虛擬云技術(shù)在實驗教學(xué)的應(yīng)用論文
摘要：當(dāng)前云技術(shù)、虛擬化技術(shù)在高校實驗教學(xué)管理中得到被越來越廣泛的應(yīng)用，通過云技術(shù)和虛擬化技術(shù)的有效結(jié)合能夠大大提高實驗教學(xué)資源的共享和利用率，以及計算機實驗室的服務(wù)支撐能力。本文以搭建的私有云桌面平臺為支撐，對虛擬云技術(shù)的計算機實驗室建設(shè)管理進行研究，從而實現(xiàn)專業(yè)實驗教學(xué)的由點及面、理論到應(yīng)用、涵蓋原理及創(chuàng)新的多層次實驗教學(xué)，并且以學(xué)生為本出發(fā)，滿足不同層次學(xué)生的實驗需求，幫助學(xué)生獲得最大的學(xué)習(xí)空間。
關(guān)鍵字：云技術(shù)；虛擬化；實驗室建設(shè)管理
隨著信息化社會的迅速發(fā)展，云技術(shù)、大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”等概念的提出，計算機在各行各業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。為了加強專業(yè)學(xué)生的動手實踐能力，計算機實驗室的使用率在逐年提升，如何提升實驗室的利用效率，強化學(xué)生的綜合實力，滿足學(xué)生實驗方式的個性化、多樣化需求，充分發(fā)揮現(xiàn)有資源完成教師教學(xué)和科研任務(wù)，將成為實驗室管理人員亟需解決的重要難題。
1、傳統(tǒng)實驗室管理方式下的現(xiàn)狀
�。�1）由于學(xué)科建設(shè)和定位的不同，各專業(yè)對學(xué)生的培養(yǎng)方向也不同，不同年級不同專業(yè)所開設(shè)的課程存在較大差異，為了滿足實驗教學(xué)和教師科研環(huán)境的需求，經(jīng)常需要對實驗室的相關(guān)軟件進行更新和重新配置，容易導(dǎo)致系統(tǒng)文件的破損，軟件不能正常使用。
（2）同一操作系統(tǒng)下不同科目的課程使用的軟件版本不同，給實驗室管理員對實驗環(huán)境的部署帶來不便[1]。例如，實驗教學(xué)中不同教師對于Visualstudio軟件的版本要求不同，雖然同時安裝各種版本的軟件會滿足不同課程的需要，但過度安裝會影響機器的運行速度，造成資源的極大浪費。
�。�3）為了滿足基礎(chǔ)教學(xué)、實習(xí)實訓(xùn)等方面的需求，計算機實驗室通常是進行大規(guī)模建設(shè)，硬件設(shè)備的投入十分巨大，但隨著互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)對人才需求的不斷變化，課程設(shè)置及所需軟件對硬件的需求也在不斷提高，同時硬件設(shè)備存在3到5年的更換周期，這些淘汰的固定資產(chǎn)的存放和再利用給學(xué)校帶來了不小的壓力。
�。�4）實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的上課時間有限而且固定，充分利用課外時間完成和復(fù)習(xí)所學(xué)知識是學(xué)習(xí)過程中的有效解決途徑。但教學(xué)環(huán)境本身不具備靈活性和轉(zhuǎn)移性，特定的軟件對操作的要求不同，導(dǎo)致學(xué)生很難在個人計算機上安裝和使用，課后實驗無法繼續(xù)進行，造成理論與實踐的脫節(jié)。
�。�5）實驗室是提供教學(xué)環(huán)境的公共場所，由于不當(dāng)?shù)纳暇W(wǎng)方式和移動設(shè)備的交叉使用，容易造成病毒的傳播和擴散，使一些軟件甚至硬件頻遭攻擊和破壞，增加實驗室的管理工作量，影響正常的教學(xué)活動[2]。為了避免這種情況的發(fā)生，管理人員通常為機器安裝還原軟件，保持基本的上課環(huán)境不受影響，但卻給學(xué)生的課后實踐練習(xí)帶來不便，比如不及時存盤造成文件丟失、無法自主安裝所需要的軟件等。
