虛擬云技術在實驗教學的應用論文
摘要：當前云技術、虛擬化技術在高校實驗教學管理中得到被越來越廣泛的應用，通過云技術和虛擬化技術的有效結合能夠大大提高實驗教學資源的共享和利用率，以及計算機實驗室的服務支撐能力。本文以搭建的私有云桌面平臺為支撐，對虛擬云技術的計算機實驗室建設管理進行研究，從而實現(xiàn)專業(yè)實驗教學的由點及面、理論到應用、涵蓋原理及創(chuàng)新的多層次實驗教學，并且以學生為本出發(fā)，滿足不同層次學生的實驗需求，幫助學生獲得最大的學習空間。
關鍵字：云技術；虛擬化；實驗室建設管理
隨著信息化社會的迅速發(fā)展，云技術、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用。為了加強專業(yè)學生的動手實踐能力，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，強化學生的綜合實力，滿足學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和科研任務，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）由于學科建設和定位的不同，各專業(yè)對學生的培養(yǎng)方向也不同，不同年級不同專業(yè)所開設的課程存在較大差異，為了滿足實驗教學和教師科研環(huán)境的需求，經(jīng)常需要對實驗室的相關軟件進行更新和重新配置，容易導致系統(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）為了滿足基礎教學、實習實訓等方面的需求，計算機實驗室通常是進行大規(guī)模建設，硬件設備的投入十分巨大，但隨著互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)對人才需求的不斷變化，課程設置及所需軟件對硬件的需求也在不斷提高，同時硬件設備存在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校帶來了不小的壓力。
�。�4）實驗教學環(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習所學知識是學習過程中的有效解決途徑。但教學環(huán)境本身不具備靈活性和轉移性，特定的軟件對操作的要求不同，導致學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）實驗室是提供教學環(huán)境的公共場所，由于不當?shù)纳暇W(wǎng)方式和移動設備的交叉使用，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，但卻給學生的課后實踐練習帶來不便，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
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雜，云技術的提出可以有效的解決這些難題。虛擬化技術作為云計算系統(tǒng)中的關鍵技術，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可靠性，降低運維成本，使數(shù)據(jù)更加安全。虛擬化技術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，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用，能夠在終端提供遠程的計算機桌面服務[5]。虛擬云桌面是通過遠程服務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器上進行，共享服務器的存儲資源，完成操作后可以對任務進行實時提交，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云平臺的設計原理
面對實驗室的各種管理難題，例如軟件的多樣性、復雜性、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)了桌面應用環(huán)境與終端設備的分離，用戶的桌面環(huán)境集中部署于數(shù)據(jù)中心服務器上的虛擬機中運行。用戶通過網(wǎng)絡訪問虛擬桌面，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限，并可以根據(jù)用戶的實際應用軟件，及時按需交付應用桌面，大大的減輕了實驗室管理人員的工作量。
3.2云平臺的構成
桌面虛擬化應用是一個系統(tǒng)工程，需要有服務器、網(wǎng)絡環(huán)境、終端設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：部署在服務器上的虛擬化軟件，只需配置一臺服務器作為主控節(jié)點，即可通過主控節(jié)點管理整個服務器集群。同時主控節(jié)點有權限創(chuàng)建新的虛擬機提供給用戶使用。
�。�2）計算節(jié)點：部署在服務器上的虛擬化軟件，以KVM為基礎提供虛擬化層，虛擬化物理服務器的CPU、內(nèi)存、存儲以及網(wǎng)絡資源，并將其分配給多臺虛擬機。
�。�3）管理平臺：B/S架構的單一管理模式，任意與服務器在同一網(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)服務器虛擬化IT架構以及虛擬桌面的統(tǒng)一管理。虛擬云平臺的架構可以真正實現(xiàn)通過網(wǎng)絡將定制的桌面系統(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、智能設備隨時隨地進入學習場景，開啟一種新型的全開放式學習新模式。
3.3桌面虛擬化的實現(xiàn)
桌面虛擬化的.技術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)絡環(huán)境允許的情況下，在服務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)存在于服務器中，非瘦客端將個人終端做為客戶端。針對學院的教學環(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，實施建設主要分以下幾方面：
�。�1）對服務器的相應磁盤采用NTFS文件格式，安裝虛擬化軟件，如物理服務器已經(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)絡信息等參數(shù)進行設置和優(yōu)化。
�。�2）配置掛載任務。為服務器配置存儲，分配操作系統(tǒng)安裝目錄，設置網(wǎng)卡IP地址，DNS、主機名、通信密鑰等信息，如果配置服務的過程中只有一臺服務器，則安裝后初始化為主控節(jié)點即可，如有多臺服務器存在，則需要初始化一臺為主控節(jié)點，其他服務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)預先存于主服務器端，即可直接實現(xiàn)客戶端的登錄操作，終端與服務器通過WEB設置相關信息建立連接，設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，設置系統(tǒng)上傳命令，可將操作系統(tǒng)鏡像上傳至服務器目標目錄[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，使虛擬化技術在運維管理方面得到了充分應用。
4、小結
培養(yǎng)學生的實踐操作能力是高校教學環(huán)節(jié)中非常重要的組成部分，低配的終端設備已無法實現(xiàn)教學模式的創(chuàng)新，影響學生個性化的學習活動和教學實驗的開展。虛擬化云桌面的實現(xiàn)不僅解決了實驗教學環(huán)境面臨的諸多問題，還通過云技術和虛擬桌面技術的有效結合實現(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
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