云計算實驗室建設方案探究

何婧媛

【摘 要】本文分析云計算優勢及在教學領域的發展趨勢，提出“虛擬云實驗室”建設方案，采用瘦客戶端模式，構建虛擬云實驗室的總體框架和相關功能設計。將服務器虛擬化、桌面虛擬化和最近最少使用算法應用于云實驗室建設方案，提高了資源利用效率，對云計算在教學領域的應用具有重要意義。

【關鍵詞】云計算；虛擬化技術；實驗室建設；LRU

0 引言

隨著云計算的應用越來越廣泛，綜合考慮計算機實驗室面臨的問題及云計算的優勢和提供的服務。本文探討利用云計算的技術優勢，將云計算融入實驗室建設，使實驗室面臨的一些問題得到較大改善，如建設成本高、資源利用率低、管理運維效率低、受時間和地點限制、安全性低等。文本采用瘦客戶端模式來構建虛擬云計算實驗室建設方案，提出的云計算實驗室建設方案具有如下優點：提高資源利用率；易于管理；安全、可靠、靈活、可擴展[1]；方便、快捷、按需分配。該方案具有較好的實用性。

1 云計算的技術優勢

云計算是分布式計算、并行計算、網格計算、效用計算、網絡存儲、虛擬化、負載均衡等傳統計算機技術和網絡技術融合的產物。它提供了3種服務模式：基礎設施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）和軟件即服務（SaaS），具有超大規模、虛擬化、高可靠性、通用性、高擴展性、按需服務、高性價比等特點。云計算是一種不同與傳統計算的新計算模式，它通過效用計算和SaaS提供了一種新的集成方式，并且要使用云服務需通過Web瀏覽器或者是經過定義的API。

將云計算應用到教學領域可以將相應的信息化教學資源虛擬化成龐大的云資源庫，從而向學生提供廣泛的教學云服務。在教學云中，用戶無需安裝任何軟件就可以隨時隨地通過瀏覽器來訪問云資源庫，從而完成學習需求。云系統通過大量計算機集群進行海量數據存儲與處理，為用戶提供實時的服務信息。如果將基于云計算的教學云與多媒體教學資源和虛擬實驗資源進行整合優化，就可以構建成一個實時、全面的多媒體教學實驗云平臺，這對于提高教育信息化、促進教育發展具有重要意義[2]。

2 云計算實驗室建設方案設計

2.1 總體概述

虛擬云實驗室能夠統一管理虛擬資源庫，學生通過瘦客戶機連入虛擬云實驗室，學生所用虛擬機是根據教師的虛擬機模版自動分配的，所分配的虛擬機具備了實驗所需的軟件環境和實驗環境。虛擬云實驗室不必考慮課程所需的軟件環境就能夠在云端為大多數課程構建虛擬實驗環境。教師能夠統一管理學生的虛擬桌面，并解決實驗中出現的任何問題。

虛擬云實驗實采用瘦客戶端/云服務器模式，主要由云服務器端、用戶端和網絡連接組成，包括相關的軟硬件資源，整體框架如圖1所示。

在上述框架中，用戶端采用的模式是瘦客戶模式，用戶能夠通過終端連接云實驗網絡并進行相關操作，后臺系統包括用戶端以外的所有部分。在實驗過程中，虛擬實驗環境是通過實驗服務器進行構建并提供必要的支持，云資源是通過虛擬云桌面進行連接的，實驗在虛擬桌面運行，而實驗過程和結果的相關數據則保存在虛擬云服務器端，實驗數據是通過存儲服務器進行存儲，實驗環境及運行狀態是通過監控服務器進行監控。本文提出的虛擬云實驗室系統能夠實現相關數據和軟硬件資源等的集中調度管理，從而提高實驗運行效率。

