摘要：當(dāng)前云技術(shù)、虛擬化技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理中得到被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，通過(guò)云技術(shù)和虛擬化技術(shù)的有效結(jié)合能夠大大提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的共享和利用率，以及計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的服務(wù)支撐能力。本文以搭建的私有云桌面平臺(tái)為支撐，對(duì)虛擬云技術(shù)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)管理進(jìn)行研究，從而實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的由點(diǎn)及面、理論到應(yīng)用、涵蓋原理及創(chuàng)新的多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并且以學(xué)生為本出發(fā)，滿足不同層次學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求，幫助學(xué)生獲得最大的學(xué)習(xí)空間。
關(guān)鍵字：云技術(shù)；虛擬化；實(shí)驗(yàn)室建設(shè)管理
隨著信息化社會(huì)的迅速發(fā)展，云技術(shù)、大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”等概念的提出，計(jì)算機(jī)在各行各業(yè)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。為了加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的使用率在逐年提升，如何提升實(shí)驗(yàn)室的利用效率，強(qiáng)化學(xué)生的綜合實(shí)力，滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)方式的個(gè)性化、多樣化需求，充分發(fā)揮現(xiàn)有資源完成教師教學(xué)和科研任務(wù)，將成為實(shí)驗(yàn)室管理人員亟需解決的重要難題。
1、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室管理方式下的現(xiàn)狀
（1）由于學(xué)科建設(shè)和定位的不同，各專(zhuān)業(yè)對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)方向也不同，不同年級(jí)不同專(zhuān)業(yè)所開(kāi)設(shè)的課程存在較大差異，為了滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)和教師科研環(huán)境的需求，經(jīng)常需要對(duì)實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)軟件進(jìn)行更新和重新配置，容易導(dǎo)致系統(tǒng)文件的破損，軟件不能正常使用。
（2）同一操作系統(tǒng)下不同科目的課程使用的軟件版本不同，給實(shí)驗(yàn)室管理員對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的部署帶來(lái)不便[1]。例如，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不同教師對(duì)于Visualstudio軟件的版本要求不同，雖然同時(shí)安裝各種版本的軟件會(huì)滿足不同課程的需要，但過(guò)度安裝會(huì)影響機(jī)器的運(yùn)行速度，造成資源的極大浪費(fèi)。
（3）為了滿足基礎(chǔ)教學(xué)、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)等方面的需求，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室通常是進(jìn)行大規(guī)模建設(shè)，硬件設(shè)備的投入十分巨大，但隨著互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)對(duì)人才需求的不斷變化，課程設(shè)置及所需軟件對(duì)硬件的需求也在不斷提高，同時(shí)硬件設(shè)備存在3到5年的更換周期，這些淘汰的固定資產(chǎn)的存放和再利用給學(xué)校帶來(lái)了不小的壓力。
（4）實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的上課時(shí)間有限而且固定，充分利用課外時(shí)間完成和復(fù)習(xí)所學(xué)知識(shí)是學(xué)習(xí)過(guò)程中的有效解決途徑。但教學(xué)環(huán)境本身不具備靈活性和轉(zhuǎn)移性，特定的軟件對(duì)操作的要求不同，導(dǎo)致學(xué)生很難在個(gè)人計(jì)算機(jī)上安裝和使用，課后實(shí)驗(yàn)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，造成理論與實(shí)踐的脫節(jié)。
