基于虛擬云技術(shù)的實驗室建設(shè)和管理

曾陽艷

摘要：通過對虛擬云技術(shù)在實驗室的應用研究，構(gòu)建云環(huán)境下虛擬實驗室架構(gòu)，以提供多樣的、動態(tài)的實驗環(huán)境；通過桌面虛擬化技術(shù)和服務器虛擬化技術(shù)對資源訪問和管理，從根本上改變了計算機實驗室建設(shè)和管理方式，解決了實驗室建設(shè)成本高、管理維護效率低等問題，使計算機實驗室資源更好地為實驗教學和科研服務。

關(guān)鍵詞：虛擬化；云計算；實驗室建設(shè)管理；實驗資源共享

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）18-0047-03

隨著計算機及其應用技術(shù)日新月異的發(fā)展，社會對高校畢業(yè)生在計算機應用能力方面的要求也與日俱增。加強學生計算機應用技能的培養(yǎng)，使之具備與其專業(yè)相適應的計算機應用能力是我國高校計算機相關(guān)課程教學改革的重要任務和目標，在現(xiàn)階段按照傳統(tǒng)方式建設(shè)和管理的計算機實驗室已經(jīng)無法滿足教學、科研的需要，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）服務器資源利用率低。傳統(tǒng)的模式下，每個實驗室配置1-2臺服務器，

一個服務器一個操作系統(tǒng)，一個應用，并且長期存在一部分實驗室服務器滿載，而另一部分服務器閑置，據(jù)統(tǒng)計實驗室服務器的平均資源利用率只5～15%左右。

2）實驗室建設(shè)、維護成本高。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，實驗室硬件設(shè)備一

般只能滿足3～5年的需求，軟硬件的升級和更新需要大量的成本。在實驗室日常的管理維護中，傳統(tǒng)的方式缺少集中化的IT管理機制，實驗室管理人員無法集中監(jiān)控、遠程訪問和管理實驗室，維護效率低。此外，如遇到突發(fā)情況，服務器或者學生機系統(tǒng)崩潰死機，數(shù)據(jù)丟失，可靠性無法保障。

3）實驗室管理分散，管理成本高。傳統(tǒng)方式下，服務器、計算機設(shè)備都分開放置，占地面積大，需要大量的人力來進行維護和管理，運維成本大。同時在實驗室日常管理中，實驗室管理人員常常需要進行大量繁瑣的、重復性的勞動來進行教學、科研、考試、培訓等各方面軟件的安裝和維護。

4）實驗室利用率低、實驗資源共享度低。傳統(tǒng)方式下，硬件設(shè)備資源有限，計算機實驗室的功能主要依據(jù)所服務的專業(yè)來劃分，如網(wǎng)絡技術(shù)實驗室、軟件工程實驗室、計算機基礎(chǔ)實驗室等，每個專業(yè)實驗室均只安裝其相關(guān)專業(yè)的軟件，因此僅能完成有限的一些課程的實驗教學和科學研究，存在實驗室利用率偏低的問題；此外傳統(tǒng)實驗資源往往只能在實驗室里才能使用，實驗資源受時間、場地限制，共享度低。因此實驗室的建設(shè)和管理技術(shù)需要不斷更新。

1.虛擬云技術(shù)介紹

云計算是一種能夠通過網(wǎng)絡以便利、按需的方式獲取計算資源（包括網(wǎng)絡、服務器、存儲、應用和服務等）并提高其可用性的模式，這些資源來自一個共享的、可配置的資源池，并能夠以簡便和無人干預的方式獲取和釋放資源。云計算體系結(jié)構(gòu)的主要由資源層（IaaS）、平臺層（PaaS）與應用層（SaaS）組成。

虛擬化（Virtualization）是為某些對象創(chuàng)造的虛擬版本。它是表示計算機資源的抽象方法，通過虛擬化可以用與訪問抽象前資源一致的方法訪問抽象后的資源，可以為一組類似資源提供一個通用的抽象接口集，從而隱藏屬性和操作之間的差異，并允許通過一種通用的方式來查看和維護資源，包括服務器虛擬化、存儲虛擬化、應用虛擬化、平臺虛擬化、桌面虛擬化。虛擬化技術(shù)是將各種計算及存儲資源充分整合和高效利用的關(guān)鍵技術(shù)。

