基于SPICE协议的云实验室设计与实现

杨　飞，朱志祥，梁小江

（1.西安邮电大学，陕西西安　710061；2.陕西省信息化工程研究院，陕西西安　710061）



基于SPICE协议的云实验室设计与实现

杨飞1，朱志祥2，梁小江2

（1.西安邮电大学，陕西西安710061；2.陕西省信息化工程研究院，陕西西安710061）

摘要：随着云计算和互联网的快速发展，云计算技术也不断地影响和促进信息化教学的发展。桌面虚拟化通过KVM虚拟化技术和云计算技术相结合，将用户桌面环境和计算环境解耦合。SPICE协议作为开源的虚拟桌面传输协议能够在服务器和远程用户终端上部署虚拟桌面。在OpenStack中使用KVM虚拟化技术搭建服务器集群，能够实现海量计算能力和灵活的资源分配机制，提高了云平台的安全性和稳定性。用户通过客户端获得便捷的虚拟桌面环境，数据中心将虚拟资源集中式管理，便于教育资源的统一和安全管理，降低学校的运维和人力成本，节省硬件资源。

关键词：SPICE协议；云计算；KVM；桌面虚拟化；云实验室

0　引言

随着云计算和虚拟化技术的快速发展，传统教学方式不能满足云计算环境下的教学资源管理和授课方式。桌面虚拟化技术通过虚拟化技术和云计算技术相结合[1]，作为一种在云计算下的资源交付手段，将用户桌面环境和计算环境分离，不仅能够为用户提供便捷的桌面办公环境和较好的用户体验，还能通过统一的数据中心将用户的虚拟资源进行集中化管理，降低高校的信息管理和运维成本，提高教育数据资源的安全性，同时也能够集中管理教育资源[2]。

本文基于OpenStack平台的基础架构，采用KVM虚拟化技术搭建远程服务器集群，实现服务器资源的灵活分配和海量计算能力，设计云基础设施平台实现对云实验室虚拟资源的统一管理。设计和实现基于SPICE协议的云实验室客户端，通过地址和端口对虚拟服务器资源的访问和请求，保证了整个云实验室的安全性，同时用户可以通过云实验室客户端随时随地访问远程服务器虚拟资源，灵活管理和操作云实验室的虚拟服务器资源。

1　系统设计框架

在OpenStack云平台上构建云桌面系统的服务端，采用OpenStack作为虚拟桌面的基础服务，在OpenStack中采用KVM虚拟化技术，实现本地用户对物理服务器的远程访问，使用户能够共享相同的物理服务设备[3]。

虚拟化技术能够在一台计算机上运行多个操作系统，每个操作系统上运行自己独立的应用软件，可以对

这些系统进行有效隔离，对资源进行按需分配，从而保证每一个操作系统的安全性和性能。对处理器进行了扩展，从而实现了处理器的虚拟化[4]。

来自瘦客户端、台式机、笔记本的用户发出连接请求，通过对应的SPICE服务连接云实验室的客户端，客户端首先向服务端建立一个主要接口的连接请求，创建工作线程并等待远程服务端的消息，云实验室服务端完成初始化后，客户端继续进行后面的初始化工作。图1为云实验室整体设计框架。

图1　云实验室整体设计框架

1.1客户端设计与实现

本系统的客户端基于SPICE协议进行开发和设计，根据实际生产需求设计和部署，制作成针对Windows用户的安装文件，用户安装产生Qidian⁃for⁃window.exe应用程序后，产生Qidian⁃remote⁃viewer.exe客户端，操作简单便捷。

用户在登陆界面中输入在远程服务器中分配的虚拟资源的相应地址和端口，进入到远程服务器进行云实验室的操作管理。用户若没有通过认证则返回到登录界面继续登录，只有认证成功的用户可以访问远程服务器的虚拟资源，这样保证了整个云实验室的登录安全性。在云实验室客户端有文件、查看、组合键、帮助信息四个选项，用户操作界面选项实现对远程服务器集群资源的访问和操作。云实验室客户端框架如图2所示。

1.2服务器虚拟化设计框架

通过服务器虚拟化技术将物理资源抽象为逻辑资源，从而提高云实验室物理资源的利用率，能够根据客户的具体需求改善资源分配[5]，简化系统管理，降低单点故障，提高服务保障水平。

