基于虛擬化的中醫院校計算機教學生態環境研究

李京忠　王蘋　李建志

[摘要] 傳統的計算機教學生態環境信息系統分散，師生缺乏互動，實驗室管理繁瑣，實訓教學開展困難。本文通過對虛擬化技術的分析，認為服務器虛擬化技術和桌面虛擬化技術相互結合是改善中醫院校計算機教學生態環境、提升實訓效果、降低軟硬件運維成本以及基礎設施整合的最佳選擇，對進行計算機教學改革以及學生綜合能力的培養具有積極意義。

[關鍵詞] 虛擬化；教學生態環境；Hyper-V；實訓平臺；VDI；VOI

[中圖分類號] G434 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-7210（2018）05（a）-0135-04

[Abstract] The traditional computer teaching ecological environment information system is scattered， teachers and students are lack of interaction； the laboratory management is tedious and the training teaching is difficult to carry out. Based on the analysis of virtualization technology， it is considered that the combination of server virtualization technology and desktop virtualization technology are the best choice to improve the computer teaching environment， which can improve the training effect， reduce the cost of hardware and software operation and infrastructure integration. It has constructive meaning for the reform of computer teaching and the cultivation of students' comprehensive ability.

[Key words] Virtualization； Teaching ecological environment； Hyper-V； Training platform； Virtual device interface； Virtual operating system infrastructure

當前，信息技術已廣泛應用到中醫藥研究的各個領域，并成為研究和發展中醫藥必不可少的工具。傳統的中醫院校計算機教學生態環境，由于各種原因普遍存在著缺乏頂層設計和整體規劃、服務器利用率低、實驗開展困難、運維復雜等問題，嚴重影響制約了計算機教學的深入開展。虛擬化技術為我們提供了一種全新的選擇，將服務器虛擬化技術、桌面虛擬化技術以及網絡虛擬化技術引入傳統的計算機教學生態環境中，將有利于計算資源的合理分配[1]。通過構建功能完善的教學生態環境，實現信息技術與中醫藥課程的有機結合，促進創新人才的培養，是中醫院校信息化建設需要積極探索的課題。

1 虛擬化技術

虛擬化（virtualization）是一種資源管理技術，是將計算機的各種物理資源，如服務器、網絡、內存及存儲等，予以抽象和轉換后再呈現出來[2]。應用虛擬化后同一臺物理服務器上可同時運行多個操作系統，每個操作系統上可部署多個不同的應用，操作系統之間彼此獨立互不干擾。服務器虛擬化提高了資源的有效利用，減少運維成本（包括硬件、能源和空間），增加了可用性，實現了比物理服務器更長的連續運行時間，減少了維護帶來的影響，提高了系統的穩定性[3-4]。見圖1。

2 Hyper-V技術探析

現階段幾大流行的虛擬化產品他們的運行原理各有不同，概括起來可分為兩類模式，基于宿主機的虛擬化模式和基于Hypervisor虛擬化模式?；谒拗鳈C虛擬化模式的特點是Virtual Machine Monitor（VMM）運行于宿主機操作系統中。通過在宿主操作系統上安裝第三方虛擬化軟件，在此基礎上創建部署虛擬機操作系統來實現虛擬化。虛擬機通過宿主機操作系統來控制系統資源，其缺點是占用系統資源較多，系統整體性能不高。如：Microsoft Virtual PC、VMWare WorkStation等?；贖ypervisor模式的特點是VMM直接運行在物理機硬件之上，擁有比操作系統更高的權限來控制系統資源，依托CPU對虛擬化的支持，可以滿足企業級應用程序對高性能、高可用的需求，如Microsoft Hyper-V、VMWare ESX等產品[5]。

2.1 Hyper-V體系架構

Hyper-V采用了Hypervisor架構，其架構可分為硬件、Hyper-V和虛擬機三層，在底層硬件上運行的Hypervisor是Hyper-V的核心組件，是一個只有300多K的代碼集，可直接訪問主機上的硬件資源；而在它之上，運行著許多獨立的分區（虛擬機），這些分區大致可分成四種類型，見圖2。

2.1.1 根分區 根分區是唯一能夠直接訪問物理內存和設備的分區，作用是控制和創建其他分區。在其內核模式下，virtualization service provider（VSP）組件是虛擬化服務提供程序，駐留在根分區中，通過虛擬機總線（VMBus）向各子分區提供綜合設備支持[2-3]。

