虚拟化技术在高职云计算实验室建设中的应用研究

赵立新

（三门峡职业技术学院信息传媒学院，河南三门峡472000）

高职院校的教学以培养学生的专业实践操作能力为目标，实验操作课程对提高学生的实践操作能力及知识创新能力起着举足轻重的作用。随着信息化技术的快速发展，计算机设备、网络设备及网络技术更新很快，而机房等实验室从规划、建设到投入使用及日常的维护都需要投入不少的资金和人力。同时，很多高职院校的实验基地除了正常教学任务，还要承担一些社会服务的工作，比如承担社会培训及考试考证任务等，根据不同任务的需求，对实验室设备的软硬件资源的配置要求各不相同，这就对实验室的管理工作提出了更高的要求。将云计算技术引入到高职实验室建设中，能够改变传统的实验室教学和管理观念，最大化的发挥实验室的教学效益，提高实验设备的利用率，促使实验室建设和管理的信息化发展［1］。

1 云计算实验室建设的需求分析

云计算集中化管理的特点，不仅能够降低基于云计算技术的实验室的运营成本，还能提高设备的运维效率。云计算实验室与传统实验室相比具有以下优势：

（1）降低实验室的资金投入，提高设备的利用率。云计算对用户终端设备的要求不高，不需要频繁更换设备，大大降低了实验室的资金投入，同时使设备的利用率最大化，节约了资源。

（2）有利于实验室的开放共享。结合云计算技术的实验室，可以为师生提供不受时间和地点限制的学习方式，师生可以通过任何可以接入网络的终端设备访问云端，享受云计算提供的虚拟云桌面及软件环境，而且实验数据可以存放在云端，方便学生课堂外继续学习。教师的上课素材及备课资料也可以存放在云端，方便教师随时随地利用实验室的资源进行备课或科研。

（3）方便实验室的管理和维护。实验室承担的课程类型较多，需要安装不同的操作系统和专业软件，配置不同的实验环境，借助云计算技术，管理员可以将实验室的软硬件资源进行统一管理，在进行系统更新维护和软件安装升级时，管理员只需要在服务器上操作即可，而不需要逐台电脑进行部署和设置，大大降低了管理员的工作强度和实验室的管理成本，提高了管理效率。

2 高职实验室虚拟化技术分析

（1）服务器虚拟化。通过服务器虚拟化，可以在一台物理服务器上虚拟出多个虚拟服务器，每个虚拟服务器上运行不同的服务，这样就可以提高服务器的利用率，降低IT系统部署的复杂度，减少设备预算支出。此外，服务器虚拟化还为虚拟机的运行提供了良好的隔离环境和安全策略，当某个服务器发生故障无法正常工作时，其他的服务器能够通过备份的虚拟机映像快速恢复服务，确保服务器正常运行，保证数据信息的安全性［2］。借助虚拟化技术，操作系统的安装、磁盘的格式化以及木马和病毒的破坏性实验等无法在物理机上进行的教学和实验都可以轻松实现。服务器虚拟化架构如图1所示。

图1 服务器虚拟化架构

实验室采用服务器虚拟化技术具有以下优势：

1）提升实验室资源的利用率。出于安全问题考虑，传统的实验室每台服务器上只运行一种应用，CPU资源使用率低，通过该服务器虚拟技术能够解决此问题，提高实验室资源的利用率。

2）动态分配资源。服务器虚拟化中的迁移技术能够根据虚拟机内部的具体使用情况，对CPU、内存及网络资源等进行实时迁移，通过软件调整API，实现动态的合理分配资源。

3）加速应用部署。传统的实验室部署包括操作系统的安装、课程软件的安装及测试运行等工作，众多实验室的部署工作耗时耗力，通过服务器虚拟化技术只需要部署一个模板性的操作系统和应用程序的虚拟机，通过虚拟机的快速克隆，就可轻松实现实验室的应用部署工作，此后系统和应用程序的升级工作只需在模板机上进行即可。

