基于Kubernetes與Docker技術(shù)的高校虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究

摘要：高校傳統(tǒng)物理機(jī)房實(shí)訓(xùn)教學(xué)存在資源利用率低、操作系統(tǒng)環(huán)境固化、實(shí)訓(xùn)時(shí)間和場(chǎng)所安排不靈活等問題。為解決這些問題，文章提出了一種基于Kubernetes云容器技術(shù)的云端虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)解決方案。該方案采用Docker容器作為載體，利用Kubernetes進(jìn)行容器編排，結(jié)合Metrics-Server實(shí)現(xiàn)資源監(jiān)控，使用KubeSphere管理集群。平臺(tái)在資源管理方面實(shí)現(xiàn)了計(jì)算資源的高度集群化和無感知擴(kuò)容；在實(shí)訓(xùn)教學(xué)方面，支持通過KubernetesClients在線創(chuàng)建輕量級(jí)Docker實(shí)例，接入DockerHub市場(chǎng)，支持主流操作系統(tǒng)鏡像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該平臺(tái)提高了資源利用率，增強(qiáng)了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的靈活性和便利性，為高校實(shí)訓(xùn)教學(xué)全流程管理提供了企業(yè)級(jí)解決方案。

關(guān)鍵詞：Kubernetes技術(shù)；Docker容器；資源集群化；虛擬化技術(shù)；云計(jì)算；實(shí)訓(xùn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：TN945.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）20-0072-03

0引言

在高校實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，傳統(tǒng)物理機(jī)房實(shí)驗(yàn)室面臨著幾個(gè)挑戰(zhàn)：物理資源利用率低、操作系統(tǒng)環(huán)境固定、實(shí)訓(xùn)時(shí)間和地點(diǎn)安排缺乏靈活性。為了應(yīng)對(duì)這些問題，線上線下融合式教學(xué)模式正逐漸成為高校教學(xué)改革的研究方向[1]。隨著云計(jì)算和虛擬化技術(shù)的快速發(fā)展，Docker容器技術(shù)作為一種輕量級(jí)的操作系統(tǒng)層面虛擬化技術(shù)，能夠?yàn)檐浖?yīng)用及其依賴組件提供獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境，這種輕量級(jí)的優(yōu)勢(shì)使得Docker在商業(yè)[2-5]、教育[6-10]、科研[11-13]等領(lǐng)域越來越受到重視和歡迎。同時(shí)，Kubernetes（簡(jiǎn)稱K8S）已經(jīng)成為容器編排領(lǐng)域的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)[11]，進(jìn)一步推動(dòng)了這一技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

1平臺(tái)研究的背景及意義

近年來，Kubernetes（K8S）和Docker技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用研究取得了豐碩成果。例如，李玉榮、梁桂才[6]提出了基于GPU虛擬化的人工智能教學(xué)平臺(tái)方案，聚焦于K8S的集群部署和服務(wù)配置；李磊[8]提供了在CentOS操作系統(tǒng)中安裝Docker及搭建私有倉庫和配置鏡像的實(shí)踐指導(dǎo)；周強(qiáng)、歐文吉斯[10]在設(shè)計(jì)基于Docker的實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)時(shí)，注重平臺(tái)的高可用性和監(jiān)控管理。然而，現(xiàn)有研究多集中在K8S和Docker技術(shù)的集群部署或某一方面應(yīng)用，缺乏從零開始搭建完整的基于K8S和Docker技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的案例，尤其在持續(xù)監(jiān)控和擴(kuò)容物理計(jì)算資源集群方面的解決方案。

因此，本文從系統(tǒng)思維的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于Kubernetes技術(shù)的高校實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，全面考慮了資源優(yōu)化、靈活性、穩(wěn)定性和可持續(xù)性等關(guān)鍵因素，并通過實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)踐驗(yàn)證其可行性和有效性。這不僅填補(bǔ)了現(xiàn)有研究的空白，也為高校實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建提供了寶貴的參考。

2平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案

2.1設(shè)計(jì)原則

為解決傳統(tǒng)物理機(jī)房實(shí)驗(yàn)室存在的資源浪費(fèi)、實(shí)訓(xùn)OS環(huán)境固化、實(shí)訓(xùn)時(shí)間不靈活等問題，本平臺(tái)設(shè)計(jì)遵循以下原則。

2.1.1資源優(yōu)化與節(jié)能設(shè)計(jì)原則

平臺(tái)采用輕量化容器技術(shù)Docker，憑借其快速啟動(dòng)和低資源占用的特性，有效降低計(jì)算資源消耗，減少能耗。結(jié)合高效的容器編排控制器Kubernetes，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建實(shí)訓(xùn)實(shí)例，實(shí)現(xiàn)對(duì)容器的高效管理和調(diào)度，促進(jìn)資源共享與最大化利用，避免資源閑置，進(jìn)一步降低系統(tǒng)整體能耗。

