基于桌面云的實驗室資源優化研究*

盧民榮許鄧艷

（1.福建江夏學院 會計學院，福建福州 350108；2.福建工程學院 軟件學院，福建福州 350108）

基于桌面云的實驗室資源優化研究*

盧民榮1許鄧艷2

（1.福建江夏學院 會計學院，福建福州 350108；2.福建工程學院 軟件學院，福建福州 350108）

針對虛擬實驗室初期建設成本高的問題，該研究從技術層面使用傳統實驗室改造客戶端，提出客戶機虛擬化方案，降低了客戶端的硬件投入；從整合服務器軟硬件資源視角，以服務器資源為中心，建立了實驗室資源優化模型。在排課系統受約束的條件下，該研究通過實驗室資源優化設計，根據教師資源和專業教學特點，充分提高桌面云的利用率。基于桌面云的虛擬實驗室建設弱化了實驗室的專業功能，該研究提高了實驗室的共享度，對減少實驗室的重復建設、降低實驗室的維護成本效果明顯。

桌面云；虛擬化；虛擬實驗室；資源優化；云計算

引言

隨著計算機技術的迅速發展，高校的實踐教學越來越依賴計算機，尤其是理工科專業的許多課程教學都需要計算機，計算機已成為現代化教學的重要工具之一[1]。近年來，國內各大高校紛紛投入大量的人力物力建設計算機實驗室，如福建江夏學院已建成93個實驗室；在理工科高校，因開展實踐教學的需要，對計算機實驗室的需求量更大[2]。計算機實驗室投入使用后，首當其沖的就是維護和管理問題日益突出:從維護角度來看，高校的計算機數量相當多，計算機故障明顯增多，工作量也很大；從管理、規劃的角度來看，各專業實驗室之間相對獨立，出現部分專業實驗室重復建設、實驗室之間缺乏資源共享等現象，這些都是實驗室建設和管理迫切需要考慮的問題[3][4]。除此之外，傳統實驗室龐大的計算機數量大幅度地增加了能源消耗[5]，暴露出了相關的能耗問題。為鼓勵高校的低碳化管理，2008年教育部聯合建設部發布了《關于推進高等學校節約型校園建設進一步加強高等學校節能節水工作的意見》。據此，高校實驗室在建設過程中要考慮實驗室的運營成本，盡量使實驗室低碳化。

計算機虛擬技術應用在政府的公共服務機構日益增多，目前已初步引入高校。虛擬化技術能有效整合計算機軟硬件資源，減少實驗室重復建設，降低實驗室維護成本[6][7]。雖然虛擬化技術能給實驗室帶來管理優勢，但其在高校的應用尚未普及，其實驗室融合和資源優化仍然需要做進一步研究。目前高校實驗室的維護人員與服務器管理人員一般是分離的，虛擬化技術要求工作人員具有較高的技術，尤其是要熟悉服務器的相關知識。本文結合虛擬化在高校實驗室的應用，主要研究基于桌面云的實驗室資源優化問題，弱化實驗室專業功能，根據實驗室排課研究實驗室資源優化模型，期待經優化設計后，服務器和物理實驗室資源能較大程度地得到利用。

一 基于桌面云的實驗室建設

1 服務器虛擬化

服務器虛擬化技術是將服務器軟硬件進行分離，對分散的服務器資源集中管理，形成硬件資源池，能動態地分配各個服務或應用之間的資源需求，在提升計算機性能的同時也能節約計算機資源。虛擬化技術在軟件層面具有全面整合的能力，從而實現了計算機設備與軟件應用之間的分離[8]。服務器虛擬化技術在高校實驗室的主要應用形式是將一臺物理服務器虛擬化為多臺邏輯服務器（這種做法被稱為“一虛多”），即針對不同專業、不同課程的需求，利用服務器虛擬化軟件將服務器虛擬成多個教學平臺。虛擬化軟件在虛擬桌面時需要消耗一定的時間，因此，高校在新學期開始，就要根據學校實驗教學的任務準備好相關的實驗環境。本文主要探討如何提高虛擬服務器的利用率，以更好地發揮它的作用。

