基于Docker 的在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)容器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)踐

陶銘，曲超

（東莞理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，東莞523808）

0 引言

“新工科”建設(shè)背景下，需要培養(yǎng)復(fù)合型人才和創(chuàng)新性人才，這就需要培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐的能力，以及將所學(xué)的專業(yè)知識(shí)創(chuàng)造性地應(yīng)用于新的領(lǐng)域或跨多重領(lǐng)域，進(jìn)行研發(fā)或創(chuàng)新的能力[1]。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為培養(yǎng)學(xué)生這些能力的重要環(huán)節(jié)。然而，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式受到場地、設(shè)備及師資等多方面的影響，嚴(yán)重制約著實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的提升以及學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

近年來，逐步發(fā)展起來的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為物理實(shí)驗(yàn)的一種替代技術(shù)，以其低成本等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，且被證明是應(yīng)用信息技術(shù)解決高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中存在問題的可行途徑。然而，目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)利用相對(duì)比較初步，研究重點(diǎn)主要集中于實(shí)驗(yàn)功能的實(shí)現(xiàn)，往往僅局限于物理實(shí)驗(yàn)的替代，而極少地進(jìn)一步發(fā)揮其信息處理能力，并且在擴(kuò)展能力和集成能力等方面存在嚴(yán)重的不足，如：缺乏遠(yuǎn)程訪問和并發(fā)服務(wù)能力。虛擬仿真軟件往往是一個(gè)純客戶端軟件，可以在單機(jī)上運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)人員往往需要分別下載并各自運(yùn)行。既不能運(yùn)程訪問，也不具備并發(fā)服務(wù)能力，難以同其他軟件進(jìn)行直接交互，無法直接進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn)[2]。

為此，為更充分地發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，更好地培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新的能力，以及提升學(xué)生“學(xué)以致用”的水平，本文基于輕量級(jí)的操作系統(tǒng)虛擬化解決方案Docker[3]，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)容器系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了后臺(tái)服務(wù)器系統(tǒng)、資源服務(wù)器、客戶端、管理員等功能模塊，旨在通過圖形化界面，結(jié)合Docker 的相關(guān)指令以及其他輔助功能，降低用戶使用容器過程中的門檻，提高用戶進(jìn)行在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的便捷性。

1 系統(tǒng)功能需求分析

本系統(tǒng)的用戶有兩種：普通用戶和管理員。普通用戶的主要功能包括兩大模塊：容器和工單。容器模塊包括申請(qǐng)、管理及使用，用例圖如圖1 所示。用戶申請(qǐng)容器通過填寫并提交表單來執(zhí)行。用戶對(duì)容器的管理包括開啟、關(guān)閉及刪除。用戶對(duì)容器的使用分為容器內(nèi)的文件操作、服務(wù)管理。容器內(nèi)的文件操作包括在容器中上傳、創(chuàng)建、刪除、重命名、移動(dòng)、復(fù)制文件以及新建、刪除文件夾；服務(wù)管理中的“服務(wù)”指的是Linux 命令，Linux 命令保存為服務(wù)后，點(diǎn)擊執(zhí)行可以在容器內(nèi)執(zhí)行該命令，對(duì)容器外的環(huán)境沒有影響。服務(wù)管理還包括修改服務(wù)、刪除服務(wù)、添加默認(rèn)服務(wù)。

圖1 容器模塊用例圖

工單模塊包括了創(chuàng)建、回復(fù)、查看、搜索、關(guān)閉，用例圖如圖2 所示。工單是作為用戶和管理員交流溝通的重要途徑。用戶填寫工單后，管理員能夠接收到用戶發(fā)出的消息，進(jìn)而回復(fù)并跟進(jìn)用戶提出的問題，用戶也能在工單中與管理員繼續(xù)反饋。關(guān)閉工單功能是給用戶在認(rèn)為已經(jīng)解決問題后，手動(dòng)將工單狀態(tài)設(shè)置為關(guān)閉。

