基于硬件虚拟的计算机实验机房应用研究

陈守宽

(肇庆学院 教育技术与计算机中心，广东 肇庆 526061)

基于硬件虚拟的计算机实验机房应用研究

陈守宽

(肇庆学院 教育技术与计算机中心，广东 肇庆 526061)

充分利用高校计算机实验机房的空闲计算资源，提高整个机房实验的开出率，确保实验质量，保证投资收益，已引起高校实验室管理人员的思考。而利用硬件虚拟化技术软件构建学生虚拟实验环境，集成各机房服务器计算资源，是充分利用高校计算机实验机房资源的一种可行技术手段。

计算机实验机房；硬件虚拟；虚拟实验环境；服务器集成

1 问题的提出

高校对计算机应用技术教育的重视，使得为其提供实验环境的机房投入也逐渐增大，许多机房都在更新计算机，并且安装了比较新版的操作系统及应用软件，而随着硬件技术的发展，这些更新的计算机在硬件上可以完全满足计算机应用技术教育的实验教学需要。然而，随着高校招生规模不断扩大，实验设备和实验场地的扩充不能及时得到满足，造成实验教学资源非常紧张。

此外，计算机实验机房经过长时间的数字化建设，已基本建成了实验室新闻网站、实验选课系统、实验室作业提交系统、实验室教学答疑系统、实验排课系统、实验室教学视频点播系统等应用服务系统以及部分专业应用服务器，如财务软件服务器、普通话测试服务器等。由于建设的时间和需求不同，这些信息服务系统在硬件平台、操作系统、开发语言、通信协议和数据库结构等方面都存在不同程度的差异，并且这些系统都需要配置独立的物理服务器，独立提供FTP、WEB、C/S服务等，导致占地大、耗电量高、系统资源利用率低，系统维护、数据备份及系统再部署都比较困难。

如何利用有限计算机实验机房的设备，对机房进行技术手段整改，使得以当前硬件条件可以完成更多的教学实验任务，并确保实验质量，以及充分整合计算机实验机房服务器应用，降低能耗，节约成本，正成为各高校面临的重要课题。

2 硬件虚拟技术

图1 硬件虚拟简单架构

VMware硬件虚拟化的核心思想非常简单：使用软件创建模拟物理计算机的虚拟机[5]。这将创建一个独立的操作系统环境VM，从逻辑上讲，该环境与主机服务器是分离的。通过同时提供多个VM，该方法允许在一台物理机上同时运行多个操作系统。因此，不再需要为众多未利用的服务器(每台服务器都专用于特定工作负载)计算机支付费用，服务器虚拟化允许将这些工作负载合并到较少的利用更加充分的计算机上。这表明，需要管理这些计算机的人员更少，需要容纳它们的空间更小，需要运行它们的功率也更小，所有这些都可以节省资金。而且，服务器虚拟化还使恢复发生故障的系统更加容易。VM以文件的形式存储，因此，恢复发生故障的系统就像将其文件复制到新计算机上一样简单。由于VM的硬件配置可以与其运行的物理机的硬件配置不同，该方法还允许将发生故障的系统恢复到任何可用的计算机上，不需要使用物理上相同的系统。

3 机房应用方案设计

3.1 学生端应用方案

3.1.1 学生端操作区配置

现在高校计算机实验机房计算机，基本上由政府采购，硬件配置比较高，如CPU主频高，内存及硬盘容量大等，且供应商一般有一定的技术实力，比如提供硬盘保护系统、多分区管理、多系统引导、网络拷贝等技术，的确给机房管理带来极大的方便。但是，这些保护技术，其开放权限仅仅属于实验室管理人员，并且，大多数计算机硬盘保护系统只给出有限个操作系统保护，无法适应灵活的计算机技术教育软件系统配置。同时，对于应用计算机实验的学生来说，随心所欲地安装实验环境，除非得到实验室管理人员的允许，否则是极不方便的。

另外，高校计算机实验机房除提供学生实验环境外，还要承担提供考试环境任务，其实验及考试环境一般要求操作系统为Windows XP以上。据此情况，建议计算机实验机房计算机的硬盘保护系统配置为三个操作区，各个区均要求操作系统为Windows XP以上。其中：一个为计算机应用基础教育实验专用区，可命名为BASE区；另一个为考试专用区，命名为TEST区；再一个为计算机虚拟技术实验专用区，命名为VM区。在计算机虚拟技术实验专用区中构建硬件虚拟系统实验环境。具体操作区配置如图2所示。