4）提高服务可用性。借助服务器虚拟机的动态迁移、HA等技术，可以在某个物理机或虚拟机出现故障时，系统能够及时将正在运行的业务切换到备份服务器的虚拟机上，以保证业务运行的连续性。

（2）桌面虚拟化。桌面虚拟化可以将终端数据资源及物理资源集中到后台数据中心进行统一管理，能够更灵活地实现资源的动态分配［3］。构建统一的云桌面平台，能够为平台上运行的虚拟机配备完整的运行环境及硬件环境，实现一台物理机上可以安装多种操作系统及应用程序，并使它们可以互不影响地运行。此种模式不仅适合同校区不同实验室的信息共享，也适合不同校区间远程模式下教学资源的传输，云桌面系统的架构如图2所示。

图2 桌面虚拟化架构

实验室采用桌面虚拟化技术具有以下优势：

1）设置个性化桌面。师生可以通过终端设备随时随地访问自己的专属桌面。

2）快速安装部署。不同课程对实验环境配置不同，云桌面平台能够省去系统及应用程序安装和调试的日常工作，几分钟就可以部署成百个桌面操作系统及应用程序。

3）提高管理效率。集中式的桌面交付管理使管理员能够通过后台管理工具对虚拟桌面进行统一管理，轻松实现教学环境、考试环境的配置、切换及恢复等工作。

4）快照备份。通过虚拟机可以对桌面进行快照和备份，当桌面环境被破坏时，后台管理工具可以通过母镜像和快照功能恢复保存的备份。

（3）应用虚拟化。应用虚拟化是将应用程序与操作系统解耦合，把应用程序对底层系统和硬件的依赖抽象出来，为应用程序提供一个虚拟的运行环境和可执行文件。在虚拟化环境中，应用程序能够屏蔽可能与其产生冲突的内容，解决了不同实验环境中软硬件版本不兼容的问题。

实验室采用应用虚拟化具有以下优势：

1）集群部署，免终端安装。实验室所用的所有应用程序都部署在终端服务器上，统一发布、更新，无须终端安装。

2）按需交付。应用虚拟化可以根据用户的不同需求，将所需的应用服务传送到客户端，将个性化需求和按需分配相结合，使用户更方便地获取自己所需的应用服务。

3）安全策略。通过应用虚拟化，能使应用程序以虚拟化的方式与终端设备交互，在虚拟机上运行的应用与本地逻辑计算是相隔离的，服务器端为用户提供独立的逻辑计算后将应用服务传输给终端客户，保证应用运行的安全性和可靠性。

3 高职实验室虚拟化解决方案

3.1 基于云计算的实验室整体架构

基于云计算的实验室整体架构如图3所示，整个结构分为云基础设施硬件层、虚拟资源管理层、虚拟桌面管理软件层和云端接入层。

图3 云计算实验室整体架构

云基础设施硬件层：该层包括计算资源设备、网络交换设备、数据存储设备等，如服务器、微型机、路由器、磁盘阵列等，各设备之间实现网络连接。

虚拟资源管理层：该层负责对物理资源的虚拟化，对计算资源、存储资源、网络资源进行按需分配部署，实现对虚拟资源的统一管理和动态调度，提高资源的利用率，降低管理维护复杂度［4］。

虚拟桌面管理软件层：该层负责根据不同用户对虚拟桌面系统的要求，对整个虚拟桌面系统进行调度分配。用户经过控制系统的身份认证后，可以获取授权使用云桌面，能够对用户的实验数据、软件数据及系统数据等信息进行存储和维护。

云端接入层：该层为终端用户与云计算应用提供统一规范的接口。云计算对终端接入设备的硬件要求较低，构建基于云计算的实验室，可以将一些大型软件，如AutoCad、3dmax等安装在云服务器中，终端用户通过登录云端服务器，就可以获取所需程序的运行服务，并提供大容量的存储空间服务，从而突破了不断升级更新的软件对终端设备的性能要求，避免实验室频繁升级、更新设备。

