基于虚拟云技术的实验室建设和管理

曾阳艳

摘要：通过对虚拟云技术在实验室的应用研究，构建云环境下虚拟实验室架构，以提供多样的、动态的实验环境；通过桌面虚拟化技术和服务器虚拟化技术对资源访问和管理，从根本上改变了计算机实验室建设和管理方式，解决了实验室建设成本高、管理维护效率低等问题，使计算机实验室资源更好地为实验教学和科研服务。

关键词：虚拟化；云计算；实验室建设管理；实验资源共享

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）18-0047-03

随着计算机及其应用技术日新月异的发展，社会对高校毕业生在计算机应用能力方面的要求也与日俱增。加强学生计算机应用技能的培养，使之具备与其专业相适应的计算机应用能力是我国高校计算机相关课程教学改革的重要任务和目标，在现阶段按照传统方式建设和管理的计算机实验室已经无法满足教学、科研的需要，主要体现在以下几个方面：

1）服务器资源利用率低。传统的模式下，每个实验室配置1-2台服务器，

一个服务器一个操作系统，一个应用，并且长期存在一部分实验室服务器满载，而另一部分服务器闲置，据统计实验室服务器的平均资源利用率只5～15%左右。

2）实验室建设、维护成本高。随着计算机技术的发展，实验室硬件设备一

般只能满足3～5年的需求，软硬件的升级和更新需要大量的成本。在实验室日常的管理维护中，传统的方式缺少集中化的IT管理机制，实验室管理人员无法集中监控、远程访问和管理实验室，维护效率低。此外，如遇到突发情况，服务器或者学生机系统崩溃死机，数据丢失，可靠性无法保障。

3）实验室管理分散，管理成本高。传统方式下，服务器、计算机设备都分开放置，占地面积大，需要大量的人力来进行维护和管理，运维成本大。同时在实验室日常管理中，实验室管理人员常常需要进行大量繁琐的、重复性的劳动来进行教学、科研、考试、培训等各方面软件的安装和维护。

4）实验室利用率低、实验资源共享度低。传统方式下，硬件设备资源有限，计算机实验室的功能主要依据所服务的专业来划分，如网络技术实验室、软件工程实验室、计算机基础实验室等，每个专业实验室均只安装其相关专业的软件，因此仅能完成有限的一些课程的实验教学和科学研究，存在实验室利用率偏低的问题；此外传统实验资源往往只能在实验室里才能使用，实验资源受时间、场地限制，共享度低。因此实验室的建设和管理技术需要不断更新。

1.虚拟云技术介绍

云计算是一种能够通过网络以便利、按需的方式获取计算资源（包括网络、服务器、存储、应用和服务等）并提高其可用性的模式，这些资源来自一个共享的、可配置的资源池，并能够以简便和无人干预的方式获取和释放资源。云计算体系结构的主要由资源层（IaaS）、平台层（PaaS）与应用层（SaaS）组成。

虚拟化（Virtualization）是为某些对象创造的虚拟版本。它是表示计算机资源的抽象方法，通过虚拟化可以用与访问抽象前资源一致的方法访问抽象后的资源，可以为一组类似资源提供一个通用的抽象接口集，从而隐藏属性和操作之间的差异，并允许通过一种通用的方式来查看和维护资源，包括服务器虚拟化、存储虚拟化、应用虚拟化、平台虚拟化、桌面虚拟化。虚拟化技术是将各种计算及存储资源充分整合和高效利用的关键技术。

2.基于虚拟云技术的实验室建设和管理

2.1搭建虚拟云计算平台，为学生提供先进的虚拟化实验平台

随着云计算及虚拟化技术的发展，虚拟化已用于各种生产环境，为此，实验室的建设采用搭建虚拟云平台，为学生提供学习及研发环境，能够学习HA、DRS、VMotion等虚拟化技术，主要包括桌面虚拟化和服务器虚拟化2个部分。实验室建设所依托的完整云环境下虚拟实验室架构图如图1所示，该图包含了实验平台的各种功能模块，表述了各功能模块之间的关系。

2.2虚拟桌面的部署和实现

传统的实验室PC机位置分散，如果需要进行操作系统或者应用软件的安装，管理员需要逐个机房安装，遇到时间比较紧迫的考试，临时环境的安装更加困难，经常需要通宵加班。对于学生而言，上机的地点分散，机房的机器有还原卡，桌面的环境和数据不能跟着走，学习起来不方便，因此，我们可以采取虚拟桌面技术来解决上述问题。

现在主流的虚拟桌面技术有两种，瘦客户端和非瘦客户端。瘦客户端是指基于PC工业标准设计的小型行业专用商业PC，他的内部没有硬盘和软盘驱动器，所有的数据都存放在中心服务器上。非瘦客户端模式是保护卡管理的一种升级模式，服务器用于管理系统镜像、镜像更新等操作，实时更新用户终端系统。在非管理模式下，用户终端所有的操作都在本地执行，与单个的PC机没有任何区别。

