虛擬技術在高校計算機實驗室的應用研究

閩江學院計算機科學系 陳 希 王 瑛

虛擬技術在高校計算機實驗室的應用研究

閩江學院計算機科學系 陳 希 王 瑛

隨著計算機技術和網絡技術的快速發(fā)展，帶動了教育行業(yè)信息化建設的持續(xù)創(chuàng)新和深化改革。本文將探究如何應用服務器虛擬化等虛擬化技術把計算機公共實驗室打造成一個適應各方教學需求的虛擬實驗室以更好地服務于教學，提高計算機教學實驗環(huán)境的可靠性、穩(wěn)定性，實現(xiàn)多種不同計算機教學實驗環(huán)境的大批量快速布署。

服務器虛擬化；VDI桌面虛擬化；計算機虛擬化

1 引言

目前，教育信息化經過多年的發(fā)展已進入轉型期，正逐步從搭建校園網等基礎設施平臺開始更深更廣的層次發(fā)展。高校實驗室作為培養(yǎng)學生認知、創(chuàng)新能力的重要場所，更要走在信息化技術發(fā)展的前沿。這就為如今的實驗室管理帶來了新的挑戰(zhàn)。不僅如此，云計算因為云計算技術和應相比傳統(tǒng)PC 的應用方案低成本，安全可靠，維護量低且更靈活多變而正在滲透到我們教學活動中的方方面面。虛擬化技術是云計算的重要基石，虛擬化技術的質量是云計算應用的關鍵[1]。目前我校的計算機公共實驗室大多是采用硬盤保護卡的方式對計算機進行系統(tǒng)和軟件的維護，但是硬盤保護卡在使用過程中會產生一些很難避免的問題，譬如對一些特殊的軟件如 3DMAX 軟件的注冊信息，硬盤保護卡無法做到數(shù)據(jù)同傳處理，只能是解開保護，一臺一臺的注冊；硬盤保護卡在系統(tǒng)和應用軟不容易升級，只能是升級好一臺計算機后對所需要更新的其他計算機進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)同傳，這樣浪費了大量的時間而且維護極度不便；特別是有的課程教學教學需要不同的操作系統(tǒng)，但是這就需要在建立在硬盤劃分和系統(tǒng)安裝之前進行部署，不能在需要時自由方便地添加從而達不到教學效果。另外，這種保護卡不僅和計算機硬件還和軟件環(huán)境有著硬件兼容性差的問題，很容易引起系統(tǒng)的崩潰[2]。

我校計算機公共實驗室，是全校計算機實驗教學的重要場所，已成為學校教育信息化的重點建設部分，承擔著全校計算機基礎類課程和非計算機專業(yè)類的計算機課程教學實踐。每個學期期初，會根據(jù)教學需要收集各門課程需要的教學軟件進行實驗室軟件環(huán)境的更新，替換原有的軟件，甚至部署整個教學環(huán)境，以保證教學活動的正常進行，由此也導致的工作量大、系統(tǒng)維困難。面對這樣的情況，因此必須運用新技術例如服務器虛擬化和桌面虛擬化來提升管理水平以應對挑戰(zhàn)，而桌面虛擬化系統(tǒng)能夠很好的解決以上這些問題。桌面虛擬化系統(tǒng)，把計算機的桌面應用環(huán)境從計算機硬件中剝離開來，把桌面和應用環(huán)境鏡像都集中到服務器上；通過局域網或者遠程訪問各自的計算機系統(tǒng)，學生端可以根據(jù)自己不同的需求快速自主地訪問資源。

2 服務器虛擬化技術的應用

計算機虛擬化技術的應用，可以從桌面的虛擬化、服務器的虛擬化、 應用的虛擬化三個方面入手。 從這三種技術的發(fā)展趨勢來看，服務器虛擬化技術是其中發(fā)展勢頭最好、應用最廣的技術。服務器虛擬化技術作為虛擬化技術中的一種，從需求實上可以理解為把服務器端的資源有效的進行整合和共享，讓用戶端能獲得需要的共享資源（例如CPU資源、顯卡資源、硬盤資源等）。服務器虛擬技術的實現(xiàn)，主要通過兩種途徑：將一臺物理服務器的資源虛擬化為多臺邏輯服務器或者是將把多臺物理服務器的資源虛擬化為一臺邏輯服務器。服務器虛擬化技術能夠給服務器的架設帶來諸多益處，比如大幅提服務器的利用率，從而使得部署應用所需要的物理服務器數(shù)量大幅度降低從而在經濟上得到了節(jié)約；而且應用的虛擬機本身能夠被迅速部署和復制，這樣就大大降低服務器維護管理所需要的工作量，使得實驗管理人員從重復勞動中解脫出來；不僅僅如此，服務器的部署時間將大大縮短，軟件的兼容性好得到了有效的驗證，非常易于后期的維護和升級。[3]

