虚拟技术在高校计算机实验室的应用研究

2015-02-07闽江学院计算机科学系

电子世界 2015年15期

闽江学院计算机科学系陈希王瑛

虚拟技术在高校计算机实验室的应用研究

闽江学院计算机科学系陈希王瑛

随着计算机技术和网络技术的快速发展，带动了教育行业信息化建设的持续创新和深化改革。本文将探究如何应用服务器虚拟化等虚拟化技术把计算机公共实验室打造成一个适应各方教学需求的虚拟实验室以更好地服务于教学，提高计算机教学实验环境的可靠性、稳定性，实现多种不同计算机教学实验环境的大批量快速布署。

服务器虚拟化；VDI桌面虚拟化；计算机虚拟化

1 引言

目前，教育信息化经过多年的发展已进入转型期，正逐步从搭建校园网等基础设施平台开始更深更广的层次发展。高校实验室作为培养学生认知、创新能力的重要场所，更要走在信息化技术发展的前沿。这就为如今的实验室管理带来了新的挑战。不仅如此，云计算因为云计算技术和应相比传统PC 的应用方案低成本，安全可靠，维护量低且更灵活多变而正在渗透到我们教学活动中的方方面面。虚拟化技术是云计算的重要基石，虚拟化技术的质量是云计算应用的关键[1]。目前我校的计算机公共实验室大多是采用硬盘保护卡的方式对计算机进行系统和软件的维护，但是硬盘保护卡在使用过程中会产生一些很难避免的问题，譬如对一些特殊的软件如 3DMAX 软件的注册信息，硬盘保护卡无法做到数据同传处理，只能是解开保护，一台一台的注册；硬盘保护卡在系统和应用软不容易升级，只能是升级好一台计算机后对所需要更新的其他计算机进行系统数据同传，这样浪费了大量的时间而且维护极度不便；特别是有的课程教学教学需要不同的操作系统，但是这就需要在建立在硬盘划分和系统安装之前进行部署，不能在需要时自由方便地添加从而达不到教学效果。另外，这种保护卡不仅和计算机硬件还和软件环境有着硬件兼容性差的问题，很容易引起系统的崩溃[2]。

我校计算机公共实验室，是全校计算机实验教学的重要场所，已成为学校教育信息化的重点建设部分，承担着全校计算机基础类课程和非计算机专业类的计算机课程教学实践。每个学期期初，会根据教学需要收集各门课程需要的教学软件进行实验室软件环境的更新，替换原有的软件，甚至部署整个教学环境，以保证教学活动的正常进行，由此也导致的工作量大、系统维困难。面对这样的情况，因此必须运用新技术例如服务器虚拟化和桌面虚拟化来提升管理水平以应对挑战，而桌面虚拟化系统能够很好的解决以上这些问题。桌面虚拟化系统，把计算机的桌面应用环境从计算机硬件中剥离开来，把桌面和应用环境镜像都集中到服务器上；通过局域网或者远程访问各自的计算机系统，学生端可以根据自己不同的需求快速自主地访问资源。

2 服务器虚拟化技术的应用

计算机虚拟化技术的应用，可以从桌面的虚拟化、服务器的虚拟化、应用的虚拟化三个方面入手。从这三种技术的发展趋势来看，服务器虚拟化技术是其中发展势头最好、应用最广的技术。服务器虚拟化技术作为虚拟化技术中的一种，从需求实上可以理解为把服务器端的资源有效的进行整合和共享，让用户端能获得需要的共享资源（例如CPU资源、显卡资源、硬盘资源等）。服务器虚拟技术的实现，主要通过两种途径：将一台物理服务器的资源虚拟化为多台逻辑服务器或者是将把多台物理服务器的资源虚拟化为一台逻辑服务器。服务器虚拟化技术能够给服务器的架设带来诸多益处，比如大幅提服务器的利用率，从而使得部署应用所需要的物理服务器数量大幅度降低从而在经济上得到了节约；而且应用的虚拟机本身能够被迅速部署和复制，这样就大大降低服务器维护管理所需要的工作量，使得实验管理人员从重复劳动中解脱出来；不仅仅如此，服务器的部署时间将大大缩短，软件的兼容性好得到了有效的验证，非常易于后期的维护和升级。[3]

我校计算机公共实验室在不断实践摸索中也得到了应用，取得了不错的效果：如使用过微软公司的相关软件构建了省计算机等级考试模拟系统的专用服务器，针对全校学生的计算机考试模拟练习，在虚拟的逻辑服务器上一次性地设置好模拟考试环境，保存好虚拟服务器快照，提供学生练习产生大量无用的临时数据后，可以根据需要随时还原虚拟服务器快照来复原模拟考试环境，而不需要按照步骤繁琐地重新安装设置模拟考试服务器，而且这种技术大大增强了实验室环境的抗病毒能力，大幅提高了实验环境的安全性和稳定性[4]。但是微软的相关虚拟软件也有克服不了的缺点：如生成的虚拟机过大占用了过多的资源，提供给众多学生练习时频繁读写磁盘操作对硬盘有一定的损伤，读写速度也不够快，之后，我们又改进把服务器的部分内存虚拟成磁盘，用AutoIt语言脚本设置好共享权限，提供给学生端共享使用，这样学生端只对虚拟内存盘操作，不会对服务器的硬盘有任何损伤，而且数据读写速度大大提高，需要还原考试数据时，只需使用AutoIt语言脚本对服务器的内存盘格式化、然后自动解压模拟考试数据并自动设置好共享权限即可。

