技術(shù)報告基于虛擬化技術(shù)的計算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

1、計劃類別 項(xiàng)目編號 項(xiàng)目技術(shù)報告課題名稱 項(xiàng)目主持人 承擔(dān)單位 題目：基于虛擬化技術(shù)的計算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)針對目前計算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的操作系統(tǒng)需求多樣、分布式環(huán)境部署困難等問題，本文提出了一種基于虛擬化技術(shù)的解決方案，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一套支持各種實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境需求的平臺（含管理系統(tǒng)），極大地降低了實(shí)驗(yàn)環(huán)境部署、使用、維護(hù)的時間成本，相對于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)機(jī)房該平臺具有資源有效共享、性能彈性伸縮、管理靈活高效、環(huán)境安全可靠等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：虛擬化技術(shù)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺；桌面虛擬化；VMwareAbstract：In computer experimental teaching，many problem

2、s are caused by the requirements of various operating systems and the difficulty of distributed environment deployment.Accordingly，this paper presents a solution based on virtualization technology，and designs and implements a set of platform to support the requirements of various experimental teachi

3、ng environments（including the management system），which greatly reduces the time cost of deployment，use and maintenance of the experimental environment.Compared with the traditional experimental room，the platform has the characteristics of effective sharing of resources，flexible elasticity of perform

4、ance，flexible and efficient management，safe and reliable environment，etc.Keywords：virtualization technology；experimental teaching platform；desktop virtualization；VMware1 引言（Introduction）計算機(jī)類課程實(shí)驗(yàn)對于深化理論教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量具有舉足輕重的作用，目前，對實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)環(huán)境的需求大致可以歸納為單Windows主機(jī)、多Windows主機(jī)、單LinuxUnix主機(jī)和多LinuxUnix主機(jī)這四類。課程實(shí)驗(yàn)的多樣性導(dǎo)致

5、環(huán)境需求的差異，例如，C語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫等課程的實(shí)驗(yàn)通常需要的是單Windows主機(jī)環(huán)境，且對主機(jī)計算性能要求不高。而一些新興技術(shù)，比如云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等的相關(guān)實(shí)驗(yàn)的開展則需要單個或多LinuxUnix主機(jī)，以及較好的計算性能支持1-3。2013年我院獲批“軍用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，隨著新技術(shù)課程的不斷開設(shè)，以及研究課題對實(shí)驗(yàn)環(huán)境的高需求，使得傳統(tǒng)單機(jī)實(shí)驗(yàn)機(jī)房存在的管理模式僵化、計算機(jī)性能固化、實(shí)驗(yàn)需求難以個性化和實(shí)驗(yàn)場地難以擴(kuò)大化等問題突顯出來，影響了部分課程實(shí)驗(yàn)的高質(zhì)量開展，為了解決這些問題，我們在立足現(xiàn)有場地和實(shí)驗(yàn)用機(jī)的前提下，利用虛擬化技術(shù)設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了

6、一套支持多種操作系統(tǒng)、性能靈活擴(kuò)充、主機(jī)按需分配的虛擬化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，并開發(fā)了配套的虛擬化平臺管理系統(tǒng)。通過兩年的運(yùn)行，解決了上述問題，系統(tǒng)運(yùn)行良好，收到了較好的教學(xué)效果。2 計算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的問題及解決方法（Existent problem and its solving method ofcomputer experimental teaching）2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的問題在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，遇到了一些問題，歸納起來，主要包括幾個方面。（1）實(shí)驗(yàn)環(huán)境部署過程繁瑣。目前實(shí)驗(yàn)機(jī)房采取的是批量克隆部署的方式保障所有課程的實(shí)驗(yàn)，開課前需要教員在一臺模板機(jī)上安裝所需的軟件環(huán)境，然后由機(jī)房管理員