2、虛擬化技術(shù)
隨著數(shù)據(jù)規(guī)模的日益增加，計算成本的逐漸上升，數(shù)據(jù)之間的管理越來越復(fù)雜，云技術(shù)的提出可以有效的解決這些難題。虛擬化技術(shù)作為云計算系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，可以將原來孤立的物理資源進行抽象整合，實現(xiàn)資源的動態(tài)分配和調(diào)度，提高現(xiàn)有資源的利用率和服務(wù)可靠性，降低運維成本，使數(shù)據(jù)更加安全。虛擬化技術(shù)是指在硬件條件確定的前提下，為用戶創(chuàng)建一個完整的虛擬操作系統(tǒng)，這個操作系統(tǒng)擁有虛擬的CPU和內(nèi)存，可以有效的提高資源的利用率和系統(tǒng)的安全性。對于機器的硬件層，其核心部件包括CPU、內(nèi)存及I/O設(shè)備，某一個進程若想在這個硬件上運行，則需要對以上核心部件擁有絕對的管理權(quán)，這樣不便于多個進程的同時進行[3,4]。為了解決這一弊端，需要在運行的軟件和硬件之間建立一個資源管理軟件層，即對硬件平臺的抽象系統(tǒng)調(diào)用接口，這個中間層讓虛擬機管理器（VMM）可以控制用戶操作系統(tǒng)如何有序的使用軟件資源，以上便是虛擬化技術(shù)的運行機制。
3、虛擬云桌面的實現(xiàn)
虛擬云桌面是云計算的典型應(yīng)用，能夠在終端提供遠(yuǎn)程的計算機桌面服務(wù)[5]。虛擬云桌面是通過遠(yuǎn)程服務(wù)器所提供的虛擬軟件和操作系統(tǒng)，以視圖的方式發(fā)送給客戶端，終端的所有操作實際都在服務(wù)器上進行，共享服務(wù)器的存儲資源，完成操作后可以對任務(wù)進行實時提交，監(jiān)控資源的利用效率，及時釋放低利用率資源，保證資源的合理利用。
3.1云平臺的設(shè)計原理
面對實驗室的各種管理難題，例如軟件的多樣性、復(fù)雜性、對硬件系統(tǒng)的要求逐漸提高、針對數(shù)據(jù)的存儲和共享難度加大等問題，加大了管理人員的工作量，同時對技術(shù)的要求也更加苛刻。而基于虛擬化的云平臺桌面實現(xiàn)了桌面應(yīng)用環(huán)境與終端設(shè)備的分離，用戶的桌面環(huán)境集中部署于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上的虛擬機中運行。用戶通過網(wǎng)絡(luò)訪問虛擬桌面，并且能夠獲得與使用本地終端相同的效果，如圖1所示。通過集中化管理方式，讓系統(tǒng)管理員擁有比傳統(tǒng)終端更有效的控制和管理權(quán)限，并可以根據(jù)用戶的實際應(yīng)用軟件，及時按需交付應(yīng)用桌面，大大的減輕了實驗室管理人員的工作量。
3.2云平臺的構(gòu)成
桌面虛擬化應(yīng)用是一個系統(tǒng)工程，需要有服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、終端設(shè)備及軟件兼容性等多方面的統(tǒng)一配合。完整的云桌面方案包括：
�。�1）主控節(jié)點：部署在服務(wù)器上的虛擬化軟件，只需配置一臺服務(wù)器作為主控節(jié)點，即可通過主控節(jié)點管理整個服務(wù)器集群。同時主控節(jié)點有權(quán)限創(chuàng)建新的虛擬機提供給用戶使用。
�。�2）計算節(jié)點：部署在服務(wù)器上的虛擬化軟件，以KVM為基礎(chǔ)提供虛擬化層，虛擬化物理服務(wù)器的CPU、內(nèi)存、存儲以及網(wǎng)絡(luò)資源，并將其分配給多臺虛擬機。
