基于虛擬化技術的計算機實驗教學平臺的設計與實現

王真　陳衛衛　吳永芬　鮑愛華　丁科　唐艷琴　李志剛

摘 要：針對目前計算機實驗教學中存在的操作系統需求多樣、分布式環境部署困難等問題，本文提出了一種基于虛擬化技術的解決方案，設計并實現了一套支持各種實驗教學環境需求的平臺（含管理系統），極大地降低了實驗環境部署、使用、維護的時間成本，相對于傳統的實驗機房該平臺具有資源有效共享、性能彈性伸縮、管理靈活高效、環境安全可靠等特點。

關鍵詞：虛擬化技術；實驗教學平臺；桌面虛擬化；VMware

中圖分類號：TP302.1 文獻標識碼：A

Abstract：In computer experimental teaching，many problems are caused by the requirements of various operating systems and the difficulty of distributed environment deployment.Accordingly，this paper presents a solution based on virtualization technology，and designs and implements a set of platform to support the requirements of various experimental teaching environments（including the management system），which greatly reduces the time cost of deployment，use and maintenance of the experimental environment.Compared with the traditional experimental room，the platform has the characteristics of effective sharing of resources，flexible elasticity of performance，flexible and efficient management，safe and reliable environment，etc.

Keywords：virtualization technology；experimental teaching platform；desktop virtualization；VMware

1 引言（Introduction）

計算機類課程實驗對于深化理論教學，提高教學質量具有舉足輕重的作用，目前，對實驗基礎環境的需求大致可以歸納為單Windows主機、多Windows主機、單Linux＼Unix主機和多Linux＼Unix主機這四類。課程實驗的多樣性導致環境需求的差異，例如，C語言、數據結構、數據庫等課程的實驗通常需要的是單Windows主機環境，且對主機計算性能要求不高。而一些新興技術，比如云計算、大數據、人工智能等的相關實驗的開展則需要單個或多Linux＼Unix主機，以及較好的計算性能支持[1-3]。

2013年我院獲批“軍用網絡技術網絡技術”國家級實驗教學示范中心，隨著新技術課程的不斷開設，以及研究課題對實驗環境的高需求，使得傳統單機實驗機房存在的管理模式僵化、計算機性能固化、實驗需求難以個性化和實驗場地難以擴大化等問題突顯出來，影響了部分課程實驗的高質量開展，為了解決這些問題，我們在立足現有場地和實驗用機的前提下，利用虛擬化技術設計并實現了一套支持多種操作系統、性能靈活擴充、主機按需分配的虛擬化實驗教學平臺，并開發了配套的虛擬化平臺管理系統。通過兩年的運行，解決了上述問題，系統運行良好，收到了較好的教學效果。

2 計算機實驗教學中遇到的問題及解決方法

（Existent problem and its solving method of

computer experimental teaching）

2.1 實驗教學中遇到的問題

在實驗教學過程中，遇到了一些問題，歸納起來，主要包括幾個方面。

（1）實驗環境部署過程繁瑣。目前實驗機房采取的是批量克隆部署的方式保障所有課程的實驗，開課前需要教員在一臺模板機上安裝所需的軟件環境，然后由機房管理員將模板機上的內容復制到機房的其他計算機上去。這種部署方式要求授課教員必須到現場進行部署，而且一旦出現個別軟件沖突，需要全部重新部署，費時費力。

（2）單機虛擬化性能不能滿足實驗要求。為了避免實驗環境的沖突，有的教員采取安裝桌面版虛化軟件，在實驗主機上創建虛擬機，然后在虛擬機中部署自己的實驗環境。由于這種桌面版虛擬化軟件需要將本機的CPU和內存資源分配給虛擬機用，在實驗主機性能本身就不高的情況下，虛擬化后的系統明顯性能不足，不少學員反映存在虛擬機啟動緩慢、實驗軟件運行卡頓的情況。

（3）開展分布式實驗困難。云計算、大數據的一些實驗需要在分布式環境中實施，這就要求每名學員至少操作2—3臺計算機，在機房機位有限的情況下，目前只能多人一組來實施。

（4）主機性能無法彈性伸縮。不同的實驗課程對主機性能要求不同，隨著時間的推移，設備老舊，配置低下，對主機性能要求高的一些課程實驗運行緩慢或根本就無法開展成為現實，而針對這些實驗全面更換高性能主機，成本也是個問題。

