基于云计算机系统的实训平台研究与实现

李贺华

（重庆电子工程职业学院信息安全技术研究所，重庆 401331）

计算机技术应用

基于云计算机系统的实训平台研究与实现

李贺华

（重庆电子工程职业学院信息安全技术研究所，重庆 401331）

介绍了云计算机系统的功能特点，分析了其在高校实训平台建设、使用和管理中的作用，设计了以云计算机系统为核心的实训平台服务器端和以虚拟桌面为核心的实训平台客户端，给出了实训平台的具体实现方案。云计算技术确实能够有效改善传统实训室遇到的难题，解决实训室建设成本高、实训环境可扩展性差、服务器资源利用率低、管理困难等问题。

实训平台；云计算；虚拟桌面；实践教学

云计算机是指采用与个人计算机和超级计算机完全不同的分布式体系架构，借助于云计算的虚拟化技术，由多个成本相对较低的计算资源融合而成的一台具有强大计算能力和存储能力的计算机。一台云计算机系统可供多达上千个终端用户同时使用［1］。

用云计算技术构建高校虚拟实训室，可以有效改善传统实训室建设、运行、使用和管理过程中遇到的诸多问题［2－4］。本文在研究VMware虚拟化平台架构的基础上，设计并实现了以云计算机系统为核心的高校实训平台服务器端和以虚拟桌面为核心的实训平台客户端。

1 云计算机系统的功能特点

云计算机系统可高效支持大数据处理、高吞吐率和高安全信息服务等多类应用需求，其计算能力和存储能力可动态伸缩并无限扩展，可为用户提供桌面虚拟化、数据统一管理、信息安全管理和网络管理等服务，降低数据中心建设和运营费用［5－6］。

（1）高可用性和高扩展性。云计算机系统是由多个计算单元组成的集合体来实现集群虚拟化，每个计算单元之间独立运行、互不干扰。当某个计算单元发生故障时不会影响其他计算单元。发生故障的计算单元在恢复运行以后，其他计算单元上已经更新的配置信息也会被快速迁移到在该计算单元上，从而实现多个计算单元可同时拥有相同的最新配置。

（2）优化的网络储存系统。云计算技术的一个关键问题是如何把数据安全可靠地存储在云端，为保证数据的可用性，还必须同时保存数据的多个副本。通过集群、分布式数据库和分布式文件系统等技术，云计算机系统对数据存储得到了优化。在云存储系统中，大量不同类型、不同厂家的存储设备集合在一起，通过虚拟化和集中控制机制使它们协同工作，共同对外提供统一的更加高效的数据存储和业务访问。分布式数据库能实现故障节点的自动接管和动态负载均衡，在处理拥有Peta Byte以上级别的结构化的数据业务上性能优势明显。

（3）容易管理的虚拟桌面。云计算机系统中的虚拟桌面也被称为云桌面，其主映像上的数据和配置可以方便地迁移到系统中所有虚拟桌面上，大大降低了虚拟桌面修补和部署的难度与成本。云计算机系统通过虚拟桌面池管理功能，提供直观的Web管理界面，管理员可以通过远程方式管理云计算机和存储在云端的虚拟桌面。

（4）桌面备份和灾难恢复。在云计算机系统中，保留了传统服务器应用程序的可靠性、自动备份、数据保护和灾难恢复等功能。使用链接克隆技术，云计算机系统允许用户在主映像的基础上，快速创建各类用户的虚拟桌面映像，实现虚拟桌面的批量快速部署与快速修复。

（5）高度安全的访问控制。在云计算机系统中，所有的数据存储和计算都发生在云端，所有的虚拟桌面也保存在云端，管理员可以通过配置工具，严格限制用户对机密数据和信息的访问、使用和下载。云计算机系统可为云计算机与云接入终端之间的桌面协议提供安全保护，如SSL、加密、身份认证等，大大增加了数据的安全性。