2.基于虛擬云技術(shù)的實驗室建設(shè)和管理

2.1搭建虛擬云計算平臺，為學生提供先進的虛擬化實驗平臺

隨著云計算及虛擬化技術(shù)的發(fā)展，虛擬化已用于各種生產(chǎn)環(huán)境，為此，實驗室的建設(shè)采用搭建虛擬云平臺，為學生提供學習及研發(fā)環(huán)境，能夠?qū)W習HA、DRS、VMotion等虛擬化技術(shù)，主要包括桌面虛擬化和服務器虛擬化2個部分。實驗室建設(shè)所依托的完整云環(huán)境下虛擬實驗室架構(gòu)圖如圖1所示，該圖包含了實驗平臺的各種功能模塊，表述了各功能模塊之間的關(guān)系。

2.2虛擬桌面的部署和實現(xiàn)

傳統(tǒng)的實驗室PC機位置分散，如果需要進行操作系統(tǒng)或者應用軟件的安裝，管理員需要逐個機房安裝，遇到時間比較緊迫的考試，臨時環(huán)境的安裝更加困難，經(jīng)常需要通宵加班。對于學生而言，上機的地點分散，機房的機器有還原卡，桌面的環(huán)境和數(shù)據(jù)不能跟著走，學習起來不方便，因此，我們可以采取虛擬桌面技術(shù)來解決上述問題。

現(xiàn)在主流的虛擬桌面技術(shù)有兩種，瘦客戶端和非瘦客戶端。瘦客戶端是指基于PC工業(yè)標準設(shè)計的小型行業(yè)專用商業(yè)PC，他的內(nèi)部沒有硬盤和軟盤驅(qū)動器，所有的數(shù)據(jù)都存放在中心服務器上。非瘦客戶端模式是保護卡管理的一種升級模式，服務器用于管理系統(tǒng)鏡像、鏡像更新等操作，實時更新用戶終端系統(tǒng)。在非管理模式下，用戶終端所有的操作都在本地執(zhí)行，與單個的PC機沒有任何區(qū)別。

2.2.1虛擬桌面的實現(xiàn)

桌面虛擬化技術(shù)將傳統(tǒng)PC終端的操作系統(tǒng)和應用軟件都安裝在后臺服務器虛擬機中，所有的運算都由服務器來完成，老師或?qū)W生可以隨時隨地通過客戶端來訪問虛擬機，如使用云終端、瘦客戶機、傳統(tǒng)PC或者筆記本電腦等。而云服務器通過虛擬化技術(shù)，生成大量的虛擬桌面，并利用遠程桌面顯示協(xié)議，通過網(wǎng)絡將桌面發(fā)送給終端設(shè)備。管理員可以通過IE瀏覽器訪問服務管理平臺，對服務器集群和所有虛擬桌面進行管理和維護，從而實現(xiàn)桌面環(huán)境集中管理、終端零維護和硬件資源的彈性分配。

2.2.2虛擬桌面的優(yōu)點

使用桌面虛擬化技術(shù)后，具有如下優(yōu)點：

1）實驗室管理員只需要根據(jù)實際需要創(chuàng)建一個桌面模塊，再根據(jù)模板批量克隆具有相同配置的虛擬桌面，通過用戶名或者終端名實現(xiàn)桌面的快速分配，極大的提高了實驗室管理效率。

2）管理員還設(shè)置“虛擬個人桌面”，在這種環(huán)境下，虛擬機數(shù)據(jù)不還原，虛擬機登陸跟隨賬號走，在任何設(shè)備、任何時間、任何地點都可以登陸屬于自己的桌面，以滿足老師和教學、科研、學生畢業(yè)設(shè)計、課程設(shè)計等上機實踐的需求。

3）管理員還可以設(shè)置“虛擬教學桌面”自定義還原策略，用于上課培訓等場景，并支持批量修改虛擬機的IP、計算機名以及系統(tǒng)登陸名，可以滿足計算機等級考試的環(huán)境需求。

4）虛擬桌面提供了多重安全保障。設(shè)備終端在使用“虛擬桌面”的同時，

也可以使用本地系統(tǒng)。當網(wǎng)絡中斷時，學生可以使用本地系統(tǒng)繼續(xù)完成相關(guān)操作。

5）采用虛擬桌面，老舊PC也能登上云平臺，在虛擬環(huán)境下計算機能力主要來自于服務器，終端設(shè)備可以采用極低配置的PC，讓十年前的PC使用Win7系統(tǒng)和新型的應用軟件也十分流暢，極大的延長了實驗室硬件設(shè)備更新?lián)Q代的時間，節(jié)約了大量的成本。