2.2.1虚拟桌面的实现

桌面虚拟化技术将传统PC终端的操作系统和应用软件都安装在后台服务器虚拟机中，所有的运算都由服务器来完成，老师或学生可以随时随地通过客户端来访问虚拟机，如使用云终端、瘦客户机、传统PC或者笔记本电脑等。而云服务器通过虚拟化技术，生成大量的虚拟桌面，并利用远程桌面显示协议，通过网络将桌面发送给终端设备。管理员可以通过IE浏览器访问服务管理平台，对服务器集群和所有虚拟桌面进行管理和维护，从而实现桌面环境集中管理、终端零维护和硬件资源的弹性分配。

2.2.2虚拟桌面的优点

使用桌面虚拟化技术后，具有如下优点：

1）实验室管理员只需要根据实际需要创建一个桌面模块，再根据模板批量克隆具有相同配置的虚拟桌面，通过用户名或者终端名实现桌面的快速分配，极大的提高了实验室管理效率。

2）管理员还设置“虚拟个人桌面”，在这种环境下，虚拟机数据不还原，虚拟机登陆跟随账号走，在任何设备、任何时间、任何地点都可以登陆属于自己的桌面，以满足老师和教学、科研、学生毕业设计、课程设计等上机实践的需求。

3）管理员还可以设置“虚拟教学桌面”自定义还原策略，用于上课培训等场景，并支持批量修改虚拟机的IP、计算机名以及系统登陆名，可以满足计算机等级考试的环境需求。

4）虚拟桌面提供了多重安全保障。设备终端在使用“虚拟桌面”的同时，

也可以使用本地系统。当网络中断时，学生可以使用本地系统继续完成相关操作。

5）采用虚拟桌面，老旧PC也能登上云平台，在虚拟环境下计算机能力主要来自于服务器，终端设备可以采用极低配置的PC，让十年前的PC使用Win7系统和新型的应用软件也十分流畅，极大的延长了实验室硬件设备更新换代的时间，节约了大量的成本。

2.3服务器虚拟化的实现

服务器虚拟化的实现需要有完整的虚拟化设备和管理软件，包含虚拟化的所有重要因素，如虚拟生命周期、迁移、备份和恢复、监控、高可用性和工作负载管理等。服务器虚拟化可以充分提升服务器的利用率，降低成本。

服务器虚拟化主要包括2个组件：1）虚拟化计算节点：以内核虚拟机技术为基础，部署在实体服务器上，使得一台服务器上可以运行多个虚拟机，虚拟机之间相互独立，互不影响，可以根据需要安装不同的操作系统和应用软件。2）虚拟化控制节点：管理员可以查看和管理虚拟环境内所有组件，通过浏览控制节点，由单一的GUI接口实现对资源池、服务器、虚拟机、数据存储、镜像、网络、安全等功能组件进行管理，同时包可以对资源的全局实时性能检测和统计、在线迁移、应用负载均衡、时间跟踪查询等。

2.3.1服务器虚拟化的特点

服务器虚拟化之后，可以带来如下特性：

1）集中管理数据：使用虚拟服务器后，管理员可以采用集中的管理方式，

通过办公PC、移动终端、手机等访问管理平台，在信息中心远程就可以完成所有服务器、虚拟机的生命周期管理，资源动态调配均衡，业务部署和日常维护工作，不受地理位置的限制。

2）服务器可靠性高：当物理服务器发生故障，如硬件损坏、异常报错、无

法启动等状况，虚拟机可以在资源池内其他正常的服务器上重新启动，保证用户访问的连续性。

3）自动负载均衡，响应时间提高：服务器虚拟化之后，在业务访问的高峰

时段，利用服务器作为负载均衡设备，创建多个虚拟机共同承载，并根据虚拟机的优先级，让其访问获得计算资源，实现高负荷业务的负载均衡。

4）兼容性好，部署简单快速：服务器虚拟化平台能够虚拟出不同操作系统平台以供实验或科研使用，如：WINDOWS、LINUX、UNIX等，并可以通过系统模板功能，在几分钟搭建几十台服务器的实验环境，为老师节约教学准备时间。同时，也可以通过系统模板功能，快速部署考试服务器等应用服务器所需要的应用环境。

5）易备份，易恢复：虚拟化服务器提供了备份接口，可通过存储自带的备

份软件，对虚拟机进行备份，当虚拟机的操作系统或应用软件出现问题时，能快速恢复整个系统及相应应用。

2.3.2服务器虚拟化前后对比

对比发现通过虚拟化技术可以将多个物理服务器整合成一个物理服务器，降低了硬件采购的成本，同时通过资源的统一管理和调配也使服务器的平均利用率提高了60%左右，此外，实验室的管理维护更加便捷，部署的时间也从原来的小时级提高到了分钟级，节约了大量的人力资源，因此采用虚拟化技术和虚拟架构可以降低实验室建设成本，更好的满足教学与科研需要。

3.结束语

基于虚拟云技术在实验室建设管理中的应用，简化了实验室的管理工作，

既提高了资源利用率，降低了耗能，又充分发挥出了低配置物理服务器的合力，从根本上改变了计算机实验室建设和管理方式，使计算机实验室资源更好地为实验教学和科研服务。