基于虛擬化技術(shù)的開放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)

付先平+張軍+宋友良+徐鳳強(qiáng)

摘 要：針對(duì)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本高、實(shí)驗(yàn)課排課過程繁瑣、開放程度低、資源利用率低等問題，提出采用Hyper-V、Wi-Fi、SMS等技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于虛擬化技術(shù)的開放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，具體說明設(shè)計(jì)框架及使用情況，為學(xué)生提供更加人性化的預(yù)約服務(wù)和上機(jī)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：Hyper-V虛擬化；Wi-Fi；SMS；排課算法

文章編號(hào)：1672-5913（2017）07-0149-06

中圖分類號(hào)：G642

1 開放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)研究背景及現(xiàn)況

隨著實(shí)驗(yàn)課程的豐富和實(shí)驗(yàn)需求的增加，許多實(shí)驗(yàn)需要使用大型軟件，這對(duì)計(jì)算機(jī)性能提出了更高的要求，學(xué)校也要投入更多的人力來管理實(shí)驗(yàn)過程。此外，在實(shí)驗(yàn)課編排問題上，一般采用手動(dòng)排課方式，效率較低且容易沖突。傳統(tǒng)的信息管理系統(tǒng)，已經(jīng)無法滿足新的需求。

近年來，國內(nèi)高校努力探索實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的新思路，取得了很好的成效。2013年，清華大學(xué)運(yùn)用H3C IRF2虛擬化技術(shù)建立了網(wǎng)上教學(xué)平臺(tái)，采用創(chuàng)新CLOS架構(gòu)，改變了過去Crossbar架構(gòu)核心交換機(jī)在大量數(shù)據(jù)交換時(shí)出現(xiàn)擁塞和丟包的狀況，讓網(wǎng)絡(luò)性能更好、可靠性更高。2015年，張民壘等人把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)中，通過無線節(jié)點(diǎn)采集實(shí)驗(yàn)室內(nèi)數(shù)據(jù)，監(jiān)控室內(nèi)的溫度、濕度，并采用自動(dòng)化報(bào)警機(jī)制、NFC讀卡驗(yàn)證身份、手機(jī)App控制室內(nèi)燈光等[1]，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)控智能化管理。

國外高校也非常重視計(jì)算資源的管理。2009年，卡塔爾大學(xué)、德州農(nóng)工大學(xué)等高校與IBM合作，將云計(jì)算技術(shù)引入“卡塔爾云計(jì)算計(jì)劃”，通過搭建云平臺(tái)整合計(jì)算資源，為師生提供更優(yōu)質(zhì)的高性能計(jì)算服務(wù)。2014年，F(xiàn)ranz Schauer等人在云端設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)功能，解決了上機(jī)實(shí)驗(yàn)受時(shí)間、空間限制的問題，且平臺(tái)運(yùn)行高效、可靠。

將云計(jì)算、虛擬化、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室管理中，是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的新趨勢(shì)。搭建云平臺(tái)，將高性能計(jì)算資源集中在服務(wù)器端進(jìn)行統(tǒng)一管理，有利于計(jì)算資源的合理分配。用無線節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，減輕了管理人員的負(fù)擔(dān)。不過這些措施沒有降低實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)成本，實(shí)驗(yàn)課編排困難和設(shè)備利用率低的問題仍然存在。

本文提出基于虛擬化技術(shù)的開放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)。通過在服務(wù)器端搭建云平臺(tái)管理大型軟件資源[2]，用戶可以根據(jù)需求登錄云端申請(qǐng)使用，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算資源的集中管控和動(dòng)態(tài)分配，學(xué)生實(shí)驗(yàn)無需主機(jī)，安裝瘦客戶機(jī)即可[3-5]，降低了實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)成本，減輕了設(shè)備維護(hù)的工作量。通過開放實(shí)驗(yàn)室管理網(wǎng)站對(duì)實(shí)驗(yàn)室資源進(jìn)行管理[2]，實(shí)驗(yàn)課排課模塊結(jié)合自動(dòng)排課算法和手動(dòng)調(diào)整功能，有效提高了實(shí)驗(yàn)課排課效率，降低了排課沖突率；預(yù)約管理模塊提供了信息發(fā)布、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、預(yù)約和批改等功能，還提供了人性化的SMS短信通知服務(wù)，能夠及時(shí)通知學(xué)生預(yù)約結(jié)果，使預(yù)約服務(wù)更加完善、設(shè)備利用率更高；設(shè)備電源由無線Wi-Fi開關(guān)控制，TCP連接更加穩(wěn)定，學(xué)生可以刷校內(nèi)一卡通上機(jī)實(shí)驗(yàn)[6]，實(shí)現(xiàn)了預(yù)約和上機(jī)流程的智能化管理。

