基于虚拟化的中医院校计算机教学生态环境研究

李京忠　王苹　李建志

[摘要] 传统的计算机教学生态环境信息系统分散，师生缺乏互动，实验室管理繁琐，实训教学开展困难。本文通过对虚拟化技术的分析，认为服务器虚拟化技术和桌面虚拟化技术相互结合是改善中医院校计算机教学生态环境、提升实训效果、降低软硬件运维成本以及基础设施整合的最佳选择，对进行计算机教学改革以及学生综合能力的培养具有积极意义。

[关键词] 虚拟化；教学生态环境；Hyper-V；实训平台；VDI；VOI

[中图分类号] G434 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210（2018）05（a）-0135-04

[Abstract] The traditional computer teaching ecological environment information system is scattered， teachers and students are lack of interaction； the laboratory management is tedious and the training teaching is difficult to carry out. Based on the analysis of virtualization technology， it is considered that the combination of server virtualization technology and desktop virtualization technology are the best choice to improve the computer teaching environment， which can improve the training effect， reduce the cost of hardware and software operation and infrastructure integration. It has constructive meaning for the reform of computer teaching and the cultivation of students' comprehensive ability.

[Key words] Virtualization； Teaching ecological environment； Hyper-V； Training platform； Virtual device interface； Virtual operating system infrastructure

当前，信息技术已广泛应用到中医药研究的各个领域，并成为研究和发展中医药必不可少的工具。传统的中医院校计算机教学生态环境，由于各种原因普遍存在着缺乏顶层设计和整体规划、服务器利用率低、实验开展困难、运维复杂等问题，严重影响制约了计算机教学的深入开展。虚拟化技术为我们提供了一种全新的选择，将服务器虚拟化技术、桌面虚拟化技术以及网络虚拟化技术引入传统的计算机教学生态环境中，将有利于计算资源的合理分配[1]。通过构建功能完善的教学生态环境，实现信息技术与中医药课程的有机结合，促进创新人才的培养，是中医院校信息化建设需要积极探索的课题。

1 虚拟化技术

虚拟化（virtualization）是一种资源管理技术，是将计算机的各种物理资源，如服务器、网络、内存及存储等，予以抽象和转换后再呈现出来[2]。应用虚拟化后同一台物理服务器上可同时运行多个操作系统，每个操作系统上可部署多个不同的应用，操作系统之间彼此独立互不干扰。服务器虚拟化提高了资源的有效利用，减少运维成本（包括硬件、能源和空间），增加了可用性，实现了比物理服务器更长的连续运行时间，减少了维护带来的影响，提高了系统的稳定性[3-4]。见图1。

2 Hyper-V技术探析

现阶段几大流行的虚拟化产品他们的运行原理各有不同，概括起来可分为两类模式，基于宿主机的虚拟化模式和基于Hypervisor虚拟化模式。基于宿主机虚拟化模式的特点是Virtual Machine Monitor（VMM）运行于宿主机操作系统中。通过在宿主操作系统上安装第三方虚拟化软件，在此基础上创建部署虚拟机操作系统来实现虚拟化。虚拟机通过宿主机操作系统来控制系统资源，其缺点是占用系统资源较多，系统整体性能不高。如：Microsoft Virtual PC、VMWare WorkStation等。基于Hypervisor模式的特点是VMM直接运行在物理机硬件之上，擁有比操作系统更高的权限来控制系统资源，依托CPU对虚拟化的支持，可以满足企业级应用程序对高性能、高可用的需求，如Microsoft Hyper-V、VMWare ESX等产品[5]。

2.1 Hyper-V体系架构

Hyper-V采用了Hypervisor架构，其架构可分为硬件、Hyper-V和虚拟机三层，在底层硬件上运行的Hypervisor是Hyper-V的核心组件，是一个只有300多K的代码集，可直接访问主机上的硬件资源；而在它之上，运行着许多独立的分区（虚拟机），这些分区大致可分成四种类型，见图2。

2.1.1 根分区 根分区是唯一能够直接访问物理内存和设备的分区，作用是控制和创建其他分区。在其内核模式下，virtualization service provider（VSP）组件是虚拟化服务提供程序，驻留在根分区中，通过虚拟机总线（VMBus）向各子分区提供综合设备支持[2-3]。

