云实验室在计算机实验教学中的应用

卢建良，徐伟

（中国科学技术大学 计算机科学与技术学院,安徽 合肥）

一 引言

计算机是一门实践性很强的学科。实验室作为实验教学的主要场所，在学生培养过程中起到至关重要的作用，因此建设一个便捷、高效、灵活、稳定的实验机房是每所高校计算机学科都需要面对的一个问题。有些国内高校计算机专业实验机房多采用独立PC的配置方式，每个实验节点上配置一台计算机设备并安装相应的系统及软件。在信息化飞速发展的今天，这种部署方式逐渐暴露出各种弊端，已经很难满足如今的教学需求[1-2]。对云实验室在中国科学技术大学信息与计算机国家级实验教学示范中心的设计与应用以及与传统实验室相比的优势[3-6]进行了介绍。

二 当前现状及建设目标

中国科学技术大学信息与计算机国家级实验教学示范中心在部署云实验室之前，给每位进行计算机专业课程实验的学生提供一台独立的PC，机器上面预装了与实验相关的工具软件，机房结构如图2所示。以独立PC为载体的计算机实验室存在以下明显的弊端。

图1 传统实验机房结构图

图2 云实验室系统结构图

第一：管理维护成本高。为满足多变的实验课程需求，需要经常增减软件配置，甚至更换操作系统；实验室管理人员需要逐台进行机械重复的操作，虽然有网络同传等同步工具，但治标不治本，造成了极大的管理及维护负担。

第二：资源利用率低。不同课程对计算机的配置要求差别很大。为满足所有课程的开展，计算机的配置需要足够好，一旦无法满足某些课程的需求，就要对计算机进行更新换代，造成了资源浪费。

第三：数据迁移难度大。学生的实验数据往往存储在本地硬盘，当次实验结束后需要学生自己将数据保存到U盘或网盘等存储介质中，以便继续进行后续的实验，但实验环境的改变经常导致代码无法正确运行。

第四：安全风险高。独立PC往往缺乏专业的防火墙设备，很容易受到网络病毒的攻击，此外学生上机时也可能对系统造成破坏，因此存在很高的网络安全隐患。

为克服以上诸多弊端，选择了采用搭建云实验室的建设方案。

三 云实验室方案的设计

如图2所示，云实验室在拓扑结构上主要划分为云教室和服务器机房两大部分。每个云教室内有若干台云终端，用于显示桌面以及与用户交互，云终端通过千兆网络连接到本地交换机，并最终通过光纤连接到服务器机房内的服务器，所有的运算、存储和服务都是在服务器机房内的服务器集群上完成。

每套云教室终端包含运行Linux内核的嵌入式终端一台（硬件配置如表1所示），19寸VGA液晶显示器一台，USB接口键盘鼠标一套，嵌入式终端工作时的最大功耗不超过30W。

表1 嵌入式终端参数配置

终端启动时通过网络从机房加载云桌面系统，并显示在显示器上，用户可通过鼠标键盘与远程桌面进行交互，还可以使用U盘进行文件拷贝。

云终端支持系统管理员、授课教师及学生三种用户角色登录。系统管理员可通过云教室后台管理系统实现服务器管理、模板管理、桌面管理、终端管理、课程管理、系统管理、集群管理等功能。授课教师可通过教学管理软件系统实现与实验课程教学相关的一些内容，如监控学生屏幕、桌面演示、随堂小考、收发文件、远程控制学生电脑等，可对同一网段内的学生机进行管理。云终端开机后自动以学生账户登录，运行学生端教学管理软件，终端操作系统对用户完全透明，提供和物理PC无差别的桌面体验。

服务器机房依据《电子信息系统机房设计规范》(GB 50174-2008)B类标准建造，提供符合国际、国家各项有关标准及规范的可靠、高品质的机房环境。机房内的服务器资源构成了服务器集群。

如图3所示，服务器集群通过层次化的虚拟服务，首先由服务器和存储阵列构成了统一的虚拟化服务资源池，提供虚拟桌面、虚拟服务器、远程存储等服务。上层程序在此基础上通过进一步的虚拟化，最终为用户提供虚拟云桌面和虚拟应用等服务。

图3 服务器机房虚拟化架构

图3中，存储阵列从物理上可以分为固态硬盘（SSD）和机械硬盘，固态硬盘能够大大提升系统的I/O性能，保证了虚拟桌面流畅运行以及在云终端上的高质量显示，机械硬盘采用RAID5阵列方式，保证了数据的安全性。

虚拟桌面服务器通过专用的虚拟化软件按照系统设定的性能参数虚拟出预定数量的虚拟化机器。虚拟桌面支持多个系统模板，能够根据预先设定的课表，推送不同的系统模板到云教室的终端上。

