建设统一虚拟化教学环境平台的探索

宋毅君, 张　明

(1. 山西大学 现代教育技术中心, 山西 太原　030006；2. 山西大学 国有资产管理处, 山西 太原　030006)



建设统一虚拟化教学环境平台的探索

宋毅君1, 张明2

(1. 山西大学 现代教育技术中心, 山西 太原030006；2. 山西大学 国有资产管理处, 山西 太原030006)

在对传统实验室架构以及存在问题进行分析的基础上,探讨了运用服务器虚拟化与桌面虚拟化技术搭建校级虚拟化教学环境平台的架构及其优势。结合山西大学统一虚拟化教学环境实验中心的建设,提出搭建校级虚拟化教学环境平台需要注意的几个关键问题:(1)满足高并发要求,以避免启动风暴；(2)架构要具有可扩展性；(3)要支持各种类型端口的外设；(4)虚拟桌面连接选择不依赖桌面操作系统内部代理程序的方案；(5)能够支持差异更新。

虚拟化教学环境平台； 服务器虚拟化； 桌面虚拟化； 实验室建设

当前,信息技术迅猛发展,并在促进教育现代化、培养创新型人才等方面发挥着重要作用。高校传统的以计算机为媒介的实验室由于部署成本高、资源固化、难于共享等问题,已不能满足新形势的需要。《国务院办公厅关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》明确指出:“要建立跨院系、跨学科、跨专业交叉培养创新创业人才的新机制。要强化创新创业实践,促进实验教学平台共享”[1]。近年来,虚拟化技术的兴起为高校计算机实验室改革提供了新的思路。笔者所在的山西大学已经建立了学生上机实验室、多媒体教室、图书馆电子阅览室、数字语音室、金融工程实验室等各种数字化教学环境。

对各种分散的数字化教学环境进行整合,搭建校级统一的虚拟化教学环境,是高校教育信息化发展的必要过程。本文对统一虚拟化教学环境平台的建设进行了分析。这个平台的建设不仅为促进实验教学平台共享提供技术支撑,有利于创新创业人才的培养,而且有助于加强高校教学管理、提高教学质量和科研水平。

1　以计算机为媒介的实验室架构及问题分析

以计算机为媒介的传统实验室架构如图1所示。这类实验室有1台低配置服务器,教学软件安装在服务器上,经网络交换机接入实验室终端,终端由PC机与还原卡构成。每台服务器上安装的教学软件由其承担的教学任务决定。这种传统实验室架构[2-8]在实验教学及实验室管理上存在一些缺陷。

图1　以计算机为媒介的传统实验室架构

(1) 资源固化,利用率低。首先,每个实验室的软硬件相对固定,只能承担固定的教学任务。当做某个实验的学生增多时,只能增加实验室的循环次数；而实验室空闲时也难以用于其他实验。其次,一台服务器只安装1个或几个教学软件,浪费了服务器资源。另外,硬件配置无法灵活升级,而每种配置都有最大的可扩容能力。当硬件资源无法满足教学应用系统的升级时只能被淘汰。

(2) 资源共享性差。由于软件授权或软件安装复杂等原因,各种软、硬件资源基本都被固化在实验室内,实验教学只能在实验室进行,实验教学资源难以共享。另外,教师备课与授课环境不能共享,教师需要用U盘或通过网络拷贝资料,系统容易被病毒侵害,使课件丢失,也容易出现PPT乱码或不能正常演示动画的问题,影响授课质量。

(3) 难以为学生搭建多机联合的创新型实验平台。例如用友“U8财务系统”的安装实验,用友U8采用了三层架构设计,需要安装数据库服务器、应用服务器、客户端，至少3台计算机才能真正理解三层架构的网络拓扑结构和安全架构，而传统实验室难以大规模搭建这种多机联合平台。

