基于虛擬化技術(shù)的開放實驗室管理系統(tǒng)

付先平+張軍+宋友良+徐鳳強

摘 要：針對實驗室建設(shè)成本高、實驗課排課過程繁瑣、開放程度低、資源利用率低等問題，提出采用Hyper-V、Wi-Fi、SMS等技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)基于虛擬化技術(shù)的開放實驗室管理系統(tǒng)，具體說明設(shè)計框架及使用情況，為學生提供更加人性化的預(yù)約服務(wù)和上機指導。

關(guān)鍵詞：Hyper-V虛擬化；Wi-Fi；SMS；排課算法

文章編號：1672-5913（2017）07-0149-06

中圖分類號：G642

1 開放實驗室管理系統(tǒng)研究背景及現(xiàn)況

隨著實驗課程的豐富和實驗需求的增加，許多實驗需要使用大型軟件，這對計算機性能提出了更高的要求，學校也要投入更多的人力來管理實驗過程。此外，在實驗課編排問題上，一般采用手動排課方式，效率較低且容易沖突。傳統(tǒng)的信息管理系統(tǒng)，已經(jīng)無法滿足新的需求。

近年來，國內(nèi)高校努力探索實驗室建設(shè)的新思路，取得了很好的成效。2013年，清華大學運用H3C IRF2虛擬化技術(shù)建立了網(wǎng)上教學平臺，采用創(chuàng)新CLOS架構(gòu)，改變了過去Crossbar架構(gòu)核心交換機在大量數(shù)據(jù)交換時出現(xiàn)擁塞和丟包的狀況，讓網(wǎng)絡(luò)性能更好、可靠性更高。2015年，張民壘等人把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到實驗室管理系統(tǒng)中，通過無線節(jié)點采集實驗室內(nèi)數(shù)據(jù)，監(jiān)控室內(nèi)的溫度、濕度，并采用自動化報警機制、NFC讀卡驗證身份、手機App控制室內(nèi)燈光等[1]，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了實驗室的監(jiān)控智能化管理。

國外高校也非常重視計算資源的管理。2009年，卡塔爾大學、德州農(nóng)工大學等高校與IBM合作，將云計算技術(shù)引入“卡塔爾云計算計劃”，通過搭建云平臺整合計算資源，為師生提供更優(yōu)質(zhì)的高性能計算服務(wù)。2014年，F(xiàn)ranz Schauer等人在云端設(shè)計遠程實驗功能，解決了上機實驗受時間、空間限制的問題，且平臺運行高效、可靠。

將云計算、虛擬化、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)應(yīng)用在實驗室管理中，是實驗室建設(shè)的新趨勢。搭建云平臺，將高性能計算資源集中在服務(wù)器端進行統(tǒng)一管理，有利于計算資源的合理分配。用無線節(jié)點實時監(jiān)控實驗室內(nèi)各項數(shù)據(jù)，減輕了管理人員的負擔。不過這些措施沒有降低實驗室的建設(shè)成本，實驗課編排困難和設(shè)備利用率低的問題仍然存在。

本文提出基于虛擬化技術(shù)的開放實驗室管理系統(tǒng)。通過在服務(wù)器端搭建云平臺管理大型軟件資源[2]，用戶可以根據(jù)需求登錄云端申請使用，能夠?qū)崿F(xiàn)計算資源的集中管控和動態(tài)分配，學生實驗無需主機，安裝瘦客戶機即可[3-5]，降低了實驗室的建設(shè)成本，減輕了設(shè)備維護的工作量。通過開放實驗室管理網(wǎng)站對實驗室資源進行管理[2]，實驗課排課模塊結(jié)合自動排課算法和手動調(diào)整功能，有效提高了實驗課排課效率，降低了排課沖突率；預(yù)約管理模塊提供了信息發(fā)布、實驗指導、預(yù)約和批改等功能，還提供了人性化的SMS短信通知服務(wù)，能夠及時通知學生預(yù)約結(jié)果，使預(yù)約服務(wù)更加完善、設(shè)備利用率更高；設(shè)備電源由無線Wi-Fi開關(guān)控制，TCP連接更加穩(wěn)定，學生可以刷校內(nèi)一卡通上機實驗[6]，實現(xiàn)了預(yù)約和上機流程的智能化管理。