圖2 （普通用戶）工單模塊用例圖

管理員的主要功能包括以下模塊：用戶、控制臺(tái)、容器、工單。用戶模塊包括顯示用戶信息列表、顯示用戶操作記錄，用例圖如圖3 所示。用戶信息列表中是用戶的基本信息，包括其學(xué)號(hào)、用戶名等。用戶操作記錄指用戶登錄、申請(qǐng)容器、使用容器、創(chuàng)建工單、回復(fù)工單等操作。用戶在進(jìn)行這些操作時(shí)會(huì)被系統(tǒng)記錄，并形成日志文件便于分析。

圖3 管理員端用戶模塊用例圖

控制臺(tái)模塊包括顯示當(dāng)前用戶數(shù)、顯示當(dāng)前容器數(shù)、顯示當(dāng)前未讀消息數(shù)、顯示當(dāng)前資源服務(wù)器的CPU及內(nèi)存占用情況、定時(shí)處理過期容器，用例圖如圖4 所示。未讀消息指的是未查看的工單回復(fù)，若是剛創(chuàng)建的工單，工單內(nèi)的第一條消息也被認(rèn)為是未讀消息。

圖4 控制臺(tái)模塊用例圖

管理員端容器模塊包括顯示容器列表、顯示容器詳情、容器管理、容器信息統(tǒng)計(jì)，用例圖如圖5 所示。容器管理包括開啟、關(guān)閉、刪除。容器信息統(tǒng)計(jì)是從容器創(chuàng)建日期分布、已開啟容器數(shù)量、鏡像使用分布這些角度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

圖5 管理員端容器模塊用例圖

管理員端工單模塊包括查看工單列表、新建工單、查看工單詳情、回復(fù)工單，用例圖如圖6 所示。工單列表能夠突出顯示有未讀消息的工單，表現(xiàn)為該工單標(biāo)題后有個(gè)帶數(shù)字的徽章，徽章內(nèi)數(shù)字表示當(dāng)前未讀消息的數(shù)量。

圖6 管理員端工單模塊用例圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上分為三部分：界面表示層、業(yè)務(wù)邏輯層以及數(shù)據(jù)與資源層[4]，如圖7 所示?？蛻舳撕凸芾韱T端為界面表示層，為普通用戶和管理員展示所需要的界面，并顯示從后臺(tái)獲取的數(shù)據(jù)；后臺(tái)服務(wù)器系統(tǒng)屬于業(yè)務(wù)邏輯層，作為一個(gè)中間層，既負(fù)責(zé)為客戶端和管理員端提供必要數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)邏輯，又負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)與資源層；數(shù)據(jù)與資源層有資源服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫，其中，資源服務(wù)器是安裝有Docker 的Linux 宿主機(jī)。

圖7 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于上述對(duì)普通用戶及管理員的功能需求分析，將分別展示申請(qǐng)容器、開啟容器、上傳文件、復(fù)制文件及添加自定義服務(wù)的功能時(shí)序圖。其他的功能在流程上與上述功能有相似之處。

申請(qǐng)容器是根據(jù)收集填寫的信息并創(chuàng)建容器，其功能時(shí)序圖如圖8 所示。

開啟容器操作除了在資源服務(wù)器中開啟容器外，還會(huì)收集容器的相關(guān)信息，其功能時(shí)序圖如圖9 所示，操作流程如圖10 所示。關(guān)閉容器和刪除容器與其類似，只是少了向資源服務(wù)器查詢?nèi)萜餍畔⒌牟襟E。

圖8 申請(qǐng)容器功能時(shí)序圖

圖9 開啟容器功能時(shí)序圖

圖10 開啟容器的流程圖

添加自定義服務(wù)的功能時(shí)序圖如圖11 所示。編輯服務(wù)、刪除服務(wù)在流程上與其類似。而添加默認(rèn)服務(wù)與其不同點(diǎn)在于服務(wù)的信息是通過檢索數(shù)據(jù)庫獲得。

