基于云计算的高校虚拟实验云平台设计

王曙霞 焦家林 黄志武

（湖北工程学院计算机与信息科学学院，湖北孝感432000）

基于云计算的高校虚拟实验云平台设计

王曙霞 焦家林 黄志武

（湖北工程学院计算机与信息科学学院，湖北孝感432000）

本文通过分析高校计算机类课程实验现状和云计算虚拟化技术，研究搭建一个集成各种应用软件和操作系统的虚拟化云平台，按需提供各种服务，采用瘦客户端/云服务器模式，通过利用服务器模式仿真和远程硬件操控等方式，实现计算机类的应用软件和程序编译等实验。为了解决实验中的资源占用冲突，采用预约机制和最近最少法原则合理调配。本虚拟实验云平台实现了教育资源整合，降低了高校对实验的投入成本，提高了高校信息化水平，进而推动世界教育技术的发展。

云计算；虚拟实验；瘦客户端

1 引言

高等教育实验教学离不开实验室的设计建设，传统实验室建设都具有重复建设、独立性、分散性等特点。由于我国高等院校数量庞大，并且办学层次和规模不齐，重点实验室的地区分布不均衡。实验室管理者一直在研究如何将这些实验资源进行整合，最大限度地利用起来。

继个人计算机变革、互联网变革之后，云计算被看作第三次IT浪潮，使生活、生产方式和商业模式发生根本性改变[1]。近几年，随着云计算的快速发展，云计算在国防工业、传媒、政务公务领域得到了一定的应用，发挥了相关优势。但是在教学领域，云计算与教学主体的融合还没有展开，教育信息化还停留在“传统课堂讲授+电子教案”的模式上，计算机等课程实验仍是基于单一计算机或硬件终端的调试实验[2]。本文提出的虚拟实验云平台是指通过远程控制技术和云计算技术提供的一项混合虚拟实验模式，可以改变传统的上机实验课程模式，实现在云端远程虚拟实验。

2 云计算及其在教学领域的发展

云计算的雏形是分布式计算、网格计算、并行计算[3]，目前主要包括效用计算和虚拟化的概念。它可以提供包括平台即服务、软件即服务和基础设施即服务等功能，具有虚拟化、高拓展性、多功能性、超大规模、高可靠性等技术特点。目前，我国云计算产业规模已经超过3500亿美元并且还在高速增长，全球的云服务预算中，SaaS服务市场份额最高，达到49%，IaaS、PaaS分别为28%和18%。2017年是云计算的政策大年，云计算产业具有广阔的发展前景，但是与发达国家相比，我国还没有出现云计算的超大公司，市场规模也有待提高。

云计算的功能包括平台即服务，因此，我们可基于云计算设计一个教学云平台，将教育相关的信息化资源进行整合，形成一个大规模的云资源库，向教师或学生提供多功能的“云教育”服务。由于云中提供有多台服务器进行数据的存储和处理，可以为使用者提供可靠、快捷的服务信息。在教学云平台上，使用者可使用自己手机或其它移动设备，自由地访问云资源库中所提供的资源，来完成自己所选课程的学习或实验。

云计算的重要技术为实验资源虚拟化提供了有力支撑点。由于在云计算中，所有环境部署和物理平台都依赖于虚拟平台，实验教学资源的信息化使得物理资源也变成逻辑可管理的信息资源，这是高校“虚拟实验云平台”的基础。基于虚拟技术的虚拟仪器的开发和虚拟实验室建设在各大高校都已较为普遍和成熟，这些虚拟实验资源和虚拟技术是建设“虚拟实验云平台”的基石。