2 云计算机系统在实训平台建设管理中的作用

2．1 实训设备硬件配置问题

实训平台的计算机故障主要来自：主板、内存、显卡、硬盘等；设备配置不统一、一些设备配置低；终端实训和办公环境崩溃，需要重新部署等。

云计算机解决方案是：整合高性能服务器与优质网络带宽，提供基于云计算模式的按需使用和按需付费能力的主机租用服务。管理员可以通过Web界面的自助服务平台，部署所需的实训环境，有效解决了实训主机配置不一，难以更换和升级等缺点。

2．2 操作系统和软件安装问题

由于学生自行安装或卸载实训计算机上的软件、修改系统设置和系统服务，可能导致计算机运行速度慢、桌面混乱甚至服务崩溃。虽然机房管理员可以进行重装系统，但会耗费大量时间和人力成本。

云计算机解决方案是：使用虚拟化技术建立用户桌面的主映像，根据不同实验分类，在多个主映像上安装能满足不同实验需求的系统软件和应用软件。安装主镜像的操作与使用物理主机一样，但发布和部署到客户端所用的时间却很短。主镜像以多用户共享的机制给参加实训的用户同时使用，学生在虚拟桌面上完成的设置和修改，在云主机或虚拟桌面重启后可以得到保留［6］。一旦管理员收回主镜像操作后，用户的修改又会全部失效，而再次发布和部署的虚拟桌面还可以还原到初始状态，后供下次实训的学生使用。

2．3 病毒的防治问题

实训机房的主机和个人主机相比，更容易感染和传播病毒。学生在实训主机上使用U盘是造成病毒快速扩散的重要原因。

云计算机解决方案是：采用桌面虚拟化技术为学生提供虚拟的云桌面。病毒、木马等恶意程序对虚拟桌面的任何修改，在管理员重新发布和部署后都会失效。另外，云终端无硬盘等硬件设备，也有效防止了病毒和木马等恶意代码从内部发起的对实训系统的侵害。

2．4 需求与管理的协调问题

传统实训机房往往是不同专业、不同年级的学生轮流使用，实训内容也有很大差别，机房主机固定安装的操作系统和各种应用程序不可能完全满足不同学生、不同实训内容的需求。

云算计解决方案是：利用虚拟化功能建立应用池，应用池中包含了大量的内容。在实训过程中，如果管理员要临时安装某个应用，只需将已经发布和部署的虚拟桌面主镜像做回收操作，添加新的应用程序，再重新发布和部署即可。

2．5 管理工作量大的问题

传统的机房建设特点是机房多、计算机数量多而且分散，管理维护人员较少。由于机房使用频率高、开机时间长，学生的各种误操作，使管理员的管理和维护工作量大。

云计算机解决方案是：管理员通过云计算机系统的虚拟桌面管理功能，只需要在管理端进行简单的勾选设置，即可完成云桌面的应用交付、更改和收回，使维护工作量成倍下降，甚至一个管理员可轻松管理上千桌面。

2．6 需要多台实训主机的问题

很多专业的实训项目需要多台计算机组成的网络才能完成，不同的实训任务也可能需要不同的网络结构，例如，信息安全实训室要实现网络中两个不同站点的攻防实践演练，就需要为每个学生提供2至4台PC机组成的网络系统，而普通机房很难提供这样的实训环境。

云计算机解决方案是：通过虚拟出多台云主机，它们像物理主机一样工作，都可以具有一个或多个独立IP地址和MAC地址，也可以安装不同的操作系统，轻松实现多主机、多设备实训环境的搭建。

2．7 建设和维护成本问题

由于操作系统和应用软件对主机配置的要求越来越高，传统实训机房的服务器和PC机硬件升级换代的周期变短，计算机实训平台建设和维护成本不断升高。

云计算机解决方案是：接入端用户可以灵活地使用校内或校外的任何PC、笔记本或瘦客户端。瘦客户端的结构和功能比较简单，其使用年限较长，而现有的服务器和PC机使用年限也可以延长，保护了现有投资，降低了建设和维护成本。