2.1.2 第一類子分區 一個承載來賓操作系統的分區，子分區對物理內存和設備的所有訪問都是通過VMBus提供的。在其內核模式下的virtualization service client（VSC）組件，通過VSP提供的服務來完成對硬件的訪問。每一個設備類型，都有一對VSP/VSC來完成對這種類型硬件的使用。對于該內核模式下運行的Windows系統來說，可自動感知自己是運行在Hyper-V上面的虛擬機，因此不需要通過任何模擬來訪問硬件[6]。

2.1.3 第二類子分區 在這個子分區里面運行的操作系統，是一些非Hypervisor感知的系統，如早期windows操作系統和DOS，其內核模式下沒有VSC組件支持，必須通過模擬方式，模擬出操作系統需要的硬件環境。

2.1.4 第三類子分區 這類子分區里面運行的是Linux的操作系統，在內核模式下微軟提供了使用VSP/VSC方式來訪問硬件，而不必讓Linux運行在模擬出來的硬件上。

從圖2所示根分區與子分區是平行的關系。含有IntelVT/AMD-V的CPU芯片，允許虛擬機直接訪問CPU和內存資源，虛擬機訪問硬件設備的速度有了很大提升，虛擬機的整體性能接近真實的操作系統[7]。同時這種架構增強了整個虛擬化架構的穩定性，不會因為Hyper-V主機出現問題而直接影響到子分區正在運行的虛擬機[8]。

2.2 Hyper-V故障轉移群集

Hyper-V的基礎架構，為企業實現業務的高性能、高可用提供了可能。群集是通過多臺物理主機同時運行來實現的，當群集內某一臺物理服務器出現故障時，另一臺物理服務器就開始接管故障服務器的服務（稱為故障轉移過程）。Windows Server下的群集技術被稱之為“故障轉移群集（Failover Cluster）”。Hyper-V的故障轉移群集角色監測群集內的Hyper-V主機是否正常工作，當群集內某一臺Hyper-V主機出現故障無法提供服務時，可由群集內的其他主機快速接管任務，繼續為用戶提供持續可用的服務，用戶能感知到的停機時間非常短暫[9]。

2.3 Windows Server 2012 R2 Hyper-V

在 Windows Server 2012 R2中，Hyper-V使用了第二代虛擬機技術，在Windows Server 2012 R2以前的虛擬機稱為第一代虛擬機。Windows Server 2012 R2Hyper-V的新增功能非常多，主要的功能有共享虛擬硬盤、動態調整虛擬機硬盤大小、存儲服務質量、增強的實時遷移、增強的會話模式、虛擬機自動激活、增強的Linux支持、增強的故障轉移群集等，Hyper-V的性能與易用性等方面有了很大的提升。在沒有安裝Hyper-V角色之前，Windows Server 2012 R2只是一個單純的服務器操作系統。在部署Hyper-V角色后，作為宿主機存在的Windows Server 2012 R2變成了第一臺虛擬機，也就是圖2所示的根分區，其硬件被Hypervisor接管。

3 基于服務器虛擬化技術的教學環境構建

如圖3所示，由4臺DELLR810服務器（JYS-HV1、JYS-HV2、JYS-HV3、JYS-HV4）采用基于Hyper-V服務器虛擬化技術和群集技術，構建了基于Hyper-V的私有云平臺。在云平臺上運行的系統種類包括Windows Server2003、Windows Server 2008、Windows Server 2012R2、Linux等操作系統。相較于傳統的教學服務部署方式，采用云平臺方式具有明顯的優勢。

3.1 減少系統部署的時間

傳統物理服務器部署需要經過安裝操作系統、設置網絡和安裝應用軟件等步驟，其過程較為復雜。利用Hyper-V的虛擬機模板克隆方式來部署虛擬服務器，可大幅度縮減系統部署時間[10]。

3.2 提高服務器資源利用率

利用Hyper-V實現服務器虛擬化后，原來需要十幾臺物理服務器承擔的教學系統被移植到由4臺服務器集成的私有云平臺中運行，節省下來的物理服務器應用到其他科研和教學領域，提高了服務器的資源利用率，節約了空間，降低了能耗。

3.3 提高教學系統的可靠性

教學系統在云平臺上運行，承載的物理主機有故障，其上的虛擬機系統會自動漂移到群集中其他物理主機繼續運行，保證教學服務的正常運轉。

4 基于桌面虛擬化技術的虛擬仿真實訓平臺和桌面部署

桌面虛擬化指對終端系統（計算機桌面）進行完全虛擬化，生成的鏡像系統保存在服務器中，再通過虛擬桌面協議向客戶機提供包含操作系統和應用軟件的桌面系統。目前就其采用的架構方式可分為virtual desktop infrastructure（VDI）桌面虛擬化和virtual operating system infrastructure（VOI）桌面虛擬化兩大架構[11-12]。