基于桌面云的實驗室建設需要規劃每個實驗室相應數量的虛擬機，根據各實驗室的教學需求，選擇一臺虛擬機作為虛擬主機，在該主機安裝完整的應用軟件（含操作系統和教學軟件），并將這臺虛擬機通過同傳軟件將操作系統、軟件等數據同傳至規劃好的其它虛擬機，基于桌面云的實驗室虛擬機安裝基本流程如圖1所示。基于桌面云的實驗室，因其軟件安裝、維護全部集中在服務器上，方便了實驗室的管理，降低了應用軟件的重復安裝，但對服務器資源的使用率和實驗室管理人員提出了較高的要求。

圖1 基于桌面云的虛擬機安裝流程

2 客戶機虛擬化

以應用領域來劃分，桌面虛擬化只是虛擬化技術的一種應用。桌面虛擬化技術（Virtual Desktop Infrastructure，VDI）通常定義為一種基于服務器的計算模型，借用傳統瘦客戶端的模型，將服務器虛擬成許多桌面虛擬機，并通過瘦客戶端展示給用戶，讓用戶能夠像操作普通PC機一樣，其數據處理都集中在服務器[9]。基于桌面云的客戶機主要通過兩種方式接入:

一是專業瘦客戶端。提供商已經內置相應的遠程桌面接入協議，配置和操作都相對比較便捷，一般在本地不需要額外安裝操作系統，其本地資源開銷很低，服務年限比普通PC機長。專業客戶端亦稱云終端，每臺單價比普通PC便宜近一半，運行功耗比普通PC低近十倍。

二是普通PC。通過Web方式或安裝與服務器對應版本的桌面虛擬化客戶端軟件和遠程桌面協議，本地需要一定的硬盤空間和計算資源支持本地操作系統的運行，主要計算仍然集中在服務器；或將普通PC結合無盤工作站技術實現硬盤上操作系統和應用程序的分離；也可以由學生自帶筆記本電腦通過配置VMware View客戶訪問虛擬化系統。

目前，福建江夏學院2007年建設的30多間計算機實驗室設備完好率在85%左右，但計算機使用7年多后，計算機性能比較難以適應當前的軟件更新，而為了滿足現有的教學需求，學校的這一大批設備需要更新。為了解決這類設備大量報廢的問題，本文提倡將現有計算機改造成桌面云客戶端。高校實驗室的大多數計算機操作系統是 Windows系列，運用瘦客戶端軟件ThinLaunch Thin Desktop、The triCerat triShell Kiosk Edition可以對用戶訪問的應用程序進行限制，把舊的計算機轉換成瘦客戶端，如此便實現了再利用。實驗室管理人員運用桌面虛擬化技術，只需對虛擬桌面進行安裝發布，教師、學生通過瘦客戶端遠程訪問虛擬桌面，客戶端提供操作系統引導和簡單處理、顯示的功能，計算集中在服務端。因此，利用桌面虛擬化技術可以實現一臺物理服務器運行多臺虛擬機，且各虛擬機之間的操作相互獨立，在管理上主要側重服務器的軟硬件資源，提高了管理效率；運用虛擬化技術實現普通PC的客戶端化是可行、有效的，優點是在虛擬實驗室建設初期可以節約云終端的采購成本且可以降低報廢率，缺點是運行功耗比云終端高很多。

3 虛擬化網絡系統建設

基于桌面云建設的實驗室，其客戶端與服務器在空間上形成了物理隔離，客戶端與服務器的交互主要通過網絡系統承載，中間網絡傳輸成為了虛擬化技術的關鍵；一旦網絡出現故障，客戶端將不能連接服務器，實驗教學就容易癱瘓。傳統實驗室網絡拓撲如圖2所示，實驗室與服務器通過單一鏈路通訊，當發生網絡擁塞或網絡故障時，服務器與實驗室之間的網絡就會斷開。為了加強網絡系統的承載能力、保持通訊的穩定性，基于桌面云建設的實驗室網絡需要使用備份連接，以提高網絡的健壯性，交換機冗余鏈路拓撲如圖3所示。交換機冗余鏈路設計需要冗余協議的支持，當冗余協議可以控制正常鏈路的通訊時，備份鏈路不需要工作；當正常鏈路出現故障時，備份鏈路會馬上啟用，以保證網絡的正常通訊。

