基于桌面云的实验室资源优化研究*

卢民荣许邓艳

（1.福建江夏学院 会计学院，福建福州 350108；2.福建工程学院 软件学院，福建福州 350108）

基于桌面云的实验室资源优化研究*

卢民荣1许邓艳2

（1.福建江夏学院 会计学院，福建福州 350108；2.福建工程学院 软件学院，福建福州 350108）

针对虚拟实验室初期建设成本高的问题，该研究从技术层面使用传统实验室改造客户端，提出客户机虚拟化方案，降低了客户端的硬件投入；从整合服务器软硬件资源视角，以服务器资源为中心，建立了实验室资源优化模型。在排课系统受约束的条件下，该研究通过实验室资源优化设计，根据教师资源和专业教学特点，充分提高桌面云的利用率。基于桌面云的虚拟实验室建设弱化了实验室的专业功能，该研究提高了实验室的共享度，对减少实验室的重复建设、降低实验室的维护成本效果明显。

桌面云；虚拟化；虚拟实验室；资源优化；云计算

引言

随着计算机技术的迅速发展，高校的实践教学越来越依赖计算机，尤其是理工科专业的许多课程教学都需要计算机，计算机已成为现代化教学的重要工具之一[1]。近年来，国内各大高校纷纷投入大量的人力物力建设计算机实验室，如福建江夏学院已建成93个实验室；在理工科高校，因开展实践教学的需要，对计算机实验室的需求量更大[2]。计算机实验室投入使用后，首当其冲的就是维护和管理问题日益突出:从维护角度来看，高校的计算机数量相当多，计算机故障明显增多，工作量也很大；从管理、规划的角度来看，各专业实验室之间相对独立，出现部分专业实验室重复建设、实验室之间缺乏资源共享等现象，这些都是实验室建设和管理迫切需要考虑的问题[3][4]。除此之外，传统实验室庞大的计算机数量大幅度地增加了能源消耗[5]，暴露出了相关的能耗问题。为鼓励高校的低碳化管理，2008年教育部联合建设部发布了《关于推进高等学校节约型校园建设进一步加强高等学校节能节水工作的意见》。据此，高校实验室在建设过程中要考虑实验室的运营成本，尽量使实验室低碳化。

计算机虚拟技术应用在政府的公共服务机构日益增多，目前已初步引入高校。虚拟化技术能有效整合计算机软硬件资源，减少实验室重复建设，降低实验室维护成本[6][7]。虽然虚拟化技术能给实验室带来管理优势，但其在高校的应用尚未普及，其实验室融合和资源优化仍然需要做进一步研究。目前高校实验室的维护人员与服务器管理人员一般是分离的，虚拟化技术要求工作人员具有较高的技术，尤其是要熟悉服务器的相关知识。本文结合虚拟化在高校实验室的应用，主要研究基于桌面云的实验室资源优化问题，弱化实验室专业功能，根据实验室排课研究实验室资源优化模型，期待经优化设计后，服务器和物理实验室资源能较大程度地得到利用。

一 基于桌面云的实验室建设

1 服务器虚拟化

服务器虚拟化技术是将服务器软硬件进行分离，对分散的服务器资源集中管理，形成硬件资源池，能动态地分配各个服务或应用之间的资源需求，在提升计算机性能的同时也能节约计算机资源。虚拟化技术在软件层面具有全面整合的能力，从而实现了计算机设备与软件应用之间的分离[8]。服务器虚拟化技术在高校实验室的主要应用形式是将一台物理服务器虚拟化为多台逻辑服务器（这种做法被称为“一虚多”），即针对不同专业、不同课程的需求，利用服务器虚拟化软件将服务器虚拟成多个教学平台。虚拟化软件在虚拟桌面时需要消耗一定的时间，因此，高校在新学期开始，就要根据学校实验教学的任务准备好相关的实验环境。本文主要探讨如何提高虚拟服务器的利用率，以更好地发挥它的作用。

