673-7210（2018）05（a）-0135-04

[Abstract] The traditional computer teaching ecological environment information system is scattered， teachers and students are lack of interaction； the laboratory management is tedious and the training teaching is difficult to carry out. Based on the analysis of virtualization technology， it is considered that the combination of server virtualization technology and desktop virtualization technology are the best choice to improve the computer teaching environment， which can improve the training effect， reduce the cost of hardware and software operation and infrastructure integration. It has constructive meaning for the reform of computer teaching and the cultivation of students' comprehensive ability.

[Key words] Virtualization； Teaching ecological environment； Hyper-V； Training platform； Virtual device interface； Virtual operating system infrastructure

當(dāng)前，信息技術(shù)已廣泛應(yīng)用到中醫(yī)藥研究的各個(gè)領(lǐng)域，并成為研究和發(fā)展中醫(yī)藥必不可少的工具。傳統(tǒng)的中醫(yī)院校計(jì)算機(jī)教學(xué)生態(tài)環(huán)境，由于各種原因普遍存在著缺乏頂層設(shè)計(jì)和整體規(guī)劃、服務(wù)器利用率低、實(shí)驗(yàn)開展困難、運(yùn)維復(fù)雜等問題，嚴(yán)重影響制約了計(jì)算機(jī)教學(xué)的深入開展。虛擬化技術(shù)為我們提供了一種全新的選擇，將服務(wù)器虛擬化技術(shù)、桌面虛擬化技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)引入傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)教學(xué)生態(tài)環(huán)境中，將有利于計(jì)算資源的合理分配[1]。通過構(gòu)建功能完善的教學(xué)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與中醫(yī)藥課程的有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，是中醫(yī)院校信息化建設(shè)需要積極探索的課題。

1 虛擬化技術(shù)

虛擬化（virtualization）是一種資源管理技術(shù)，是將計(jì)算機(jī)的各種物理資源，如服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)存及存儲(chǔ)等，予以抽象和轉(zhuǎn)換后再呈現(xiàn)出來[2]。應(yīng)用虛擬化后同一臺(tái)物理服務(wù)器上可同時(shí)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)，每個(gè)操作系統(tǒng)上可部署多個(gè)不同的應(yīng)用，操作系統(tǒng)之間彼此獨(dú)立互不干擾。服務(wù)器虛擬化提高了資源的有效利用，減少運(yùn)維成本（包括硬件、能源和空間），增加了可用性，實(shí)現(xiàn)了比物理服務(wù)器更長的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間，減少了維護(hù)帶來的影響，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3-4]。見圖1。

2 Hyper-V技術(shù)探析

現(xiàn)階段幾大流行的虛擬化產(chǎn)品他們的運(yùn)行原理各有不同，概括起來可分為兩類模式，基于宿主機(jī)的虛擬化模式和基于Hypervisor虛擬化模式?；谒拗鳈C(jī)虛擬化模式的特點(diǎn)是Virtual Machine Monitor（VMM）運(yùn)行于宿主機(jī)操作系統(tǒng)中。通過在宿主操作系統(tǒng)上安裝第三方虛擬化軟件，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建部署虛擬機(jī)操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)虛擬化。虛擬機(jī)通過宿主機(jī)操作系統(tǒng)來控制系統(tǒng)資源，其缺點(diǎn)是占用系統(tǒng)資源較多，系統(tǒng)整體性能不高。如：Microsoft Virtual PC、VMWare WorkStation等?；贖ypervisor模式的特點(diǎn)是VMM直接運(yùn)行在物理機(jī)硬件之上，擁有比操作系統(tǒng)更高的權(quán)限來控制系統(tǒng)資源，依托CPU對(duì)虛擬化的支持，可以滿足企業(yè)級(jí)應(yīng)用程序?qū)Ω咝阅?、高可用的需求，如Microsoft Hyper-V、VMWare ESX等產(chǎn)品[5]。

2.1 Hyper-V體系架構(gòu)

Hyper-V采用了Hypervisor架構(gòu)，其架構(gòu)可分為硬件、Hyper-V和虛擬機(jī)三層，在底層硬件上運(yùn)行的Hypervisor是Hyper-V的核心組件，是一個(gè)只有300多K的代碼集，可直接訪問主機(jī)上的硬件資源；而在它之上，運(yùn)行著許多獨(dú)立的分區(qū)（虛擬機(jī)），這些分區(qū)大致可分成四種類型，見圖2。

2.1.1 根分區(qū) 根分區(qū)是唯一能夠直接訪問物理內(nèi)存和設(shè)備的分區(qū)，作用是控制和創(chuàng)建其他分區(qū)。在其內(nèi)核模式下，virtualization service provider（VSP）組件是虛擬化服務(wù)提供程序，駐留在根分區(qū)中，通過虛擬機(jī)總線（VMBus）向各子分區(qū)提供綜合設(shè)備支持[2-3]。