我校計算機公共實驗室在不斷實踐摸索中也得到了應用，取得了不錯的效果：如使用過微軟公司的相關軟件構建了省計算機等級考試模擬系統(tǒng)的專用服務器，針對全校學生的計算機考試模擬練習，在虛擬的邏輯服務器上一次性地設置好模擬考試環(huán)境，保存好虛擬服務器快照，提供學生練習產生大量無用的臨時數(shù)據(jù)后，可以根據(jù)需要隨時還原虛擬服務器快照來復原模擬考試環(huán)境，而不需要按照步驟繁瑣地重新安裝設置模擬考試服務器，而且這種技術大大增強了實驗室環(huán)境的抗病毒能力，大幅提高了實驗環(huán)境的安全性和穩(wěn)定性[4]。但是微軟的相關虛擬軟件也有克服不了的缺點：如生成的虛擬機過大占用了過多的資源，提供給眾多學生練習時頻繁讀寫磁盤操作對硬盤有一定的損傷，讀寫速度也不夠快，之后，我們又改進把服務器的部分內存虛擬成磁盤，用AutoIt語言腳本設置好共享權限，提供給學生端共享使用，這樣學生端只對虛擬內存盤操作，不會對服務器的硬盤有任何損傷，而且數(shù)據(jù)讀寫速度大大提高，需要還原考試數(shù)據(jù)時，只需使用AutoIt語言腳本對服務器的內存盤格式化、然后自動解壓模擬考試數(shù)據(jù)并自動設置好共享權限即可。

圖1 瘦客戶終端桌面虛擬化方案

3 桌面虛擬化技術的應用

桌面虛擬化是一種基于服務器的計算模型，這種技術能讓實驗室的管理人員與用戶都能夠獲益：管理人員面虛擬機在數(shù)據(jù)中心進行托管非常方便管理，學生能夠夠在客戶端享受本地PC機器的使用體驗，重要的是，這兩個個方面可以同時做到。桌面虛擬化是以服務器虛擬化為基礎，主要虛擬工作在數(shù)據(jù)中心的服務器上完成，可以做到生成需要的數(shù)量的的獨立的桌面操作系統(tǒng)以供不同的客戶隨時的訪問。學生用戶輸入被分配的用戶名和密碼及網關等登錄信息，就可以通過以太網登陸到虛擬主機上。這種技術主要是為了降低成本和獲得更可靠的桌面環(huán)境，軟件的集中應用、桌面安全性、更靈活的控制資源等。在各高校計算機實驗室管理中，主要通過兩種手段來實現(xiàn)實驗室的虛擬。第一種是終端采用類似瘦客戶終端，特點是所需資源完全依靠共享服務器資源及存儲資源，第二種則終端采用X86架構的終端，僅可以共享部分的服務器資源及存儲資源。

3.1 采用瘦客戶終端桌面虛擬化方案的應用

這種方案主要功能的實現(xiàn)例如CPU運算、顯卡圖形運算、存儲等依賴于服務器資源池，把服務器資源池上運行的虛擬機的桌面圖像通過不同的傳輸協(xié)議傳送給終端顯示設備。終端在硬件上性能上比較弱，一般配置的CPU是基于ARM芯片，軟件系統(tǒng)是一般是基于Linux，是基于虛機資源獨享的遠程桌面，所以這種終端防病毒安全性方面好，終端只作接收顯示虛擬系統(tǒng)的畫面，適用于簡單辦公及一般教學實驗用（如圖1所示）。

目前這種方案雖然有終端維護方便、耗電省等優(yōu)點，但是在實際應用中有著不小的問題：

（1）高校計算機實驗室特別是基礎實驗室上課環(huán)境負責，課程之間彼此需要的軟件差異很大，不僅存在專業(yè)間的軟件應用差異，同一軟件還需要不同版本以適應教學需要，VDI桌面虛擬化的服務器能夠支持終端的數(shù)量較少，卡機現(xiàn)象明顯；另外學生不能在終端上練習使用虛擬機軟件導致影響課堂效果。

