高校基于云计算的虚拟实验室建设研究

刘颖 刘淼晶

摘 要：本文完成了虚拟实验室系统架构分析，对每个层次具体实现进行了研究。本文首先分析、选择合适的数据中心解决方案，数据中心提供虚拟机，实现基础设施即服务IaaS；其次深入研究了虚拟实验室控制系统的模块设计、工作流程及实现方式；最后对用户平台进行了编码实现。对基于云计算的虚拟实验室建设提供了可行思路和具体的实现方案。

关键词：云计算；虚拟实验室；虚拟机

中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2016）03-0053-04

一、引言

近年来，在互联网及云计算技术迅速发展的环境下，高等学校信息化建设出现了新局面。高校在计算机实验室建设方面加快了建设和更新速度。但师生在教学中还是遇到了很多问题。本文就高校如何在云计算环境下建设虚拟实验室进行了研究。分析现有的云计算服务，提出虚拟实验室的系统框架和具体实现方法。

二、现有研究分析

目前，高校的计算机实验室方便了教学活动，提高了教学质量。但通过分析我校计算机专业师生在实验室的课堂教学活动，发现了一些问题。

（1）学生学习延续性受阻。学生在实验室进行了课堂学习，执行了部分实践操作，如果课后希望继续学习，需要复制实验环境。当实验环境比较复杂时，学生就无法实施课后学习。

（2）教学资源利用率低。课堂结束后，实验室的机器空闲。硬件、软件资源利用率不高。实验室设备更新速率比较快，被淘汰的设备闲置造成了浪费。

（3）实验室管理员任务繁重。管理员需要管理每台计算机，包括软件更新、系统更新、安装硬件等。

建立虚拟实验室是实验室信息化建设的一个发展方向。在现有研究中，基于云计算的虚拟实验室是其中的研究热点。

基于云计算的虚拟计算机实验室[1]-[4]提出基于IaaS服务的虚拟实验室。分析了构建思想和系统框架。但对每个层次的具体实现方法和实现细则没有研究。

基于微软Hyper-V虚拟化技术建设虚拟实验室[5]-[6]提供了一种具体的搭建方案。使用微软提供的WMI接口进行编程，实现用户对虚拟机的操作。虚拟计算机实验室[7]基于VMware和Citrix的IaaS服务主要设计了资源预约流程。实验资源管理系统[8]为每个实验室划分了虚拟机群。

基于云计算的虚拟实验教学系统[9]利用云计算平台，将本地或异地的不同实验用户与虚拟实验室联结起来，共享一个虚拟的实验空间。基于云计算的虚拟科研环境[10]利用国家网格中可共享的虚拟机资源，通过网格技术来访问和使用资源，实现国家网格资源共享，为不同学科的科研提供在线云服务。其本质是PaaS，PaaS需要为不同的应用开发不同的平台，应用场景有局限性。比如计算机系和化学系的实验不尽相同，所需的虚拟实验室功能就不一样。

本文将研究提供IaaS服务的虚拟实验室，对每个层次、模块的功能和实现方法进行深入分析。提出详细的实现方案，为具体部署提供参考。

三、虚拟实验室系统架构

基于云计算的虚拟实验室把虚拟机开放给用户，用户能通过创建虚拟机、删除虚拟机、修改虚拟机等操作来搭建自己的实验网络。虚拟实验室系统架构如图 1所示。

数据中心实现云计算功能。基于数据中心，把基础的计算和存储资源开放给用户，提供虚拟机，实现基础设施即服务IaaS。

虚拟实验室控制系统向上接收用户命令，向下控制虚拟机的创建、删除和修改。管理与维护用户、课程、虚拟机的关系。

虚拟实验室用户平台包括前端界面和后端系统两部分。前端界面根据课程特点，包含创建虚拟机、删除虚拟机、修改虚拟机等栏目。后端系统支持用户根据需要自主搭建实验网络。

下面将对数据中心、虚拟实验室控制系统和虚拟实验室用户平台的实现进行分析。

四、数据中心实现研究

数据中心提供IaaS服务，采用虚拟化管理解决方案，实现对数据中心的集中管理和控制。通过对VMware和H3C的解决方案研究发现，IaaS服务一般通过管理界面，统一管理数据中心内所有的主机和虚拟机。此方法能提高管理员的管控效率、简化日常例行工作，更可降低IT 环境的复杂度和管理成本。下面就VMware和H3C的解决方案进行详细分析。

1.VMware IaaS解决方案研究

VMware vSphere是VMware公司推出的虚拟化平台。vSphere将应用程序和操作系统从底层硬件分离出来，从而简化了IT操作，其系统架构如图 2所示。

ESXi 提供虚拟化功能，用于将主机硬件作为一组标准化资源进行聚合并将其提供给虚拟机。虚拟机就表现得如同物理机，拥有自己的一套虚拟硬件。包括其上载入的操作系统和应用。使用虚拟化，不管下面主机服务器运行什么操作系统，每台虚拟机都拥有一致的虚拟硬件。

vCenter Server可用于将多个主机的资源加入池中并管理这些资源，而且可以有效监控和管理物理及虚拟基础架构。管理员可以管理虚拟机的资源、置备虚拟机、调度任务、收集统计信息日志、创建模板等。

vSphere Client是vCenter Server、ESXi主机和虚拟机的界面。通过vSphere Client，可以远程连接到vCenter Server。也可以从任何Windows 系统直接连接到ESXi。vSphere Client 是用于管理 vSphere各个方面的主界面。