2 開放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的架構(gòu)圖見圖1，云平臺(tái)由服務(wù)器集群構(gòu)成，用于管理軟件資源，學(xué)生可以登錄桌面管理系統(tǒng)申請(qǐng)資源[7]。實(shí)驗(yàn)室資源由開放實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)網(wǎng)站管理，管理人員可以通過網(wǎng)站對(duì)設(shè)備、低值品、用戶等信息進(jìn)行管理。教師可以通過課程管理模塊對(duì)實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行排課；學(xué)生可以通過預(yù)約管理模塊預(yù)約實(shí)驗(yàn)，預(yù)約成功后，相關(guān)信息會(huì)發(fā)送到學(xué)生的手機(jī)端。學(xué)生可以自主上機(jī)，通過讀卡器讀取個(gè)人信息，與預(yù)約信息進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，驗(yàn)證成功后，向Wi-Fi模塊發(fā)送命令，打開設(shè)備電源，客戶端開始計(jì)時(shí)收費(fèi)。

2.1 服務(wù)器虛擬化

如圖2所示，通過Hyper-V技術(shù)把物理資源轉(zhuǎn)化為邏輯資源[8]，在物理服務(wù)器集群上創(chuàng)建多個(gè)虛擬機(jī)，再在虛擬機(jī)上創(chuàng)建桌面池，用于安裝實(shí)驗(yàn)所需的各種應(yīng)用程序?？蛻舳丝梢栽谶h(yuǎn)端訪問服務(wù)器，連接虛擬機(jī)，獲取相應(yīng)的計(jì)算資源，還可以登錄云端，請(qǐng)求桌面池資源，使用池內(nèi)的如AutoCAD、Premiere等實(shí)驗(yàn)課所需軟件。云平臺(tái)把軟件資源集中在服務(wù)器上管理，本地主機(jī)無負(fù)載，避免了頻繁更新設(shè)備或軟件帶來的巨大工作量，降低了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和維護(hù)的成本。同時(shí)，通過創(chuàng)建虛擬機(jī)和桌面池對(duì)內(nèi)存、CPU等資源進(jìn)行合理劃分、統(tǒng)一管理，提高了資源的利用率。

2.2 排課算法

以前，實(shí)驗(yàn)課排課采用手動(dòng)方式，教師打印出班級(jí)的理論課表，在實(shí)驗(yàn)室和學(xué)生共同空閑的課時(shí)安排課程。由于教師間沒有及時(shí)協(xié)調(diào)，容易發(fā)生沖突，所以多是采用“先到先得”的方法排課。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了排課管理模塊，教師排課前，先把學(xué)校的理論課排課結(jié)果批量導(dǎo)入系統(tǒng)，在選課時(shí)，教師就可以根據(jù)教學(xué)班級(jí)、學(xué)期、上課周次、實(shí)驗(yàn)室等信息查詢課表，課表顯示的是查詢條件下學(xué)生課程、教師個(gè)人課程和實(shí)驗(yàn)室課程三者的并集，這樣教師在空余時(shí)段選課就不會(huì)發(fā)生沖突。