图2 学生端操作区配置

3.1.2 虚拟实验环境的构建

在计算机实验机房学生端建立虚拟实验环境，要先开放计算机虚拟技术实验专用区的权限，在该专用区的基础上安装Windows XP以上操作系统版本，再在该操作系统上安装VMware软件，再利用它来创建虚拟机。用VMware创建的虚拟机与真实的计算机一模一样，不但虚拟有自己的CPU、内存、硬盘、光驱，甚至还有自己的BIOS[6]。在这个虚拟机上，可以安装Windows、Linux等真实的操作系统及各种应用程序，具体安装过程在这里不详述。安装成功后开始设置模拟硬件环境，其中模拟硬件环境可随意升级、可以让虚拟系统使用闪存盘，也可以设置上网等。模拟硬件环境设置完成后，开始用光盘系统安装盘、软盘系统安装盘或镜像文件制作的系统安装盘进行系统安装，在此建议使用ISO镜像文件，比较快捷方便。完成安装一个虚拟系统后，如果要扩展该虚拟系统的各项功能，还要在虚拟系统中安装VMware tools的工具软件[7]，这是它本身自带的，可以实现如下功能：模拟显卡，使虚拟系统可以支持32位显示和高分辨率；使宿主电脑与虚拟机之间的时间同步；鼠标可以在虚拟机、宿主机之间随意移动、切换；允许宿主电脑与虚拟机之间或者从一台虚拟机到另一台虚拟机之间直接进行复制和粘贴操作，再通过互相设置共享文件夹，虚拟系统可以共享原系统的文件夹。

通过重复上述步骤，就可以在单机上构建多个系统，这些系统虽说是在虚拟机上安装的，但效果如同真实的操作系统及应用程序环境。构建完毕后，要将开放计算机虚拟技术实验专用区的权限设为保护，这样，在做实验时就不用担心宿主电脑的操作系统遭到破坏，而虚拟系统的文件可以放到不受保护的共享区中，由学生自己存储文件或放到服务器网站上，需要调用某个操作系统环境，就调用某个操作系统文件夹，方便快捷地给学生提供实验所需虚拟软硬件环境。

3.1.3 虚拟实验环境的应用

虚拟实验环境在实验教学中的应用主要有：(1)基础实验，如Windows及一些办公软件等应用程序的使用；(2)操作系统实验，如磁盘分区、格式化、安装Dos、Windows、Linux、Novell等系统环境；(3)网络实验，如局域网的组网、网络数据库配置、TCP/IP、Telnet及FTP实验，以及异构系统间的资源共享等；(4)系统安全实验，如黑客攻击、病毒入侵等；(5)集群服务，如服务器间集群、PC间集群等。虚拟实验环境提供的是一个近于真实的环境[8]，因此，只要能在VMware上完成的实验，就能够在真实的机器上完成，所以实验质量不会受到影响，完全符合实验教学要求。

3.1.4 虚拟实验环境的维护

用VMware软件虚拟的系统，在真实的计算机中显示是一个文件夹，只要备份这个文件夹，就可以在破坏这个系统后轻易地恢复。建议用计算机实验机房服务器网站作备份维护，将系统文件夹上传到网站服务器上，从服务器网站下载后覆盖，重新恢复虚拟环境。

3.2 服务器端应用方案

3.2.1 整合服务器管理

硬件虚拟化技术应用到服务器管理的目的，就是将若干计算资源相对空闲的服务器整合在一起，缩减服务器硬件成本，提高服务质量[9]。比较常见的服务器整合架构方案如图3所示，其中，整合后的硬件设备主要包括：(1)服务器最少2台(最好同一配置，以及比较高的硬件配置，如IBM X-SERIES系列服务器等，用于提供数据服务以及双机热备份)；(2)共享存储1台(用于服务器数据的存取)；(3)SAN光纤交换机1台以上(用于服务器与硬盘存储器的连接)。软件环境配置步骤：应用VMware在同一台物理机上为每个服务器建立一个单独的虚拟机，根据其功能需求划分相应的内存和硬盘、配置IP；然后在每个虚拟机上安装所需的操作系统，既可以是Windows，也可以是Linux，安装过程和物理机上的操作完全一样；最后，在该虚拟操作系统上进行相应的配置，安装应用软件，赋予其不同的功能，提供不同的数据服务。

图3 服务器整合架构

为方便管理，需要配置一台独立的管理机来作为虚拟服务器的管理服务器，通过VM Explorer可以对实验室所有的虚拟服务器进行集中式管理，能对各种应用系统进行冷热备份和恢复，并可制订计划任务进行自动操作。管理服务器为实验室的虚拟服务器环境提供了集中化管理、操作自动化、资源优化和高可用性。

3.2.2 动态数据备份及数据恢复

在物理机中建立虚拟服务器后，就可以将数据备份到虚拟或实体存储器中。至于采取何种备份方式，则视服务器数据的重要性、自身的需求和掌握的技术进行选择。服务器数据容灾的好坏，是整个服务器整合方案的关键。它建立在数据备份的基础上，其中既有系统数据的备份和恢复，也有用户数据的备份和恢复。数据恢复对服务器来说尤为重要，如服务器遭遇病毒程序攻击而导致操作系统瘫痪后，传统的系统备份，如用ghost软件，往往只能恢复到本机，在其他机器上恢复系统时往往因为硬件不同而造成软件冲突，显示蓝屏而无法运行。虚拟化技术恢复则没有这个缺点，它的可移植性很强，将整个虚拟机复制到硬件配置不同的物理机依然可以运行。因为，它有独立的一套虚拟硬件，无论是台式机还是服务器，都可以顺利地工作，这样就可以缩短恢复服务所需时间[10]。应用VMware软件，在另一台服务器上建立一虚拟机，通过局域网对数据进行自动备份，取得良好效果。另外，可考虑配置虚拟双机热备份方案：当运行VMware ESX的物理服务器死机时，所有运行于该服务器的虚拟机可以自动切换到其他的VMware服务器上，相对传统的双机容错方案，VMware HA可以最大程度减少因硬件故障造成的服务器死机和服务中断时间。不同于其他HA的热备机方式，所有的VMware HA服务器都在运行正常系统，充分利用现有硬件资源。