2.1.2靈活性與易用性原則

整合DockerHub市場(chǎng)資源，為學(xué)生提供豐富多樣的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和工具，使其無須花費(fèi)大量時(shí)間在環(huán)境安裝上，實(shí)現(xiàn)開箱即用。此外，通過引入隊(duì)列算法和Re?dis數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，支持學(xué)生在任意時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，提升學(xué)習(xí)效率和使用體驗(yàn)。

2.1.3穩(wěn)定性與高可用性原則

平臺(tái)須提供穩(wěn)定且持續(xù)的服務(wù)。各服務(wù)模塊的健康狀態(tài)可感知和維護(hù)，確保在底層物理節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，相關(guān)Docker實(shí)例能迅速遷移至正常節(jié)點(diǎn)，避免影響學(xué)生使用。同時(shí)，及時(shí)剔除問題節(jié)點(diǎn)，確保新增服務(wù)的正常運(yùn)行。

2.1.4可持續(xù)性原則

包括資源和平臺(tái)的可持續(xù)性。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上的Docker實(shí)例依賴的物理計(jì)算資源設(shè)有使用率閾值告警機(jī)制，資源不足時(shí)，管理員可在后臺(tái)進(jìn)行無感知的物理資源節(jié)點(diǎn)擴(kuò)容。同時(shí)，平臺(tái)支持無運(yùn)維窗口的灰度發(fā)布，實(shí)現(xiàn)版本迭代更新。

2.2架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿足上述設(shè)計(jì)原則，結(jié)合實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的用戶角色分析，本文提出了如圖1所示的系統(tǒng)架構(gòu)。系統(tǒng)架構(gòu)采用微服務(wù)架構(gòu)，各子模塊功能如下。

云計(jì)算教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)：面向教師和學(xué)生用戶，負(fù)責(zé)實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程管理，包括課程管理、作業(yè)管理、實(shí)訓(xùn)管理和教學(xué)資料管理等功能。教學(xué)服務(wù)后臺(tái)管理系統(tǒng)：面向系統(tǒng)管理員，支持平臺(tái)用戶和高校賬號(hào)信息的維護(hù)與管理，以及系統(tǒng)參數(shù)的配置。K8S平臺(tái)和DevOps部署交付模塊：負(fù)責(zé)物理計(jì)算資源的集群管理和持續(xù)部署，確保平臺(tái)的高可用性和自動(dòng)化運(yùn)維。

圖1顯示了系統(tǒng)各模塊的交互關(guān)系和數(shù)據(jù)流向，確保各部分協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)資源的高效利用和實(shí)訓(xùn)教學(xué)的靈活管理。

2.3技術(shù)路線與技術(shù)選型

為了實(shí)現(xiàn)上述平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)，本案例一共分為三個(gè)端來支撐本平臺(tái)的技術(shù)路線，并給出技術(shù)選型依據(jù)。

2.3.1技術(shù)路線

平臺(tái)技術(shù)路線分為三個(gè)層面。

前端：采用Vue3、ElementPlus、Vite、TypeScript、vue-router、Pinia和xterm，實(shí)現(xiàn)用戶界面和交互功能。

后端：基于SpringCloud、Redis、MySQL、DockerClient和KubernetesClients，構(gòu)建微服務(wù)架構(gòu)，支持?jǐn)?shù)據(jù)管理與服務(wù)編排。

云端：利用Git、Docker、Kubernetes、KubeSphere、Metrics-Server、Helm和DevOps技術(shù)，實(shí)現(xiàn)代碼管理、容器編排、資源監(jiān)控和持續(xù)集成/持續(xù)部署（CI/CD）。