2．8 节能与环保的要求问题

传统实训机房数量庞大的普通PC机、服务器以及空调设备需要消耗大量电能，用电成本甚至超过总运行成本的50%。这让传统实训机房的运行管理单位不堪负重。

云计算机解决方案是：通过虚拟化技术将一台服务器虚拟成多台虚拟服务器，每台虚拟服务器上都独立运营一个或几个服务，提升了物理服务器的使用效率，减少了实训机房实际服务器的数量，降低了服务器的能耗。另外，瘦客户端的功率通常也只有PC机的10%左右，由于数量多，节能效果更加明显。瘦客户端无风扇，零噪音，也可大大改善教学环境。

3 基于云计算机系统的实训平台设计与实现

基于云计算机系统的实训平台建立在虚拟化的资源池基础上，可以实现多种虚拟化、并行计算、多种类型的存储支撑和多种形式的网络拓扑连接与模拟。通过将关键业务应用程序与底层硬件分离来实现高可靠性和高灵活性，使每种应用程序工作负载均能够以尽可能低的成本履行最高级别的应用程序服务协议［6－9］。

利用统一管理的资源池，可以实现大数据、云存储、虚拟化、云开发、云管理和在线学习等多种功能，从而实现IaaS、PaaS和SaaS的多层次、多种类实训和实验的支持，可以实现统一化、多维度的管理功能。

在基于云主机系统的实训平台由12台服务器、3台存储服务器、2台核心千兆交换机组成，可以轻松满足800～1 500个虚拟桌面的I／O性能要求，其网络核心结构如图1所示。

图1 基于云计算系统的实训平台核心网络图

3．1 实训平台核心组件与功能

采用VMware vSphere云操作系统，提供虚拟化基础架构、高可用性、集中管理、监控等功能，利用vSphere这个数据中心虚拟化平台，可使所有应用程序和服务具备高级别的可用性和响应速度。

采用VCS（veritas cluster server）实现高可用性，它可以监控物理服务器、虚拟机以及应用程序在虚拟机内运行的状况。VCS为采用所有主要虚拟化技术，包括VMWare ESX、Microsoft Virtual Server、AIX LPars ＆Micro－pars、Solaris Zones和HP vPars，实现的应用程序可用性、灾难恢复、服务器设置和存储管理提供了单个视图和管理平台［10－12］。

采用VMware View从单一集成平台向客户端交付虚拟桌面。View基于VMware vSphere构建，动态分配资源，为终端用户提供快速响应和高度可用的环境［13］。View可按需扩展和缩减桌面服务，以快速满足不断变化的业务需求，并主动防范计划内及计划外停机。

采用2台2CPU／4核心／8GB内存的服务器组成云计算的基础服务：Windows 2008的Activate Directory、DHCP服务器，并且安装WSUS与VMware vCenter Server服务器，其中WSUS服务器用来实现Microsoft产品的补丁，而vCenter管理另外10台高配置、高性能的服务器组成的ESX群集。采用10台4CPU、每CPU具有4或8个核心超线程、96GB内存的服务器，用来实现VMware View虚拟桌面的资源池。

每4台服务器通过FC HBA光纤卡连接到一台存储设备；每4台服务器组成一个群集环境。每台服务器可以放置200～500个不同的虚拟桌面，可以同时运行80～200个（根据用户需求，包括不同性能与配置）虚拟桌面。

虚拟桌面的“模板”包括但不限于：XP1，安装Windows XP SP3操作系统，安装Office、VC、VB、VF、PS、Java等教学所要的工具软件；XP2，安装Visio2003或2005或VS2008，同时安装SQL Server 2005或2008，可以根据需要创建1～3个不同的模板虚拟机；XP3，安装全国计算机等级考试环境；WS0301，安装Windows Server 2003，安装全国计算机等级考试“服务器端”所需要的软件，安装USB Over Network软件，或者直接使用RDP方式使用全国计算机等级考试所需要的加密狗；WS0302、WS0303、WS0304，分别安装Oracle、DB2、SQL Server等数据库系统；WIN7X01，安装Windows 7操作系统；WS0801，安装Windows Server 2008操作系统。

虚拟桌面包括临时虚拟桌面和永久虚拟桌面。部分虚拟桌面保存在ESX服务器的“本地存储”中，部分虚拟桌面保存在“存储服务器”的存储中，这可以根据用户的需求进行合理的规划，以满足虚拟桌面性能、安全性、冗余及容错的要求。

