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(yàn)操作課程對(duì)提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力及知識(shí)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(jì)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(yàn)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(shí)，很多高職院校的實(shí)驗(yàn)基地除了正常教學(xué)任務(wù)，還要承擔(dān)一些社會(huì)服務(wù)的工作，比如承擔(dān)社會(huì)培訓(xùn)及考試考證任務(wù)等，根據(jù)不同任務(wù)的需求，對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的軟硬件資源的配置要求各不相同，這就對(duì)實(shí)驗(yàn)室的管理工作提出了更高的要求。將云計(jì)算技術(shù)引入到高職實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中，能夠改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)和管理觀念，最大化的發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)效益，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率，促使實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理的信息化發(fā)展［1］。

1 云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的需求分析

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

（1）降低實(shí)驗(yàn)室的資金投入，提高設(shè)備的利用率。云計(jì)算對(duì)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(yàn)室的資金投入，同時(shí)使設(shè)備的利用率最大化，節(jié)約了資源。

（2）有利于實(shí)驗(yàn)室的開放共享。結(jié)合云計(jì)算技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室，可以為師生提供不受時(shí)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(jì)算提供的虛擬云桌面及軟件環(huán)境，而且實(shí)驗(yàn)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(shí)隨地利用實(shí)驗(yàn)室的資源進(jìn)行備課或科研。

（3）方便實(shí)驗(yàn)室的管理和維護(hù)。實(shí)驗(yàn)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(yàn)環(huán)境，借助云計(jì)算技術(shù)，管理員可以將實(shí)驗(yàn)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(jí)時(shí)，管理員只需要在服務(wù)器上操作即可，而不需要逐臺(tái)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(yàn)室的管理成本，提高了管理效率。

2 高職實(shí)驗(yàn)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(tái)物理服務(wù)器上虛擬出多個(gè)虛擬服務(wù)器，每個(gè)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(gè)服務(wù)器發(fā)生故障無法正常工作時(shí)，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(yàn)等無法在物理機(jī)上進(jìn)行的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)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(yàn)室采用服務(wù)器虛擬化技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）提升實(shí)驗(yàn)室資源的利用率。出于安全問題考慮，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室每臺(tái)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(yàn)室資源的利用率。

2）動(dòng)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(duì)CPU、內(nèi)存及網(wǎng)絡(luò)資源等進(jìn)行實(shí)時(shí)遷移，通過軟件調(diào)整API，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的合理分配資源。

3）加速應(yīng)用部署。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室部署包括操作系統(tǒng)的安裝、課程軟件的安裝及測(cè)試運(yùn)行等工作，眾多實(shí)驗(yàn)室的部署工作耗時(shí)耗力，通過服務(wù)器虛擬化技術(shù)只需要部署一個(gè)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(yàn)室的應(yīng)用部署工作，此后系統(tǒng)和應(yīng)用程序的升級(jí)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(dòng)態(tài)遷移、HA等技術(shù)，可以在某個(gè)物理機(jī)或虛擬機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)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(tái)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(dòng)態(tài)分配［3］。構(gòu)建統(tǒng)一的云桌面平臺(tái)，能夠?yàn)槠脚_(tái)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(tái)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(yàn)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(yàn)室采用桌面虛擬化技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

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

2）快速安裝部署。不同課程對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置不同，云桌面平臺(tái)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(gè)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(tái)管理工具對(duì)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(duì)桌面進(jìn)行快照和備份，當(dāng)桌面環(huán)境被破壞時(shí)，后臺(tái)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(gè)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(yàn)環(huán)境中軟硬件版本不兼容的問題。

實(shí)驗(yàn)室采用應(yīng)用虛擬化具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）集群部署，免終端安裝。實(shí)驗(yàn)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(gè)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(jì)算是相隔離的，服務(wù)器端為用戶提供獨(dú)立的邏輯計(jì)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(yàn)室虛擬化解決方案

3.1 基于云計(jì)算的實(shí)驗(yàn)室整體架構(gòu)

基于云計(jì)算的實(shí)驗(yàn)室整體架構(gòu)如圖3所示，整個(gè)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(jì)算實(shí)驗(yàn)室整體架構(gòu)

云基礎(chǔ)設(shè)施硬件層：該層包括計(jì)算資源設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(duì)物理資源的虛擬化，對(duì)計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行按需分配部署，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬資源的統(tǒng)一管理和動(dòng)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(duì)虛擬桌面系統(tǒng)的要求，對(duì)整個(gè)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(yàn)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(chǔ)和維護(hù)。

云端接入層：該層為終端用戶與云計(jì)算應(yīng)用提供統(tǒng)一規(guī)范的接口。云計(jì)算對(duì)終端接入設(shè)備的硬件要求較低，構(gòu)建基于云計(jì)算的實(shí)驗(yàn)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(chǔ)空間服務(wù)，從而突破了不斷升級(jí)更新的軟件對(duì)終端設(shè)備的性能要求，避免實(shí)驗(yàn)室頻繁升級(jí)、更新設(shè)備。

3.2 實(shí)驗(yàn)室虛擬化的解決策略

本文結(jié)合高職院校機(jī)房實(shí)驗(yàn)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(yàn)室的虛擬化解決策略如圖4所示。

圖4 高職實(shí)驗(yàn)室虛擬化解決策略

實(shí)驗(yàn)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(shí)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(tái)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(yàn)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(gè)機(jī)房，方便實(shí)驗(yàn)教學(xué)的進(jìn)行，也有利于維護(hù)整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(tái)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(tái)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(yàn)室虛擬化工作的重中之重，如何將高職實(shí)驗(yàn)室的核心應(yīng)用遷移至虛擬環(huán)境，保障實(shí)驗(yàn)環(huán)境符合師生需求是實(shí)驗(yàn)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(yàn)室的數(shù)據(jù)中一般包含了學(xué)校的FTP、WEB及存儲(chǔ)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(shí)間進(jìn)行配置和遷移數(shù)據(jù)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(shí)，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(gè)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(yàn)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(cè)試，鏡像文件大小為73.2 G的遷移時(shí)間大約為1小時(shí)35分，如果改為服務(wù)器的話時(shí)間必然會(huì)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(huì)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(yàn)室是教育教學(xué)的重要場(chǎng)所，實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(jì)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(yàn)室，為實(shí)施云教育示范工程提供范例。

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