基于桌面云的实验室建设需要规划每个实验室相应数量的虚拟机，根据各实验室的教学需求，选择一台虚拟机作为虚拟主机，在该主机安装完整的应用软件（含操作系统和教学软件），并将这台虚拟机通过同传软件将操作系统、软件等数据同传至规划好的其它虚拟机，基于桌面云的实验室虚拟机安装基本流程如图1所示。基于桌面云的实验室，因其软件安装、维护全部集中在服务器上，方便了实验室的管理，降低了应用软件的重复安装，但对服务器资源的使用率和实验室管理人员提出了较高的要求。

图1 基于桌面云的虚拟机安装流程

2 客户机虚拟化

以应用领域来划分，桌面虚拟化只是虚拟化技术的一种应用。桌面虚拟化技术（Virtual Desktop Infrastructure，VDI）通常定义为一种基于服务器的计算模型，借用传统瘦客户端的模型，将服务器虚拟成许多桌面虚拟机，并通过瘦客户端展示给用户，让用户能够像操作普通PC机一样，其数据处理都集中在服务器[9]。基于桌面云的客户机主要通过两种方式接入:

一是专业瘦客户端。提供商已经内置相应的远程桌面接入协议，配置和操作都相对比较便捷，一般在本地不需要额外安装操作系统，其本地资源开销很低，服务年限比普通PC机长。专业客户端亦称云终端，每台单价比普通PC便宜近一半，运行功耗比普通PC低近十倍。

二是普通PC。通过Web方式或安装与服务器对应版本的桌面虚拟化客户端软件和远程桌面协议，本地需要一定的硬盘空间和计算资源支持本地操作系统的运行，主要计算仍然集中在服务器；或将普通PC结合无盘工作站技术实现硬盘上操作系统和应用程序的分离；也可以由学生自带笔记本电脑通过配置VMware View客户访问虚拟化系统。

目前，福建江夏学院2007年建设的30多间计算机实验室设备完好率在85%左右，但计算机使用7年多后，计算机性能比较难以适应当前的软件更新，而为了满足现有的教学需求，学校的这一大批设备需要更新。为了解决这类设备大量报废的问题，本文提倡将现有计算机改造成桌面云客户端。高校实验室的大多数计算机操作系统是 Windows系列，运用瘦客户端软件ThinLaunch Thin Desktop、The triCerat triShell Kiosk Edition可以对用户访问的应用程序进行限制，把旧的计算机转换成瘦客户端，如此便实现了再利用。实验室管理人员运用桌面虚拟化技术，只需对虚拟桌面进行安装发布，教师、学生通过瘦客户端远程访问虚拟桌面，客户端提供操作系统引导和简单处理、显示的功能，计算集中在服务端。因此，利用桌面虚拟化技术可以实现一台物理服务器运行多台虚拟机，且各虚拟机之间的操作相互独立，在管理上主要侧重服务器的软硬件资源，提高了管理效率；运用虚拟化技术实现普通PC的客户端化是可行、有效的，优点是在虚拟实验室建设初期可以节约云终端的采购成本且可以降低报废率，缺点是运行功耗比云终端高很多。

3 虚拟化网络系统建设

基于桌面云建设的实验室，其客户端与服务器在空间上形成了物理隔离，客户端与服务器的交互主要通过网络系统承载，中间网络传输成为了虚拟化技术的关键；一旦网络出现故障，客户端将不能连接服务器，实验教学就容易瘫痪。传统实验室网络拓扑如图2所示，实验室与服务器通过单一链路通讯，当发生网络拥塞或网络故障时，服务器与实验室之间的网络就会断开。为了加强网络系统的承载能力、保持通讯的稳定性，基于桌面云建设的实验室网络需要使用备份连接，以提高网络的健壮性，交换机冗余链路拓扑如图3所示。交换机冗余链路设计需要冗余协议的支持，当冗余协议可以控制正常链路的通讯时，备份链路不需要工作；当正常链路出现故障时，备份链路会马上启用，以保证网络的正常通讯。