虚拟服务器功能则能够为各门课程提供独立的服务器资源。计算机专业的多数课程实验都会用到服务器资源，但是不同课程对服务器的数量及配置要求千差万别，为每门课程配置服务器则会造成巨大的资源浪费。虚拟服务器技术可以在物理服务器的基础上虚拟出一定数量的服务器资源，为各门课程提供个性化的服务。这种方式使得各门课程数据可以运行在同一服务器集群上，但相互独立不会产生耦合。如图3所示，可根据课程的实际需要，为对应的课程（如操作系统、编译原理等）虚拟出独立的Git服务器，同时为计算机组成原理课程虚拟出了FTP服务器资源。

远程存储服务器主要用来存放系统模板和作业空间相关的数据。教师可通过作业空间发布作业。学生在任意一台终端上都可以通过自己的账号登录作业空间，查看并完成作业。此外作业空间还具有云端存储的功能，学生可将自己的数据存储到作业空间，也可在任一终端登录作业空间获取数据，以继续实验项目。

表2给出了实际部署时虚拟桌面服务器的各项参数，可以看出，在同等用户数量的情况下，配置参数高于系统提供商给出的推荐配置，也由此获得了更好的虚拟机配置（如表3所示）以及良好的虚拟桌面使用体验。

表2 虚拟桌面服务器参数

表3 单台虚拟机配置

在具有56个终端的云教室A进行实际测试，测试结果表明，CPU资源还有很大余量，内存资源占用偏高，这是因为为保证虚拟桌面的运行流畅，给每个虚拟桌面分配了较大的内存空间。虚拟桌面需要通过网络将内容推送到终端，并最终呈现给用户，因此网络带宽性能也是影响使用体验的一个关键因素。在采样期间，56个桌面占用的最大带宽约为50M左右，实际的带宽需求量也远远小于带宽容量。

此外，为了提高设备的信息化安全水平等相关要求，在服务器机房配置了防火墙和上网行为管理等安全管理设备。这些设备的投入使用，对于提高整个云实验室网络信息安全性有显著效果。

四 云实验室平台的优势

根据云实验室的架构特点以及实际使用体验，总结出云实验室平台优势如下：

第一：管理高效便捷。对每门课程所需的系统环境配置一个模板，当环境要求改变时，只需修改对应的模板即可，而不用逐台终端进行配置，大大提高了管理效率。

第二：资源利用率高。云实验室能够根据具体课程的实际需求，虚拟出指定配置、指定数量的计算资源，并通过网络加载到终端，从而提高了计算资源的利用率。此外，存储资源统一从存储服务器按需获得，从而提高了存储资源的利用率。

第三：数据迁移方便。学生的实验数据都存放在服务器端，学生通过账号登录，便可在任意一台终端上获取自己的数据，此外每个终端所加载的系统来自于同一模板，从而保证数据迁移时不会存在兼容性问题。此外，每门课程的课程资源也存放在机房内的服务器上，支持为每门课程分配独立的虚拟服务器，课程之间数据零耦合，课程资源数据的迁移、改动不会对其他课程造成影响，因此学生实验数据及课程资源数据迁移都极其方便。

第四：提高机器使用年限。计算机设备更新换代极快，当前主流的配置，在几年后便无法满足需求。如使用独立PC的话，则需要将PC全部更换，但使用云实验室，只需要增加服务器数量，并修改虚拟终端的配置即可，原来的服务器和云终端还可以继续使用，从而大大延长了设备的使用年限，进而节省了大量的设备购置费用。

此外，云实验室还具备稳定性好、安全性高、平均能耗低、配置灵活等诸多优点，与传统的独立PC式实验室相比具有明显的优势。

五 结语

通过云实验室的建设和实际使用，初步实现了从机房环境建设向平台资源建设转变，并为实验模式从单机实验向系统型实验转变、评价机制从简单统计机时数向提升资源利用率转变、实验手段从提供上机环境（真实环境）拓展至提供虚拟服务（虚拟实验室）转变、实验目的从单纯验证和考核向研究与创新转变等目标提供了物质保障。原来在以独立PC为主体的实验室内开展的实验已全部迁移到云实验室，经过两个学年的运行测试，效果良好，没有出现兼容性问题。通过云实验室的使用一举解决了传统实验室的诸多缺陷，为上述目标的实现提供了有力保障。

随着虚拟化技术的不断成熟，网络带宽的快速提升，云实验室将改变高校实验室建设及管理的传统理念，促进实验教学方式的转变。下一步将在丰富实验教学手段、提高实验教学质量等方面，为促进学生实验教学效果提高做出新的尝试和努力。