2.1.2 第一类子分区 一个承载来宾操作系统的分区，子分区对物理内存和设备的所有访问都是通过VMBus提供的。在其内核模式下的virtualization service client（VSC）组件，通过VSP提供的服务来完成对硬件的访问。每一个设备类型，都有一对VSP/VSC来完成对这种类型硬件的使用。对于该内核模式下运行的Windows系统来说，可自动感知自己是运行在Hyper-V上面的虚拟机，因此不需要通过任何模拟来访问硬件[6]。

2.1.3 第二类子分区 在这个子分区里面运行的操作系统，是一些非Hypervisor感知的系统，如早期windows操作系统和DOS，其内核模式下没有VSC组件支持，必须通过模拟方式，模拟出操作系统需要的硬件环境。

2.1.4 第三类子分区 这类子分区里面运行的是Linux的操作系统，在内核模式下微软提供了使用VSP/VSC方式来访问硬件，而不必让Linux运行在模拟出来的硬件上。

从图2所示根分区与子分区是平行的关系。含有IntelVT/AMD-V的CPU芯片，允许虚拟机直接访问CPU和内存资源，虚拟机访问硬件设备的速度有了很大提升，虚拟机的整体性能接近真实的操作系统[7]。同时这种架构增强了整个虚拟化架构的稳定性，不会因为Hyper-V主机出现问题而直接影响到子分区正在运行的虚拟机[8]。

2.2 Hyper-V故障转移群集

Hyper-V的基础架构，为企业实现业务的高性能、高可用提供了可能。群集是通过多台物理主机同时运行来实现的，当群集内某一台物理服务器出现故障时，另一台物理服务器就开始接管故障服务器的服务（称为故障转移过程）。Windows Server下的群集技术被称之为“故障转移群集（Failover Cluster）”。Hyper-V的故障转移群集角色监测群集内的Hyper-V主机是否正常工作，当群集内某一台Hyper-V主机出现故障无法提供服务时，可由群集内的其他主机快速接管任务，继续为用户提供持续可用的服务，用户能感知到的停机时间非常短暂[9]。

2.3 Windows Server 2012 R2 Hyper-V

在 Windows Server 2012 R2中，Hyper-V使用了第二代虚拟机技术，在Windows Server 2012 R2以前的虚拟机称为第一代虚拟机。Windows Server 2012 R2Hyper-V的新增功能非常多，主要的功能有共享虚拟硬盘、动态调整虚拟机硬盘大小、存储服务质量、增强的实时迁移、增强的会话模式、虚拟机自动激活、增强的Linux支持、增强的故障转移群集等，Hyper-V的性能与易用性等方面有了很大的提升。在没有安装Hyper-V角色之前，Windows Server 2012 R2只是一个单纯的服务器操作系统。在部署Hyper-V角色后，作为宿主机存在的Windows Server 2012 R2变成了第一台虚拟机，也就是图2所示的根分区，其硬件被Hypervisor接管。

3 基于服务器虚拟化技术的教学环境构建

如图3所示，由4台DELLR810服务器（JYS-HV1、JYS-HV2、JYS-HV3、JYS-HV4）采用基于Hyper-V服务器虚拟化技术和群集技术，构建了基于Hyper-V的私有云平台。在云平台上运行的系统种类包括Windows Server2003、Windows Server 2008、Windows Server 2012R2、Linux等操作系统。相较于传统的教学服务部署方式，采用云平台方式具有明显的优势。

3.1 减少系统部署的时间

传统物理服务器部署需要经过安装操作系统、设置网络和安装应用软件等步骤，其过程较为复杂。利用Hyper-V的虚拟机模板克隆方式来部署虚拟服务器，可大幅度缩减系统部署时间[10]。

3.2 提高服务器资源利用率

利用Hyper-V实现服务器虚拟化后，原来需要十几台物理服务器承担的教学系统被移植到由4台服务器集成的私有云平台中运行，节省下来的物理服务器应用到其他科研和教学领域，提高了服务器的资源利用率，节约了空间，降低了能耗。

3.3 提高教学系统的可靠性

教学系统在云平台上运行，承载的物理主机有故障，其上的虚拟机系统会自动漂移到群集中其他物理主机继续运行，保证教学服务的正常运转。

4 基于桌面虚拟化技术的虚拟仿真实训平台和桌面部署

桌面虚拟化指对终端系统（计算机桌面）进行完全虚拟化，生成的镜像系统保存在服务器中，再通过虚拟桌面协议向客户机提供包含操作系统和应用软件的桌面系统。目前就其采用的架构方式可分为virtual desktop infrastructure（VDI）桌面虚拟化和virtual operating system infrastructure（VOI）桌面虚拟化两大架构[11-12]。

