基于云計算的高校虛擬實驗云平臺設計

王曙霞 焦家林 黃志武

（湖北工程學院計算機與信息科學學院，湖北孝感432000）

基于云計算的高校虛擬實驗云平臺設計

王曙霞 焦家林 黃志武

（湖北工程學院計算機與信息科學學院，湖北孝感432000）

本文通過分析高校計算機類課程實驗現(xiàn)狀和云計算虛擬化技術，研究搭建一個集成各種應用軟件和操作系統(tǒng)的虛擬化云平臺，按需提供各種服務，采用瘦客戶端/云服務器模式，通過利用服務器模式仿真和遠程硬件操控等方式，實現(xiàn)計算機類的應用軟件和程序編譯等實驗。為了解決實驗中的資源占用沖突，采用預約機制和最近最少法原則合理調(diào)配。本虛擬實驗云平臺實現(xiàn)了教育資源整合，降低了高校對實驗的投入成本，提高了高校信息化水平，進而推動世界教育技術的發(fā)展。

云計算；虛擬實驗；瘦客戶端

1 引言

高等教育實驗教學離不開實驗室的設計建設，傳統(tǒng)實驗室建設都具有重復建設、獨立性、分散性等特點。由于我國高等院校數(shù)量龐大，并且辦學層次和規(guī)模不齊，重點實驗室的地區(qū)分布不均衡。實驗室管理者一直在研究如何將這些實驗資源進行整合，最大限度地利用起來。

繼個人計算機變革、互聯(lián)網(wǎng)變革之后，云計算被看作第三次IT浪潮，使生活、生產(chǎn)方式和商業(yè)模式發(fā)生根本性改變[1]。近幾年，隨著云計算的快速發(fā)展，云計算在國防工業(yè)、傳媒、政務公務領域得到了一定的應用，發(fā)揮了相關優(yōu)勢。但是在教學領域，云計算與教學主體的融合還沒有展開，教育信息化還停留在“傳統(tǒng)課堂講授+電子教案”的模式上，計算機等課程實驗仍是基于單一計算機或硬件終端的調(diào)試實驗[2]。本文提出的虛擬實驗云平臺是指通過遠程控制技術和云計算技術提供的一項混合虛擬實驗模式，可以改變傳統(tǒng)的上機實驗課程模式，實現(xiàn)在云端遠程虛擬實驗。

2 云計算及其在教學領域的發(fā)展

云計算的雛形是分布式計算、網(wǎng)格計算、并行計算[3]，目前主要包括效用計算和虛擬化的概念。它可以提供包括平臺即服務、軟件即服務和基礎設施即服務等功能，具有虛擬化、高拓展性、多功能性、超大規(guī)模、高可靠性等技術特點。目前，我國云計算產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)超過3500億美元并且還在高速增長，全球的云服務預算中，SaaS服務市場份額最高，達到49%，IaaS、PaaS分別為28%和18%。2017年是云計算的政策大年，云計算產(chǎn)業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景，但是與發(fā)達國家相比，我國還沒有出現(xiàn)云計算的超大公司，市場規(guī)模也有待提高。

云計算的功能包括平臺即服務，因此，我們可基于云計算設計一個教學云平臺，將教育相關的信息化資源進行整合，形成一個大規(guī)模的云資源庫，向教師或?qū)W生提供多功能的“云教育”服務。由于云中提供有多臺服務器進行數(shù)據(jù)的存儲和處理，可以為使用者提供可靠、快捷的服務信息。在教學云平臺上，使用者可使用自己手機或其它移動設備，自由地訪問云資源庫中所提供的資源，來完成自己所選課程的學習或?qū)嶒灐?/p>

云計算的重要技術為實驗資源虛擬化提供了有力支撐點。由于在云計算中，所有環(huán)境部署和物理平臺都依賴于虛擬平臺，實驗教學資源的信息化使得物理資源也變成邏輯可管理的信息資源，這是高?！疤摂M實驗云平臺”的基礎?；谔摂M技術的虛擬儀器的開發(fā)和虛擬實驗室建設在各大高校都已較為普遍和成熟，這些虛擬實驗資源和虛擬技術是建設“虛擬實驗云平臺”的基石。