当VMware View虚拟桌面不运行时，可以在ESX Server中安装Windows Server 2008HPC版本，实现高性能运算；或者采用多系统的方式，分别安装ESX Server或HPC 2008。

采用两台交换机组成双核心、10台ESX Server、2台AD／DHCP，不仅可以提高数据处理的速度，还可以实现负载均衡与冗余容错的功能。VCS用于保障本地可用性，它包含适用于所支持的应用程序和数据库的集群管理控制台和代理。

云计算系统的薄弱点在存储，存储上运行着全部的虚拟机文件。如果存储故障导致系统宕机，将导致用户的资料丢失或损坏，因此要充分考虑到实训平台中存储和备份系统的重要性。存储系统也可考虑采用性价比高的存储区域网络技术来实现。

3．2 实训平台的接入与访问

实训平台采用资源集中部署、平台集中管理，本校机房实验和开放实验相结合的部署方式。通过实训平台的核心交换机连接到学校各个机房或教室，可以轻松实现本校的机房实验和实训。通过加装路由器将实训平台核心交换机连接到校园网或广域网环境，还可以实现开放的实训环境，为用户提供“随时获取，按需使用，随时扩展，按使用付费”的服务，实现更大程度上的实训平台共享。

通过VMware View Client软件，用户可以用瘦客户端、智能手机或iPad等访问个人的虚拟桌面，只要输入个人账号，就可以实现“桌面跟我走、应用跟我走、数据跟我走”［14］。用户还可以不受学校网络带宽限制，通过无线或3G网络访问自己的虚拟桌面即云主机，完成实训实验任务的相关操作。

根据基于云计算机系统的实训平台配置特点，用户在实训室使用的客户端工作站有以下功能特点：

（1）工作站上安装32位或64位的客户端VM－ware View Client，实现基于VMware View的虚拟桌面访问；

（2）工作站可以实现基于Windows Server 2003／2008的“终端虚拟化”的虚拟桌面，在此配置可以更好地运行Office、PS等应用软件；

（3）对于内存在2GB及以上的工作站，可以使用VMware ACE Workstation、VMware Player，实现基于本地运行的虚拟桌面；

（4）用户数据可以保存在虚拟桌面对应的云计算机，也可以通过活动目录中的配置文件路径保存在Activate Directory服务器所连接的存储设备中。

4 结束语

高校实训平台引入云计算机系统后，为学生提供了丰富的模拟实训环境，实现了学生人手一台甚至多台虚拟机来完成复杂的实训任务，也大幅提高了实训平台维护效率和使用效率，降低了经费投入。管理员使用vCenter Server能够在一个位置了解整个虚拟基础架构的所有关键组件信息，轻松管理几百个工作负载，工作效率比传统机房提高一倍以上。尽管目前云计算还没有统一的技术标准和实现方式，但其作为整合资源的强力手段，必然会在实训和实验平台的构建中扮演越来越重要的角色，发挥越来越大的作用。

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Research and implementation of skills training platform based on cloud computer system

Li Hehua
（Institute of Information Security Technology，Chongqing College of Electronic Engineering，Chongqing 401331，China）

This paper introduces the function characteristics of cloud computer system，analyzes its role in the construction，use and management of university skills training platform．This paper also introduces the design and implementation of a skills training platform server with cloud computer system as the core，and a skills training platform client with virtual desktop as the core，and provides a technical route to solve many current problems，such as high construction cost，poor training environment expansion，low server resources utilization，management difficulties，etc．

training platform；cloud computing；virtual desktop；practical teaching

TP393

A

1002－4956（2015）3－0157－04

2014－07－23

重庆市教委2013年高等教育教学改革研究重点项目（132116）；重庆市教育科学十二五规划2013年度专项课题（2013－ZJ－079）；重庆市教委2014年高等教育教学改革研究重点项目（142079）

李贺华（1976—），男，河南西平，工学硕士，副教授，主要研究方向为信息系统集成与应用、网络安全．

E－mail：lihehuacqcet＠yeah．net