（5）無法有效利用現有服務器資源。學院機房中部署了部分課題組購買的科研用服務器，這些服務器日常的計算和存儲負載并不高，有大量閑置資源沒有得到有效利用。

（6）實驗環境管理維護難度大。由于多門實踐課程共用一臺主機，容易發生實驗環境沖突，一旦某門課程實驗引發了系統故障，將影響多門課程授課。利用現有的實驗室管理軟件進行系統恢復耗時長，并容易導致實驗數據丟失。endprint

2.2 解決的方法

為解決上述問題，經過多方調研和可行性分析，我們決定利用桌面虛擬化技術構建一套全新的實驗教學平臺，有效整合現有計算資源，改善實驗教學環境。

虛擬化技術（Virtualization）是一種資源管理技術，是將計算機的各種實體資源（CPU、內存、磁盤空間、網絡適配器等）予以抽象、轉換后呈現出來并可供分區、組合為一個或多個電腦配置環境[4]。虛擬化后的資源不受現有資源的架設方式、地域或物理配置限制，用戶可以根據自己需要靈活配置使用。虛擬化技術可以分為服務器虛擬化（單機虛擬化屬于服務器虛擬化的一種特例）、桌面虛擬化、應用虛擬化和網絡虛擬化，根據課程需求我們的建設方案采用桌面虛擬化技術。

具體建設思路如下：

（1）整合硬件，形成資源池。采購一套計算服務器和存儲陣列，并與現有計算、存儲資源進行整合，將新舊資源統一為一個資源池，為實驗課程提供按需分配的計算與存儲能力，相比單機虛擬化而言，能為虛擬機提供充足的性能。

（2）按需配置，生成虛擬機。利用桌面虛擬化技術，在資源池中創建多個不同配置的虛擬主機（彈性伸縮），實驗環境部署在虛擬主機中。部署過程如圖1所示，首先，選用一臺虛擬機作為課程模板，在該虛擬機中部署實驗環境（操作系統及其相關軟件），然后，以此課程模板為源分發（復制）生成新的虛擬機，這樣保證了軟件環境的一致性，且提高了實驗環境部署的效率。根據實驗課程需要，可以為每名學生分發一個或多個虛擬機。例如，云計算課程中，就可以為每個學生分配多臺虛擬機，使用起來的感覺就像每個人擁有了多臺物理計算機，可以方便的進行分布式實驗。

（3）隨時隨地，登錄系統。學生通過實驗機房主機或是自己的臺式機、筆記本電腦等終端設備登錄到本門課程的虛擬機桌面即可開始實驗，不再受場地限制。學生的虛擬機性能可以進行彈性伸縮，滿足不同課程實驗需要。虛擬機之間相互隔離，實驗環境不會發生沖突，當發生誤操作導致系統故障時，只需重置在用的虛擬機即可，耗時短，可靠性高。

（4）在線管理，監控運行狀態。開發一套與實踐平臺配套使用的管理系統，通過該系統管理人員可以監控平臺運行，維護平臺基礎架構。教師可以在線完成虛擬機配置、分發，以及虛擬機中實驗環境的部署工作，從而提高管理效率，簡化實驗環境部署過程。

3 基于虛擬化技術的計算機實驗教學平臺設計（The

design of a computer experimental teaching

platform based on virtualization）

3.1 技術選型

目前市面上已經有很多成熟的解決方案來實現桌面虛擬化[5-9]，其中商業軟件有微軟的Hyper-V、VMware公司的Horizon及Citrix的XenDesktop，開源的軟件有KVM、Xen及VirtualBox。針對上述解決方案，我們從硬件兼容性、部署難易程度、虛擬機性能高低、系統穩定性、技術支持的時效性，以及后期維護的便捷性等方面進行了對比分析，最終采用VMware的Horizon來構建實驗教學平臺。

VMware Horizon桌面虛擬化軟件架構[10]如圖2所示，它包含三個模塊：最底層的是負責硬件虛擬化的vSphere，vSphere的主要組件為ESXi，它部署于物理硬件之上實現裸機虛擬化，將物理資源抽象為多個虛擬主機。底層之上是核心基礎設施，由vCenter Server、數據庫（Database）、Active Directory域服務組成，主要負責對部署了ESXi的物理機及抽象后的虛擬機進行集中管理。最后是Horizon View，其作用是在vSphere的支持下，實現虛擬桌面架構（Virtual Desktop Infrastructure，VDI），它由vCenterAccess Point、View連接服務器（View Connection Serve）、View Composer和View客戶端組成，其中View連接服務器通過vCenterAccessPoint連接到vCenter，實現對虛擬桌面的高級管理功能，包括虛擬桌面池管理、虛擬桌面配置、桌面連接代理等。View Compose提供虛擬機桌面的鏈接克隆功能，可基于父映像快速創建桌面映像。View客戶提供終端用戶訪問虛擬桌面的功能。

