基于VDI的虛擬化計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)研究

摘要：在計(jì)算機(jī)及自動(dòng)化學(xué)科教學(xué)中，上機(jī)實(shí)驗(yàn)是必不可少的一環(huán)，隨著眾多課程實(shí)驗(yàn)被逐步納入教學(xué)體系中，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)由于其在投入成本、環(huán)境配置上的劣勢(shì)，已不能有效滿足不同實(shí)驗(yàn)課程對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的需求。本文針對(duì)以上問(wèn)題提出基于VirtualBox通過(guò)虛擬化的方式構(gòu)建VDI（Virtual Desktop Infrastructure）計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，詳細(xì)介紹了虛擬化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建方式，并對(duì)VDI平臺(tái)的成本及效率進(jìn)行分析論證。

關(guān)鍵詞：虛擬化；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；遠(yuǎn)程終端

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2013）41-0255-03

隨著信息技術(shù)的發(fā)展與普及，我國(guó)高校普遍將計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)作為專(zhuān)業(yè)能力培養(yǎng)的必要環(huán)節(jié)，多數(shù)高校已投入大量經(jīng)費(fèi)建立了以計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室為核心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心作為統(tǒng)一的學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。然而隨著各個(gè)專(zhuān)業(yè)課程逐步將實(shí)驗(yàn)教學(xué)納入教學(xué)大綱中，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室所需面對(duì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)日益繁重，實(shí)驗(yàn)室需要具備多種操作系統(tǒng)及應(yīng)用環(huán)境配置以滿足教學(xué)需求。在這種趨勢(shì)下，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室管理模式由于高投入、環(huán)境配置煩瑣等問(wèn)題已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)今實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的要求。虛擬化技術(shù)作為近年來(lái)興起的新型技術(shù)，由于其具有的可快速部署操作環(huán)境、對(duì)硬件性能要求低等眾多優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域，而這些特性同樣能夠解決目前高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所面臨的管理問(wèn)題。本文以信息學(xué)院自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系為例，系統(tǒng)地分析了目前教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出了基于VDI的虛擬化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)解決方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

一、計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀及問(wèn)題

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為對(duì)理論課堂的補(bǔ)充，能夠有效鞏固學(xué)生理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，在當(dāng)今的計(jì)算機(jī)教學(xué)中已經(jīng)成為不可或缺的環(huán)節(jié)。目前，多數(shù)高校的信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)都根據(jù)專(zhuān)業(yè)自身的特點(diǎn)構(gòu)建了計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。以自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)為例，其作為一門(mén)以控制論為核心，以信息技術(shù)為主要研究手段的學(xué)科，教學(xué)體系中涵蓋了機(jī)械類(lèi)、計(jì)算機(jī)類(lèi)、電子工程類(lèi)、控制類(lèi)等多種課程，而計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)均被引入各類(lèi)課程的教學(xué)中，例如機(jī)械類(lèi)課程“工程制圖”設(shè)有“CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”，計(jì)算機(jī)類(lèi)課程“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”均設(shè)有“VC++環(huán)境編程實(shí)驗(yàn)”，電子工程類(lèi)課程“模擬電子電路”則設(shè)有“multisim仿真實(shí)驗(yàn)”。在各個(gè)課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，其所需要的操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件均有所不同，不同實(shí)驗(yàn)要求的操作系統(tǒng)環(huán)境包括winXP、win7、ubuntu、solaris等，而應(yīng)用軟件則根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容各不相同，表一中展示了自動(dòng)化本科教學(xué)中部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容及所需實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

在目前這種教學(xué)實(shí)驗(yàn)廣度與深度均逐漸增加的情形下，由于各類(lèi)課程實(shí)驗(yàn)環(huán)境各異，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)方式無(wú)法適應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在資源利用、環(huán)境配置、平臺(tái)管理等多方面的需求，其主要表現(xiàn)在以下方面[1]。