（2）在實驗室特別是專業(yè)實驗室里所需要的外接硬件很多（例如掃描儀、打印機、觸摸屏、IC讀卡器等），這些外設的接口和驅動通常比較特殊，VDI桌面虛擬化通過端口映射，加載統(tǒng)一驅動的方式很難兼容，軟件系統(tǒng)以后升級存在兼容性等問題；

（3）一些學校的老機房的網絡環(huán)境一般為百兆網絡，而如果是上百臺終端采用VDI桌面虛擬化通常要求接入到千兆才能夠同時支持大規(guī)模客戶機流暢運行；

（4）VDI桌面虛擬化對服務器硬件要求較高，需要高性能的服務器兩臺帶動約50臺左右的終端，如果是上百臺終端的機房需要投入的軟硬件成本更高，價格方面與傳統(tǒng)PC機方案優(yōu)勢不大；

（5）VDI桌面虛擬化架構復雜，對用戶來說是一整套的解決方案，對服務器和網絡環(huán)境是完全依賴，一旦中間某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，又不能終端單機獨立運行，連基本辦公軟件等都沒法運行，容易出現(xiàn)嚴重整個機房癱瘓的教學事故；

3.2 采用X86架構的終端桌面虛擬化方案的應用

這種方案的主要特點是實現(xiàn)了計算機終端應用環(huán)境的快速部署和維護，具體是管理人員把計算機終端操作系統(tǒng)和應用軟件的數(shù)據(jù)文件都集中部署在服務器上，然后進行集中管理和維護；學生在客戶端時候時，可根據(jù)自己的需要調取操作系統(tǒng)和應用軟件，這種調取以數(shù)據(jù)流的形式通過網絡協(xié)議得以實現(xiàn)。整個過程充分利用客戶端的硬件資源實現(xiàn)了本地化運算，學生使用起來感受、圖形顯示效率以及外設兼容性均與本地PC一致。這種方案一般是由四部分組成：服務器，備用服務器，管理端和客戶端。服務器主要負責存儲虛擬磁盤文件，為客戶端提供數(shù)據(jù)服務；備用服務器提供啟動、激活熱備服務；管理端是負責遠程分發(fā)桌面，遠程管理等操作管理客戶端行為，終端可以是安裝了云桌面客戶端程序的各類X86架構的PC機。

這種方案的優(yōu)點是所需的數(shù)據(jù)資源存放在服務器統(tǒng)一管理，按終端需要發(fā)送相應的操作系統(tǒng)和應用軟件數(shù)據(jù)，而CPU、顯卡、內存資源實現(xiàn)終端本地化運算，即可以購買小型盒子式x86架構的終端，又可以使用原有機房舊的PC機資源，減少更新投入的成本。即可以使用連網把數(shù)據(jù)緩存到服務器上運行，又可以在數(shù)據(jù)緩存到終端本地磁盤后斷網使用，連接外設的接口和驅動與原有PC一致。

我校的計算機公共實驗室從實際情況出發(fā)，選擇第二種方案，即共享了服務器資源，使終端桌面資源數(shù)據(jù)集中統(tǒng)一管理，又能讓終端脫離服務器單獨運行，同時老設備的軟硬件可以再利用從而實現(xiàn)平穩(wěn)過渡，更新成本又不高，性價比遠高于第一種方案。

4 結束語

綜上所述，高校計算機實驗室一定要根據(jù)自身的實際需求，并著眼于長遠發(fā)展規(guī)劃，選擇好合適的計算機虛擬化解決方案運用到計算機實驗教學實驗中去，才能更好地提高計算機教學實驗水平。

[1]郭培源,基于云計算平臺的虛擬實驗室設計與實現(xiàn)[J]．軟件,2012(33) 10．

[2]李從明,淺談桌面虛擬化系統(tǒng)在高校計算機實驗室中的應用,[J]．科技創(chuàng)新與應用,2012,12 (上)．

[3]姜偉．服務器虛擬化在高校計算機實驗室的應用研究[J]．實驗技術與管理,2012,1．

[4]馮榮．計算機實驗室中運用虛擬機軟件及其要點分析[J]．赤峰學院學報(自然科學版),2012,8．