采用OpenStack作为整个云实验室的基础服务平台，在虚拟桌面的服务端实现对用户虚拟桌面的交付流程，同时可以实现对云实验室虚拟资源的管理[6]。使用ceph统一存储集群构建虚拟桌面资源池，通过KVM虚拟化技术实现远程服务器资源的虚拟化，组成庞大的服务器集群，能够提供海量的计算能力和灵活的资源调配机制，提高整个云实验室的安全性和稳定性[7]。

图2　云实验室客户端框架

在整个云实验室的服务端，能够满足用户的多种资源申请需求，管理员能够统一管理和分配整个云实验室资源。管理员根据用户的请求分配虚拟机资源，在分配的过程中也附带了云实验室客户端需要的地址和端口，在云实验室客户端使用对应的地址和端口访问远程服务器资源[8]。图3为服务器资源虚拟化框架。

图3　服务器资源虚拟化框架

2　应用与测试

2.1客户端

SPICE认证系统是整个云实验室的认证中心，用户可以根据自己的需求选择使用远程的服务器资源，通过输入远端服务器的地址和端口，实现本地客户端随时随地访问云实验室，满足不同用户的多种请求，同时也保证了整个云实验室资源的安全性。图4为客户端登陆界面。

图4　客户端登陆界面

客户端登陆界面直接连接远程服务器的虚拟资源，合法用户通过云实验室的客户端进行相应操作，只有管理员可以对合法用户进行资源的分配和回收，提高了整个云实验室的灵活性。

2.2服务端

服务器虚拟化技术实现云实验室远程器资源的分配和管理工作。管理员登陆后才能够对远程虚拟资源进行操作，包括对虚拟资源集群的分配、回收、资源监控等。图5为云基础设施管理平台。

图5　云基础设施管理平台

管理员进入云基础设施管理平台后，能够根据用户的请求合理分配服务器虚拟资源，在分配虚拟资源的过程中将云实验室客户端的地址和端口分配好，用户通过客户端对新起点云实验室虚拟资源进行访问[9]。图6为新起点云虚拟桌面。

图6　新起点云虚拟桌面

2.3云实验室虚拟资源管理

用户进入云基础设施管理平台后，可以对整个云实验室的虚拟资源进行操作和管理。图7为虚拟机管理界面[10]。

图7　虚拟机管理界面

3　结语

用户通过云实验室客户端的统一认证后，才能访问远程虚拟服务器资源，实现随时随地访问云实验室资源的灵活性和安全性。

将虚拟桌面推送给不同用户，有效解决了云实验室客户端设备的局限性，将云实验室的虚拟资源放在云端，实现了服务器虚拟资源的统一管理。本系统能够实现云实验室的基础功能，也是当前信息化教学的发展趋势。

参考文献

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朱志祥（1959—），男，博士，教授。从事信息安全研究。

梁小江（1983—），男，软件工程师。研究方向为云计算与大数据。

Design and implementation of cloud laboratory based on SPICE protocol

YANG Fei1，ZHU Zhixiang2，LIANG Xiaojiang2
（1. Xi’an University of Posts and Telecommunications，Xi’an 710061，China；2. Shaanxi Information Engineering Research Institute，Xi’an 710061，China）

Abstract：With the rapid development of cloud computing and Internet，the cloud computing technology has constantly in⁃fluenced and promoted the development of information⁃based teaching. The desktop virtualization technology is used to decouple the user′s desktop environment and computing environment by combining KVM virtualization technology with cloud computing technology. SPICE protocol taking as the transfer protocol of the open source virtual desktop can deploy the virtual desktops in server and remote user terminal. The server cluster is established with KVM virtualization technology in OpenStack，which can achieve the massive computing power and flexible resource distribution mechanism，and improve the security and stability of the cloud platform. Users can get the convenient virtual desktop environment through the client. The virtual resources are integrally managed by the data center，which is convenient for the unification and security management to the educational resources，and can reduce the costs of operation and labor，and save the hardware resources.

Keywords：SPICE protocol；cloud computing；KVM；desktop virtualization；cloud laboratory

作者简介：杨飞（1989—），男，硕士研究生。研究方向为云计算与大数据。

收稿日期：2015⁃06⁃08

doi：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2016.01.004

中图分类号：TN915⁃34；TP302.1

文献标识码：A

文章编号：1004⁃373X（2016）01⁃0013⁃03