2.3.2技術(shù)選型

鑒于前端和后端相對(duì)簡(jiǎn)單，本文重點(diǎn)介紹云端及K8S平臺(tái)端的技術(shù)設(shè)計(jì)方案。

1）云端設(shè)計(jì)。云端通過Docker官方提供的DockerClient實(shí)現(xiàn)Spring工程鏡像的拉取，利用Ku?bernetesClients創(chuàng)建Pod和Namespace資源。為監(jiān)控Pod狀態(tài)，結(jié)合Metrics-Server封裝自定義API請(qǐng)求，實(shí)時(shí)監(jiān)控集群中Pod的狀態(tài)、鏡像狀態(tài)及應(yīng)用狀態(tài)，并在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)提供相應(yīng)的錯(cuò)誤提示，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2）K8S平臺(tái)端設(shè)計(jì)。Kubernetes云平臺(tái)采用多主多工作節(jié)點(diǎn)架構(gòu)，主節(jié)點(diǎn)部署APIServer、Scheduler、ControllerManager、etcd、kube-proxy等核心組件及KubeSphere運(yùn)行組件。工作節(jié)點(diǎn)部署項(xiàng)目所需的中間件和微服務(wù)，包括：網(wǎng)關(guān)模塊：處理API請(qǐng)求代理、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、請(qǐng)求攔截、限流和流量監(jiān)控。后臺(tái)管理前端模塊：支持快速啟動(dòng)和熱更新的后臺(tái)管理系統(tǒng)前端。云教育前端模塊：提供課程、作業(yè)、資源和實(shí)訓(xùn)等功能的用戶界面。系統(tǒng)服務(wù)模塊：后臺(tái)管理系統(tǒng)的核心，提供服務(wù)、接口和任務(wù)管理。云計(jì)算教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)模塊：實(shí)現(xiàn)課程、作業(yè)、資源和實(shí)訓(xùn)等功能的后端服務(wù)。認(rèn)證授權(quán)模塊：用戶認(rèn)證與授權(quán)，限制異常請(qǐng)求，防止系統(tǒng)攻擊。監(jiān)控模塊：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微服務(wù)狀態(tài)，提供錯(cuò)誤警報(bào)和日志收集。

定時(shí)模塊：管理微服務(wù)的定時(shí)任務(wù)，確保服務(wù)器宕機(jī)后能正確重建。文件模塊：管理文件的上傳和下載，確保不影響其他微服務(wù)運(yùn)行。配置中心模塊：使用Nacos進(jìn)行統(tǒng)一配置管理和服務(wù)發(fā)現(xiàn)集成。數(shù)據(jù)庫模塊：使用MySQL存儲(chǔ)關(guān)系型數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)持久化。NoSQL數(shù)據(jù)庫模塊：使用Redis存儲(chǔ)非關(guān)系型數(shù)據(jù)，加速服務(wù)訪問。實(shí)訓(xùn)調(diào)用云算力：通過KubernetesClients調(diào)用K8SAPI，DockerClient調(diào)用DockerAPI，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)資源的動(dòng)態(tài)創(chuàng)建與管理。項(xiàng)目管理與CI/CD：利用KubeSphere的項(xiàng)目管理功能，結(jié)合DevOps技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化流水線管理，簡(jiǎn)化部署流程，使用DockerRegistry保障微服務(wù)安全。云教育后臺(tái)通過這些模塊動(dòng)態(tài)調(diào)用云平臺(tái)功能。

3實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的效果展示

圖2展示了實(shí)訓(xùn)資源的使用界面，學(xué)生可以通過簡(jiǎn)潔直觀的界面快速創(chuàng)建和管理Docker實(shí)例，選擇不同的操作系統(tǒng)鏡像進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作。

圖3展示了K8S平臺(tái)資源監(jiān)控概覽，實(shí)時(shí)顯示各節(jié)點(diǎn)和Pod的狀態(tài)，幫助管理員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理資源異常，確保實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行。通過這些效果展示，可以看出基于Kubernetes技術(shù)的云端虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在資源管理、實(shí)訓(xùn)操作和系統(tǒng)監(jiān)控方面的優(yōu)秀表現(xiàn)，大幅提升了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的效率和靈活性。

4結(jié)束語

本文提出了一種基于Kubernetes云容器技術(shù)的云端虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)企業(yè)級(jí)解決方案，詳細(xì)闡述了方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素和技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。該方案有效解決了高校傳統(tǒng)物理實(shí)訓(xùn)機(jī)房資源利用率低、實(shí)訓(xùn)環(huán)境固化和實(shí)訓(xùn)安排不靈活等問題，提高了資源管理的優(yōu)化性和實(shí)訓(xùn)教學(xué)的靈活性與便利性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，平臺(tái)在資源集群化管理、虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境創(chuàng)建及系統(tǒng)監(jiān)控方面表現(xiàn)優(yōu)異，具有顯著的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

然而，本文在用戶功能需求分析和平臺(tái)性能評(píng)估方面尚不夠深入，未來研究將進(jìn)一步優(yōu)化用戶體驗(yàn)，增強(qiáng)平臺(tái)的功能模塊，并進(jìn)行更全面的性能測(cè)試與評(píng)估。此外，還將探索該平臺(tái)在其他教育領(lǐng)域和不同規(guī)模高校的應(yīng)用潛力，推動(dòng)虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)的發(fā)展。

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【通聯(lián)編輯：梁書】