新一轮的教育信息化改革和建设也为高校虚拟实验云的发展提供了难得而良好的机遇。在十二五规划中中央明确提出了我国信息化产业和教育产业相结合的指导方针，并且要求全国各大院校做好教育产业信息化工作[4]。政策层面上对于云计算产业的强力且广泛的支持，也给高校虚拟实验云平台提供了广阔的发展空间。总的来说，实验资源虚拟化和云计算技术是实现高校“虚拟实验云平台”的技术保障；网络技术的快速发展和进步为高校“虚拟实验云平台”提供了坚实而广阔的基础；虚拟技术和云计算技术的联合运用应用是建设高校“虚拟实验云平台”的技术手段[5]。实验云能使高校实验室在真正意义上实现资源共享、开放合作和最大限度的环保节能。这种全新的模式将彻底破除各大高校在实验教学方面和物理建设上的重重壁垒，在信息化建设的格局上，颠覆性地改革现行教学模式[6]。

3 虚拟实验云平台关键技术研究

本云平台涉及的关键技术有：

（1）云服务器中实验资源调配均衡的措施。在实际操作中，为了实现实验资源利用率的均衡化，可以采用负载均衡技术，让虚拟实验环境下的每台云服务器都具有同等地位且能单独提供虚拟服务。

（2）解决资源占用冲突的措施。在虚拟实验云平台的设计中，如果有很多使用者同时申请实验资源，那么就会出现资源占用冲突的可能。为了防止这一现象的出现，可以将每个实验环境类比Cache调度的替换算法，采用最近最少算法（LRU）合理配置虚拟实验室资源访问[2]。

（3）采用预约机制实现用户提前预约，保证资源的合理分配与调度。预约系统应该包括3个部分：客户端、云服务器端和数据库。

4 虚拟实验云平台总体设计

虚拟实验云平台采用瘦客户端/云服务器模式，整个系统主要由客户端、云服务器端及一个虚拟的网络桌面连接组成。整个平台的构架如图1所示。

图1 虚拟实验云平台的整体构架

客户端的教师或学生可以使用任意终端如手机、平板电脑等连接实验云网络进行页面浏览，并通过安全虚拟桌面连接云资源库。实验可以运行在虚拟桌面上，而实验操作过程和实验结果则会保存到云服务器端。云服务器端集成了硬件设备、存储设备、多媒体设备和服务器设备等，并在云平台上搭建了各种虚拟实验环境。云服务器端的存储设备主要用来在线存储用户的实验数据，实验设备用来搭建虚拟实验环境进行实验，监控设备用来监控实验运行状态。虚拟实验室的操作平台都安装在云服务器端，各种实验所需的实验数据、软硬件资源等信息都事先存储在平台，每个使用者都可以从云服务器端获取相关教学资源，建立所需的虚拟实验环境。由于使用者之间的数据相互隔离，所以实验时相互不影响，实验完成后还可以将实验数据存储在云端。云服务器端的系统管理部分将用来管理和维护使用者搭建的各种虚拟实验环境，并合理分配实验资源。

虚拟实验云平台工作流程图如图2所示。

图2 虚拟实验云平台工作流程图

使用者在使用虚拟实验云平台之前要先申请注册一个专门的用户账号，为了避免资源使用冲突，做实验要提前预约。客户端登录云服务器后即可搭建自己所需的虚拟实验环境，进行相关实验；云服务器端通过使用者提供的实验设计内容和数据进行资源配置，虚拟实验服务器调用和连接相关软硬件实验资源，创建虚拟实验环境并进行仿真实验，模拟实验结束后自动将实验结果传送给用户，同时将实验数据和结果存放在云存储服务端以便后续实验的调用。由于HTML5提供了Canvas画布功能，可以实现矢量绘图、合成栅格图等功能，并可将这些图形直接渲染在浏览器上，所以为了提高云平台的仿真实验效果，在此采用HTML5技术进行网页的设计与表达。