3.2 平臺整體設計

我們設計了一個能支持400人同時在線的虛擬化實驗教學環境平臺。平臺的硬件設備拓撲圖如圖3所示，軟硬件設備如表1所示。

采購了六塊曙光CB50-G20刀片服務器，與現有的一套科研用IBM服務器通過萬兆核心交換機連接在一起，作為計算服務器提供平臺所需計算能力，原IBM服務器上部署的應用后期將遷移到平臺的虛擬機中運行。在計算服務器上部署ESXi以便實現服務器的虛擬化，并創建八臺虛擬機用來搭建和維護平臺基礎架構。八臺虛擬機統一安裝Windows Server 2008 R2操作系統，并做如下使用分配：兩臺虛擬機分別用于配置Active Directory與DHCP，提供域管理功能；一臺虛擬機用于部署vCenter Server，提供統一的虛擬機管理維護功能，如定時開機和關機、提供負載均衡等；三臺虛擬機上安裝SQL Server 2008數據庫后作為數據庫服務器用于存儲及管理平臺各組件的配置數據和用戶信息。為了提高數據庫的可用性，將三臺數據庫服務器配置成鏡像模式，一臺主體服務器（Principal）一臺鏡像服務器（Mirror）外加一臺見證服務器（Witness），這樣可以最大限度的確保所存數據的安全可靠；一臺虛擬機安裝View Compose，以便提供虛擬桌面鏈接克隆功能，最后一臺虛擬機中安裝ViewConnection Serve，作為鏈接代理，可向用戶提供虛擬桌面。endprint

新購一套曙光DS800-G25存儲陳列，通過兩臺SAN交換機與現有的EMC存儲服務器連接后互為備份，作為存儲服務器用于虛擬機模板、虛擬機快照及用戶文件數據的存儲。現有計算機安Horizon View客戶端軟件后，作為瘦客戶端通過華為S5700接入交換機與核心交換機相連接，并最終接入到校園網。學生個人計算機也可在安裝了客戶端后連接到實驗教學平臺。

3.3 管理系統設計

為了提高平臺的管理效率，我們設立了三類管理人員：一類是授課教員，負責虛擬機模板的配置及虛擬機的分發和管理；第二類是平臺管理人員，負責對平臺的基礎架構、物理服務器、網絡進行管理和維護；第三類是機房管理人員，負責維護各機房內部的接入終端。機房管理人員的工作和現行模式沒有太多區別，平臺管理員也能直接通過vSphere管理系統基礎架構，因此我們主要考慮的是授課教員如何實現對虛擬機的管理。

VMware的vSphere自身提供了針對系統基礎架構，以及虛擬機的管理功能，但是這些功能操作繁瑣，專業性要求高，且一旦對基礎架構進行了誤操作，將嚴重危害平臺運行，不適合提供給授課教員使用。

為了匹配實驗教學的管理需求，我們希望能把虛擬機模板構建、虛擬機分配、用戶管理等與實踐授課相關的功能從vSphere的管理功能中剝離出來單獨提供給授課教員使用，這樣平臺管理人員只需要關注維護基礎架構，而授課教員可以自行管理課程實驗環境。

為了實現這個目標，基于vSphere提供的虛擬機管理接口vSphere Automation SDK for .Net開發了一套針對虛擬化平臺的“實驗課程管理系統”。系統結構如圖4所示，授課教員通過登錄管理系統實現對虛擬機進行日常管理，包括用戶管理、課程管理、虛擬機模板設置，以及虛擬機的分發與管理等功能。教師進行系統管理的操作流程包括八個步驟（圖5）。

（1）注冊后登錄到管理系統。

（2）設置課程信息，主要包括課程名稱、起始日期、上課時間、學員名單等。

（3）選擇一個虛擬機模板（我們將常用的系統預先制作為虛擬機模板，比如Windows 7、Windows 10、Windows Server 2012或Linux等）。

（4）根據課程需要更改虛擬機模板中默認的CPU個數和內存大小。

（5）登錄到虛擬機模板，安裝授課所需的軟件，部署實驗環境。

（6）系統自動將的配置好的虛擬機模板保存為該門課程的課程模板，這樣在下一次部署實驗環境時，在第3步操作時可以直接選取課程模板而不是虛擬機模板，然后進入第7步操作。

