基于桌面云的高職院校實驗教學管理系統開發研究

陸迅　丘剛瑋

【摘 要】本文論述基于桌面云的高職院校實驗教學管理系統開發，提出以桌面云技術為基礎，分析系統管理員、實驗教師、學生三方的需求，完成系統功能總體模塊設計和子功能模塊的詳細設計及功能的實現，測試發現該系統具有成本低、可靠性高，簡單便捷的優點。

【關鍵詞】桌面云 高職院校 實驗教學管理 系統開發

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）09C-0184-02

實驗教學的開展是高職院校教學的重要組成部分，承擔著學生專業技能培養與訓練的重任。傳統實驗教學管理存在不少問題，包括實驗教學管理不順暢、實驗環境要求多樣化、實驗教學設備利用率低等，直接影響實驗教學的效果。桌面云是云計算具體應用的實踐，具有部署簡單、數據集中管理和簡捷安全高效的特點，通過桌面云建設，可以有效降低設備采購和建設的成本，拓展學生開展實驗的時間和空間的限制，從而提高實驗教學的能動性，降低運維成本，因此，利用先進的桌面云改善實驗教學管理工作具有非常重要的研究意義和實用價值。

一、相關技術概述

（一）Python。Python是一種面向對象的解釋型程序設計語言，通過它可以輕松地把其他語言模塊聯結一起，生成程序最終界面。我們使用Python Django Web框架將QEMU-KVM、 SPICE、Libvirt等虛擬化組件集成，構建高職桌面云平臺。

（二）QEMU-KVM。KVM是基于內核的虛擬機，負責CPU和內存的虛擬化，QEMU是一個成熟的開源虛擬化軟件，用于模擬網卡、硬盤、顯卡等IO設備。通過QEMU和KVM整合，實現多個虛擬機同時使用同一個鏡像，快速實現服務器虛擬化。

（三）SPICE。SPICE是一種開源的桌面虛擬化數據傳輸協議，用于服務器和客戶端（含瘦客戶端）上部署虛擬桌面。SPICE由服務端、客戶端、QXL設備、QXL驅動等組件構成，SPICE協議管理上述組件；客戶端為用戶提供桌面環境，運行在用戶終端上；服務端通過動態鏈接庫的形式管理程序庫，與KVM虛擬機交互。

（四）Libvirt。Libvir是一個開源的管理虛擬化平臺的API，可以使用網絡SSH進行操作，通過API庫、守護進程（Libvirtd）、命令行程序（virsh）來管理KVM、VMware ESX等虛擬化技術。

二、系統的設計及實現

（一）結構設計。根據高職院校實驗教學的特點，結合桌面云實驗教學管理的需要，我們將系統結構設計為基礎層、服務層、實驗管理層三層。具體架構見圖1所示。

基礎層要是由物理服務器和存儲集群虛擬化而成，包括虛擬服務器集群和桌面云客戶端，共同構成虛擬機集群。該層桌面云客戶端可被實驗管理層中“實驗環境管理”模塊直接管理和配置。

服務層主要由桌面云虛擬化服務管理和設備管理構成，提供服務監聽、數據訪問、和命令處理等服務，主要由Libvirt虛擬化管理程序完成對基礎層的管理。

實驗管理層是一個可視化WEB管理平臺，提供人機交互的界面，把用戶信息維護、角色權限設置、實驗申請管理、實驗環境管理等功能集成起來，通過HTTP協議以POST方式與服務層通過通信，實現對服務層的管理。

（二）總體設計。基于桌面云的高職實驗教學管理系統由角色權限分配、實驗教學管理和實驗環境管理三大功能模塊構成，具體見圖2所示。系統使用MVC三層設計理念，對虛擬機、服務器和實驗教學統籌管理，提供統一的操作界面。