2.H3C IaaS解决方案研究

H3C CAS云计算管理平台是H3C公司推出的构建云计算基础架构的管理软件，H3C CAS云计算系统架构如图 3所示。

（1）CVK是虚拟化内核平台。运行在基础设施层和上层操作系统之间的“元”操作系统，用于协调上层操作系统对底层硬件资源的访问，减轻软件对硬件设备以及驱动的依赖性，同时对虚拟化运行环境中的硬件兼容性、高可靠性、高可用性、可扩展性、性能优化等问题进行加固处理。

（2）CVM是虚拟化管理系统。主要实现对数据中心内的计算、网络和存储等硬件资源的软件虚拟化，形成虚拟资源池，对上层应用提供自动化服务。其业务范围包括：虚拟计算、虚拟网络、虚拟存储、高可靠性（HA）、动态资源调度（DRS）、虚拟机容灾与备份、虚拟机模板管理、集群文件系统、虚拟交换机策略等。

（3）CIC是云业务管理中心。由一系列云基础业务模块组成，通过将基础架构资源（包括计算、存储和网络）及其相关策略整合成虚拟数据中心资源池，并允许用户按需消费这些资源，从而构建安全的多租户混合云。其业务范围包括：组织（虚拟数据中心）、多租户数据和业务安全、云业务工作流、自助式服务门户、兼容OpenStack的REST API接口等。

由于H3C CAS提供REST API北向接口，方便用户进行二次开发，所以本文基于H3C CAS实现虚拟实验室建设。

五、虚拟实验室控制系统实现研究

虚拟实验室控制系统是建立和维护虚拟实验室的核心。包括用户管理和虚拟机管理。本系统接收用户平台发来的请求，调用REST API接口，向数据中心CAS系统发送虚拟机的创建、删除等操作命令。具体地，系统模块说明如图 4所示。

其中数据库设计是关键点。为了存放用户管理和虚拟机管理相关信息，首先创建一张用户表，记录用户、课程、及其对应的虚拟机信息。每条表项格式为用户id、课程id、用户为该课程创建的虚拟机群id。然后创建一张虚拟机群表，记录为每个虚拟机群分配的虚拟机。每条表项包含虚拟机群id和虚拟机id。两张表通过虚拟机群id进行关联。

具体编码实现时：把接收用户请求和接收CAS响应两个模块合二为一成为消息接收模块；把调用REST API和响应用户请求两个模块合二为一成为消息发送模块；把解析用户请求和解析CAS响应两个模块合二为一成为消息处理模块。在三个模块内具体区分消息的来源和目的，对不同消息进行处理。合并后的模块设计如图 5所示。

编码使用Java程序语言，三个模块各自用一个线程来实现。线程间通过消息队列进行通信。下面以用户为“网络管理与维护”课程搭建虚拟实验环境为例讲解虚拟实验室控制系统工作流程。

“网络管理与维护”课程需要学生使用虚拟机完成网络攻防、用户行为管理等实验。实验至少需要两台虚拟机，用来模拟局域网环境。学生在完成过程中，根据课程设计，可以新增或删除虚拟机。当课程结束后，释放虚拟机群。本系统具体工作流程如图 6所示。

如果用户需要新增一台实验用的虚拟机，消息接收模块收到用户界面下发的用户请求后，将该请求放入消息接收队列，然后通知消息处理模块。

消息处理模块根据不同消息类型进行处理。这是增加虚拟机用户命令，首先查询数据库，获取用户已经拥有的虚拟机数量、课程信息，判断用户能否创建新虚拟机。如果可以，则把该消息添加到消息等待队列。然后构造一个新的REST消息，放入消息发送队列，通知消息发送模块。

消息发送模块从消息发送队列中提取REST消息，发送给CAS系统。

CAS系统处理完毕后，将处理结果上传给本系统。消息接收模块收到CAS响应，将该响应放入消息接收队列。

消息处理模块判断这是增加虚拟机CAS响应，首先查看消息等待队列，如果能找到对应请求消息，则解析该CAS响应。修改用户表和虚拟机群表，记录为用户分配的虚拟机id。然后构造用户请求响应，放入消息发送队列。

消息发送模块从消息发送队列中提取用户请求响应，发送给用户平台进行处理。

六、虚拟实验室用户平台实现研究

用户平台分为前端界面和后台系统。用户通过网页浏览器访问虚拟实验室的前端界面。输入用户名和密码进入属于自己的虚拟实验室空间，如图 7所示。

用户界面左侧为课程列表，右侧为不同课程的虚拟实验室。比如进入“网络管理与维护”课程后，能看到添加、删除、修改、组网等按钮。点击不同按钮，后台系统将生成对应的用户命令，发送给虚拟实验室控制系统。

在“网络管理与维护”课程中添加三台虚拟机。用户选择虚拟机A为服务器端，B和C为客户端，点击进入虚拟机，和远程访问物理计算机一样。虚拟实验环境如图 8所示。

在A上安装行为管理服务器端软件，在B、C上安装用户行为管理客户端软件。配置虚拟机A、B、C的IP地址，让它们处于同一个网段。这样就可以执行用户行为管理实验。

七、结束语

本文提出在高校部署基于云服务的虚拟实验室，对虚拟实验室的架构设计和系统实现进行了研究。

选择H3C CAS云计算平台搭建数据中心，在此基础上研究如何开发实现虚拟实验室控制系统和虚拟实验室用户平台。

建立该虚拟实验室后，师生无论课上课下，使用何种终端，只要能连接互联网，就可以访问虚拟实验室，搭建实验网络，进行学习。

高校引入云计算将是校园信息化建设的必然趋势。本文提出的虚拟实验室对高校部署云计算具有借鉴价值。如何在虚拟实验室中添加更多课程有待深入研究。因此下一步研究重点是计算资源和网络资源的虚拟化[11]-[13]，让虚拟实验室支持需要网络设备配合的课程，比如《网络系统集成》等课程，为师生提供更丰富的学习环境。

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（编辑：杨馥红）