7、將模板機(jī)上的內(nèi)容復(fù)制到機(jī)房的其他計算機(jī)上去。這種部署方式要求授課教員必須到現(xiàn)場進(jìn)行部署，而且一旦出現(xiàn)個別軟件沖突，需要全部重新部署，費(fèi)時費(fèi)力。（2）單機(jī)虛擬化性能不能滿足實(shí)驗(yàn)要求。為了避免實(shí)驗(yàn)環(huán)境的沖突，有的教員采取安裝桌面版虛化軟件，在實(shí)驗(yàn)主機(jī)上創(chuàng)建虛擬機(jī)，然后在虛擬機(jī)中部署自己的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。由于這種桌面版虛擬化軟件需要將本機(jī)的CPU和內(nèi)存資源分配給虛擬機(jī)用，在實(shí)驗(yàn)主機(jī)性能本身就不高的情況下，虛擬化后的系統(tǒng)明顯性能不足，不少學(xué)員反映存在虛擬機(jī)啟動緩慢、實(shí)驗(yàn)軟件運(yùn)行卡頓的情況。（3）開展分布式實(shí)驗(yàn)困難。云計算、大數(shù)據(jù)的一些實(shí)驗(yàn)需要在分布式環(huán)境中實(shí)施，這就要求每名學(xué)員至少操作23臺計算機(jī)，在機(jī)房機(jī)

8、位有限的情況下，目前只能多人一組來實(shí)施。（4）主機(jī)性能無法彈性伸縮。不同的實(shí)驗(yàn)課程對主機(jī)性能要求不同，隨著時間的推移，設(shè)備老舊，配置低下，對主機(jī)性能要求高的一些課程實(shí)驗(yàn)運(yùn)行緩慢或根本就無法開展成為現(xiàn)實(shí)，而針對這些實(shí)驗(yàn)全面更換高性能主機(jī)，成本也是個問題。（5）無法有效利用現(xiàn)有服務(wù)器資源。學(xué)院機(jī)房中部署了部分課題組購買的科研用服務(wù)器，這些服務(wù)器日常的計算和存儲負(fù)載并不高，有大量閑置資源沒有得到有效利用。（6）實(shí)驗(yàn)環(huán)境管理維護(hù)難度大。由于多門實(shí)踐課程共用一臺主機(jī)，容易發(fā)生實(shí)驗(yàn)環(huán)境沖突，一旦某門課程實(shí)驗(yàn)引發(fā)了系統(tǒng)故障，將影響多門課程授課。利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室管理軟件進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)耗時長，并容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)丟

9、失。endprint2.2 解決的方法為解決上述問題，經(jīng)過多方調(diào)研和可行性分析，我們決定利用桌面虛擬化技術(shù)構(gòu)建一套全新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，有效整合現(xiàn)有計算資源，改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。虛擬化技術(shù)（Virtualization）是一種資源管理技術(shù)，是將計算機(jī)的各種實(shí)體資源（CPU、內(nèi)存、磁盤空間、網(wǎng)絡(luò)適配器等）予以抽象、轉(zhuǎn)換后呈現(xiàn)出來并可供分區(qū)、組合為一個或多個電腦配置環(huán)境4。虛擬化后的資源不受現(xiàn)有資源的架設(shè)方式、地域或物理配置限制，用戶可以根據(jù)自己需要靈活配置使用。虛擬化技術(shù)可以分為服務(wù)器虛擬化（單機(jī)虛擬化屬于服務(wù)器虛擬化的一種特例）、桌面虛擬化、應(yīng)用虛擬化和網(wǎng)絡(luò)虛擬化，根據(jù)課程需求我們的建設(shè)方案采用桌

10、面虛擬化技術(shù)。具體建設(shè)思路如下：（1）整合硬件，形成資源池。采購一套計算服務(wù)器和存儲陣列，并與現(xiàn)有計算、存儲資源進(jìn)行整合，將新舊資源統(tǒng)一為一個資源池，為實(shí)驗(yàn)課程提供按需分配的計算與存儲能力，相比單機(jī)虛擬化而言，能為虛擬機(jī)提供充足的性能。（2）按需配置，生成虛擬機(jī)。利用桌面虛擬化技術(shù)，在資源池中創(chuàng)建多個不同配置的虛擬主機(jī)（彈性伸縮），實(shí)驗(yàn)環(huán)境部署在虛擬主機(jī)中。部署過程如圖1所示，首先，選用一臺虛擬機(jī)作為課程模板，在該虛擬機(jī)中部署實(shí)驗(yàn)環(huán)境（操作系統(tǒng)及其相關(guān)軟件），然后，以此課程模板為源分發(fā)（復(fù)制）生成新的虛擬機(jī)，這樣保證了軟件環(huán)境的一致性，且提高了實(shí)驗(yàn)環(huán)境部署的效率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程需要，可以為每名學(xué)