圖2 傳統實驗室網絡拓撲圖

圖3 交換機冗余鏈路拓撲圖

在虛擬實驗室建設過程中，網絡虛擬化也是建設的重點，核心交換機需要采用性能比較高、包轉發能力強且支持虛擬化的設備；可以將兩臺交換機虛擬成一臺，有些節點的交換容量比較大時還要考慮光纖交換機，以滿足網絡負載。網絡系統中安全策略尤其重要，考慮到網絡系統受到攻擊時會嚴重影響實驗室的正常教學，因此一般在網絡出口設置防火墻，實現內、外網相互隔離。雖然基于桌面云建設的實驗室在網絡系統方面的成本高于傳統實驗室，但從長遠來看，穩健的網絡系統不僅能給實驗室帶來安全，也能為高校內各機構提供更好的服務。

二 實驗室資源優化

1 實驗室資源優化模型

虛擬實驗室把物理實驗室轉變為邏輯上可以集中管理的服務器資源，打破了各個物理實驗室之間的專業限制，為實驗室資源的使用提供了更好的解決方案，但如何對各實驗室資源進行整合、統籌，如何提高實驗室的利用率即資源優化等，成為了十分重要卻解決起來比較困難的問題。教務系統中的排課系統具有完全排它性的特點:在同一時間教師只能教一門課，教室（實驗室）只能提供一次教學服務，學生只能在特定教學場所學習一門課程，這是比較困難的數學難題之時間表問題[10]。基于桌面云構建實驗室，其客戶端（物理實驗室）具有成本低、專業無關性等優點，而服務器卻成本高、專業相關性強，因此在教務系統中設計排課時，應以服務器資源為中心，物理實驗室、教師和學生則予以靈活配合。

實驗室資源優化的主要方向是最大化地使用虛擬出來的桌面云。在構建實驗室資源優化模型中，主要影響因素有桌面云D、教師T、學生S、課程C、物理實驗室L。以專業教學為出發點的專業教學桌面云D、以教授課程范圍定義的教師T、以完成學期課程目標的學生S之間的關系模型如圖4所示。桌面云D參數受教師、學生、課程三方面的共同影響，其資源計算較為復雜，應首先圍繞桌面云資源使用的最大化，再考慮排課系統在物理實驗室的最少投入量。

圖4 實驗室資源關系模型

2 實驗室資源優化設計

在實驗室資源優化中最為關鍵的就是確定桌面云部署的數量，以最少的虛擬機數量滿足教學需求。一般高校正常的教學時間表（暫不考慮選修、輔修等情況）為星期一至星期五，上、下午各4節，其中一個下午作為學校會議、各種學習、實驗室休整等不排課，一個教室或實驗室等教學場所的總排課量為36節。根據專業教學班最大人數定義一次桌面云數量，以專業實驗教學軟件所承擔的學生數、學時統計出桌面云最少數量，理想化的最少桌面云數量計算如公式1所示。

在公式1中，n表示專業實驗教學軟件數量，Smax表示專業實驗教學班中最大班級人數，cl表示承擔的專業實驗教學班數量，num表示該專業實驗教學軟件在實施一次實驗教學所需課時數，Ln表示桌面云對應物理實驗室可用間數，Tn表示單次實驗教學投入的教師人數。

在現實的資源管理過程中，很難達到上述公式的理想值，以學生為起點計算桌面云數量，沒有考慮對應專業教師的人數限制，因此需要對理想狀態的計算進行改善。為了讓計算公式方便體現，本文在完善計算過程中，以一項專業實驗教學軟件實施教學為樣本進行計算，如公式2所示。

