校企共用虚拟化实验管理平台设计

贺 飞,陈恒臻

(沈阳科技学院,辽宁 沈阳 110167)

0 引言

校企合作已成为一种趋势,信息技术的不断发展为实现产学研深度融合提供了机会。虚拟化技术的广泛应用也使得实验室管理模式发生了变革[1]。构建校企虚拟化实验管理平台,旨在为校企合作提供一个高效便捷的实验管理平台,为学生提供更为全面的实践机会,促进企业与高校的紧密合作,加强产学研合作,提高人才培养质量。

本平台基于云计算、虚拟化、物联网等技术,以智能化、数字化为目标,打造全方位、立体化的实验室管理系统,实现实验室资源的共享和利用。同时,本平台致力于构建一个数据化的实验教学管理系统,提供在线实验指导、实验预约、实验结果数据分析等服务,方便学生及时获取实验信息,提高实验教学效果。本平台还支持校企合作,为企业提供实验室资源租借、技术支持、人才培养等服务,同时实现产学研合作的深度融合。

1 相关技术介绍

1.1 虚拟化技术

虚拟化技术是构建虚拟实验平台的基础,是将计算机硬件资源(如CPU、内存、磁盘等)进行抽象,以软件方式来创建多个虚拟的执行环境。虚拟化技术的应用可以将多个操作系统和应用程序运行在同一台物理服务器上,从而实现资源共享和提高物理服务器的利用率。常见的虚拟化技术包括全虚拟化和半虚拟化,其中,全虚拟化技术可以实现多个操作系统的同时运行,并提供了良好的隔离性能和资源分配控制,但会造成一定的性能损失,而半虚拟化则可以更高效地共享物理资源[2]。

1.2 云计算和边缘计算技术

云计算是一种以Internet为基础的计算方式,它将计算资源进行虚拟化并分配在多个数据中心中,以提供快速、可靠和灵活的计算服务。云计算技术的应用可以实现按需分配计算和存储资源,提高企业和机构IT资源利用的效率和灵活性,而边缘计算则是一种将计算资源分配在离终端设备更近的位置,以提高计算效率和降低网络延迟的计算方式。边缘计算技术的应用可以有效支持物联网(Internet of Things,IoT)设备的计算和通信需求,为实现虚拟实验平台的边缘计算提供了技术支持[3]。

1.3 分布式存储和网络技术

分布式存储是一种将数据分布在多个存储节点上的数据存储方式,具有可扩展性和高可靠性等优点。分布式存储技术的应用可以实现数据的动态管理和备份,支持多个虚拟实验环境之间的数据共享和协作,而网络技术则是构建虚拟实验平台必不可少的技术基础,包括物理网络拓扑、网络协议、网络安全等方面。通过合理设计和优化网络结构,可以提高虚拟实验平台的性能和安全性[4]。

2 校企共用虚拟化实验管理平台的需求分析

2.1 虚拟化实验管理平台现状

目前,市场上的虚拟化实验管理平台大多支持多种虚拟化技术,如KVM、VMware、Xen等,同时支持多种操作系统和应用程序。此外,现有的虚拟化实验管理平台还具备实验数据管理、用户权限管理、虚拟机监控、资源管理等功能。但是,目前市场上的虚拟化实验管理平台仍然存在一些问题,例如操作烦琐、使用不便等。因此,设计一个高效、易用的虚拟化实验管理平台具有重要意义[5]。

2.2 虚拟化实验管理平台功能性需求

为满足教学、科研等需求,校企共用虚拟化实验管理平台需要具备以下功能模块:(1)用户管理模块;(2)实验管理模块;(3)虚拟机管理模块;(4)实验教材模块;(5)系统设置模块;(6)消息中心模块;(7)操作日志模块。

2.3 虚拟化实验管理平台非功能性需求

在校企共用虚拟化实验平台的开发过程中,除了功能性需求,还需要考虑到一些非功能性需求。虚拟化实验管理平台的一些非功能性需求如下:(1)系统安全性要求高;(2)可靠性高;(3)性能要求高;(4)易用性和可维护性高;(6)可扩展性强;(7)高效性;(8)易于集成。

3 虚拟化实验管理平台设计

根据平台建设需求将平台划分为3个功能层:实验管理层、虚拟化服务层和虚拟化基础层。

3.1 虚拟化实验管理平台详细设计

3.1.1 实验管理层

实验管理层为整个系统的最上层,负责实验室管理、实验教学管理、实验室综合管理等。实验管理层提供一个自助门户网站——Web系统,供用户登录后进行实验操作、实验报告管理、成绩管理等。该层的主要功能包括:用户管理模块、系统设置模块、消息中心模块、实验管理模块、虚拟机管理模块、操作日志模块、实验教材模块。

3.1.2 虚拟化服务层

虚拟化服务层是构建在虚拟化基础层之上,为实验管理层提供服务的重要层级。虚拟化服务层主要包括虚拟化服务应用程序、PowerShell命令外壳程序以及虚拟化管理程序System Center Virtual Machine Manager Server。

虚拟化服务应用程序是虚拟化服务层的核心组成部分,主要包括服务监听、命令处理和数据访问。服务监听是负责监听客户端请求的组件,负责接收和分发客户端请求,并将请求转发给命令处理组件。命令处理组件则是负责解析请求,执行操作,返回响应的组件。数据访问组件则是负责与虚拟化基础层进行交互,获取虚拟化资源信息,实现虚拟化资源的分配和管理。