新一輪的教育信息化改革和建設也為高校虛擬實驗云的發(fā)展提供了難得而良好的機遇。在十二五規(guī)劃中中央明確提出了我國信息化產(chǎn)業(yè)和教育產(chǎn)業(yè)相結合的指導方針，并且要求全國各大院校做好教育產(chǎn)業(yè)信息化工作[4]。政策層面上對于云計算產(chǎn)業(yè)的強力且廣泛的支持，也給高校虛擬實驗云平臺提供了廣闊的發(fā)展空間?？偟膩碚f，實驗資源虛擬化和云計算技術是實現(xiàn)高?！疤摂M實驗云平臺”的技術保障；網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展和進步為高?！疤摂M實驗云平臺”提供了堅實而廣闊的基礎；虛擬技術和云計算技術的聯(lián)合運用應用是建設高?！疤摂M實驗云平臺”的技術手段[5]。實驗云能使高校實驗室在真正意義上實現(xiàn)資源共享、開放合作和最大限度的環(huán)保節(jié)能。這種全新的模式將徹底破除各大高校在實驗教學方面和物理建設上的重重壁壘，在信息化建設的格局上，顛覆性地改革現(xiàn)行教學模式[6]。

3 虛擬實驗云平臺關鍵技術研究

本云平臺涉及的關鍵技術有：

（1）云服務器中實驗資源調(diào)配均衡的措施。在實際操作中，為了實現(xiàn)實驗資源利用率的均衡化，可以采用負載均衡技術，讓虛擬實驗環(huán)境下的每臺云服務器都具有同等地位且能單獨提供虛擬服務。

（2）解決資源占用沖突的措施。在虛擬實驗云平臺的設計中，如果有很多使用者同時申請實驗資源，那么就會出現(xiàn)資源占用沖突的可能。為了防止這一現(xiàn)象的出現(xiàn)，可以將每個實驗環(huán)境類比Cache調(diào)度的替換算法，采用最近最少算法（LRU）合理配置虛擬實驗室資源訪問[2]。

（3）采用預約機制實現(xiàn)用戶提前預約，保證資源的合理分配與調(diào)度。預約系統(tǒng)應該包括3個部分：客戶端、云服務器端和數(shù)據(jù)庫。

4 虛擬實驗云平臺總體設計

虛擬實驗云平臺采用瘦客戶端/云服務器模式，整個系統(tǒng)主要由客戶端、云服務器端及一個虛擬的網(wǎng)絡桌面連接組成。整個平臺的構架如圖1所示。

圖1 虛擬實驗云平臺的整體構架

客戶端的教師或?qū)W生可以使用任意終端如手機、平板電腦等連接實驗云網(wǎng)絡進行頁面瀏覽，并通過安全虛擬桌面連接云資源庫。實驗可以運行在虛擬桌面上，而實驗操作過程和實驗結果則會保存到云服務器端。云服務器端集成了硬件設備、存儲設備、多媒體設備和服務器設備等，并在云平臺上搭建了各種虛擬實驗環(huán)境。云服務器端的存儲設備主要用來在線存儲用戶的實驗數(shù)據(jù)，實驗設備用來搭建虛擬實驗環(huán)境進行實驗，監(jiān)控設備用來監(jiān)控實驗運行狀態(tài)。虛擬實驗室的操作平臺都安裝在云服務器端，各種實驗所需的實驗數(shù)據(jù)、軟硬件資源等信息都事先存儲在平臺，每個使用者都可以從云服務器端獲取相關教學資源，建立所需的虛擬實驗環(huán)境。由于使用者之間的數(shù)據(jù)相互隔離，所以實驗時相互不影響，實驗完成后還可以將實驗數(shù)據(jù)存儲在云端。云服務器端的系統(tǒng)管理部分將用來管理和維護使用者搭建的各種虛擬實驗環(huán)境，并合理分配實驗資源。

虛擬實驗云平臺工作流程圖如圖2所示。

圖2 虛擬實驗云平臺工作流程圖

使用者在使用虛擬實驗云平臺之前要先申請注冊一個專門的用戶賬號，為了避免資源使用沖突，做實驗要提前預約?？蛻舳说卿浽品掌骱蠹纯纱罱ㄗ约核璧奶摂M實驗環(huán)境，進行相關實驗；云服務器端通過使用者提供的實驗設計內(nèi)容和數(shù)據(jù)進行資源配置，虛擬實驗服務器調(diào)用和連接相關軟硬件實驗資源，創(chuàng)建虛擬實驗環(huán)境并進行仿真實驗，模擬實驗結束后自動將實驗結果傳送給用戶，同時將實驗數(shù)據(jù)和結果存放在云存儲服務端以便后續(xù)實驗的調(diào)用。由于HTML5提供了Canvas畫布功能，可以實現(xiàn)矢量繪圖、合成柵格圖等功能，并可將這些圖形直接渲染在瀏覽器上，所以為了提高云平臺的仿真實驗效果，在此采用HTML5技術進行網(wǎng)頁的設計與表達。