同時(shí)，為了保證課時(shí)段安排的公平合理，改變“先到先得”的原則，筆者設(shè)計(jì)了自動(dòng)排課算法，算法流程圖見圖3。

2.3 預(yù)約管理

實(shí)驗(yàn)室每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的電源控制設(shè)備是和實(shí)驗(yàn)室管理模塊進(jìn)行綁定的，管理人員可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際布置情況生成座位圖，然后為每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)綁定一個(gè)無線電源控制設(shè)備，并設(shè)置是否開放。學(xué)生登錄系統(tǒng)后，可以查詢實(shí)驗(yàn)室的預(yù)約信息、最新公告、課程通知、實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)、實(shí)驗(yàn)室開放計(jì)劃、座位開放數(shù)量等內(nèi)容，然后根據(jù)需求預(yù)約實(shí)驗(yàn)臺(tái)。預(yù)約請(qǐng)求由教師審核，審核通過后，系統(tǒng)利用SMS服務(wù)（采取及時(shí)通訊發(fā)送設(shè)備）將預(yù)約信息和登錄密碼發(fā)送至申請(qǐng)者的移動(dòng)通訊設(shè)備，作為進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室和使用實(shí)驗(yàn)臺(tái)的憑證。學(xué)生預(yù)約流程圖見圖4，實(shí)驗(yàn)流程圖見圖5。

3 運(yùn)行效果

基于虛擬化技術(shù)的開放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室管理中存在的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本高、可擴(kuò)展性差、管理和維護(hù)工作量大、資源浪費(fèi)等問題。把虛擬化技術(shù)應(yīng)用到管理系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算資源的動(dòng)態(tài)分配。預(yù)約管理模塊為學(xué)生提供了更好的預(yù)約服務(wù)和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，減輕了管理人員的工作負(fù)擔(dān)，提高了實(shí)驗(yàn)室的開放程度，能夠更好地適應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的進(jìn)程。表1展現(xiàn)了與其他類型實(shí)驗(yàn)室的對(duì)比情況[9]，表2展現(xiàn)了傳統(tǒng)模式單機(jī)單用與云平臺(tái)服務(wù)的對(duì)比情況。

在實(shí)際使用中，服務(wù)器安裝的是Windows Server 2008 R2系統(tǒng)，服務(wù)器內(nèi)存為32G，處理器主頻為2.5GHz，實(shí)驗(yàn)室面積約為88（8×11）平方米，擁有60個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，室內(nèi)信號(hào)干擾物多為木質(zhì)桌椅和實(shí)驗(yàn)臺(tái)的鐵質(zhì)外殼。

在這樣的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，啟動(dòng)瘦客戶機(jī)系統(tǒng)約耗費(fèi)27.83 s的時(shí)間；每增加一個(gè)客戶端播放視頻，服務(wù)器CPU、內(nèi)存、占用帶寬等指數(shù)約增長(zhǎng)4.5%，客戶端視頻播放質(zhì)量良好，可以很好地滿足用戶需求。Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)在無障礙物情況下，能保證30 m范圍內(nèi)穩(wěn)定連接；在木質(zhì)、鐵柜、墻等物件阻擋下，能保證10 m范圍內(nèi)的穩(wěn)定連接，可以同時(shí)控制60個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的電源，符合實(shí)驗(yàn)室環(huán)境要求。使用系統(tǒng)后，課件的更新時(shí)間和學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間都有所縮短，實(shí)驗(yàn)完成情況有所改善，該系統(tǒng)能夠在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)和管理中發(fā)揮提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效率的作用。

4 結(jié) 語

平臺(tái)已經(jīng)部署在大連海事大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)樓，由3臺(tái)服務(wù)器為50個(gè)瘦客戶機(jī)提供云服務(wù)，實(shí)現(xiàn)全天24 h、多點(diǎn)多地、校內(nèi)校外無差別和多種終端并行訪問的需求。實(shí)驗(yàn)環(huán)境支持5門課程，服務(wù)300名學(xué)生，能夠滿足目前信息學(xué)院學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)約需求。學(xué)生也可以訪問云端進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。通過問卷調(diào)查得知，在軟件系統(tǒng)的功能、用戶體驗(yàn)等方面都得到了較為滿意的反饋，預(yù)約實(shí)驗(yàn)數(shù)量逐漸增加，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)也有所提高。

初步搭建的云平臺(tái)部分功能還不夠完善和細(xì)化，需要在下階段研究工作中繼續(xù)修改和完善，特別是設(shè)備管理、課程管理、選課預(yù)約等系統(tǒng)功能需要完善與深入開發(fā)。此外，未來還可以在視頻監(jiān)控端加入異常行為檢測(cè)算法，來監(jiān)督學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的合理性、規(guī)范性、安全性，通過進(jìn)一步細(xì)化和充實(shí)，創(chuàng)造更為成熟的平臺(tái)環(huán)境。

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（編輯：孫怡銘）