图2 传统实验室网络拓扑图

图3 交换机冗余链路拓扑图

在虚拟实验室建设过程中，网络虚拟化也是建设的重点，核心交换机需要采用性能比较高、包转发能力强且支持虚拟化的设备；可以将两台交换机虚拟成一台，有些节点的交换容量比较大时还要考虑光纤交换机，以满足网络负载。网络系统中安全策略尤其重要，考虑到网络系统受到攻击时会严重影响实验室的正常教学，因此一般在网络出口设置防火墙，实现内、外网相互隔离。虽然基于桌面云建设的实验室在网络系统方面的成本高于传统实验室，但从长远来看，稳健的网络系统不仅能给实验室带来安全，也能为高校内各机构提供更好的服务。

二 实验室资源优化

1 实验室资源优化模型

虚拟实验室把物理实验室转变为逻辑上可以集中管理的服务器资源，打破了各个物理实验室之间的专业限制，为实验室资源的使用提供了更好的解决方案，但如何对各实验室资源进行整合、统筹，如何提高实验室的利用率即资源优化等，成为了十分重要却解决起来比较困难的问题。教务系统中的排课系统具有完全排它性的特点:在同一时间教师只能教一门课，教室（实验室）只能提供一次教学服务，学生只能在特定教学场所学习一门课程，这是比较困难的数学难题之时间表问题[10]。基于桌面云构建实验室，其客户端（物理实验室）具有成本低、专业无关性等优点，而服务器却成本高、专业相关性强，因此在教务系统中设计排课时，应以服务器资源为中心，物理实验室、教师和学生则予以灵活配合。

实验室资源优化的主要方向是最大化地使用虚拟出来的桌面云。在构建实验室资源优化模型中，主要影响因素有桌面云D、教师T、学生S、课程C、物理实验室L。以专业教学为出发点的专业教学桌面云D、以教授课程范围定义的教师T、以完成学期课程目标的学生S之间的关系模型如图4所示。桌面云D参数受教师、学生、课程三方面的共同影响，其资源计算较为复杂，应首先围绕桌面云资源使用的最大化，再考虑排课系统在物理实验室的最少投入量。

图4 实验室资源关系模型

2 实验室资源优化设计

在实验室资源优化中最为关键的就是确定桌面云部署的数量，以最少的虚拟机数量满足教学需求。一般高校正常的教学时间表（暂不考虑选修、辅修等情况）为星期一至星期五，上、下午各4节，其中一个下午作为学校会议、各种学习、实验室休整等不排课，一个教室或实验室等教学场所的总排课量为36节。根据专业教学班最大人数定义一次桌面云数量，以专业实验教学软件所承担的学生数、学时统计出桌面云最少数量，理想化的最少桌面云数量计算如公式1所示。

在公式1中，n表示专业实验教学软件数量，Smax表示专业实验教学班中最大班级人数，cl表示承担的专业实验教学班数量，num表示该专业实验教学软件在实施一次实验教学所需课时数，Ln表示桌面云对应物理实验室可用间数，Tn表示单次实验教学投入的教师人数。

在现实的资源管理过程中，很难达到上述公式的理想值，以学生为起点计算桌面云数量，没有考虑对应专业教师的人数限制，因此需要对理想状态的计算进行改善。为了让计算公式方便体现，本文在完善计算过程中，以一项专业实验教学软件实施教学为样本进行计算，如公式2所示。

在公式2中，Tweek表示单项实验教学对应全部教师所能承担的周教学总时数。桌面云数量就是要将每项实验教学进行累加，或将部分实施教学进行合并。

根据确定的桌面云D数量，按照教师、学生、桌面云等不冲突的原则进行课表问题的讨论。课表问题在排课系统中按照编排时间序列已能实现正常排课，其中课程表的优化要考虑如何让物理实验室的投入最小化。以一个物理实验室每周能服务36节统计，上、下午各承担4课时的教学任务，排课时要求不浪费物理实验室资源，即有安排实验教学的物理实验室尽可能排满，其计算如公式3所示。