(4) 终端故障多,维护效率低。传统实验室终端PC机数量众多,遇到系统升级打补丁、应用程序更新、人为损坏、感染病毒、课件更换等问题,都会导致终端故障,管理员和教师需要花费大量的时间重建教学环境，且实验室任何终端问题都必须在现场处理,维护工作也必须在机房没有上课的时间进行,导致维护效率低。另外,终端PC机分多批次采购,配置与型号多样,需要针对型号和配置建立相应的维护策略,增加了维护难度。

2　服务器虚拟化与桌面虚拟化

服务器虚拟化技术[2,9-11]实现了服务器硬件设备与应用系统相分离,服务器物理资源被抽象成逻辑资源,CPU、内存、I/O等硬件资源变成可以动态管理的“资源池”。通过服务器虚拟化,一台物理服务器被虚拟成多台虚拟服务器,可以同时运行多个不同的操作系统,各个虚拟服务器根据实际需求进行资源的动态分配,从而使服务器的利用率大大提高,能更灵活地适应实验教学的变化。

服务器虚拟化技术的优势体现在以下几个方面:(1)服务器资源的利用率大大提高,减少物理服务器数量,减轻硬件服务器的运维工作量；(2)利用服务器虚拟化快照、vMotion等高端功能,当系统升级出现崩溃或兼容性问题时,可立即恢复升级前的系统环境,确保实验教学的延续；(3)新教学软件的部署可通过服务器虚拟化的Web管理页面远程操作完成,部署时间短。

桌面虚拟化就是借助虚拟化技术和分布式技术,将客户端的操作系统、应用程序和用户数据都集中到数据中心的服务器上,使用户操作环境与系统实际运行环境分离,从而实现对所有终端桌面的集中监控和管理,提高管理效率[12-13]。采用桌面虚拟化后,用户在任何时间、任何地方都可以访问到自己的桌面系统。统一虚拟化教学环境平台采用远程托管的专用虚拟桌面，每个用户在服务器上有自己一套独立的虚拟桌面系统,与其他用户只是共享服务器硬件资源,而不共享文件目录和应用程序,用户之间可以很好地隔离,提高了安全性。

远程托管的专用虚拟桌面的技术架构如图2所示,主要部分及分工如下:

(1) 桌面终端(包含终端软件):采用低功耗的瘦终端和显示器或一体机方式,在终端上安装终端软件实现虚拟桌面的接入；

(2) 远程显示协议:目前流行的协议有RDP、ICA、PCOIP,主要实现将远程虚拟桌面的内容映射到终端,同时将终端的外设映射到虚拟桌面上供桌面使用；

(3) 服务器、存储:为虚拟桌面提供集中的计算资源、存储资源；

(4) 虚拟桌面管理器:负责桌面会话管理及桌面创建、分配管理等；

(5) 虚拟化平台:负责将硬件资源池化,并将抽象后的逻辑资源组装成虚拟机。

图2　远程托管的专用虚拟桌面的技术架构

3　统一虚拟化教学环境平台技术架构及优势

3.1统一虚拟化教学环境平台的技术架构

山西大学目前有几十个机房,终端PC机达到几千台,日常维护、软件部署和系统升级的工作量都很大。为了解决这个问题,同时也为了适应教育信息化的发展,为学生搭建创新性实验环境,学校决定建立统一虚拟化教学环境平台。

山西大学统一虚拟化教学环境平台采用服务器虚拟化和桌面虚拟化技术,技术架构如图3所示。通过服务器虚拟化技术,对全校所有安装教学软件的服务器进行有机整合、统一管理；通过桌面虚拟化,将所有终端桌面和应用程序集中到数据中心的服务器中,支持各种瘦客户端、平板电脑、笔记本、原有电脑等跨平台设备访问虚拟桌面和进行业务处理。运维人员在数据中心的服务器上就可以对所有桌面进行集中管理和监控。校级统一虚拟化教学环境平台的建设不仅提高了服务器资源的利用率,而且提升了实验室管理效率和整体运维能力。