1.多類(lèi)型實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置困難。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心需要滿足多種實(shí)驗(yàn)的需求，故其需要同時(shí)配置有多種系統(tǒng)、多種應(yīng)用，而隨著更多的課程實(shí)驗(yàn)加入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中，更多的系統(tǒng)及應(yīng)用需要加入到實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)中，同時(shí)由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室由局域網(wǎng)互聯(lián)的計(jì)算機(jī)組構(gòu)成，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境更新時(shí)，需要對(duì)每臺(tái)計(jì)算機(jī)分別進(jìn)行重新配置，這極大的增加了實(shí)驗(yàn)中心管理維護(hù)的難度及成本。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備損壞后恢復(fù)困難。由于實(shí)驗(yàn)的直接操作者為學(xué)生，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生需要進(jìn)行系統(tǒng)安裝、網(wǎng)絡(luò)配置、軟件設(shè)置等多種操作，很有可能發(fā)生由誤操作造成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)損壞情形，由于實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)承擔(dān)了多個(gè)課程的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)損壞時(shí)管理人員需要重新對(duì)所有課程所需環(huán)境進(jìn)行重新配置而無(wú)法直接恢復(fù)。

3.實(shí)驗(yàn)資源利用率低，消耗成本較大。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室通過(guò)購(gòu)置多臺(tái)計(jì)算機(jī)的方式滿足所有學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求，而當(dāng)實(shí)驗(yàn)課程較多時(shí)，一臺(tái)計(jì)算機(jī)將無(wú)法滿足全部課程的環(huán)境配置需求，高校需要建立多個(gè)環(huán)境配置不同的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室以滿足需求，這種情況下，硬件資源得不到有效的利用，消耗了過(guò)多資金成本。

二、VDI系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用

VDI（virtual desktop infrastructure），即虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)，指的是以數(shù)據(jù)中心的形式運(yùn)行操作系統(tǒng)，通過(guò)生成虛擬機(jī)的方式為用戶(hù)提供虛擬化桌面，用戶(hù)可通過(guò)終端設(shè)備對(duì)虛擬桌面進(jìn)行訪問(wèn)。[2]基于VDI系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)將呈現(xiàn)如圖1架構(gòu)，在該架構(gòu)下，學(xué)生實(shí)驗(yàn)所用的是具備計(jì)算和存儲(chǔ)能力的終端，由高性能的服務(wù)器主機(jī)生成具有相應(yīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的虛擬機(jī)提供給各實(shí)驗(yàn)用戶(hù)終端。

VDI系統(tǒng)下的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)具有如下優(yōu)點(diǎn)。

1.低成本。該系統(tǒng)下實(shí)驗(yàn)終端不需要具有計(jì)算存儲(chǔ)能力，實(shí)驗(yàn)室只需購(gòu)置能夠支持完成一定數(shù)量虛擬機(jī)生成的高性能服務(wù)器。同時(shí)由于采用虛擬機(jī)生成的方式配置實(shí)驗(yàn)環(huán)境，當(dāng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容變更時(shí)，實(shí)驗(yàn)室不需要對(duì)硬件環(huán)境進(jìn)行反復(fù)更新，大大降低了更新成本。

2.配置快捷，便于管理。在使用虛擬機(jī)方式生成實(shí)驗(yàn)環(huán)境時(shí)，如果將實(shí)驗(yàn)環(huán)境保存成模板文件，則整個(gè)配置時(shí)間將從安裝系統(tǒng)及應(yīng)用程序所需的數(shù)個(gè)小時(shí)降低至幾分鐘，虛擬機(jī)下快速配置環(huán)境的能力使得管理人員能夠迅速更新或恢復(fù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

3.支持遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。如圖2所示，由于VDI系統(tǒng)支持通過(guò)Internet向遠(yuǎn)程終端分配虛擬機(jī)，學(xué)生可以通過(guò)聯(lián)網(wǎng)獲取具有實(shí)驗(yàn)環(huán)境的虛擬機(jī)，從而在實(shí)驗(yàn)室之外的圖書(shū)館、寢室等地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

三、VDI系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)搭建方案

通過(guò)服務(wù)器構(gòu)建VDI系統(tǒng)架構(gòu)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)方案如下。