2.3服務器虛擬化的實現(xiàn)

服務器虛擬化的實現(xiàn)需要有完整的虛擬化設(shè)備和管理軟件，包含虛擬化的所有重要因素，如虛擬生命周期、遷移、備份和恢復、監(jiān)控、高可用性和工作負載管理等。服務器虛擬化可以充分提升服務器的利用率，降低成本。

服務器虛擬化主要包括2個組件：1）虛擬化計算節(jié)點：以內(nèi)核虛擬機技術(shù)為基礎(chǔ)，部署在實體服務器上，使得一臺服務器上可以運行多個虛擬機，虛擬機之間相互獨立，互不影響，可以根據(jù)需要安裝不同的操作系統(tǒng)和應用軟件。2）虛擬化控制節(jié)點：管理員可以查看和管理虛擬環(huán)境內(nèi)所有組件，通過瀏覽控制節(jié)點，由單一的GUI接口實現(xiàn)對資源池、服務器、虛擬機、數(shù)據(jù)存儲、鏡像、網(wǎng)絡、安全等功能組件進行管理，同時包可以對資源的全局實時性能檢測和統(tǒng)計、在線遷移、應用負載均衡、時間跟蹤查詢等。

2.3.1服務器虛擬化的特點

服務器虛擬化之后，可以帶來如下特性：

1）集中管理數(shù)據(jù)：使用虛擬服務器后，管理員可以采用集中的管理方式，

通過辦公PC、移動終端、手機等訪問管理平臺，在信息中心遠程就可以完成所有服務器、虛擬機的生命周期管理，資源動態(tài)調(diào)配均衡，業(yè)務部署和日常維護工作，不受地理位置的限制。

2）服務器可靠性高：當物理服務器發(fā)生故障，如硬件損壞、異常報錯、無

法啟動等狀況，虛擬機可以在資源池內(nèi)其他正常的服務器上重新啟動，保證用戶訪問的連續(xù)性。

3）自動負載均衡，響應時間提高：服務器虛擬化之后，在業(yè)務訪問的高峰

時段，利用服務器作為負載均衡設(shè)備，創(chuàng)建多個虛擬機共同承載，并根據(jù)虛擬機的優(yōu)先級，讓其訪問獲得計算資源，實現(xiàn)高負荷業(yè)務的負載均衡。

4）兼容性好，部署簡單快速：服務器虛擬化平臺能夠虛擬出不同操作系統(tǒng)平臺以供實驗或科研使用，如：WINDOWS、LINUX、UNIX等，并可以通過系統(tǒng)模板功能，在幾分鐘搭建幾十臺服務器的實驗環(huán)境，為老師節(jié)約教學準備時間。同時，也可以通過系統(tǒng)模板功能，快速部署考試服務器等應用服務器所需要的應用環(huán)境。

5）易備份，易恢復：虛擬化服務器提供了備份接口，可通過存儲自帶的備

份軟件，對虛擬機進行備份，當虛擬機的操作系統(tǒng)或應用軟件出現(xiàn)問題時，能快速恢復整個系統(tǒng)及相應應用。

2.3.2服務器虛擬化前后對比

對比發(fā)現(xiàn)通過虛擬化技術(shù)可以將多個物理服務器整合成一個物理服務器，降低了硬件采購的成本，同時通過資源的統(tǒng)一管理和調(diào)配也使服務器的平均利用率提高了60%左右，此外，實驗室的管理維護更加便捷，部署的時間也從原來的小時級提高到了分鐘級，節(jié)約了大量的人力資源，因此采用虛擬化技術(shù)和虛擬架構(gòu)可以降低實驗室建設(shè)成本，更好的滿足教學與科研需要。

3.結(jié)束語

基于虛擬云技術(shù)在實驗室建設(shè)管理中的應用，簡化了實驗室的管理工作，

既提高了資源利用率，降低了耗能，又充分發(fā)揮出了低配置物理服務器的合力，從根本上改變了計算機實驗室建設(shè)和管理方式，使計算機實驗室資源更好地為實驗教學和科研服務。