3.2 实验室虚拟化的解决策略

本文结合高职院校机房实验室的特点，综合使用Windows Server2012 Active Directory、Vmware Server实现服务器虚拟化，使用Microsoft App-V实现应用程序虚拟化，实验室的虚拟化解决策略如图4所示。

图4 高职实验室虚拟化解决策略

实验室虚拟化解决策略的步骤说明如下：首先给服务器端安装Windows Server2012，并配置Active Directory域服务器，创建域用户；其次在学生端安装Windows 7 Professional版，Active Directory域用户中添加Win7的“Power Users”组，所有加入到域中的用户必须使用域名登录，方便进行统一管理，学生也无法随意删除、添加或更改软件。

教学软件在安装时可以根据不同情况选择不同的安装方式，比如：Microsoft Office等MSI格式文件可以通过组策略发布，使其安装到加入到AD域中的每台学生机上；Photoshop、Flash等Adobe系列软件可以通过App-V发布；Windows Server、Linux等操作系统类课程的实验通过VMware Server虚拟机发布。模板服务器准备好后，通过Ghost方式发布到整个机房，方便实验教学的进行，也有利于维护整个实验室。

虚拟机的管理使用是基于Web页面的，客户端只需要安装相关的插件就可以通过B/S模式从浏览器获取一台虚拟机，图5显示的是客户端的运行情况，学生可以通过云桌面平台共享AutoCAD等学习软件。

3.3 数据中心的迁移

数据中心的迁移是实验室虚拟化工作的重中之重，如何将高职实验室的核心应用迁移至虚拟环境，保障实验环境符合师生需求是实验室虚拟化建设的重要工作。

图5 云桌面登录后界面

高职实验室的数据中一般包含了学校的FTP、WEB及存储等核心应用，若直接通过VMware Server创建新的虚拟数据中心，将面临着因物理机软件环境及配置复杂带来的问题，轻则需要花费大量的时间进行配置和迁移数据，严重时会导致应用瘫痪，无法进行正常的教学和学习［5］。鉴于上述情况，在进行数据中心迁移时，可使用VMware vCenter Converter Standalone完成数据中心从物理机到虚拟机（P2V）的迁移，并将物理机的软件环境一并进行迁移，物理机在整个数据迁移过程中不需要关闭，迁移完成后，虚拟就是物理机的克隆，最后将迁移出来的虚拟镜像在VMware Server中打开，经过简单配置就可以替代物理机运行。

本次实验没有在服务器上进行，选用的是普通的PC机，经过测试，镜像文件大小为73.2 G的迁移时间大约为1小时35分，如果改为服务器的话时间必然会大大缩短。在物理机向虚拟机的转换过程中，原物理机是可以正常使用的，因此师生的正常应用是不会受到影响的。物理机在VMware Server中运行转化后的镜像如图6所示。

图6 在VMware Server中运行转化后的镜像

4 结语

高职院校的实验室是教育教学的重要场所，实验室的管理任务相当重要和繁琐，本文结合高职院校实验室普遍存在的安全问题和日常管理难题进行分析，结合云计算技术，提出采用虚拟化解决方案和数据迁移策略构建基于云环境的实验室，为实施云教育示范工程提供范例。

［1］王金凤.云计算对高等教育信息化的促进［J］.科技导刊,2015（3）:155-156.

［2］韦柬.“云计算”在中职学校教育教学中的应用探索［J］.信息与电脑,2016（9）:129-131.

［3］卢颖,刘白林.云模式下大学区教育资源服务平台及关键技术研究［J］.西安工业大学学报,2016,36（9）:738-741.

［4］郑平辉,庄鸿鸿.基于云计算的高校实验室研究与实现［J］.赤峰学院学报（自然科学版）,2015,31（5）:17-19.

［5］陈昌兴.高校实验室信息化的云计算策略与方法［J］.实验技术与管理,2014,31（1）:221-223.