1.利用VirtualBox軟件，在服務(wù)器上生成所需的虛擬機(jī)。

2.把所有的虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置方式設(shè)置為Bridge方式。

3.允許全部虛擬機(jī)的遠(yuǎn)程終端注冊(cè)。當(dāng)允許虛擬機(jī)遠(yuǎn)程終端注冊(cè)時(shí)，操作人員能夠在局域網(wǎng)內(nèi)的任意計(jì)算機(jī)通過(guò)調(diào)用遠(yuǎn)程終端的方式進(jìn)入虛擬桌面，若服務(wù)器能夠連接互聯(lián)網(wǎng)，則虛擬桌面也能夠連接互聯(lián)網(wǎng)，DHCP服務(wù)器則負(fù)責(zé)對(duì)每個(gè)虛擬機(jī)進(jìn)行IP地址分配。

4.由系統(tǒng)管理員使用已保存的實(shí)驗(yàn)環(huán)境模板文件在每個(gè)虛擬機(jī)上安裝系統(tǒng)及程序。

四、VDI系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)成本性能分析

1.虛擬機(jī)生成能力性能分析。VDI系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵在于作為數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器能夠生成足夠數(shù)量的虛擬機(jī)，因此本文以系統(tǒng)配置為Intel（R）Pentium（R）G630 2.7GHz，RAM 2GB，Windows 7作為主機(jī)，以Performance Test軟件評(píng)分作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)虛擬機(jī)生成量與虛擬機(jī)性能之間的關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，并得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：（1）虛擬機(jī)內(nèi)核數(shù)并不影響主機(jī)的虛擬機(jī)生成能力，表二顯示當(dāng)虛擬機(jī)內(nèi)核數(shù)為1、2、3時(shí)，生成虛擬機(jī)數(shù)量的增加并未導(dǎo)致虛擬機(jī)性能的明顯下降；（2）主機(jī)內(nèi)存大小是影響虛擬機(jī)生成數(shù)量的上限，表三表明當(dāng)虛擬機(jī)占用內(nèi)存比例超過(guò)主機(jī)內(nèi)存的60%時(shí)，虛擬機(jī)性能將迅速下降至0。

2.VDI系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成本分析。基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)論，本文對(duì)利用VDI系統(tǒng)構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)所需成本進(jìn)行了粗略測(cè)算?？紤]具有十臺(tái)終端的小型實(shí)驗(yàn)室，在傳統(tǒng)方式下，可購(gòu)買(mǎi)十臺(tái)內(nèi)存為2G售價(jià)為3000元的低配計(jì)算機(jī)，其所需總價(jià)為3萬(wàn)元，而利用VDI系統(tǒng)搭建實(shí)驗(yàn)室則僅需購(gòu)置一臺(tái)具有高內(nèi)存（32G）的64位主機(jī)及10臺(tái)顯示屏，其購(gòu)置成本大致如下：主機(jī)5000元，擴(kuò)展內(nèi)存1500元，顯示屏800*10元，總價(jià)為14500元。可以看出VDI系統(tǒng)構(gòu)建的虛擬化實(shí)驗(yàn)室在成本方面有著較明顯的優(yōu)勢(shì)，在相同成本下，VDI系統(tǒng)虛擬化實(shí)驗(yàn)室可滿足兩倍于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的終端需求。除此之外在實(shí)驗(yàn)室升級(jí)時(shí)，虛擬化實(shí)驗(yàn)室僅需更新主機(jī)而保留所有的顯示終端，但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室則需要對(duì)所有電腦進(jìn)行更新。

本文基于目前信息學(xué)科計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)所需實(shí)驗(yàn)環(huán)境的多樣性，分析了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)存在的高成本、難管理的問(wèn)題，提出了一種基于VDI系統(tǒng)架構(gòu)的虛擬化計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，通過(guò)高性能服務(wù)器作為數(shù)據(jù)中心，以生成虛擬機(jī)的方式為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境，這種新型平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的快速配置，節(jié)約設(shè)備更新成本，讓學(xué)生能夠隨時(shí)隨地的接入實(shí)驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。同時(shí)本文對(duì)上述平臺(tái)在性能、成本方面進(jìn)行了詳盡的實(shí)驗(yàn)分析，檢驗(yàn)了上述平臺(tái)的可行性。VDI系統(tǒng)作為一個(gè)已經(jīng)在商業(yè)領(lǐng)域成功應(yīng)用的虛擬化概念，其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用有著廣闊而光明的前景，虛擬化能夠讓計(jì)算機(jī)教學(xué)更加高效、便捷。

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