11、生分發(fā)一個或多個虛擬機(jī)。例如，云計算課程中，就可以為每個學(xué)生分配多臺虛擬機(jī)，使用起來的感覺就像每個人擁有了多臺物理計算機(jī)，可以方便的進(jìn)行分布式實(shí)驗(yàn)。（3）隨時隨地，登錄系統(tǒng)。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)機(jī)房主機(jī)或是自己的臺式機(jī)、筆記本電腦等終端設(shè)備登錄到本門課程的虛擬機(jī)桌面即可開始實(shí)驗(yàn)，不再受場地限制。學(xué)生的虛擬機(jī)性能可以進(jìn)行彈性伸縮，滿足不同課程實(shí)驗(yàn)需要。虛擬機(jī)之間相互隔離，實(shí)驗(yàn)環(huán)境不會發(fā)生沖突，當(dāng)發(fā)生誤操作導(dǎo)致系統(tǒng)故障時，只需重置在用的虛擬機(jī)即可，耗時短，可靠性高。（4）在線管理，監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)。開發(fā)一套與實(shí)踐平臺配套使用的管理系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)管理人員可以監(jiān)控平臺運(yùn)行，維護(hù)平臺基礎(chǔ)架構(gòu)。教師可以在線完成虛擬

12、機(jī)配置、分發(fā)，以及虛擬機(jī)中實(shí)驗(yàn)環(huán)境的部署工作，從而提高管理效率，簡化實(shí)驗(yàn)環(huán)境部署過程。3 基于虛擬化技術(shù)的計算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺設(shè)計（Thedesign of a computer experimental teachingplatform based on virtualization）3.1 技術(shù)選型目前市面上已經(jīng)有很多成熟的解決方案來實(shí)現(xiàn)桌面虛擬化5-9，其中商業(yè)軟件有微軟的Hyper-V、VMware公司的Horizon及Citrix的XenDesktop，開源的軟件有KVM、Xen及VirtualBox。針對上述解決方案，我們從硬件兼容性、部署難易程度、虛擬機(jī)性能高低、系統(tǒng)穩(wěn)定性、技術(shù)支

13、持的時效性，以及后期維護(hù)的便捷性等方面進(jìn)行了對比分析，最終采用VMware的Horizon來構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。VMware Horizon桌面虛擬化軟件架構(gòu)10如圖2所示，它包含三個模塊：最底層的是負(fù)責(zé)硬件虛擬化的vSphere，vSphere的主要組件為ESXi，它部署于物理硬件之上實(shí)現(xiàn)裸機(jī)虛擬化，將物理資源抽象為多個虛擬主機(jī)。底層之上是核心基礎(chǔ)設(shè)施，由vCenter Server、數(shù)據(jù)庫（Database）、Active Directory域服務(wù)組成，主要負(fù)責(zé)對部署了ESXi的物理機(jī)及抽象后的虛擬機(jī)進(jìn)行集中管理。最后是Horizon View，其作用是在vSphere的支持下，實(shí)現(xiàn)虛擬桌面

14、架構(gòu)（Virtual Desktop Infrastructure，VDI），它由vCenterAccess Point、View連接服務(wù)器（View Connection Serve）、View Composer和View客戶端組成，其中View連接服務(wù)器通過vCenterAccessPoint連接到vCenter，實(shí)現(xiàn)對虛擬桌面的高級管理功能，包括虛擬桌面池管理、虛擬桌面配置、桌面連接代理等。View Compose提供虛擬機(jī)桌面的鏈接克隆功能，可基于父映像快速創(chuàng)建桌面映像。View客戶提供終端用戶訪問虛擬桌面的功能。3.2 平臺整體設(shè)計我們設(shè)計了一個能支持400人同時在線的虛擬化實(shí)驗(yàn)教學(xué)

15、環(huán)境平臺。平臺的硬件設(shè)備拓?fù)鋱D如圖3所示，軟硬件設(shè)備如表1所示。采購了六塊曙光CB50-G20刀片服務(wù)器，與現(xiàn)有的一套科研用IBM服務(wù)器通過萬兆核心交換機(jī)連接在一起，作為計算服務(wù)器提供平臺所需計算能力，原IBM服務(wù)器上部署的應(yīng)用后期將遷移到平臺的虛擬機(jī)中運(yùn)行。在計算服務(wù)器上部署ESXi以便實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的虛擬化，并創(chuàng)建八臺虛擬機(jī)用來搭建和維護(hù)平臺基礎(chǔ)架構(gòu)。八臺虛擬機(jī)統(tǒng)一安裝Windows Server 2008 R2操作系統(tǒng)，并做如下使用分配：兩臺虛擬機(jī)分別用于配置Active Directory與DHCP，提供域管理功能；一臺虛擬機(jī)用于部署vCenter Server，提供統(tǒng)一的虛擬機(jī)管理維護(hù)功