2.1.2 第一類子分區(qū) 一個(gè)承載來賓操作系統(tǒng)的分區(qū)，子分區(qū)對(duì)物理內(nèi)存和設(shè)備的所有訪問都是通過VMBus提供的。在其內(nèi)核模式下的virtualization service client（VSC）組件，通過VSP提供的服務(wù)來完成對(duì)硬件的訪問。每一個(gè)設(shè)備類型，都有一對(duì)VSP/VSC來完成對(duì)這種類型硬件的使用。對(duì)于該內(nèi)核模式下運(yùn)行的Windows系統(tǒng)來說，可自動(dòng)感知自己是運(yùn)行在Hyper-V上面的虛擬機(jī)，因此不需要通過任何模擬來訪問硬件[6]。

2.1.3 第二類子分區(qū) 在這個(gè)子分區(qū)里面運(yùn)行的操作系統(tǒng)，是一些非Hypervisor感知的系統(tǒng)，如早期windows操作系統(tǒng)和DOS，其內(nèi)核模式下沒有VSC組件支持，必須通過模擬方式，模擬出操作系統(tǒng)需要的硬件環(huán)境。

2.1.4 第三類子分區(qū) 這類子分區(qū)里面運(yùn)行的是Linux的操作系統(tǒng)，在內(nèi)核模式下微軟提供了使用VSP/VSC方式來訪問硬件，而不必讓Linux運(yùn)行在模擬出來的硬件上。

從圖2所示根分區(qū)與子分區(qū)是平行的關(guān)系。含有IntelVT/AMD-V的CPU芯片，允許虛擬機(jī)直接訪問CPU和內(nèi)存資源，虛擬機(jī)訪問硬件設(shè)備的速度有了很大提升，虛擬機(jī)的整體性能接近真實(shí)的操作系統(tǒng)[7]。同時(shí)這種架構(gòu)增強(qiáng)了整個(gè)虛擬化架構(gòu)的穩(wěn)定性，不會(huì)因?yàn)镠yper-V主機(jī)出現(xiàn)問題而直接影響到子分區(qū)正在運(yùn)行的虛擬機(jī)[8]。

2.2 Hyper-V故障轉(zhuǎn)移群集

Hyper-V的基礎(chǔ)架構(gòu)，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的高性能、高可用提供了可能。群集是通過多臺(tái)物理主機(jī)同時(shí)運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)群集內(nèi)某一臺(tái)物理服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，另一臺(tái)物理服務(wù)器就開始接管故障服務(wù)器的服務(wù)（稱為故障轉(zhuǎn)移過程）。Windows Server下的群集技術(shù)被稱之為“故障轉(zhuǎn)移群集（Failover Cluster）”。Hyper-V的故障轉(zhuǎn)移群集角色監(jiān)測群集內(nèi)的Hyper-V主機(jī)是否正常工作，當(dāng)群集內(nèi)某一臺(tái)Hyper-V主機(jī)出現(xiàn)故障無法提供服務(wù)時(shí)，可由群集內(nèi)的其他主機(jī)快速接管任務(wù)，繼續(xù)為用戶提供持續(xù)可用的服務(wù)，用戶能感知到的停機(jī)時(shí)間非常短暫[9]。

2.3 Windows Server 2012 R2 Hyper-V

在 Windows Server 2012 R2中，Hyper-V使用了第二代虛擬機(jī)技術(shù)，在Windows Server 2012 R2以前的虛擬機(jī)稱為第一代虛擬機(jī)。Windows Server 2012 R2Hyper-V的新增功能非常多，主要的功能有共享虛擬硬盤、動(dòng)態(tài)調(diào)整虛擬機(jī)硬盤大小、存儲(chǔ)服務(wù)質(zhì)量、增強(qiáng)的實(shí)時(shí)遷移、增強(qiáng)的會(huì)話模式、虛擬機(jī)自動(dòng)激活、增強(qiáng)的Linux支持、增強(qiáng)的故障轉(zhuǎn)移群集等，Hyper-V的性能與易用性等方面有了很大的提升。在沒有安裝Hyper-V角色之前，Windows Server 2012 R2只是一個(gè)單純的服務(wù)器操作系統(tǒng)。在部署Hyper-V角色后，作為宿主機(jī)存在的Windows Server 2012 R2變成了第一臺(tái)虛擬機(jī)，也就是圖2所示的根分區(qū)，其硬件被Hypervisor接管。