图3　统一虚拟化教学环境平台的技术架构

3.2统一虚拟化教学环境平台的优势

(1) 集中管理、统一配置,提升管理效率,降低维护成本。统一虚拟化教学环境平台对学校分散的PC机终端进行集中管理,统一配置虚拟桌面。所有的数据和应用程序都放在数据中心的服务器上,使用者在终端调用数据和程序。IT管理者具有中央管理能力,任何时间、任何地点在虚拟化教学环境平台上都可以管理所有终端桌面,对它们进行统一配置与维护。无论是重装系统、更新软件甚至是灾难恢复,管理员通过网络在服务器上安装调试更新后,所有的终端桌面都被更新。与传统分散PC机模式相比,统一虚拟化教学环境平台可以节约软件部署时间、提升管理效率、降低维护成本。表1是两种方案的管理效率对比。

表1　管理效率对比表

(2) 资源共享,按需分配,提高资源利用率,改善教学环境。在统一虚拟化教学环境平台的建设中,我们利用Vmware vSphere服务器虚拟化技术,将原有的20台低配置服务器端的软件集中到3台高配置服务器上,将服务器上的物理资源“池化”,闲置资源可动态分配给使用中的虚拟服务器,使服务器资源利用率从10%提升到了40%。软硬件不再被固化到每个实验室,而是变成了平台上可以随时共享的资源,师生可以不限时间、远程访问实验中心的教学环境资源。在该平台,可以实现个性化桌面的随需部署与管理,为每位教师定制专属教学环境,教师上课时只要调用自己的专用桌面就可以看到自己目录下的所有内容,无需携带课件,避免了教学环境不兼容的问题。利用这个平台,可以为学生灵活搭建各种创新实验，例如小组软件开发实验,学生根据各自的小组角色,可以访问不同的虚拟桌面,为其提供与角色相对应的工具或环境,而且桌面可以较长期保存。

(3) 解决传统实验室模式下的软件冲突问题。客户端计算机往往安装的软件比较多,部署新应用程序时可能会造成冲突或故障。而在虚拟化教学环境平台平台上,可以创建一台新的虚拟机,将有冲突的新应用部署在新的虚拟机上,完全避免冲突。

(4) 降低总体成本。首先,传统PC机的功耗通常在300 W以上,而终端PC机的功耗小于15 W,是PC机功耗的1/20,可以节省大量的电费支出；其次,高可靠的终端设备降低了故障率和维护难度,可减少日常人工维护费用；再次,终端使用时间为6～10年,远高于PC机3～5年的更新周期；最后,通过增加服务器CPU和内存配置就可以提升桌面性能,无需更换终端。

(5) 绿色环保。由于瘦终端的低功耗、无辐射、无风扇、低噪音、体积小,采用瘦终端的实验中心将更加安静、整洁、绿色、环保。

4　建设统一虚拟化教学环境平台的关键问题

4.1以计算机为媒介的实验教学特点

高校计算机实验教学有以下特点,在建设统一虚拟化教学环境平台的软硬件选型时应给予充分注意。

(1) 同类资源的访问并发性高。上课时,所有学生并发开机,容易导致启动风暴；所有学生同时使用同一软件、做同一个操作,会集中占用相同资源。

(2) 使用者的流动性大。一般企业里每个终端的使用者基本固定,高校计算机实验室则在不同时间段安排不同的实验课程,终端对应不同的使用者,使用者常常轮换、流动性大。

(3) 应用场景多样。随着高校信息化的推进,计算机实验室日益成为集机房教学、上机实践、上机考试、培训、自主学习与实践创新为一体的高适应性共享平台[14],在搭建统一虚拟化教学环境平台时要考虑应对专业教学、毕业设计、计算机等级考试、专业考试、培训等各种场景。