16、能，如定時開機(jī)和關(guān)機(jī)、提供負(fù)載均衡等；三臺虛擬機(jī)上安裝SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫后作為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于存儲及管理平臺各組件的配置數(shù)據(jù)和用戶信息。為了提高數(shù)據(jù)庫的可用性，將三臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器配置成鏡像模式，一臺主體服務(wù)器（Principal）一臺鏡像服務(wù)器（Mirror）外加一臺見證服務(wù)器（Witness），這樣可以最大限度的確保所存數(shù)據(jù)的安全可靠；一臺虛擬機(jī)安裝View Compose，以便提供虛擬桌面鏈接克隆功能，最后一臺虛擬機(jī)中安裝ViewConnection Serve，作為鏈接代理，可向用戶提供虛擬桌面。endprint新購一套曙光DS800-G25存儲陳列，通過兩臺SAN交換

17、機(jī)與現(xiàn)有的EMC存儲服務(wù)器連接后互為備份，作為存儲服務(wù)器用于虛擬機(jī)模板、虛擬機(jī)快照及用戶文件數(shù)據(jù)的存儲?，F(xiàn)有計算機(jī)安Horizon View客戶端軟件后，作為瘦客戶端通過華為S5700接入交換機(jī)與核心交換機(jī)相連接，并最終接入到校園網(wǎng)。學(xué)生個人計算機(jī)也可在安裝了客戶端后連接到實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。3.3 管理系統(tǒng)設(shè)計為了提高平臺的管理效率，我們設(shè)立了三類管理人員：一類是授課教員，負(fù)責(zé)虛擬機(jī)模板的配置及虛擬機(jī)的分發(fā)和管理；第二類是平臺管理人員，負(fù)責(zé)對平臺的基礎(chǔ)架構(gòu)、物理服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和維護(hù)；第三類是機(jī)房管理人員，負(fù)責(zé)維護(hù)各機(jī)房內(nèi)部的接入終端。機(jī)房管理人員的工作和現(xiàn)行模式?jīng)]有太多區(qū)別，平臺管理員也能直

18、接通過vSphere管理系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)，因此我們主要考慮的是授課教員如何實(shí)現(xiàn)對虛擬機(jī)的管理。VMware的vSphere自身提供了針對系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)，以及虛擬機(jī)的管理功能，但是這些功能操作繁瑣，專業(yè)性要求高，且一旦對基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行了誤操作，將嚴(yán)重危害平臺運(yùn)行，不適合提供給授課教員使用。為了匹配實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理需求，我們希望能把虛擬機(jī)模板構(gòu)建、虛擬機(jī)分配、用戶管理等與實(shí)踐授課相關(guān)的功能從vSphere的管理功能中剝離出來單獨(dú)提供給授課教員使用，這樣平臺管理人員只需要關(guān)注維護(hù)基礎(chǔ)架構(gòu)，而授課教員可以自行管理課程實(shí)驗(yàn)環(huán)境。為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，基于vSphere提供的虛擬機(jī)管理接口vSphere Automat

19、ion SDK for .Net開發(fā)了一套針對虛擬化平臺的“實(shí)驗(yàn)課程管理系統(tǒng)”。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，授課教員通過登錄管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對虛擬機(jī)進(jìn)行日常管理，包括用戶管理、課程管理、虛擬機(jī)模板設(shè)置，以及虛擬機(jī)的分發(fā)與管理等功能。教師進(jìn)行系統(tǒng)管理的操作流程包括八個步驟（圖5）。（1）注冊后登錄到管理系統(tǒng)。（2）設(shè)置課程信息，主要包括課程名稱、起始日期、上課時間、學(xué)員名單等。（3）選擇一個虛擬機(jī)模板（我們將常用的系統(tǒng)預(yù)先制作為虛擬機(jī)模板，比如Windows 7、Windows 10、Windows Server 2012或Linux等）。（4）根據(jù)課程需要更改虛擬機(jī)模板中默認(rèn)的CPU個數(shù)和內(nèi)存大小。（5）

