閩江學(xué)院計算機(jī)科學(xué)系 陳 希 王 瑛

虛擬技術(shù)在高校計算機(jī)實驗室的應(yīng)用研究

閩江學(xué)院計算機(jī)科學(xué)系 陳 希 王 瑛

隨著計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，帶動了教育行業(yè)信息化建設(shè)的持續(xù)創(chuàng)新和深化改革。本文將探究如何應(yīng)用服務(wù)器虛擬化等虛擬化技術(shù)把計算機(jī)公共實驗室打造成一個適應(yīng)各方教學(xué)需求的虛擬實驗室以更好地服務(wù)于教學(xué)，提高計算機(jī)教學(xué)實驗環(huán)境的可靠性、穩(wěn)定性，實現(xiàn)多種不同計算機(jī)教學(xué)實驗環(huán)境的大批量快速布署。

服務(wù)器虛擬化；VDI桌面虛擬化；計算機(jī)虛擬化

1 引言

目前，教育信息化經(jīng)過多年的發(fā)展已進(jìn)入轉(zhuǎn)型期，正逐步從搭建校園網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施平臺開始更深更廣的層次發(fā)展。高校實驗室作為培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)知、創(chuàng)新能力的重要場所，更要走在信息化技術(shù)發(fā)展的前沿。這就為如今的實驗室管理帶來了新的挑戰(zhàn)。不僅如此，云計算因為云計算技術(shù)和應(yīng)相比傳統(tǒng)PC 的應(yīng)用方案低成本，安全可靠，維護(hù)量低且更靈活多變而正在滲透到我們教學(xué)活動中的方方面面。虛擬化技術(shù)是云計算的重要基石，虛擬化技術(shù)的質(zhì)量是云計算應(yīng)用的關(guān)鍵[1]。目前我校的計算機(jī)公共實驗室大多是采用硬盤保護(hù)卡的方式對計算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)和軟件的維護(hù)，但是硬盤保護(hù)卡在使用過程中會產(chǎn)生一些很難避免的問題，譬如對一些特殊的軟件如 3DMAX 軟件的注冊信息，硬盤保護(hù)卡無法做到數(shù)據(jù)同傳處理，只能是解開保護(hù)，一臺一臺的注冊；硬盤保護(hù)卡在系統(tǒng)和應(yīng)用軟不容易升級，只能是升級好一臺計算機(jī)后對所需要更新的其他計算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)同傳，這樣浪費了大量的時間而且維護(hù)極度不便；特別是有的課程教學(xué)教學(xué)需要不同的操作系統(tǒng)，但是這就需要在建立在硬盤劃分和系統(tǒng)安裝之前進(jìn)行部署，不能在需要時自由方便地添加從而達(dá)不到教學(xué)效果。另外，這種保護(hù)卡不僅和計算機(jī)硬件還和軟件環(huán)境有著硬件兼容性差的問題，很容易引起系統(tǒng)的崩潰[2]。

我校計算機(jī)公共實驗室，是全校計算機(jī)實驗教學(xué)的重要場所，已成為學(xué)校教育信息化的重點建設(shè)部分，承擔(dān)著全校計算機(jī)基礎(chǔ)類課程和非計算機(jī)專業(yè)類的計算機(jī)課程教學(xué)實踐。每個學(xué)期期初，會根據(jù)教學(xué)需要收集各門課程需要的教學(xué)軟件進(jìn)行實驗室軟件環(huán)境的更新，替換原有的軟件，甚至部署整個教學(xué)環(huán)境，以保證教學(xué)活動的正常進(jìn)行，由此也導(dǎo)致的工作量大、系統(tǒng)維困難。面對這樣的情況，因此必須運用新技術(shù)例如服務(wù)器虛擬化和桌面虛擬化來提升管理水平以應(yīng)對挑戰(zhàn)，而桌面虛擬化系統(tǒng)能夠很好的解決以上這些問題。桌面虛擬化系統(tǒng)，把計算機(jī)的桌面應(yīng)用環(huán)境從計算機(jī)硬件中剝離開來，把桌面和應(yīng)用環(huán)境鏡像都集中到服務(wù)器上；通過局域網(wǎng)或者遠(yuǎn)程訪問各自的計算機(jī)系統(tǒng)，學(xué)生端可以根據(jù)自己不同的需求快速自主地訪問資源。