（三）功能模塊詳細設計及實現。具體如下：

1.角色權限管理。根據系統管理員、實驗教學教師和學生三種不同角色使用范圍進行界定，分別賦予對應的權限。該模塊主要包括用戶導入、角色管理、權限分配的功能。系統管理將學院教師工號初始化到系統中，同時根據教務處提供的授課安排將開課學生的學號導入系統，生成初始密碼后統一由授課教師發給學生。系統管理根據學號和教工號的不同分配可訪問資源的權限，實現角色管理。

2.實驗教學管理。該模塊由實驗申請、課程管理、數據管理和檢查管理構成，實驗教師通過教工號登錄系統，申請實驗環境，選擇實驗課程、班級、起止日期以及配置虛擬實驗環境的軟硬件等，待管理員審批。如果管理員審核通過，系統將在實驗教學開展前完成環境部署；如果審核不通過，返回原因給提示。除此之外，教師還可以通過系統對學生實驗情況進行監控，跟蹤和了解實驗過程，比如實驗程序、實驗數據、實驗報告，以此衡量學生的平時技能成績。

3.學生實驗模塊。學生使用學號和授課教師提供的初始密碼訪問系統，登錄后可以直接查看教師所布置的實驗內容、具體要求；學生了解任務后，點擊對應的任務就可以進入對應的虛擬機連接桌面云，在云上操作虛擬桌面的實驗軟件，開展課程實驗；實驗結束后，提交實驗程序、數據和實驗報告，并退出虛擬實驗環境。此模塊還支持留言板，通過留言與實驗教師進行交流。

4.系統管理員管理。主要有實驗請求審核、實驗環境管理、集群管理等功能。實驗請求審核是指實驗教師提交實驗申請后，管理員根據系統的實際情況對請求予以審核，返回審核結果，主要依據有實驗時間是否有沖突、實驗環境要求是否達到等；實驗環境管理是指審核通過后，根據實驗的需求初始實驗環境，完成實驗環境模板并批量克隆到申請數量的虛擬機中，為實驗開展做好準備；集群管理包括虛擬機集群管理和服務器集群管理，桌面云的基礎主要有虛擬機創建、開關、銷毀，以及桌面云配置參數查看、變更和調整等功能，主要是通過SSH網絡訪問libvirt守護進程來實現，從而實現集群管理。

（四）系統測試。具體如下：

1.功能測試。主要從用戶角色登錄、實驗教學管理、學生實驗操作、系統管理員等四個方面進行，經過測試，達到預期效果。

2.性能測試。模擬學生實驗環境下的編程實訓，見表1所示。并發數跟CPU使用率、內存使用率成正比。我們從并發數為10開始測試，以10為基數遞增，當達到50時運行還是非常順暢，當并發數達到60時，此時CPU使用率達92.8，內存占有率為73.1，處于高負荷運轉狀態，體驗感下降。根據實驗測試結果，服務器可以支持50個以下虛擬環境的實驗任務，由于實際應用很少達到該并發數，所以達到預期效果。

針對高職院校實驗管理不足而研發的基于桌面云實驗管理系統，具有通過模板化創建虛擬機來批量生成虛擬實驗環境的優點，有效地解決了實驗教學管理不順暢、實驗環境要求多樣化、實驗教學設備利用率低等問題，降低了實驗成本，調動了學生實驗的積極性和提升實驗課程質量。本系統的實現也為桌面云技術在高職院校其他場景應用提供了參考價值。

【參考文獻】

[1]李海華.基于桌面云的高校實驗教學調度管理系統的設計與實現[D].廣州：華南農業大學，2016

[2]李發軍.虛擬課室調度與接入系統的設計與實現[D].廣州：中山大學，2014

[3]李冠煌.基于桌面云的實驗教學環境的設計與實現[D].廣州：華南理工大學，2013

[4]楊飛，朱志祥.基于SPICE協議的云實驗室設計與實現[J].現代電子技術，2016（1）

【作者簡介】陸 迅（1962— ），男，廣西農業職業技術學院電子信息工程系講師，研究方向：計算機網絡技術；丘剛瑋（1985— ），男，廣西農業職業技術學院電子信息工程系助教，研究方向：計算機網絡技術。

（責編 黎 原）