4.1 基于VDI架構的维思实训平台

VDI桌面虚拟化基本特征是“集中运算、分布显示”。客户端所有运算都在服务器中进行，而桌面用户只负责输入输出与界面显示，不参与任何计算和应用[13-14]。本例维思实训平台由2台DELL R810服务器（JSY-VS1、JSY-VS2）群集而成。维思实训平台是一种基于VDI方式的桌面虚拟化平台，依托微软Hyper-V技术，以桌面虚拟化为主要表现形式，可同时在该平台下部署多种实验环境。教师和学生无论身在何处，都可以通过Web浏览器选择符合实验需求的计算资源、存储资源、网络设施配置等，打破了传统的计算机实训空间的限制，可进行多人并行、相互隔离的计算机仿真实验[15]。很多中医药专业相关的实训课程都可利用该实训平台进行，既减少了学校对实验教学硬件的投资，又有利于网络教学环境的管理。

4.2 基于VOI架构桌面虚拟化部署

VOI桌面虚拟化基本特征是“集中管理，本地运算”。客户机利用虚拟容器技术实现镜像系统的本地缓存，并通过本地客户机启动运行，充分利用了本地计算机的性能。由于客户机本地缓存的系统镜像和服务器推送的完全一致，即使断网也可离线继续使用[16-17]。Dawnstor是一种基于VOI技术具有“盘网双待”特色的桌面虚拟化产品。本例中1台DELL R810服务器（JYS-DAWNSTOR）承担了720个节点12间计算机实验室的桌面部署服务，实验室管理呈现出如下特点：

4.2.1 集中管理、本地运行 实验室由原来的以保护卡为运维方式的分散管理，变为高度集中的节点式管理模式；桌面虚拟化管理系统通过对客户端创建虚拟容器，实现镜像系统的本地缓存，服务器上的镜像系统采用“边用边下”的方式高速缓存到本地硬盘中。依托“盘网双待”技术，即使在断网的情况下，客户端仍可正常启动运行。

4.2.2 多系统灵活管理 服务器中保存的每个系统镜像是由多个节点（快照）组成，其中每个节点都可以作为单独的虚拟桌面系统发布；满足多系统、多专业的课程需求，一直是计算机实验室管理的难点，现在只需调度好相应的节点并发布到启动菜单即可。

4.2.3 提升运维效率 桌面管理由分布式模式过渡到节点化模式，实现了对纳入管理的计算机集中统一的管理。管理人员登录虚拟化管理平台即可完成绝大部分工作，工作效率大幅提升。

依托VDI架构与VOI架构各自的优势，针对教学和实验环境的不同，相互结合、取长补短，设计出虚实结合的教学场景，通过桌面虚拟化管理平台控制场景的快速切换，解决了传统计算机实验室实训环境部署困难的问题，成倍提升了实验室的运维效率以及实训课程效果。

5 计算机教学生态环境

将虚拟化技术融入到传统的计算机教学生态系统中，促进了教学环境、教学内容和学习方式的发展，逐步形成了具有中医药特色的计算机教学生态环境，即教学主体与教学环境通过教学资源的传播和利用所形成的相互联系、相互作用的有机整体。如图4所示，其主体是教师、学生、教学管理者，应用层为虚拟化服务平台（由各种信息系统、教学资源共享、网络教学平台等构成），基础服务层为虚拟桌面构成的智慧型计算机实验室（由多媒体教学互动系统、虚实结合的实训环境、虚拟桌面管理等构成）。其运行机制是在计算机实验室的生态环境中，以教学内容为基础，以教学目标为导向，通过师生之间的教学互动，使学生的学习能力与创新能力得到了提高。智能化的计算机实验室和各信息系统为计算机教学活动的顺利开展提供了多元化的技术支撑，加快了教学内容的进化和知识更新，促进了计算机教学与信息化建设的协同创新发展[18-19]。

6 结语

中医院校计算机教学的主要目的是以应用为主，信息技术与中医药的完美融合，是中医院校计算机教学和科研追寻的目标。基于信息生态环境理论和虚拟化技术发展而成的中医院校计算机教学生态环境，将生态的概念引入到了计算机教学当中，增强了师生之间的互动，提高了教学与实训效果，构建了一种“平等沟通、启发引领、与时俱进”的师生关系，学生的应用能力、创新能力和动手能力均可提升[20]。

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（收稿日期：2017-11-08 本文编辑：张瑜杰）