3 基于服務(wù)器虛擬化技術(shù)的教學(xué)環(huán)境構(gòu)建

如圖3所示，由4臺(tái)DELLR810服務(wù)器（JYS-HV1、JYS-HV2、JYS-HV3、JYS-HV4）采用基于Hyper-V服務(wù)器虛擬化技術(shù)和群集技術(shù)，構(gòu)建了基于Hyper-V的私有云平臺(tái)。在云平臺(tái)上運(yùn)行的系統(tǒng)種類包括Windows Server2003、Windows Server 2008、Windows Server 2012R2、Linux等操作系統(tǒng)。相較于傳統(tǒng)的教學(xué)服務(wù)部署方式，采用云平臺(tái)方式具有明顯的優(yōu)勢。

3.1 減少系統(tǒng)部署的時(shí)間

傳統(tǒng)物理服務(wù)器部署需要經(jīng)過安裝操作系統(tǒng)、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)和安裝應(yīng)用軟件等步驟，其過程較為復(fù)雜。利用Hyper-V的虛擬機(jī)模板克隆方式來部署虛擬服務(wù)器，可大幅度縮減系統(tǒng)部署時(shí)間[10]。

3.2 提高服務(wù)器資源利用率

利用Hyper-V實(shí)現(xiàn)服務(wù)器虛擬化后，原來需要十幾臺(tái)物理服務(wù)器承擔(dān)的教學(xué)系統(tǒng)被移植到由4臺(tái)服務(wù)器集成的私有云平臺(tái)中運(yùn)行，節(jié)省下來的物理服務(wù)器應(yīng)用到其他科研和教學(xué)領(lǐng)域，提高了服務(wù)器的資源利用率，節(jié)約了空間，降低了能耗。

3.3 提高教學(xué)系統(tǒng)的可靠性

教學(xué)系統(tǒng)在云平臺(tái)上運(yùn)行，承載的物理主機(jī)有故障，其上的虛擬機(jī)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)漂移到群集中其他物理主機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，保證教學(xué)服務(wù)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 基于桌面虛擬化技術(shù)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)和桌面部署

桌面虛擬化指對(duì)終端系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)桌面）進(jìn)行完全虛擬化，生成的鏡像系統(tǒng)保存在服務(wù)器中，再通過虛擬桌面協(xié)議向客戶機(jī)提供包含操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的桌面系統(tǒng)。目前就其采用的架構(gòu)方式可分為virtual desktop infrastructure（VDI）桌面虛擬化和virtual operating system infrastructure（VOI）桌面虛擬化兩大架構(gòu)[11-12]。

4.1 基于VDI架構(gòu)的維思實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

VDI桌面虛擬化基本特征是“集中運(yùn)算、分布顯示”?？蛻舳怂羞\(yùn)算都在服務(wù)器中進(jìn)行，而桌面用戶只負(fù)責(zé)輸入輸出與界面顯示，不參與任何計(jì)算和應(yīng)用[13-14]。本例維思實(shí)訓(xùn)平臺(tái)由2臺(tái)DELL R810服務(wù)器（JSY-VS1、JSY-VS2）群集而成。維思實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是一種基于VDI方式的桌面虛擬化平臺(tái)，依托微軟Hyper-V技術(shù)，以桌面虛擬化為主要表現(xiàn)形式，可同時(shí)在該平臺(tái)下部署多種實(shí)驗(yàn)環(huán)境。教師和學(xué)生無論身在何處，都可以通過Web瀏覽器選擇符合實(shí)驗(yàn)需求的計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施配置等，打破了傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)空間的限制，可進(jìn)行多人并行、相互隔離的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)[15]。很多中醫(yī)藥專業(yè)相關(guān)的實(shí)訓(xùn)課程都可利用該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行，既減少了學(xué)校對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件的投資，又有利于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境的管理。

4.2 基于VOI架構(gòu)桌面虛擬化部署

VOI桌面虛擬化基本特征是“集中管理，本地運(yùn)算”。客戶機(jī)利用虛擬容器技術(shù)實(shí)現(xiàn)鏡像系統(tǒng)的本地緩存，并通過本地客戶機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，充分利用了本地計(jì)算機(jī)的性能。由于客戶機(jī)本地緩存的系統(tǒng)鏡像和服務(wù)器推送的完全一致，即使斷網(wǎng)也可離線繼續(xù)使用[16-17]。Dawnstor是一種基于VOI技術(shù)具有“盤網(wǎng)雙待”特色的桌面虛擬化產(chǎn)品。本例中1臺(tái)DELL R810服務(wù)器（JYS-DAWNSTOR）承擔(dān)了720個(gè)節(jié)點(diǎn)12間計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的桌面部署服務(wù)，實(shí)驗(yàn)室管理呈現(xiàn)出如下特點(diǎn)：

