云计算实验室建设方案探究

何婧媛

【摘 要】本文分析云计算优势及在教学领域的发展趋势，提出“虚拟云实验室”建设方案，采用瘦客户端模式，构建虚拟云实验室的总体框架和相关功能设计。将服务器虚拟化、桌面虚拟化和最近最少使用算法应用于云实验室建设方案，提高了资源利用效率，对云计算在教学领域的应用具有重要意义。

【关键词】云计算；虚拟化技术；实验室建设；LRU

0 引言

随着云计算的应用越来越广泛，综合考虑计算机实验室面临的问题及云计算的优势和提供的服务。本文探讨利用云计算的技术优势，将云计算融入实验室建设，使实验室面临的一些问题得到较大改善，如建设成本高、资源利用率低、管理运维效率低、受时间和地点限制、安全性低等。文本采用瘦客户端模式来构建虚拟云计算实验室建设方案，提出的云计算实验室建设方案具有如下优点：提高资源利用率；易于管理；安全、可靠、灵活、可扩展[1]；方便、快捷、按需分配。该方案具有较好的实用性。

1 云计算的技术优势

云计算是分布式计算、并行计算、网格计算、效用计算、网络存储、虚拟化、负载均衡等传统计算机技术和网络技术融合的产物。它提供了3种服务模式：基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS），具有超大规模、虚拟化、高可靠性、通用性、高扩展性、按需服务、高性价比等特点。云计算是一种不同与传统计算的新计算模式，它通过效用计算和SaaS提供了一种新的集成方式，并且要使用云服务需通过Web浏览器或者是经过定义的API。

将云计算应用到教学领域可以将相应的信息化教学资源虚拟化成庞大的云资源库，从而向学生提供广泛的教学云服务。在教学云中，用户无需安装任何软件就可以随时随地通过浏览器来访问云资源库，从而完成学习需求。云系统通过大量计算机集群进行海量数据存储与处理，为用户提供实时的服务信息。如果将基于云计算的教学云与多媒体教学资源和虚拟实验资源进行整合优化，就可以构建成一个实时、全面的多媒体教学实验云平台，这对于提高教育信息化、促进教育发展具有重要意义[2]。

2 云计算实验室建设方案设计

2.1 总体概述

虚拟云实验室能够统一管理虚拟资源库，学生通过瘦客户机连入虚拟云实验室，学生所用虚拟机是根据教师的虚拟机模版自动分配的，所分配的虚拟机具备了实验所需的软件环境和实验环境。虚拟云实验室不必考虑课程所需的软件环境就能够在云端为大多数课程构建虚拟实验环境。教师能够统一管理学生的虚拟桌面，并解决实验中出现的任何问题。

虚拟云实验实采用瘦客户端/云服务器模式，主要由云服务器端、用户端和网络连接组成，包括相关的软硬件资源，整体框架如图1所示。

在上述框架中，用户端采用的模式是瘦客户模式，用户能够通过终端连接云实验网络并进行相关操作，后台系统包括用户端以外的所有部分。在实验过程中，虚拟实验环境是通过实验服务器进行构建并提供必要的支持，云资源是通过虚拟云桌面进行连接的，实验在虚拟桌面运行，而实验过程和结果的相关数据则保存在虚拟云服务器端，实验数据是通过存储服务器进行存储，实验环境及运行状态是通过监控服务器进行监控。本文提出的虚拟云实验室系统能够实现相关数据和软硬件资源等的集中调度管理，从而提高实验运行效率。

2.2 功能实现

虚拟云实验室实现的功能主要包含：第一次使用需注册用户帐号方可进入，进入后在用户端登录成功便可根据需要创建虚拟实验环境，并完成相关实验。上一次未做完的实验下一次仍可继续完成。实验完成后提交到云服务器进行仿真实验，并将仿真结果回传给用户。为方便后续实验对已完成实验数据的调用，实验数据可存放在云存储器。云实验服务器可为用户提供实验所需的硬件资源和虚拟实验环境。用户通过云服务器不仅可以随时查看实验所需的相关文件资料，还可以将所做实验的相关信息进行共享。实验过程中，教师能够统一管理学生的虚拟桌面，指出并解决实验中出现的任何问题。

2.3 性能分析

云计算实验室具有以下优势：降低实验室硬件设施的投入、加大了资源存储空间、实验虚拟化、提高了资源利用率、实验资源共享、降低了实验限制性、降低实验室管理维护的开销、提高安全性和环保性[3]。云计算实验室在具有上述优势的同时，在经费投入方式、云服务端应急处理能力及云自身缺陷等方面的工作还得加强，这也是今后工作的需要。

3 关键技术

3.1 服务器虚拟化

服务器虚拟化实现了多个虚拟机运行在单个服务器上，并对硬件资源进行抽象。服务器虚拟化为虚拟机的运行提供了环境和安全措施，保证了虚拟机的运行和信息的安全与共享。服务器虚拟化的使用具有以下优点：提高了服务器资源利用率、动态分配资源、提高了部署进程、降低成本、增强了兼容性和可用性、安全[4]。

3.2 桌面虚拟化

桌面虚拟化依赖于服务器虚拟化，是将计算机的终端系统进行虚拟化，使得桌面使用具有灵活性和安全性，用户使用任何设备便可随时随地通过网络访问个人的桌面系统。桌面虚拟化与IAAS结合形成云桌面。云桌面将大量物理资源集中到后台的数据中心，管理者能够统一认证和管理大量的主机、虚拟机和终端设备，使得资源调配更为方便灵活。具有以下优点：快速灵活部署、提高资源利用率、负载均衡、配置灵活、数据存放安全可靠、维护方便、节能减排。

3.3 最近最少使用算法

虚拟云实验室资源访问采用最近最少使用算法（LRU）进行合理配置。最近最少使用算法是内存管理的一种页面置换算法，对于在内存中但又不用的数据块（内存块）叫做LRU，操作系统会根据哪些数据属于LRU而将其移出内存而腾出空间来加载另外的数据。

实验运行过程中，实验的所有相关参数信息是由云服务器端来进行记录，一个用户完成实验并退出环境后，云服务器端的实验环境并没有将相关实验信息清空，而且对一些相关的服务资源和访问次数做了记录。新用户来申请实验环境时，若云服务器已记录的某实验环境与用户所求相类似，同时该服务也处于空闲状态，此时可将空闲环境中最近使用次数最少的一个优先分配给该用户使用。若用户提交的实验资源没有相似的，就给用户分配一个空闲实验环境中使用次数最少的。与此同时，若用户与云服务器长时间没有进行数据连接，则客户端与云服务器端的连接就自动断开。

4 结论

本文提出的云计算实验室借助云计算技术共享实验环境，整合教育教学资源，降低实验成本。本文利用服务器模拟化和桌面虚拟化等技术实现的虚拟云实验充分发挥了云计算优势，不仅解决了传统计算机实验室存在的问题，还方便了学生的创新实验和相关课程设计，提高了资源利用率、实现了资源共享、降低了实验限制性、实验安全环保等，具有一定的发展前景。

【参考文献】

[1]阳建州.高校实验室云平台建设及应用案例[D].东华大学，2014.

[2]张乃千，杨海，等.基于云计算的虚拟实验室云平台设计[J].计算机教育，2015（1）：39-44.

[3]郑平辉，庄鸿鸿.基于云计算的高校实验室研究与实现[J].赤峰学院学报（自然科学版），2015，31（5）：17-18.

[4]柏忠贤，崔纯，等.高校云计算实验室虚拟化解决方案探究[J].软件导刊，2014，13（6）：5-8.

[责任编辑：王楠]