20、登錄到虛擬機(jī)模板，安裝授課所需的軟件，部署實(shí)驗(yàn)環(huán)境。（6）系統(tǒng)自動將的配置好的虛擬機(jī)模板保存為該門課程的課程模板，這樣在下一次部署實(shí)驗(yàn)環(huán)境時，在第3步操作時可以直接選取課程模板而不是虛擬機(jī)模板，然后進(jìn)入第7步操作。（7）依據(jù)第1步中錄入的學(xué)員名單，系統(tǒng)自動完成虛擬機(jī)的分發(fā)工作，并依據(jù)綁定用戶賬號。（8）系統(tǒng)自動生成一份學(xué)員賬號信息表，教員在上課時分發(fā)給學(xué)員，學(xué)員即可按照賬號信息登錄虛擬機(jī)進(jìn)行課程實(shí)驗(yàn)。在授課過程中，如果遇到學(xué)生誤操作導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)環(huán)境受損，教師還可以通過管理系統(tǒng)進(jìn)行虛擬機(jī)的重置，快速恢復(fù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。在這套管理系統(tǒng)的支持下，系統(tǒng)維護(hù)人員和授課教師之間的協(xié)同工作變得更加順暢、更加高效了。4

21、 平臺的實(shí)施及使用效果（The implementation ofthe platform and application effect）4.1 實(shí)施情況項(xiàng)目從2015年3月開始啟動建設(shè)，經(jīng)過近9個月的軟硬件建設(shè)與試運(yùn)行，于2015年12月面向全院師生開放使用，截至目前已經(jīng)有兩個校區(qū)的六個實(shí)驗(yàn)機(jī)房接入到虛擬化平臺。平臺投入使用后受到了廣大教師的歡迎，陸續(xù)開設(shè)了包括“計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理”“數(shù)據(jù)可視化技術(shù)”“數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)挖掘”“多媒體數(shù)據(jù)處理”“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”“云計算及其應(yīng)用”等在內(nèi)的27門實(shí)踐課程。4.2 使用效果經(jīng)過一年多的運(yùn)行，我們收到了很多教員和學(xué)員在使用過程中的反饋，普遍認(rèn)為平臺具有以下優(yōu)勢：

22、（1）教員可在線完成實(shí)驗(yàn)環(huán)境部署工作，提高了部署效率。（2）可為學(xué)員分配多臺計算機(jī)，方便開展各類分布式實(shí)驗(yàn)。（3）虛擬機(jī)性能可彈性擴(kuò)展，學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程順暢，告別“卡、頓”。（4）服務(wù)器集中使用，提高了資源利用率。（5）實(shí)驗(yàn)環(huán)境相互隔離，互不沖突，一旦出現(xiàn)問題可迅速恢復(fù)。（6）系統(tǒng)管理員可統(tǒng)一管理全院實(shí)驗(yàn)環(huán)境。（7）數(shù)據(jù)多重備份，安全可靠。（8）學(xué)員上實(shí)踐課不再受場地和時間限制，滿足個性化學(xué)習(xí)需求。在可靠性方面，目前提供的是面向虛擬機(jī)文件和用戶文件的備份，不是平臺層面的熱備，因此還存在單點(diǎn)故障問題，一旦機(jī)房停電、服務(wù)器宕機(jī)或是網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，實(shí)驗(yàn)課程會受到影響。這些問題，隨著經(jīng)費(fèi)保障的增強(qiáng)，將在后續(xù)

23、建設(shè)得到逐步改善。5 結(jié)論（Conclusion）虛擬化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺為教師、學(xué)生提供了快速可配置的虛擬化實(shí)驗(yàn)環(huán)境。利用該平臺，計算機(jī)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)不再受實(shí)驗(yàn)物理機(jī)性能和操作系統(tǒng)的限制，可靈活方便地配置虛擬機(jī)數(shù)量及其計算能力、各個課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)境相互隔離避免各類沖突，同時也大大簡化了教師開課前的實(shí)驗(yàn)環(huán)境部署工作，以及實(shí)驗(yàn)室管理人員的實(shí)驗(yàn)環(huán)境維護(hù)工作。參考文獻(xiàn)（References）1 AmolJAIKAR，Gyeong-RyoonKIM，DadaHUANG，et al.Ahardware-basedalgorithmforvirtualmachineprovisioninginaprivatecloudJ.中南大學(xué)學(xué)報（英文版），2014，21（11）：4291-4295.2 高培超，et al.Low-cost cloud computing solution for geo-information processingJ.Journal of Central South University，2016，23（12）：3217-3224.endprint3 Miao T，Chen H.FlexCore：Dyn