（5）實(shí)驗(yàn)室是提供教學(xué)環(huán)境的公共場(chǎng)所，由于不當(dāng)?shù)纳暇W(wǎng)方式和移動(dòng)設(shè)備的交叉使用，容易造成病毒的傳播和擴(kuò)散，使一些軟件甚至硬件頻遭攻擊和破壞，增加實(shí)驗(yàn)室的管理工作量，影響正常的教學(xué)活動(dòng)[2]。為了避免這種情況的發(fā)生，管理人員通常為機(jī)器安裝還原軟件，保持基本的上課環(huán)境不受影響，但卻給學(xué)生的課后實(shí)踐練習(xí)帶來(lái)不便，比如不及時(shí)存盤(pán)造成文件丟失、無(wú)法自主安裝所需要的軟件等。
2、虛擬化技術(shù)
隨著數(shù)據(jù)規(guī)模的日益增加，計(jì)算成本的逐漸上升，數(shù)據(jù)之間的管理越來(lái)越復(fù)雜，云技術(shù)的提出可以有效的解決這些難題。虛擬化技術(shù)作為云計(jì)算系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，可以將原來(lái)孤立的物理資源進(jìn)行抽象整合，實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)分配和調(diào)度，提高現(xiàn)有資源的利用率和服務(wù)可靠性，降低運(yùn)維成本，使數(shù)據(jù)更加安全。虛擬化技術(shù)是指在硬件條件確定的前提下，為用戶(hù)創(chuàng)建一個(gè)完整的虛擬操作系統(tǒng)，這個(gè)操作系統(tǒng)擁有虛擬的CPU和內(nèi)存，可以有效的`提高資源的利用率和系統(tǒng)的安全性。對(duì)于機(jī)器的硬件層，其核心部件包括CPU、內(nèi)存及I/O設(shè)備，某一個(gè)進(jìn)程若想在這個(gè)硬件上運(yùn)行，則需要對(duì)以上核心部件擁有絕對(duì)的管理權(quán)，這樣不便于多個(gè)進(jìn)程的同時(shí)進(jìn)行[3,4]。為了解決這一弊端，需要在運(yùn)行的軟件和硬件之間建立一個(gè)資源管理軟件層，即對(duì)硬件平臺(tái)的抽象系統(tǒng)調(diào)用接口，這個(gè)中間層讓虛擬機(jī)管理器（VMM）可以控制用戶(hù)操作系統(tǒng)如何有序的使用軟件資源，以上便是虛擬化技術(shù)的運(yùn)行機(jī)制。
3、虛擬云桌面的實(shí)現(xiàn)
虛擬云桌面是云計(jì)算的典型應(yīng)用，能夠在終端提供遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)桌面服務(wù)[5]。虛擬云桌面是通過(guò)遠(yuǎn)程服務(wù)器所提供的虛擬軟件和操作系統(tǒng)，以視圖的方式發(fā)送給客戶(hù)端，終端的所有操作實(shí)際都在服務(wù)器上進(jìn)行，共享服務(wù)器的存儲(chǔ)資源，完成操作后可以對(duì)任務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)提交，監(jiān)控資源的利用效率，及時(shí)釋放低利用率資源，保證資源的合理利用。
3.1云平臺(tái)的設(shè)計(jì)原理
面對(duì)實(shí)驗(yàn)室的各種管理難題，例如軟件的多樣性、復(fù)雜性、對(duì)硬件系統(tǒng)的要求逐漸提高、針對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和共享難度加大等問(wèn)題，加大了管理人員的工作量，同時(shí)對(duì)技術(shù)的要求也更加苛刻。而基于虛擬化的云平臺(tái)桌面實(shí)現(xiàn)了桌面應(yīng)用環(huán)境與終端設(shè)備的分離，用戶(hù)的桌面環(huán)境集中部署于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上的虛擬機(jī)中運(yùn)行。用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)虛擬桌面，并且能夠獲得與使用本地終端相同的效果，如圖1所示。通過(guò)集中化管理方式，讓系統(tǒng)管理員擁有比傳統(tǒng)終端更有效的控制和管理權(quán)限，并可以根據(jù)用戶(hù)的實(shí)際應(yīng)用軟件，及時(shí)按需交付應(yīng)用桌面，大大的減輕了實(shí)驗(yàn)室管理人員的工作量。
3.2云平臺(tái)的構(gòu)成
桌面虛擬化應(yīng)用是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要有服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、終端設(shè)備及軟件兼容性等多方面的統(tǒng)一配合。完整的云桌面方案包括：
（1）主控節(jié)點(diǎn)：部署在服務(wù)器上的虛擬化軟件，只需配置一臺(tái)服務(wù)器作為主控節(jié)點(diǎn)，即可通過(guò)主控節(jié)點(diǎn)管理整個(gè)服務(wù)器集群。同時(shí)主控節(jié)點(diǎn)有權(quán)限創(chuàng)建新的虛擬機(jī)提供給用戶(hù)使用。