圖11 添加自定義服務(wù)功能時(shí)序圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基于ThinkPHP 框架，遵循MVC 架構(gòu)，采用HTML、CSS、jQuery、PHP 等進(jìn)行開發(fā)[5]，如圖12 所示。具體地，前端采用HTML 語言顯示基本內(nèi)容，使用CSS 對(duì)頁面進(jìn)行格式排版，使用ThinkPHP 框架的View 視圖層進(jìn)行封裝；業(yè)務(wù)處理采用ThinkPHP框架的Controller 控制器，在對(duì)客戶請(qǐng)求進(jìn)行處理時(shí)，調(diào)用相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯層函數(shù)完成相應(yīng)的功能；采用ThinkPHP 框架的數(shù)據(jù)庫擴(kuò)展功能實(shí)現(xiàn)MySQL 數(shù)據(jù)庫的連接，并采用ThinkPHP 框架的Model 數(shù)據(jù)模型層實(shí)現(xiàn)PHP 代碼與MySQL 數(shù)據(jù)庫表連接，以面向?qū)ο蟮姆绞教幚頂?shù)據(jù)庫。本文以《Web 前端開發(fā)實(shí)踐》課程中搭建一個(gè)基于Apache 的Web 服務(wù)器為例，介紹Docker容器的應(yīng)用效果。

圖12 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)示意圖

3.1 申請(qǐng)容器

用戶填寫相應(yīng)信息，選擇鏡像、資源文件夾大小、開放端口，程序判斷無誤后即可創(chuàng)建容器。用戶可選擇的連接容器使用AJAX 異步查詢并顯示。收到用戶的申請(qǐng)后，后臺(tái)先根據(jù)用戶填寫的需求拼接Docker 操作命令，然后再交由DockerHelper 類執(zhí)行[6]。若在創(chuàng)建容器時(shí)選擇了需要資源文件夾，則需要在資源服務(wù)器上分配所選容量的文件夾給用戶使用。本系統(tǒng)使用磁盤配額技術(shù)限制該文件夾的大小。申請(qǐng)容器的功能界面如圖13 所示，主要代碼實(shí)現(xiàn)如下所示。

圖13 申請(qǐng)容器

//通過數(shù)據(jù)庫，生成一個(gè)資源文件夾id

if(isset($resSize)&&$resSize!==""&&$resSize!==0){

$res=new Res();

……

$res->data($info);

$res->save();

$res=Res::get($info);

$resId=$res->id;

}else{

$resSize=0;

$resId=-1;

}

//解析要連接容器，并產(chǎn)生真正的容器名

if($linkChoice!==""&&$linkChoice!=="（無）"&&$link-Choice!=="(無)"){

$linkChoice=$account.'-'.$linkChoice;

}else{

$linkChoice="";

}

$helper=$this->getDockerHelper();

//執(zhí)行Docker 中的創(chuàng)建容器命令

$result=$helper->createContainer($account,$imageName,

$cname,$linkChoice,$resSize,$resId,$cportList)->getData();

3.2 容器管理

容器開啟時(shí)將連接資源服務(wù)器并作如下操作：①查看其端口映射情況，更新數(shù)據(jù)并顯示；②查看硬盤占用情況；③獲取容器默認(rèn)目錄下的文件。容器管理功能界面如圖14 所示。

圖14 容器管理

4 結(jié)語

本文應(yīng)對(duì)在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在提升學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力方面存在的不足，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于Docker的在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)容器系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了后臺(tái)服務(wù)器系統(tǒng)、資源服務(wù)器、客戶端、管理員等功能模塊。在實(shí)際的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)用過程中，該系統(tǒng)通過圖形化界面，結(jié)合Docker 的相關(guān)指令及其他輔助功能，可降低用戶使用容器過程中的門檻，提高用戶進(jìn)行在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的便捷性，體現(xiàn)出良好的應(yīng)用效果，在深化信息技術(shù)與教育教學(xué)的融合發(fā)展中具有明顯的積極意義。