3.2.3 测试服务应用

VMware软件把完整的测试平台应用程序和数据压缩到文件内，这些文件能在实体主机之间被轻易地还原和传递，使得虚拟机安装、卸载、复制都很方便。并且虚拟机有许多为测试和开发环境而设计的特定功能，例如系统快照、系统级的调试支持等，而且对物理机没有特殊要求。所以通过VMware软件可以运行多个虚拟机，来完成多个数据库和软件在一台服务器上的调试应用。这样就能做到在开发和测试周期内，避免反复配置工作，避免不断地调整硬件物理结构，增强了服务的集中式管理，加快了服务的部署。

4 结束语

计算机实验机房虚拟实验环境的构建，给实验室建设提供了一种新的思路。事实上，由于虚拟的实验环境与主系统有良好的隔离性，在虚拟环境下，学生不用顾虑到对主系统的破坏，可以放心进行各种操作，会带来更好的实验效果。如此，不仅可以缓解当前实验设备和场地不足的问题，而且在一定程度上提高实验设备的安全性，减少实验室的管理难度，并保证了实验质量，并且可引申到在教师的计算机中进行虚拟实验环境的构建，从而推动教学及科研的发展。

计算机实验机房服务器端的整合，将使用率低、数据量小的多个服务器整合为一个物理服务器，能够减少计算机实验机房采购服务器的数量，降低采购成本。服务器数量的减少，也降低了相应的运营成本和能源消耗，减少了对环境的污染。相对物理位置比较集中，便于管理人员对其管理，管理多个虚拟机，就如同时操作多个简单文档一样，简单、方便。通过虚拟化技术的应用，可以使实验机房管理人员对数字网络技术有更深刻的认识，提高相应的技术水平和管理水平，并能及时保证服务器数据服务的提供、恢复，有效保证了高校计算机实验教学的有序进行。

[1]赵建华,韩智慧.浅谈储存虚拟化与服务器虚拟化[J].电脑知识与技术,2009(7):5606，5609.

[2]吴靖,刘功申.基于VMware虚拟化技术的远程教育平台设计[J].电信快报,2009(10):11-13.

[3]王春海.虚拟机深入应用实践[M].北京：中国铁道出版社,2009.

[4]石磊,邹德清,金海.Xen虚拟化技术[M].武汉：华中科技大学出版社,2009.

[5]英特尔开源软件技术中心,复旦大学并行处理研究所.系统虚拟化—原理与实现[M].北京：清华大学出版社,2009.

[6]Introduction and System Requirements[EB/OL].[2013-05-16].http://www.vmware.com,2010.

[7]VMware and CPU Virtualization Technology[EB/OL].[2013-05-16].http://down-load3.vmware.com,2011.

[8]VMware Infrastructure 3[EB/OL].[2013-05-16].http://product.ccidnet.com,2012.

[9]XenServer and VMware[EB/OL].[2013-05-16].http://www.citrix.com,2012.

[10]虚拟化您的IT基础架构、虚拟化技术[EB/OL]. [2013-05-16].https://www.vmware.com/cn/,2012.

小知识3：对论文中插图的要求

一篇文章的插图不超过6幅，每幅图(含各分图)必须有编号和标题。图的线条只用粗、细两种：粗线宽度为0.5 mm，用于要画的图形等；细线宽度为0.2 mm,用于画虚线、坐标线等。如果是扫描图，在扫描时请选择精度为600 dpi以上，保证字符线条清晰可辨。图中的坐标值及物理量和单位的字号均用小五号；中文选用宋体，英文和数字选用“Times New Roman”；标目的物理量一般用一个字母表示，采用斜体，单位用正体，量和单位之间用“/”隔开，如t/ h、f/GHz、v/cm；坐标值不能用1E-n的形式，而应用10-n表示。

《实验科学与技术》编辑部

Application Based on the Hardware of Virtual for Computer Laboratory

CHEN Shoukuan

(Education Technology and Computer Center, Zhaoqing University, Zhaoqing 526061, China)

Making full use of university computer laboratory rooms of idle computing resources, improving the whole room experiment open rates, to ensure the quality of the experiment, ensure return on investment, has aroused thinking of laboratory management personnel in the university. However, the use of hardware virtualization software to build virtual experiment environment, and integration of the engine room server computing resources, is a kind of feasible technology to make full use of university computer resources.

computer laboratory; hardware of virtual; virtual experiment environment; server integration

2013-07-08

陈守宽(1974-)，男，硕士，实验师，研究方向：计算机技术应用。

TP308；TP393

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.04.068