2 服務(wù)器虛擬化技術(shù)的應(yīng)用

計算機(jī)虛擬化技術(shù)的應(yīng)用，可以從桌面的虛擬化、服務(wù)器的虛擬化、 應(yīng)用的虛擬化三個方面入手。 從這三種技術(shù)的發(fā)展趨勢來看，服務(wù)器虛擬化技術(shù)是其中發(fā)展勢頭最好、應(yīng)用最廣的技術(shù)。服務(wù)器虛擬化技術(shù)作為虛擬化技術(shù)中的一種，從需求實上可以理解為把服務(wù)器端的資源有效的進(jìn)行整合和共享，讓用戶端能獲得需要的共享資源（例如CPU資源、顯卡資源、硬盤資源等）。服務(wù)器虛擬技術(shù)的實現(xiàn)，主要通過兩種途徑：將一臺物理服務(wù)器的資源虛擬化為多臺邏輯服務(wù)器或者是將把多臺物理服務(wù)器的資源虛擬化為一臺邏輯服務(wù)器。服務(wù)器虛擬化技術(shù)能夠給服務(wù)器的架設(shè)帶來諸多益處，比如大幅提服務(wù)器的利用率，從而使得部署應(yīng)用所需要的物理服務(wù)器數(shù)量大幅度降低從而在經(jīng)濟(jì)上得到了節(jié)約；而且應(yīng)用的虛擬機(jī)本身能夠被迅速部署和復(fù)制，這樣就大大降低服務(wù)器維護(hù)管理所需要的工作量，使得實驗管理人員從重復(fù)勞動中解脫出來；不僅僅如此，服務(wù)器的部署時間將大大縮短，軟件的兼容性好得到了有效的驗證，非常易于后期的維護(hù)和升級。[3]

我校計算機(jī)公共實驗室在不斷實踐摸索中也得到了應(yīng)用，取得了不錯的效果：如使用過微軟公司的相關(guān)軟件構(gòu)建了省計算機(jī)等級考試模擬系統(tǒng)的專用服務(wù)器，針對全校學(xué)生的計算機(jī)考試模擬練習(xí)，在虛擬的邏輯服務(wù)器上一次性地設(shè)置好模擬考試環(huán)境，保存好虛擬服務(wù)器快照，提供學(xué)生練習(xí)產(chǎn)生大量無用的臨時數(shù)據(jù)后，可以根據(jù)需要隨時還原虛擬服務(wù)器快照來復(fù)原模擬考試環(huán)境，而不需要按照步驟繁瑣地重新安裝設(shè)置模擬考試服務(wù)器，而且這種技術(shù)大大增強(qiáng)了實驗室環(huán)境的抗病毒能力，大幅提高了實驗環(huán)境的安全性和穩(wěn)定性[4]。但是微軟的相關(guān)虛擬軟件也有克服不了的缺點：如生成的虛擬機(jī)過大占用了過多的資源，提供給眾多學(xué)生練習(xí)時頻繁讀寫磁盤操作對硬盤有一定的損傷，讀寫速度也不夠快，之后，我們又改進(jìn)把服務(wù)器的部分內(nèi)存虛擬成磁盤，用AutoIt語言腳本設(shè)置好共享權(quán)限，提供給學(xué)生端共享使用，這樣學(xué)生端只對虛擬內(nèi)存盤操作，不會對服務(wù)器的硬盤有任何損傷，而且數(shù)據(jù)讀寫速度大大提高，需要還原考試數(shù)據(jù)時，只需使用AutoIt語言腳本對服務(wù)器的內(nèi)存盤格式化、然后自動解壓模擬考試數(shù)據(jù)并自動設(shè)置好共享權(quán)限即可。