(4) 教学、辅助软件多,操作系统类型复杂。终端桌面需要安装各种教学软件,并且这些教学软件更新频繁。每个新学期,要根据教学要求为终端桌面更新教学软件。终端桌面除了各种专业教学软件外,还需要安装机房管理系统、多媒体教学系统、上网准入系统等辅助软件,这些软件之间很容易出现兼容性问题。为了让这些软件都能正常运行,要求实验教学环境平台支持WinXP、Windows Server(32/64位)、Linux等操作系统。

(5) 在教学中会用到大量外设，例如教学中会用到白板、光驱、加密钥等。

4.2建设统一虚拟化教学环境平台应注意的问题

根据高校计算机实验教学的特点,在搭建校级统一虚拟化教学环境平台时需要注意以下问题。

(1) 在架构设计中,为了满足计算机实验教学的高并发要求,避免启动风暴等问题,存储部分设计要重点考虑iops、吞吐量等技术参数,在整个架构设计中，后端存储采用全闪存储,服务器采用闪存卡和SAS硬盘相结合的方式。

(2) 整个架构要具有可扩展性。统一虚拟化教学环境平台采用分步建设、逐步替换原有实验室设备的方式,这就要求架构具有只通过增加存储、服务器就可扩展整个后台平台的能力。在后端存储中采用横向扩展的SAN；服务器虚拟化采用vmware sphere；桌面虚拟化采用基于KVM的桌面虚拟化系统。

(3) 平台在支持各种操作系统的基础上,还要支持各种类型端口的外设,满足教学的需要。

(4) 在客户端建立虚拟桌面连接方案中,选择不依赖桌面操作系统内部代理程序方案。桌面操作系统内部代理程序方案非常脆弱，AD故障、DNS故障、网络故障、程序冲突、误删文件等都可能影响正常工作,而且故障诊断定位非常困难；而不依赖桌面操作系统的内部代理程序,用户对OS的任意操作都不会影响连接,让用户享有完整的桌面体验。目前,采用这个方案的有云巅iConn、噢易桌面云等。

(5) 桌面虚拟化平台要能够支持差异更新。计算机实验教学的软件更新频度高、虚拟桌面数量多,只有通过差异更新才可以大大提高虚拟机的部署速度。

5　结语

统一虚拟化教学环境平台不仅可以提高实验室的共享度、减少实验室的重复建设、降低实验室的维护成本,而且可以实现绿色环保和低碳节能的规划目标。随着高校教育改革和教育信息化的推进,搭建校级统一虚拟化教学环境平台将成为高校信息化建设的热点之一。

References)

[1] 国务院办公厅.国务院办公厅关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见[EB/OL].(2015-05-13)[2015-11-15].http://www.gov.cn/zhengce/content/2015-05/13/content_9740.htm.

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[14] 宋毅君,李济洪.高校公共计算机实验室管理模式探析[J].教育理论与实践,2012,32(9):24-26.

Exploration of platform construction of unified virtualization teaching environment

Song Yijun1, Zhang Ming2

(1. Modern Education Technology Center ,Shanxi University, Taiyuan 030006, China；2. Capital & Equipment Office ,Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

On the basis of the analysis of the structure of traditional laboratory and the existing problems, the architecture and advantages of virtualization teaching environment platform are discussed by using server virtualization and desktop virtualization technology. Combined with the construction of the experiment center of unified virtualization teaching environment in Shanxi university, this article puts forward several key problems needed to be aware in the platform construction of virtualization teaching environment as follows: (1) The requirement of high concurrency should be met to avoid boot storm; (2) The architecture must be scalable; (3) Various types of peripherals should be supported; (4) Virtual desktop connection chooses the solution which doesn’t rely on the internal agent of desktop operating system; and (5) Differential update should be supported.

virtualization teaching environment platform; server virtualization; desktop virtualization; laboratory construction

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.032

2015- 11- 20

国家自然科学基金项目(60873128)

宋毅君(1977—),男,山西长治,硕士,实验师,山西大学现代教育技术中心副主任,主要研究方向为教育信息化、统计机器学习.

E-mail：songyj@sxu.edu.cn

TP393.09

A

1002-4956(2016)4- 0115- 04