2 開放實驗室管理系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的架構(gòu)圖見圖1，云平臺由服務(wù)器集群構(gòu)成，用于管理軟件資源，學生可以登錄桌面管理系統(tǒng)申請資源[7]。實驗室資源由開放實驗室系統(tǒng)網(wǎng)站管理，管理人員可以通過網(wǎng)站對設(shè)備、低值品、用戶等信息進行管理。教師可以通過課程管理模塊對實驗課進行排課；學生可以通過預(yù)約管理模塊預(yù)約實驗，預(yù)約成功后，相關(guān)信息會發(fā)送到學生的手機端。學生可以自主上機，通過讀卡器讀取個人信息，與預(yù)約信息進行對比驗證，驗證成功后，向Wi-Fi模塊發(fā)送命令，打開設(shè)備電源，客戶端開始計時收費。

2.1 服務(wù)器虛擬化

如圖2所示，通過Hyper-V技術(shù)把物理資源轉(zhuǎn)化為邏輯資源[8]，在物理服務(wù)器集群上創(chuàng)建多個虛擬機，再在虛擬機上創(chuàng)建桌面池，用于安裝實驗所需的各種應(yīng)用程序?？蛻舳丝梢栽谶h端訪問服務(wù)器，連接虛擬機，獲取相應(yīng)的計算資源，還可以登錄云端，請求桌面池資源，使用池內(nèi)的如AutoCAD、Premiere等實驗課所需軟件。云平臺把軟件資源集中在服務(wù)器上管理，本地主機無負載，避免了頻繁更新設(shè)備或軟件帶來的巨大工作量，降低了實驗室建設(shè)和維護的成本。同時，通過創(chuàng)建虛擬機和桌面池對內(nèi)存、CPU等資源進行合理劃分、統(tǒng)一管理，提高了資源的利用率。

2.2 排課算法

以前，實驗課排課采用手動方式，教師打印出班級的理論課表，在實驗室和學生共同空閑的課時安排課程。由于教師間沒有及時協(xié)調(diào)，容易發(fā)生沖突，所以多是采用“先到先得”的方法排課。為此，我們設(shè)計了排課管理模塊，教師排課前，先把學校的理論課排課結(jié)果批量導入系統(tǒng)，在選課時，教師就可以根據(jù)教學班級、學期、上課周次、實驗室等信息查詢課表，課表顯示的是查詢條件下學生課程、教師個人課程和實驗室課程三者的并集，這樣教師在空余時段選課就不會發(fā)生沖突。

同時，為了保證課時段安排的公平合理，改變“先到先得”的原則，筆者設(shè)計了自動排課算法，算法流程圖見圖3。

2.3 預(yù)約管理

實驗室每個實驗臺的電源控制設(shè)備是和實驗室管理模塊進行綁定的，管理人員可以根據(jù)實驗室實際布置情況生成座位圖，然后為每個實驗臺綁定一個無線電源控制設(shè)備，并設(shè)置是否開放。學生登錄系統(tǒng)后，可以查詢實驗室的預(yù)約信息、最新公告、課程通知、實驗分數(shù)、實驗室開放計劃、座位開放數(shù)量等內(nèi)容，然后根據(jù)需求預(yù)約實驗臺。預(yù)約請求由教師審核，審核通過后，系統(tǒng)利用SMS服務(wù)（采取及時通訊發(fā)送設(shè)備）將預(yù)約信息和登錄密碼發(fā)送至申請者的移動通訊設(shè)備，作為進入實驗室和使用實驗臺的憑證。學生預(yù)約流程圖見圖4，實驗流程圖見圖5。