圖1 瘦客戶終端桌面虛擬化方案

3 桌面虛擬化技術(shù)的應(yīng)用

桌面虛擬化是一種基于服務(wù)器的計算模型，這種技術(shù)能讓實驗室的管理人員與用戶都能夠獲益：管理人員面虛擬機(jī)在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行托管非常方便管理，學(xué)生能夠夠在客戶端享受本地PC機(jī)器的使用體驗，重要的是，這兩個個方面可以同時做到。桌面虛擬化是以服務(wù)器虛擬化為基礎(chǔ)，主要虛擬工作在數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器上完成，可以做到生成需要的數(shù)量的的獨立的桌面操作系統(tǒng)以供不同的客戶隨時的訪問。學(xué)生用戶輸入被分配的用戶名和密碼及網(wǎng)關(guān)等登錄信息，就可以通過以太網(wǎng)登陸到虛擬主機(jī)上。這種技術(shù)主要是為了降低成本和獲得更可靠的桌面環(huán)境，軟件的集中應(yīng)用、桌面安全性、更靈活的控制資源等。在各高校計算機(jī)實驗室管理中，主要通過兩種手段來實現(xiàn)實驗室的虛擬。第一種是終端采用類似瘦客戶終端，特點是所需資源完全依靠共享服務(wù)器資源及存儲資源，第二種則終端采用X86架構(gòu)的終端，僅可以共享部分的服務(wù)器資源及存儲資源。

3.1 采用瘦客戶終端桌面虛擬化方案的應(yīng)用

這種方案主要功能的實現(xiàn)例如CPU運算、顯卡圖形運算、存儲等依賴于服務(wù)器資源池，把服務(wù)器資源池上運行的虛擬機(jī)的桌面圖像通過不同的傳輸協(xié)議傳送給終端顯示設(shè)備。終端在硬件上性能上比較弱，一般配置的CPU是基于ARM芯片，軟件系統(tǒng)是一般是基于Linux，是基于虛機(jī)資源獨享的遠(yuǎn)程桌面，所以這種終端防病毒安全性方面好，終端只作接收顯示虛擬系統(tǒng)的畫面，適用于簡單辦公及一般教學(xué)實驗用（如圖1所示）。

目前這種方案雖然有終端維護(hù)方便、耗電省等優(yōu)點，但是在實際應(yīng)用中有著不小的問題：

（1）高校計算機(jī)實驗室特別是基礎(chǔ)實驗室上課環(huán)境負(fù)責(zé)，課程之間彼此需要的軟件差異很大，不僅存在專業(yè)間的軟件應(yīng)用差異，同一軟件還需要不同版本以適應(yīng)教學(xué)需要，VDI桌面虛擬化的服務(wù)器能夠支持終端的數(shù)量較少，卡機(jī)現(xiàn)象明顯；另外學(xué)生不能在終端上練習(xí)使用虛擬機(jī)軟件導(dǎo)致影響課堂效果。

（2）在實驗室特別是專業(yè)實驗室里所需要的外接硬件很多（例如掃描儀、打印機(jī)、觸摸屏、IC讀卡器等），這些外設(shè)的接口和驅(qū)動通常比較特殊，VDI桌面虛擬化通過端口映射，加載統(tǒng)一驅(qū)動的方式很難兼容，軟件系統(tǒng)以后升級存在兼容性等問題；

（3）一些學(xué)校的老機(jī)房的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境一般為百兆網(wǎng)絡(luò)，而如果是上百臺終端采用VDI桌面虛擬化通常要求接入到千兆才能夠同時支持大規(guī)模客戶機(jī)流暢運行；