2.2 功能實現

虛擬云實驗室實現的功能主要包含：第一次使用需注冊用戶帳號方可進入，進入后在用戶端登錄成功便可根據需要創建虛擬實驗環境，并完成相關實驗。上一次未做完的實驗下一次仍可繼續完成。實驗完成后提交到云服務器進行仿真實驗，并將仿真結果回傳給用戶。為方便后續實驗對已完成實驗數據的調用，實驗數據可存放在云存儲器。云實驗服務器可為用戶提供實驗所需的硬件資源和虛擬實驗環境。用戶通過云服務器不僅可以隨時查看實驗所需的相關文件資料，還可以將所做實驗的相關信息進行共享。實驗過程中，教師能夠統一管理學生的虛擬桌面，指出并解決實驗中出現的任何問題。

2.3 性能分析

云計算實驗室具有以下優勢：降低實驗室硬件設施的投入、加大了資源存儲空間、實驗虛擬化、提高了資源利用率、實驗資源共享、降低了實驗限制性、降低實驗室管理維護的開銷、提高安全性和環保性[3]。云計算實驗室在具有上述優勢的同時，在經費投入方式、云服務端應急處理能力及云自身缺陷等方面的工作還得加強，這也是今后工作的需要。

3 關鍵技術

3.1 服務器虛擬化

服務器虛擬化實現了多個虛擬機運行在單個服務器上，并對硬件資源進行抽象。服務器虛擬化為虛擬機的運行提供了環境和安全措施，保證了虛擬機的運行和信息的安全與共享。服務器虛擬化的使用具有以下優點：提高了服務器資源利用率、動態分配資源、提高了部署進程、降低成本、增強了兼容性和可用性、安全[4]。

3.2 桌面虛擬化

桌面虛擬化依賴于服務器虛擬化，是將計算機的終端系統進行虛擬化，使得桌面使用具有靈活性和安全性，用戶使用任何設備便可隨時隨地通過網絡訪問個人的桌面系統。桌面虛擬化與IAAS結合形成云桌面。云桌面將大量物理資源集中到后臺的數據中心，管理者能夠統一認證和管理大量的主機、虛擬機和終端設備，使得資源調配更為方便靈活。具有以下優點：快速靈活部署、提高資源利用率、負載均衡、配置靈活、數據存放安全可靠、維護方便、節能減排。

3.3 最近最少使用算法

虛擬云實驗室資源訪問采用最近最少使用算法（LRU）進行合理配置。最近最少使用算法是內存管理的一種頁面置換算法，對于在內存中但又不用的數據塊（內存塊）叫做LRU，操作系統會根據哪些數據屬于LRU而將其移出內存而騰出空間來加載另外的數據。

實驗運行過程中，實驗的所有相關參數信息是由云服務器端來進行記錄，一個用戶完成實驗并退出環境后，云服務器端的實驗環境并沒有將相關實驗信息清空，而且對一些相關的服務資源和訪問次數做了記錄。新用戶來申請實驗環境時，若云服務器已記錄的某實驗環境與用戶所求相類似，同時該服務也處于空閑狀態，此時可將空閑環境中最近使用次數最少的一個優先分配給該用戶使用。若用戶提交的實驗資源沒有相似的，就給用戶分配一個空閑實驗環境中使用次數最少的。與此同時，若用戶與云服務器長時間沒有進行數據連接，則客戶端與云服務器端的連接就自動斷開。

4 結論

本文提出的云計算實驗室借助云計算技術共享實驗環境，整合教育教學資源，降低實驗成本。本文利用服務器模擬化和桌面虛擬化等技術實現的虛擬云實驗充分發揮了云計算優勢，不僅解決了傳統計算機實驗室存在的問題，還方便了學生的創新實驗和相關課程設計，提高了資源利用率、實現了資源共享、降低了實驗限制性、實驗安全環保等，具有一定的發展前景。

【參考文獻】

[1]陽建州.高校實驗室云平臺建設及應用案例[D].東華大學，2014.

[2]張乃千，楊海，等.基于云計算的虛擬實驗室云平臺設計[J].計算機教育，2015（1）：39-44.

[3]鄭平輝，莊鴻鴻.基于云計算的高校實驗室研究與實現[J].赤峰學院學報（自然科學版），2015，31（5）：17-18.

[4]柏忠賢，崔純，等.高校云計算實驗室虛擬化解決方案探究[J].軟件導刊，2014，13（6）：5-8.

[責任編輯：王楠]