基于桌面云的高职院校实验教学管理系统开发研究

陆迅　丘刚玮

【摘 要】本文论述基于桌面云的高职院校实验教学管理系统开发，提出以桌面云技术为基础，分析系统管理员、实验教师、学生三方的需求，完成系统功能总体模块设计和子功能模块的详细设计及功能的实现，测试发现该系统具有成本低、可靠性高，简单便捷的优点。

【关键词】桌面云 高职院校 实验教学管理 系统开发

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2018）09C-0184-02

实验教学的开展是高职院校教学的重要组成部分，承担着学生专业技能培养与训练的重任。传统实验教学管理存在不少问题，包括实验教学管理不顺畅、实验环境要求多样化、实验教学设备利用率低等，直接影响实验教学的效果。桌面云是云计算具体应用的实践，具有部署简单、数据集中管理和简捷安全高效的特点，通过桌面云建设，可以有效降低设备采购和建设的成本，拓展学生开展实验的时间和空间的限制，从而提高实验教学的能动性，降低运维成本，因此，利用先进的桌面云改善实验教学管理工作具有非常重要的研究意义和实用价值。

一、相关技术概述

（一）Python。Python是一种面向对象的解释型程序设计语言，通过它可以轻松地把其他语言模块联结一起，生成程序最终界面。我们使用Python Django Web框架将QEMU-KVM、 SPICE、Libvirt等虚拟化组件集成，构建高职桌面云平台。

（二）QEMU-KVM。KVM是基于内核的虚拟机，负责CPU和内存的虚拟化，QEMU是一个成熟的开源虚拟化软件，用于模拟网卡、硬盘、显卡等IO设备。通过QEMU和KVM整合，实现多个虚拟机同时使用同一个镜像，快速实现服务器虚拟化。

（三）SPICE。SPICE是一种开源的桌面虚拟化数据传输协议，用于服务器和客户端（含瘦客户端）上部署虚拟桌面。SPICE由服务端、客户端、QXL设备、QXL驱动等组件构成，SPICE协议管理上述组件；客户端为用户提供桌面环境，运行在用户终端上；服务端通过动态链接库的形式管理程序库，与KVM虚拟机交互。

（四）Libvirt。Libvir是一个开源的管理虚拟化平台的API，可以使用网络SSH进行操作，通过API库、守护进程（Libvirtd）、命令行程序（virsh）来管理KVM、VMware ESX等虚拟化技术。

二、系统的设计及实现

（一）结构设计。根据高职院校实验教学的特点，结合桌面云实验教学管理的需要，我们将系统结构设计为基础层、服务层、实验管理层三层。具体架构见图1所示。

基础层要是由物理服务器和存储集群虚拟化而成，包括虚拟服务器集群和桌面云客户端，共同构成虚拟机集群。该层桌面云客户端可被实验管理层中“实验环境管理”模块直接管理和配置。

服务层主要由桌面云虚拟化服务管理和设备管理构成，提供服务监听、数据访问、和命令处理等服务，主要由Libvirt虚拟化管理程序完成对基础层的管理。

实验管理层是一个可视化WEB管理平台，提供人机交互的界面，把用户信息维护、角色权限设置、实验申请管理、实验环境管理等功能集成起来，通过HTTP协议以POST方式与服务层通过通信，实现对服务层的管理。

（二）总体设计。基于桌面云的高职实验教学管理系统由角色权限分配、实验教学管理和实验环境管理三大功能模块构成，具体见图2所示。系统使用MVC三层设计理念，对虚拟机、服务器和实验教学统筹管理，提供统一的操作界面。

（三）功能模块详细设计及实现。具体如下：

1.角色權限管理。根据系统管理员、实验教学教师和学生三种不同角色使用范围进行界定，分别赋予对应的权限。该模块主要包括用户导入、角色管理、权限分配的功能。系统管理将学院教师工号初始化到系统中，同时根据教务处提供的授课安排将开课学生的学号导入系统，生成初始密码后统一由授课教师发给学生。系统管理根据学号和教工号的不同分配可访问资源的权限，实现角色管理。

2.实验教学管理。该模块由实验申请、课程管理、数据管理和检查管理构成，实验教师通过教工号登录系统，申请实验环境，选择实验课程、班级、起止日期以及配置虚拟实验环境的软硬件等，待管理员审批。如果管理员审核通过，系统将在实验教学开展前完成环境部署；如果审核不通过，返回原因给提示。除此之外，教师还可以通过系统对学生实验情况进行监控，跟踪和了解实验过程，比如实验程序、实验数据、实验报告，以此衡量学生的平时技能成绩。

3.学生实验模块。学生使用学号和授课教师提供的初始密码访问系统，登录后可以直接查看教师所布置的实验内容、具体要求；学生了解任务后，点击对应的任务就可以进入对应的虚拟机连接桌面云，在云上操作虚拟桌面的实验软件，开展课程实验；实验结束后，提交实验程序、数据和实验报告，并退出虚拟实验环境。此模块还支持留言板，通过留言与实验教师进行交流。

4.系统管理员管理。主要有实验请求审核、实验环境管理、集群管理等功能。实验请求审核是指实验教师提交实验申请后，管理员根据系统的实际情况对请求予以审核，返回审核结果，主要依据有实验时间是否有冲突、实验环境要求是否达到等；实验环境管理是指审核通过后，根据实验的需求初始实验环境，完成实验环境模板并批量克隆到申请数量的虚拟机中，为实验开展做好准备；集群管理包括虚拟机集群管理和服务器集群管理，桌面云的基础主要有虚拟机创建、开关、销毁，以及桌面云配置参数查看、变更和调整等功能，主要是通过SSH网络访问libvirt守护进程来实现，从而实现集群管理。

（四）系统测试。具体如下：

1.功能测试。主要从用户角色登录、实验教学管理、学生实验操作、系统管理员等四个方面进行，经过测试，达到预期效果。

2.性能测试。模拟学生实验环境下的编程实训，见表1所示。并发数跟CPU使用率、内存使用率成正比。我们从并发数为10开始测试，以10为基数递增，当达到50时运行还是非常顺畅，当并发数达到60时，此时CPU使用率达92.8，内存占有率为73.1，处于高负荷运转状态，体验感下降。根据实验测试结果，服务器可以支持50个以下虚拟环境的实验任务，由于实际应用很少达到该并发数，所以达到预期效果。

针对高职院校实验管理不足而研发的基于桌面云实验管理系统，具有通过模板化创建虚拟机来批量生成虚拟实验环境的优点，有效地解决了实验教学管理不顺畅、实验环境要求多样化、实验教学设备利用率低等问题，降低了实验成本，调动了学生实验的积极性和提升实验课程质量。本系统的实现也为桌面云技术在高职院校其他场景应用提供了参考价值。

【参考文献】

[1]李海华.基于桌面云的高校实验教学调度管理系统的设计与实现[D].广州：华南农业大学，2016

[2]李发军.虚拟课室调度与接入系统的设计与实现[D].广州：中山大学，2014

[3]李冠煌.基于桌面云的实验教学环境的设计与实现[D].广州：华南理工大学，2013

[4]杨飞，朱志祥.基于SPICE协议的云实验室设计与实现[J].现代电子技术，2016（1）

【作者简介】陆 迅（1962— ），男，广西农业职业技术学院电子信息工程系讲师，研究方向：计算机网络技术；丘刚玮（1985— ），男，广西农业职业技术学院电子信息工程系助教，研究方向：计算机网络技术。

（责编 黎 原）