另外,PowerShell命令外壳程序也是虚拟化服务层中的重要组成部分,其主要作用是为管理员提供一种交互式的命令行界面,通过命令行的方式来操作虚拟化资源,实现对虚拟化环境的快速部署、配置和管理。

虚拟化管理程序System Center Virtual Machine Manager Server也是虚拟化服务层的重要组成部分,它是一个完整的虚拟化管理解决方案,可以用来管理虚拟化资源、部署虚拟机、实现自动化管理等。该程序提供了一系列的管理工具,包括虚拟机和虚拟机模板管理、虚拟化主机管理、存储管理、网络管理等,可以方便快捷地进行虚拟化资源的管理。

总体而言,虚拟化服务层是实现虚拟化资源管理和调度的核心层级,它提供了一系列的服务和工具,可以帮助管理员对虚拟化资源进行高效的管理和分配。虚拟化服务层的设计与实现关系到整个虚拟化平台的性能、可靠性和安全性,因此需要对其进行严格的设计和测试,确保其稳定性和安全性。

3.1.3 虚拟化基础层

虚拟化基础层是虚拟化架构中的底层基础设施,用于提供物理设备资源的虚拟化和管理。它主要包括虚拟机池、硬件池等几个组成部分。

虚拟机池是虚拟化基础层的核心组成部分,用于管理虚拟机的创建、分配、回收等操作,包含服务器池和桌面云两个子组件。

服务器池负责管理物理服务器资源,主要包括物理服务器的添加、移除、监控等功能。同时,服务器池还提供了虚拟化管理器的安装、配置等操作。

桌面云负责管理桌面云虚拟机资源,主要包括桌面池和应用程序池。桌面池负责管理桌面云虚拟机的创建、分配、回收等操作;应用程序池负责管理桌面云虚拟机中的应用程序的分发、更新、卸载等操作。

硬件池用于管理虚拟化基础层中的物理硬件资源,主要包括服务器、交换机、存储等设备。硬件池提供了硬件设备的添加、删除、监控等功能,并可以对硬件设备进行统一管理和分配。

虚拟化基础层主要提供了物理资源的虚拟化和管理,为上层的虚拟化服务层和实验管理层提供了必要的硬件支持。

3.2 平台功能层间的接口设计

接口设计是平台设计的重要部分,它为不同层次之间的通信和协作提供了基础。接口设计的主要目的是使接口易于使用,降低开发难度,并提供良好的扩展性,以便未来系统的扩展。此外,接口安全也是系统安全的基础之一,必须通过访问控制和加密等方式来保证接口的安全性。

整个平台根据功能划分为3个层次:实验管理层、虚拟化服务层和虚拟化基础层。每个层次之间都有对应的接口,用于实现数据和信息的传递。实验管理层与虚拟化服务层之间的接口主要负责实验管理数据的传递和指令的下发,而虚拟化服务层与虚拟化基础层之间的接口则主要负责虚拟机和硬件资源的管理和调度。

在设计接口时,需要考虑如何提供简单易用的接口,避免过于复杂的接口设计。同时,接口应该提供良好的扩展性,以便在未来添加新的功能时能够快速、准确地进行接口的修改和更新。此外,接口的安全性也是至关重要的,必须使用合适的加密和访问控制机制来确保接口的安全性。因此,平台接口设计需要综合考虑易用性、扩展性和安全性,以满足平台的需求和用户的需求。

4 虚拟化实验管理平台测试总结

通过对虚拟化实验管理平台的测试,可以发现该平台具有较高的稳定性和可靠性,可以在不同的实验环境下正常运行。同时,虚拟实验的稳定性和可靠性也很高,可以满足实验需求。因此,该平台可以有效地提升实验教学的效率和质量。

5 结语

随着信息技术的不断发展,虚拟化技术被广泛应用于计算机教育和培训领域,以实现高效的实验教学。在这个背景下,本文设计并实现了一种基于虚拟化技术的实验管理平台,以满足高校计算机教育的需求。

首先,本文研究了虚拟化技术的基本原理和应用,介绍了虚拟化技术在计算机教育领域的应用现状,并提出了虚拟化实验管理平台的设计目标和功能需求。其次,本文设计了平台的整体架构,并对各个模块进行了详细的设计和实现,包括实验管理模块、虚拟机管理模块、操作日志模块、实验教材模块等。同时,本文采用了HTML5作为前端框架、Django作为后端框架,MySQL作为数据库,Unity3D作为虚拟化技术,Excel作为统计分析工具,实现了虚拟化实验管理平台的基本功能。再次,本文对平台的运行环境进行了详细描述,包括软件环境和硬件环境,并进行了系统测试,包括实验环境测试和虚拟实验测试,验证了虚拟化实验管理平台的功能和稳定性。最后,虚拟化实验管理平台为高校计算机教育提供了一种新的实验教学模式,具有较高的实用性和推广价值,可以帮助学生更好地掌握计算机技术。

总体而言,虚拟化实验管理平台的设计和实现为高校计算机教育提供了一种新的实验教学模式,有助于提高学生的实践能力和计算机技术水平。但是,平台的功能仍有待完善和扩展,未来的研究可以进一步提高平台的用户友好性、实验模型的丰富性和教育资源的共享性。