（2）計(jì)算節(jié)點(diǎn)：部署在服務(wù)器上的虛擬化軟件，以KVM為基礎(chǔ)提供虛擬化層，虛擬化物理服務(wù)器的CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)資源，并將其分配給多臺(tái)虛擬機(jī)。
（3）管理平臺(tái)：B/S架構(gòu)的單一管理模式，任意與服務(wù)器在同一網(wǎng)段的終端通過(guò)瀏覽器直接訪問(wèn)主控機(jī)的虛擬桌面管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器虛擬化IT架構(gòu)以及虛擬桌面的統(tǒng)一管理。虛擬云平臺(tái)的架構(gòu)可以真正實(shí)現(xiàn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將定制的桌面系統(tǒng)實(shí)時(shí)交付給用戶(hù)，而用戶(hù)可以通過(guò)不同類(lèi)型的終端如PC機(jī)、筆記本、智能設(shè)備隨時(shí)隨地進(jìn)入學(xué)習(xí)場(chǎng)景，開(kāi)啟一種新型的全開(kāi)放式學(xué)習(xí)新模式。
3.3桌面虛擬化的實(shí)現(xiàn)
桌面虛擬化的技術(shù)主流主要包括瘦客端和非瘦客端兩種模式，他們的共同點(diǎn)是：在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境允許的情況下，在服務(wù)器啟動(dòng)下都可以選擇所需要的鏡像。不同點(diǎn)是：瘦客端的所有數(shù)據(jù)存在于服務(wù)器中，非瘦客端將個(gè)人終端做為客戶(hù)端。針對(duì)學(xué)院的教學(xué)環(huán)境和實(shí)際要求，實(shí)驗(yàn)室主要采用非瘦客端做為虛擬桌面的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，實(shí)施建設(shè)主要分以下幾方面：
（1）對(duì)服務(wù)器的相應(yīng)磁盤(pán)采用NTFS文件格式，安裝虛擬化軟件，如物理服務(wù)器已經(jīng)存在操作系統(tǒng)，則此安裝會(huì)覆蓋之前的操作系統(tǒng)，安裝完畢后，對(duì)電源、網(wǎng)絡(luò)信息等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和優(yōu)化。
（2）配置掛載任務(wù)。為服務(wù)器配置存儲(chǔ)，分配操作系統(tǒng)安裝目錄，設(shè)置網(wǎng)卡IP地址，DNS、主機(jī)名、通信密鑰等信息，如果配置服務(wù)的過(guò)程中只有一臺(tái)服務(wù)器，則安裝后初始化為主控節(jié)點(diǎn)即可，如有多臺(tái)服務(wù)器存在，則需要初始化一臺(tái)為主控節(jié)點(diǎn)，其他服務(wù)器在管理臺(tái)添加為計(jì)算節(jié)點(diǎn)。以上操作完成后，則可以基本完成管理端與服務(wù)器端的連接。
（3）在客戶(hù)端安裝虛擬軟件，安裝完成后重啟終端，由于操作系統(tǒng)預(yù)先存于主服務(wù)器端，即可直接實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端的登錄操作，終端與服務(wù)器通過(guò)WEB設(shè)置相關(guān)信息建立連接，設(shè)置密碼以便進(jìn)行匹配驗(yàn)證。
（4）啟動(dòng)任意客戶(hù)端，進(jìn)行密碼驗(yàn)證后，設(shè)置系統(tǒng)上傳命令，可將操作系統(tǒng)鏡像上傳至服務(wù)器目標(biāo)目錄[6]。通過(guò)以上的操作，即可完成實(shí)驗(yàn)室虛擬云桌面的部署和搭建。測(cè)試成功后，終端的登錄方式已由原來(lái)的單一操作界面增加了個(gè)人桌面和教學(xué)桌面多種場(chǎng)景模式，能夠有效的提高實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的部署效率，解決還原軟件在實(shí)驗(yàn)室管理工作中形成的瓶頸問(wèn)題，使虛擬化技術(shù)在運(yùn)維管理方面得到了充分應(yīng)用。
4、小結(jié)
培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力是高校教學(xué)環(huán)節(jié)中非常重要的組成部分，低配的終端設(shè)備已無(wú)法實(shí)現(xiàn)教學(xué)模式的創(chuàng)新，影響學(xué)生個(gè)性化的學(xué)習(xí)活動(dòng)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。虛擬化云桌面的實(shí)現(xiàn)不僅解決了實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境面臨的諸多問(wèn)題，還通過(guò)云技術(shù)和虛擬桌面技術(shù)的有效結(jié)合實(shí)現(xiàn)了快速部署實(shí)驗(yàn)環(huán)境和故障機(jī)器的排查，使實(shí)驗(yàn)室管理人員可以輕松的管理千臺(tái)終端，極大的減少整體運(yùn)維成本。
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