在设计虚拟实验云平台时，随着申请使用人数的增多，可能会出现实验资源占用冲突的情况。为了解决这一冲突，可以将每一个实验环境类比Cache调度的替换算法，采用最近最少算法（LRU）进行合理配置虚拟实验室资源的访问。在实验云平台运行时，云服务器端记载下每一个实验环境的相关参数信息，当前一个使用者完成实验退出后，云服务器端会记录相关服务资源的访问次数，暂不清空实验环境。当新的使用者申请实验环境时，如果所需实验环境与云服务器端记录的某个实验环境资源类似，且该服务资源处于空闲状态，则优先分配空闲实验环境中使用次数最少的一个分配给申请者使用。如果没有与申请者提交相类似的实验资源，则提供空闲实验资源中使用次数最少的一个分配给申请者使用。同时为了防止出现挂机现象，当客户端与服务器端长时间未进行数据连接，服务器端将自动断开与客户端的实验连接，同时回收相关实验环境。

为了合理配置实验环境和实验时间，可以通过预约机制完成。当客户通过客户端登录并选择实验环境预约功能后，服务器端会显示出当前空闲的实验环境资源，当客户预约实验环境并确认后，系统会自动依据相关信息进行审核，审核完成后，系统自动生成该客户的模拟使用信息并在约定实验时间点前占用相关虚拟实验资源，资源占用同样按照最近最少法原则，如果用户在预约实验环境一段时间后，未登录系统或未实现数据连接，则自动取消占用并退出实验环境。

5 结束语

传统计算机类实验只能在计算机机房或实验室完成，都是通过台式机等物理部件进行实验，每人一机，学校要投入大量成本，要根据实验人数，合理安排机房上机时间，配置实验环境，若要临时安排实验，经常会出现时间或机房容量或实验环境方面的冲突；而基于云计算的虚拟实验平台在任意时间、任意地点均可完成。用户只需要利用任一移动设备终端，登录云服务器，提交实验设计，就可以进行虚拟实验仿真了，大家可以共用实验平台，学校投入成本相对较少。虚拟实验云平台只需进行服务器集群的扩充，就可以满足不定量人的实验要求，且实验环境由实验服务器配置，采用最近最少算法（LRU），避免资源占用冲突。采用预约机制，可提前预约实验环境和实验时间。

[1] 杨枫，祁慧敏，靳贺敏．基于PaaS云平台的计算机类课程实验教学模式探析[J]．河南财政税务高等专科学校学报，2013(4)：82-85．

[2] 张乃千，杨海，周丽涛．基于云计算的虚拟实验云平台设计[J]．计算机教育，2015(1)：39-44．

[3] 孙剑华．未来计算在"云端"——浅谈云计算和移动学习[J].现代教育技术，2009，19(8)：60-63．

[4] 王笑梅，贾晓强．云计算对高校教育的影响分析[J]．科技信息，2010(10)：397-398．

[5] 孙柏祥，云计算．高校教育信息化建设和发展的新模式[J]．中国电化教育，2010，280(5)：123-125．

[6] 黄晨辉，林泳琴．基于云计算的虚拟计算机实验室的研究与实现[J]．实验室研究与探索，2010，29(11)：178-181．

Design of Virtual Experiment Cloud Platform Based on Cloud Computing

Wang ShuxiaJiao JialinHuang Zhiwu
(School of Computer and Information Science,Hubei Engineering University,Xiaogan 432000,Hubei)

This paper analyzes the current situation of computer class experiment and cloud computing virtualization technology in university,and builds a virtual cloud platform integrating various application software and operating systems,and provides various services on demand,using thin client/cloud server mode.It realizes the application software and program compilation of computer classes by means of server model simulation and remote hardware manipulation.In order to solve the conflict of resource occupation in the experiment,the appointment mechanism and the least recent law principle are adopted.This virtual experiment cloud platform realizes education resource integration,reduces the cost of university's input to the experiment,improves the information level of universities,and then promotes the development of education technology in the world.

cloud computing;virtual experiment;thin client

T9311

A

1008-6609(2017)09-0005-03

王曙霞（1975-），女，湖北荆门人，硕士，副教授，研究方向为大数据、智能计算、网络安全等。

湖北省教育厅科学技术研究项目，项目编号：B2016181。