4.2.1 集中管理、本地運(yùn)行 實(shí)驗(yàn)室由原來的以保護(hù)卡為運(yùn)維方式的分散管理，變?yōu)楦叨燃械墓?jié)點(diǎn)式管理模式；桌面虛擬化管理系統(tǒng)通過對(duì)客戶端創(chuàng)建虛擬容器，實(shí)現(xiàn)鏡像系統(tǒng)的本地緩存，服務(wù)器上的鏡像系統(tǒng)采用“邊用邊下”的方式高速緩存到本地硬盤中。依托“盤網(wǎng)雙待”技術(shù)，即使在斷網(wǎng)的情況下，客戶端仍可正常啟動(dòng)運(yùn)行。

4.2.2 多系統(tǒng)靈活管理 服務(wù)器中保存的每個(gè)系統(tǒng)鏡像是由多個(gè)節(jié)點(diǎn)（快照）組成，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以作為單獨(dú)的虛擬桌面系統(tǒng)發(fā)布；滿足多系統(tǒng)、多專業(yè)的課程需求，一直是計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理的難點(diǎn)，現(xiàn)在只需調(diào)度好相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)并發(fā)布到啟動(dòng)菜單即可。

4.2.3 提升運(yùn)維效率 桌面管理由分布式模式過渡到節(jié)點(diǎn)化模式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)納入管理的計(jì)算機(jī)集中統(tǒng)一的管理。管理人員登錄虛擬化管理平臺(tái)即可完成絕大部分工作，工作效率大幅提升。

依托VDI架構(gòu)與VOI架構(gòu)各自的優(yōu)勢，針對(duì)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的不同，相互結(jié)合、取長補(bǔ)短，設(shè)計(jì)出虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)場景，通過桌面虛擬化管理平臺(tái)控制場景的快速切換，解決了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室實(shí)訓(xùn)環(huán)境部署困難的問題，成倍提升了實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)維效率以及實(shí)訓(xùn)課程效果。

5 計(jì)算機(jī)教學(xué)生態(tài)環(huán)境

將虛擬化技術(shù)融入到傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)教學(xué)生態(tài)系統(tǒng)中，促進(jìn)了教學(xué)環(huán)境、教學(xué)內(nèi)容和學(xué)習(xí)方式的發(fā)展，逐步形成了具有中醫(yī)藥特色的計(jì)算機(jī)教學(xué)生態(tài)環(huán)境，即教學(xué)主體與教學(xué)環(huán)境通過教學(xué)資源的傳播和利用所形成的相互聯(lián)系、相互作用的有機(jī)整體。如圖4所示，其主體是教師、學(xué)生、教學(xué)管理者，應(yīng)用層為虛擬化服務(wù)平臺(tái)（由各種信息系統(tǒng)、教學(xué)資源共享、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)等構(gòu)成），基礎(chǔ)服務(wù)層為虛擬桌面構(gòu)成的智慧型計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室（由多媒體教學(xué)互動(dòng)系統(tǒng)、虛實(shí)結(jié)合的實(shí)訓(xùn)環(huán)境、虛擬桌面管理等構(gòu)成）。其運(yùn)行機(jī)制是在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的生態(tài)環(huán)境中，以教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向，通過師生之間的教學(xué)互動(dòng)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)新能力得到了提高。智能化的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室和各信息系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)教學(xué)活動(dòng)的順利開展提供了多元化的技術(shù)支撐，加快了教學(xué)內(nèi)容的進(jìn)化和知識(shí)更新，促進(jìn)了計(jì)算機(jī)教學(xué)與信息化建設(shè)的協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展[18-19]。

6 結(jié)語

中醫(yī)院校計(jì)算機(jī)教學(xué)的主要目的是以應(yīng)用為主，信息技術(shù)與中醫(yī)藥的完美融合，是中醫(yī)院校計(jì)算機(jī)教學(xué)和科研追尋的目標(biāo)?；谛畔⑸鷳B(tài)環(huán)境理論和虛擬化技術(shù)發(fā)展而成的中醫(yī)院校計(jì)算機(jī)教學(xué)生態(tài)環(huán)境，將生態(tài)的概念引入到了計(jì)算機(jī)教學(xué)當(dāng)中，增強(qiáng)了師生之間的互動(dòng)，提高了教學(xué)與實(shí)訓(xùn)效果，構(gòu)建了一種“平等溝通、啟發(fā)引領(lǐng)、與時(shí)俱進(jìn)”的師生關(guān)系，學(xué)生的應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力均可提升[20]。

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（收稿日期：2017-11-08 本文編輯：張瑜杰）