�。�3）管理平臺：B/S架構(gòu)的單一管理模式，任意與服務(wù)器在同一網(wǎng)段的終端通過瀏覽器直接訪問主控機的虛擬桌面管理平臺，實現(xiàn)服務(wù)器虛擬化IT架構(gòu)以及虛擬桌面的統(tǒng)一管理。虛擬云平臺的架構(gòu)可以真正實現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)將定制的桌面系統(tǒng)實時交付給用戶，而用戶可以通過不同類型的終端如PC機、筆記本、智能設(shè)備隨時隨地進入學(xué)習(xí)場景，開啟一種新型的全開放式學(xué)習(xí)新模式。
3.3桌面虛擬化的實現(xiàn)
桌面虛擬化的.技術(shù)主流主要包括瘦客端和非瘦客端兩種模式，他們的共同點是：在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境允許的情況下，在服務(wù)器啟動下都可以選擇所需要的鏡像。不同點是：瘦客端的所有數(shù)據(jù)存在于服務(wù)器中，非瘦客端將個人終端做為客戶端。針對學(xué)院的教學(xué)環(huán)境和實際要求，實驗室主要采用非瘦客端做為虛擬桌面的實現(xiàn)平臺，實施建設(shè)主要分以下幾方面：
�。�1）對服務(wù)器的相應(yīng)磁盤采用NTFS文件格式，安裝虛擬化軟件，如物理服務(wù)器已經(jīng)存在操作系統(tǒng)，則此安裝會覆蓋之前的操作系統(tǒng)，安裝完畢后，對電源、網(wǎng)絡(luò)信息等參數(shù)進行設(shè)置和優(yōu)化。
�。�2）配置掛載任務(wù)。為服務(wù)器配置存儲，分配操作系統(tǒng)安裝目錄，設(shè)置網(wǎng)卡IP地址，DNS、主機名、通信密鑰等信息，如果配置服務(wù)的過程中只有一臺服務(wù)器，則安裝后初始化為主控節(jié)點即可，如有多臺服務(wù)器存在，則需要初始化一臺為主控節(jié)點，其他服務(wù)器在管理臺添加為計算節(jié)點。以上操作完成后，則可以基本完成管理端與服務(wù)器端的連接。
（3）在客戶端安裝虛擬軟件，安裝完成后重啟終端，由于操作系統(tǒng)預(yù)先存于主服務(wù)器端，即可直接實現(xiàn)客戶端的登錄操作，終端與服務(wù)器通過WEB設(shè)置相關(guān)信息建立連接，設(shè)置密碼以便進行匹配驗證。
�。�4）啟動任意客戶端，進行密碼驗證后，設(shè)置系統(tǒng)上傳命令，可將操作系統(tǒng)鏡像上傳至服務(wù)器目標(biāo)目錄[6]。通過以上的操作，即可完成實驗室虛擬云桌面的部署和搭建。測試成功后，終端的登錄方式已由原來的單一操作界面增加了個人桌面和教學(xué)桌面多種場景模式，能夠有效的提高實驗室環(huán)境的部署效率，解決還原軟件在實驗室管理工作中形成的瓶頸問題，使虛擬化技術(shù)在運維管理方面得到了充分應(yīng)用。
4、小結(jié)
培養(yǎng)學(xué)生的實踐操作能力是高校教學(xué)環(huán)節(jié)中非常重要的組成部分，低配的終端設(shè)備已無法實現(xiàn)教學(xué)模式的創(chuàng)新，影響學(xué)生個性化的學(xué)習(xí)活動和教學(xué)實驗的開展。虛擬化云桌面的實現(xiàn)不僅解決了實驗教學(xué)環(huán)境面臨的諸多問題，還通過云技術(shù)和虛擬桌面技術(shù)的有效結(jié)合實現(xiàn)了快速部署實驗環(huán)境和故障機器的排查，使實驗室管理人員可以輕松的管理千臺終端，極大的減少整體運維成本。
參考文獻(xiàn)
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