在設計虛擬實驗云平臺時，隨著申請使用人數(shù)的增多，可能會出現(xiàn)實驗資源占用沖突的情況。為了解決這一沖突，可以將每一個實驗環(huán)境類比Cache調(diào)度的替換算法，采用最近最少算法（LRU）進行合理配置虛擬實驗室資源的訪問。在實驗云平臺運行時，云服務器端記載下每一個實驗環(huán)境的相關參數(shù)信息，當前一個使用者完成實驗退出后，云服務器端會記錄相關服務資源的訪問次數(shù)，暫不清空實驗環(huán)境。當新的使用者申請實驗環(huán)境時，如果所需實驗環(huán)境與云服務器端記錄的某個實驗環(huán)境資源類似，且該服務資源處于空閑狀態(tài)，則優(yōu)先分配空閑實驗環(huán)境中使用次數(shù)最少的一個分配給申請者使用。如果沒有與申請者提交相類似的實驗資源，則提供空閑實驗資源中使用次數(shù)最少的一個分配給申請者使用。同時為了防止出現(xiàn)掛機現(xiàn)象，當客戶端與服務器端長時間未進行數(shù)據(jù)連接，服務器端將自動斷開與客戶端的實驗連接，同時回收相關實驗環(huán)境。

為了合理配置實驗環(huán)境和實驗時間，可以通過預約機制完成。當客戶通過客戶端登錄并選擇實驗環(huán)境預約功能后，服務器端會顯示出當前空閑的實驗環(huán)境資源，當客戶預約實驗環(huán)境并確認后，系統(tǒng)會自動依據(jù)相關信息進行審核，審核完成后，系統(tǒng)自動生成該客戶的模擬使用信息并在約定實驗時間點前占用相關虛擬實驗資源，資源占用同樣按照最近最少法原則，如果用戶在預約實驗環(huán)境一段時間后，未登錄系統(tǒng)或未實現(xiàn)數(shù)據(jù)連接，則自動取消占用并退出實驗環(huán)境。

5 結束語

傳統(tǒng)計算機類實驗只能在計算機機房或?qū)嶒炇彝瓿?，都是通過臺式機等物理部件進行實驗，每人一機，學校要投入大量成本，要根據(jù)實驗人數(shù)，合理安排機房上機時間，配置實驗環(huán)境，若要臨時安排實驗，經(jīng)常會出現(xiàn)時間或機房容量或?qū)嶒灜h(huán)境方面的沖突；而基于云計算的虛擬實驗平臺在任意時間、任意地點均可完成。用戶只需要利用任一移動設備終端，登錄云服務器，提交實驗設計，就可以進行虛擬實驗仿真了，大家可以共用實驗平臺，學校投入成本相對較少。虛擬實驗云平臺只需進行服務器集群的擴充，就可以滿足不定量人的實驗要求，且實驗環(huán)境由實驗服務器配置，采用最近最少算法（LRU），避免資源占用沖突。采用預約機制，可提前預約實驗環(huán)境和實驗時間。

[1] 楊楓，祁慧敏，靳賀敏．基于PaaS云平臺的計算機類課程實驗教學模式探析[J]．河南財政稅務高等專科學校學報，2013(4)：82-85．

[2] 張乃千，楊海，周麗濤．基于云計算的虛擬實驗云平臺設計[J]．計算機教育，2015(1)：39-44．

[3] 孫劍華．未來計算在"云端"——淺談云計算和移動學習[J].現(xiàn)代教育技術，2009，19(8)：60-63．

[4] 王笑梅，賈曉強．云計算對高校教育的影響分析[J]．科技信息，2010(10)：397-398．

[5] 孫柏祥，云計算．高校教育信息化建設和發(fā)展的新模式[J]．中國電化教育，2010，280(5)：123-125．

[6] 黃晨輝，林泳琴．基于云計算的虛擬計算機實驗室的研究與實現(xiàn)[J]．實驗室研究與探索，2010，29(11)：178-181．

Design of Virtual Experiment Cloud Platform Based on Cloud Computing

Wang ShuxiaJiao JialinHuang Zhiwu
(School of Computer and Information Science,Hubei Engineering University,Xiaogan 432000,Hubei)

This paper analyzes the current situation of computer class experiment and cloud computing virtualization technology in university,and builds a virtual cloud platform integrating various application software and operating systems,and provides various services on demand,using thin client/cloud server mode.It realizes the application software and program compilation of computer classes by means of server model simulation and remote hardware manipulation.In order to solve the conflict of resource occupation in the experiment,the appointment mechanism and the least recent law principle are adopted.This virtual experiment cloud platform realizes education resource integration,reduces the cost of university's input to the experiment,improves the information level of universities,and then promotes the development of education technology in the world.

cloud computing;virtual experiment;thin client

T9311

A

1008-6609(2017)09-0005-03

王曙霞（1975-），女，湖北荊門人，碩士，副教授，研究方向為大數(shù)據(jù)、智能計算、網(wǎng)絡安全等。

湖北省教育廳科學技術研究項目，項目編號：B2016181。