（7）依據第1步中錄入的學員名單，系統自動完成虛擬機的分發工作，并依據綁定用戶賬號。

（8）系統自動生成一份學員賬號信息表，教員在上課時分發給學員，學員即可按照賬號信息登錄虛擬機進行課程實驗。

在授課過程中，如果遇到學生誤操作導致實驗環境受損，教師還可以通過管理系統進行虛擬機的重置，快速恢復實驗環境。在這套管理系統的支持下，系統維護人員和授課教師之間的協同工作變得更加順暢、更加高效了。

4 平臺的實施及使用效果（The implementation of

the platform and application effect）

4.1 實施情況

項目從2015年3月開始啟動建設，經過近9個月的軟硬件建設與試運行，于2015年12月面向全院師生開放使用，截至目前已經有兩個校區的六個實驗機房接入到虛擬化平臺。平臺投入使用后受到了廣大教師的歡迎，陸續開設了包括“計算機網絡原理”“數據可視化技術”“數據分析與數據挖掘”“多媒體數據處理”“數據結構”“云計算及其應用”等在內的27門實踐課程。

4.2 使用效果

經過一年多的運行，我們收到了很多教員和學員在使用過程中的反饋，普遍認為平臺具有以下優勢：

（1）教員可在線完成實驗環境部署工作，提高了部署效率。

（2）可為學員分配多臺計算機，方便開展各類分布式實驗。

（3）虛擬機性能可彈性擴展，學生實驗過程順暢，告別“卡、頓”。

（4）服務器集中使用，提高了資源利用率。

（5）實驗環境相互隔離，互不沖突，一旦出現問題可迅速恢復。

（6）系統管理員可統一管理全院實驗環境。

（7）數據多重備份，安全可靠。

（8）學員上實踐課不再受場地和時間限制，滿足個性化學習需求。

在可靠性方面，目前提供的是面向虛擬機文件和用戶文件的備份，不是平臺層面的熱備，因此還存在單點故障問題，一旦機房停電、服務器宕機或是網絡出現故障，實驗課程會受到影響。這些問題，隨著經費保障的增強，將在后續建設得到逐步改善。

5 結論（Conclusion）

虛擬化實驗教學平臺為教師、學生提供了快速可配置的虛擬化實驗環境。利用該平臺，計算機類實驗教學不再受實驗物理機性能和操作系統的限制，可靈活方便地配置虛擬機數量及其計算能力、各個課程的實驗環境相互隔離避免各類沖突，同時也大大簡化了教師開課前的實驗環境部署工作，以及實驗室管理人員的實驗環境維護工作。

參考文獻（References）

[1] AmolJAIKAR，Gyeong-RyoonKIM，DadaHUANG，et al.Ahardware-basedalgorithmforvirtualmachineprovisioninginaprivatecloud[J].中南大學學報（英文版），2014，21（11）：4291-4295.

[2] 高培超，et al.Low-cost cloud computing solution for geo-information processing[J].Journal of Central South University，2016，23（12）：3217-3224.endprint

[3] Miao T，Chen H.FlexCore：Dynamic Virtual Machine Scheduling Using VCPU Ballooning[J].清華大學學報自然科學版（英文版），2015，20（1）：7-16.

[4] 維基百科.虛擬化[EB/OL].https：//zh.wikipedia.org/wiki/虛擬化，2017.

[5] 閆格.基于云計算架構的高校實驗室設計與實施[J].閩南師范大學學報（自然版），2011，24（3）：25-29.

[6] 修長虹，梁建坤，辛艷.虛擬化技術綜述[J].網絡安全技術與應用，2016（5）：18-19.

[7] 由繼紅.虛擬實驗室研究概述[J].生命科學儀器，2014（Z1）：

34-37.

[8] 趙剛.基于VMware vSphere的虛擬化架構的研究與實現[D].中國地質大學（北京），2013.

[9] 梁琨，等.計算機虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J].教育教學論壇，2017（3）：267-268.

[10] VMware，Inc.VMWARE HORIZON 7 ENTERPRISE EDITION REFERENCE ARCHITECTURE[EB/OL]. http：//blogs.vmware.com/euc/2016/07/horizon-7-reference-architecture-validated-integration-design-enterprise-edition.html，2017.

作者簡介：

王 真（1982-），男，碩士，講師.研究領域：云計算，服務計算.

陳衛衛（1967-），女，碩士，教授.研究領域：云計算，服務計算.

吳永芬（1979-），女，碩士，講師.研究領域：模式識別.

鮑愛華（1981-），男，博士，講師.研究領域：云計算，人工智能.

丁 科（1978-），男，碩士，講師.研究領域：分布式計算.

唐艷琴（1977-），女，碩士，副教授.研究領域：模式識別.

李志剛（1980-），男，博士，講師.研究領域：云計算，服務計算.endprint