4.1 基于VDI架構的維思實訓平臺

VDI桌面虛擬化基本特征是“集中運算、分布顯示”。客戶端所有運算都在服務器中進行，而桌面用戶只負責輸入輸出與界面顯示，不參與任何計算和應用[13-14]。本例維思實訓平臺由2臺DELL R810服務器（JSY-VS1、JSY-VS2）群集而成。維思實訓平臺是一種基于VDI方式的桌面虛擬化平臺，依托微軟Hyper-V技術，以桌面虛擬化為主要表現形式，可同時在該平臺下部署多種實驗環境。教師和學生無論身在何處，都可以通過Web瀏覽器選擇符合實驗需求的計算資源、存儲資源、網絡設施配置等，打破了傳統的計算機實訓空間的限制，可進行多人并行、相互隔離的計算機仿真實驗[15]。很多中醫藥專業相關的實訓課程都可利用該實訓平臺進行，既減少了學校對實驗教學硬件的投資，又有利于網絡教學環境的管理。

4.2 基于VOI架構桌面虛擬化部署

VOI桌面虛擬化基本特征是“集中管理，本地運算”?？蛻魴C利用虛擬容器技術實現鏡像系統的本地緩存，并通過本地客戶機啟動運行，充分利用了本地計算機的性能。由于客戶機本地緩存的系統鏡像和服務器推送的完全一致，即使斷網也可離線繼續使用[16-17]。Dawnstor是一種基于VOI技術具有“盤網雙待”特色的桌面虛擬化產品。本例中1臺DELL R810服務器（JYS-DAWNSTOR）承擔了720個節點12間計算機實驗室的桌面部署服務，實驗室管理呈現出如下特點：

4.2.1 集中管理、本地運行 實驗室由原來的以保護卡為運維方式的分散管理，變為高度集中的節點式管理模式；桌面虛擬化管理系統通過對客戶端創建虛擬容器，實現鏡像系統的本地緩存，服務器上的鏡像系統采用“邊用邊下”的方式高速緩存到本地硬盤中。依托“盤網雙待”技術，即使在斷網的情況下，客戶端仍可正常啟動運行。

4.2.2 多系統靈活管理 服務器中保存的每個系統鏡像是由多個節點（快照）組成，其中每個節點都可以作為單獨的虛擬桌面系統發布；滿足多系統、多專業的課程需求，一直是計算機實驗室管理的難點，現在只需調度好相應的節點并發布到啟動菜單即可。

4.2.3 提升運維效率 桌面管理由分布式模式過渡到節點化模式，實現了對納入管理的計算機集中統一的管理。管理人員登錄虛擬化管理平臺即可完成絕大部分工作，工作效率大幅提升。

依托VDI架構與VOI架構各自的優勢，針對教學和實驗環境的不同，相互結合、取長補短，設計出虛實結合的教學場景，通過桌面虛擬化管理平臺控制場景的快速切換，解決了傳統計算機實驗室實訓環境部署困難的問題，成倍提升了實驗室的運維效率以及實訓課程效果。

5 計算機教學生態環境

將虛擬化技術融入到傳統的計算機教學生態系統中，促進了教學環境、教學內容和學習方式的發展，逐步形成了具有中醫藥特色的計算機教學生態環境，即教學主體與教學環境通過教學資源的傳播和利用所形成的相互聯系、相互作用的有機整體。如圖4所示，其主體是教師、學生、教學管理者，應用層為虛擬化服務平臺（由各種信息系統、教學資源共享、網絡教學平臺等構成），基礎服務層為虛擬桌面構成的智慧型計算機實驗室（由多媒體教學互動系統、虛實結合的實訓環境、虛擬桌面管理等構成）。其運行機制是在計算機實驗室的生態環境中，以教學內容為基礎，以教學目標為導向，通過師生之間的教學互動，使學生的學習能力與創新能力得到了提高。智能化的計算機實驗室和各信息系統為計算機教學活動的順利開展提供了多元化的技術支撐，加快了教學內容的進化和知識更新，促進了計算機教學與信息化建設的協同創新發展[18-19]。

6 結語

中醫院校計算機教學的主要目的是以應用為主，信息技術與中醫藥的完美融合，是中醫院校計算機教學和科研追尋的目標。基于信息生態環境理論和虛擬化技術發展而成的中醫院校計算機教學生態環境，將生態的概念引入到了計算機教學當中，增強了師生之間的互動，提高了教學與實訓效果，構建了一種“平等溝通、啟發引領、與時俱進”的師生關系，學生的應用能力、創新能力和動手能力均可提升[20]。

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（收稿日期：2017-11-08 本文編輯：張瑜杰）