（4）VDI桌面虛擬化對服務(wù)器硬件要求較高，需要高性能的服務(wù)器兩臺帶動約50臺左右的終端，如果是上百臺終端的機(jī)房需要投入的軟硬件成本更高，價格方面與傳統(tǒng)PC機(jī)方案優(yōu)勢不大；

（5）VDI桌面虛擬化架構(gòu)復(fù)雜，對用戶來說是一整套的解決方案，對服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是完全依賴，一旦中間某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，又不能終端單機(jī)獨立運行，連基本辦公軟件等都沒法運行，容易出現(xiàn)嚴(yán)重整個機(jī)房癱瘓的教學(xué)事故；

3.2 采用X86架構(gòu)的終端桌面虛擬化方案的應(yīng)用

這種方案的主要特點是實現(xiàn)了計算機(jī)終端應(yīng)用環(huán)境的快速部署和維護(hù)，具體是管理人員把計算機(jī)終端操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)文件都集中部署在服務(wù)器上，然后進(jìn)行集中管理和維護(hù)；學(xué)生在客戶端時候時，可根據(jù)自己的需要調(diào)取操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，這種調(diào)取以數(shù)據(jù)流的形式通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議得以實現(xiàn)。整個過程充分利用客戶端的硬件資源實現(xiàn)了本地化運算，學(xué)生使用起來感受、圖形顯示效率以及外設(shè)兼容性均與本地PC一致。這種方案一般是由四部分組成：服務(wù)器，備用服務(wù)器，管理端和客戶端。服務(wù)器主要負(fù)責(zé)存儲虛擬磁盤文件，為客戶端提供數(shù)據(jù)服務(wù)；備用服務(wù)器提供啟動、激活熱備服務(wù)；管理端是負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程分發(fā)桌面，遠(yuǎn)程管理等操作管理客戶端行為，終端可以是安裝了云桌面客戶端程序的各類X86架構(gòu)的PC機(jī)。

這種方案的優(yōu)點是所需的數(shù)據(jù)資源存放在服務(wù)器統(tǒng)一管理，按終端需要發(fā)送相應(yīng)的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)，而CPU、顯卡、內(nèi)存資源實現(xiàn)終端本地化運算，即可以購買小型盒子式x86架構(gòu)的終端，又可以使用原有機(jī)房舊的PC機(jī)資源，減少更新投入的成本。即可以使用連網(wǎng)把數(shù)據(jù)緩存到服務(wù)器上運行，又可以在數(shù)據(jù)緩存到終端本地磁盤后斷網(wǎng)使用，連接外設(shè)的接口和驅(qū)動與原有PC一致。

我校的計算機(jī)公共實驗室從實際情況出發(fā)，選擇第二種方案，即共享了服務(wù)器資源，使終端桌面資源數(shù)據(jù)集中統(tǒng)一管理，又能讓終端脫離服務(wù)器單獨運行，同時老設(shè)備的軟硬件可以再利用從而實現(xiàn)平穩(wěn)過渡，更新成本又不高，性價比遠(yuǎn)高于第一種方案。

4 結(jié)束語

綜上所述，高校計算機(jī)實驗室一定要根據(jù)自身的實際需求，并著眼于長遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃，選擇好合適的計算機(jī)虛擬化解決方案運用到計算機(jī)實驗教學(xué)實驗中去，才能更好地提高計算機(jī)教學(xué)實驗水平。

[1]郭培源,基于云計算平臺的虛擬實驗室設(shè)計與實現(xiàn)[J]．軟件,2012(33) 10．

[2]李從明,淺談桌面虛擬化系統(tǒng)在高校計算機(jī)實驗室中的應(yīng)用,[J]．科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2012,12 (上)．

[3]姜偉．服務(wù)器虛擬化在高校計算機(jī)實驗室的應(yīng)用研究[J]．實驗技術(shù)與管理,2012,1．

[4]馮榮．計算機(jī)實驗室中運用虛擬機(jī)軟件及其要點分析[J]．赤峰學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,8．