图1 瘦客户终端桌面虚拟化方案

3 桌面虚拟化技术的应用

桌面虚拟化是一种基于服务器的计算模型，这种技术能让实验室的管理人员与用户都能够获益：管理人员面虚拟机在数据中心进行托管非常方便管理，学生能够够在客户端享受本地PC机器的使用体验，重要的是，这两个个方面可以同时做到。桌面虚拟化是以服务器虚拟化为基础，主要虚拟工作在数据中心的服务器上完成，可以做到生成需要的数量的的独立的桌面操作系统以供不同的客户随时的访问。学生用户输入被分配的用户名和密码及网关等登录信息，就可以通过以太网登陆到虚拟主机上。这种技术主要是为了降低成本和获得更可靠的桌面环境，软件的集中应用、桌面安全性、更灵活的控制资源等。在各高校计算机实验室管理中，主要通过两种手段来实现实验室的虚拟。第一种是终端采用类似瘦客户终端，特点是所需资源完全依靠共享服务器资源及存储资源，第二种则终端采用X86架构的终端，仅可以共享部分的服务器资源及存储资源。

3.1 采用瘦客户终端桌面虚拟化方案的应用

这种方案主要功能的实现例如CPU运算、显卡图形运算、存储等依赖于服务器资源池，把服务器资源池上运行的虚拟机的桌面图像通过不同的传输协议传送给终端显示设备。终端在硬件上性能上比较弱，一般配置的CPU是基于ARM芯片，软件系统是一般是基于Linux，是基于虚机资源独享的远程桌面，所以这种终端防病毒安全性方面好，终端只作接收显示虚拟系统的画面，适用于简单办公及一般教学实验用（如图1所示）。

目前这种方案虽然有终端维护方便、耗电省等优点，但是在实际应用中有着不小的问题：

（1）高校计算机实验室特别是基础实验室上课环境负责，课程之间彼此需要的软件差异很大，不仅存在专业间的软件应用差异，同一软件还需要不同版本以适应教学需要，VDI桌面虚拟化的服务器能够支持终端的数量较少，卡机现象明显；另外学生不能在终端上练习使用虚拟机软件导致影响课堂效果。

（2）在实验室特别是专业实验室里所需要的外接硬件很多（例如扫描仪、打印机、触摸屏、IC读卡器等），这些外设的接口和驱动通常比较特殊，VDI桌面虚拟化通过端口映射，加载统一驱动的方式很难兼容，软件系统以后升级存在兼容性等问题；

（3）一些学校的老机房的网络环境一般为百兆网络，而如果是上百台终端采用VDI桌面虚拟化通常要求接入到千兆才能够同时支持大规模客户机流畅运行；

（4）VDI桌面虚拟化对服务器硬件要求较高，需要高性能的服务器两台带动约50台左右的终端，如果是上百台终端的机房需要投入的软硬件成本更高，价格方面与传统PC机方案优势不大；

（5）VDI桌面虚拟化架构复杂，对用户来说是一整套的解决方案，对服务器和网络环境是完全依赖，一旦中间某个环节出现问题，又不能终端单机独立运行，连基本办公软件等都没法运行，容易出现严重整个机房瘫痪的教学事故；

3.2 采用X86架构的终端桌面虚拟化方案的应用

这种方案的主要特点是实现了计算机终端应用环境的快速部署和维护，具体是管理人员把计算机终端操作系统和应用软件的数据文件都集中部署在服务器上，然后进行集中管理和维护；学生在客户端时候时，可根据自己的需要调取操作系统和应用软件，这种调取以数据流的形式通过网络协议得以实现。整个过程充分利用客户端的硬件资源实现了本地化运算，学生使用起来感受、图形显示效率以及外设兼容性均与本地PC一致。这种方案一般是由四部分组成：服务器，备用服务器，管理端和客户端。服务器主要负责存储虚拟磁盘文件，为客户端提供数据服务；备用服务器提供启动、激活热备服务；管理端是负责远程分发桌面，远程管理等操作管理客户端行为，终端可以是安装了云桌面客户端程序的各类X86架构的PC机。

这种方案的优点是所需的数据资源存放在服务器统一管理，按终端需要发送相应的操作系统和应用软件数据，而CPU、显卡、内存资源实现终端本地化运算，即可以购买小型盒子式x86架构的终端，又可以使用原有机房旧的PC机资源，减少更新投入的成本。即可以使用连网把数据缓存到服务器上运行，又可以在数据缓存到终端本地磁盘后断网使用，连接外设的接口和驱动与原有PC一致。

我校的计算机公共实验室从实际情况出发，选择第二种方案，即共享了服务器资源，使终端桌面资源数据集中统一管理，又能让终端脱离服务器单独运行，同时老设备的软硬件可以再利用从而实现平稳过渡，更新成本又不高，性价比远高于第一种方案。