在公式2中，Tweek表示單項實驗教學對應全部教師所能承擔的周教學總時數。桌面云數量就是要將每項實驗教學進行累加，或將部分實施教學進行合并。

根據確定的桌面云D數量，按照教師、學生、桌面云等不沖突的原則進行課表問題的討論。課表問題在排課系統中按照編排時間序列已能實現正常排課，其中課程表的優化要考慮如何讓物理實驗室的投入最小化。以一個物理實驗室每周能服務36節統計，上、下午各承擔4課時的教學任務，排課時要求不浪費物理實驗室資源，即有安排實驗教學的物理實驗室盡可能排滿，其計算如公式3所示。

在公式3中，Xij表示物理實驗室承擔的實驗教學周課時數，即安排1課時則應盡量安排至4課時。

弱化物理實驗室的專業功能后，其共享度變得很高。學校可以根據招生計劃，對物理實驗室做好預期規劃，能有效減少物理實驗室的重復建設。在排課系統中涉及實驗室資源的約束條件還包括兩個方面:一是桌面云與物理實驗室之間的約束。桌面云資源使用最大化，讓物理實驗室充分滿足桌面云的使用，在有限教師資源下讓桌面云達到最高利用率；二是桌面云與專業課程之間的約束。原則上具有較高相關度的專業課程應共用相同的桌面云，造成的多實驗共用桌面云數量高與單實驗桌面云數量低在實施過程中要取得一定的平衡。

三 結語

本文以虛擬實驗室建設為契機，結合桌面云優勢，從客戶機虛擬化、服務器虛擬化、網絡系統設計提出基于桌面云的實驗室建設，圍繞實驗室資源優化探討了資源優化模型，得出了實驗室資源優化設計的方法。基于桌面云的實驗室資源優化整合了實驗室軟硬件資源，不僅節約了虛擬實驗室的建設成本，也提高了實驗室的共享度和利用率，從一定程度上減少了實驗室的重復建設，因此具有一定的推廣價值。本文資源優化的目標是桌面云資源使用最大化和物理實驗室投入最小化，但計算方法缺乏一定的柔性，如教師調課則很難有空閑的資源，以設備資源為中心排課也可能造成學生上課時間表不科學；專業課程之間在共用桌面云時如何衡量相關度、必要性等，這些問題都還需要做進一步研究。從短期來看，虛擬實驗室成本仍然比較高，服務器、網絡系統、虛擬化軟件的建設消耗資金比較大，網絡安全問題仍然存在，因此目前在高校還沒有大范圍地予以普及。隨著虛擬化技術的日益成熟，虛擬化技術低能耗、管理便捷等所帶來的經濟效益將日益凸顯，虛擬化在高校實驗室中的應用將越來越廣，高校內各專業實驗室之間以及高校之間虛擬實驗室的共享度也將越來越高。

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A Study on Laboratory Resource Optimization based on Desktop Cloud

LU Min-rong1XU Deng-yan2
(1. School of Accountancy, Fujian Jiangxia University, Fuzhou, Fujian, China 350108; 2. Software college, Fujian University of Technology, Fuzhou, Fujian, China 350108)

Due to the high construction cost of virtual laboratories in its initial stage, traditional laboratories are updated to function as clients from the perspective of technology. The design of client virtualization is proposed in order to reduce the expenses of clients’ hardware. Centered on servers resources, laboratory optimized model is established by integrating resources, namely hardware and software resources. Based on the teacher resources and characteristics of specialized teaching, the use of laboratories can be reduced as much as possible by optimizing design of laboratories resources under the limitation of course scheduling system. More laboratories will be shared by using virtual laboratories based on desktop cloud, which has weakened the function of specialized labs and reduced the redundant construction as well as the maintenance cost of labs.

desktop cloud; virtualization; virtual laboratories; resources optimization; cloud computing

G40-057

A【論文編號】1009—8097（2015）07—0101—06【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2015.07.016

編輯:小米

本文為福建江夏學院教育教學改革重點資助項目“基于虛擬實驗室的會計實踐教學平臺研究”（項目編號：J2014A003）、中央財政支持地方高校發展專項資金2013-2015年建設規劃“以職業能力為導向的開放式財務與會計實訓基地”的階段性研究成果。

盧民榮，講師、實驗師，碩士，研究方向為數據挖掘、虛擬仿真，郵箱為luminrong163@163.com。

2014年10月30日