3 運行效果

基于虛擬化技術(shù)的開放實驗室管理系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)實驗室管理中存在的實驗室建設(shè)成本高、可擴展性差、管理和維護工作量大、資源浪費等問題。把虛擬化技術(shù)應(yīng)用到管理系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)計算資源的動態(tài)分配。預(yù)約管理模塊為學生提供了更好的預(yù)約服務(wù)和實驗指導，減輕了管理人員的工作負擔，提高了實驗室的開放程度，能夠更好地適應(yīng)實驗教學發(fā)展的進程。表1展現(xiàn)了與其他類型實驗室的對比情況[9]，表2展現(xiàn)了傳統(tǒng)模式單機單用與云平臺服務(wù)的對比情況。

在實際使用中，服務(wù)器安裝的是Windows Server 2008 R2系統(tǒng)，服務(wù)器內(nèi)存為32G，處理器主頻為2.5GHz，實驗室面積約為88（8×11）平方米，擁有60個實驗臺，室內(nèi)信號干擾物多為木質(zhì)桌椅和實驗臺的鐵質(zhì)外殼。

在這樣的實驗環(huán)境下，啟動瘦客戶機系統(tǒng)約耗費27.83 s的時間；每增加一個客戶端播放視頻，服務(wù)器CPU、內(nèi)存、占用帶寬等指數(shù)約增長4.5%，客戶端視頻播放質(zhì)量良好，可以很好地滿足用戶需求。Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)在無障礙物情況下，能保證30 m范圍內(nèi)穩(wěn)定連接；在木質(zhì)、鐵柜、墻等物件阻擋下，能保證10 m范圍內(nèi)的穩(wěn)定連接，可以同時控制60個實驗臺的電源，符合實驗室環(huán)境要求。使用系統(tǒng)后，課件的更新時間和學生的實驗操作時間都有所縮短，實驗完成情況有所改善，該系統(tǒng)能夠在高校實驗教學和管理中發(fā)揮提高實驗教學質(zhì)量和效率的作用。

4 結(jié) 語

平臺已經(jīng)部署在大連海事大學電工電子實驗樓，由3臺服務(wù)器為50個瘦客戶機提供云服務(wù)，實現(xiàn)全天24 h、多點多地、校內(nèi)校外無差別和多種終端并行訪問的需求。實驗環(huán)境支持5門課程，服務(wù)300名學生，能夠滿足目前信息學院學生的實驗預(yù)約需求。學生也可以訪問云端進行虛擬仿真實驗。通過問卷調(diào)查得知，在軟件系統(tǒng)的功能、用戶體驗等方面都得到了較為滿意的反饋，預(yù)約實驗數(shù)量逐漸增加，學生的實驗考核成績也有所提高。

初步搭建的云平臺部分功能還不夠完善和細化，需要在下階段研究工作中繼續(xù)修改和完善，特別是設(shè)備管理、課程管理、選課預(yù)約等系統(tǒng)功能需要完善與深入開發(fā)。此外，未來還可以在視頻監(jiān)控端加入異常行為檢測算法，來監(jiān)督學生實驗操作的合理性、規(guī)范性、安全性，通過進一步細化和充實，創(chuàng)造更為成熟的平臺環(huán)境。

參考文獻：

[1] 張民壘. 基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 大連： 大連理工大學， 2015.

[2] 耿學宇. 基于云平臺的開放實驗室管理系統(tǒng)[D]. 大連： 大連海事大學， 2015.

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[8] Chang B R， Tsai H F， Chen C M. Evaluation of virtual machine performance and virtualized consolidation ratio in cloud computing system[J]. Journal of Information Hiding and Multimedia Signal Processing， 2013， 4（3）： 192-200.

[9] Xu L， Huang D， Tsai W T. Cloud-based virtual laboratory for network security education[J]. IEEE Transactions on Education， 2014， 57（3）： 145-150.

（編輯：孫怡銘）