在公式3中，Xij表示物理实验室承担的实验教学周课时数，即安排1课时则应尽量安排至4课时。

弱化物理实验室的专业功能后，其共享度变得很高。学校可以根据招生计划，对物理实验室做好预期规划，能有效减少物理实验室的重复建设。在排课系统中涉及实验室资源的约束条件还包括两个方面:一是桌面云与物理实验室之间的约束。桌面云资源使用最大化，让物理实验室充分满足桌面云的使用，在有限教师资源下让桌面云达到最高利用率；二是桌面云与专业课程之间的约束。原则上具有较高相关度的专业课程应共用相同的桌面云，造成的多实验共用桌面云数量高与单实验桌面云数量低在实施过程中要取得一定的平衡。

三 结语

本文以虚拟实验室建设为契机，结合桌面云优势，从客户机虚拟化、服务器虚拟化、网络系统设计提出基于桌面云的实验室建设，围绕实验室资源优化探讨了资源优化模型，得出了实验室资源优化设计的方法。基于桌面云的实验室资源优化整合了实验室软硬件资源，不仅节约了虚拟实验室的建设成本，也提高了实验室的共享度和利用率，从一定程度上减少了实验室的重复建设，因此具有一定的推广价值。本文资源优化的目标是桌面云资源使用最大化和物理实验室投入最小化，但计算方法缺乏一定的柔性，如教师调课则很难有空闲的资源，以设备资源为中心排课也可能造成学生上课时间表不科学；专业课程之间在共用桌面云时如何衡量相关度、必要性等，这些问题都还需要做进一步研究。从短期来看，虚拟实验室成本仍然比较高，服务器、网络系统、虚拟化软件的建设消耗资金比较大，网络安全问题仍然存在，因此目前在高校还没有大范围地予以普及。随着虚拟化技术的日益成熟，虚拟化技术低能耗、管理便捷等所带来的经济效益将日益凸显，虚拟化在高校实验室中的应用将越来越广，高校内各专业实验室之间以及高校之间虚拟实验室的共享度也将越来越高。

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A Study on Laboratory Resource Optimization based on Desktop Cloud

LU Min-rong1XU Deng-yan2
(1. School of Accountancy, Fujian Jiangxia University, Fuzhou, Fujian, China 350108; 2. Software college, Fujian University of Technology, Fuzhou, Fujian, China 350108)

Due to the high construction cost of virtual laboratories in its initial stage, traditional laboratories are updated to function as clients from the perspective of technology. The design of client virtualization is proposed in order to reduce the expenses of clients’ hardware. Centered on servers resources, laboratory optimized model is established by integrating resources, namely hardware and software resources. Based on the teacher resources and characteristics of specialized teaching, the use of laboratories can be reduced as much as possible by optimizing design of laboratories resources under the limitation of course scheduling system. More laboratories will be shared by using virtual laboratories based on desktop cloud, which has weakened the function of specialized labs and reduced the redundant construction as well as the maintenance cost of labs.

desktop cloud; virtualization; virtual laboratories; resources optimization; cloud computing

G40-057

A【论文编号】1009—8097（2015）07—0101—06【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2015.07.016

编辑:小米

本文为福建江夏学院教育教学改革重点资助项目“基于虚拟实验室的会计实践教学平台研究”（项目编号：J2014A003）、中央财政支持地方高校发展专项资金2013-2015年建设规划“以职业能力为导向的开放式财务与会计实训基地”的阶段性研究成果。

卢民荣，讲师、实验师，硕士，研究方向为数据挖掘、虚拟仿真，邮箱为luminrong163@163.com。

2014年10月30日