基于云計(jì)算的高校虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)設(shè)計(jì)

王曙霞 焦家林 黃志武

（湖北工程學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，湖北孝感432000）

基于云計(jì)算的高校虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)設(shè)計(jì)

王曙霞 焦家林 黃志武

（湖北工程學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，湖北孝感432000）

本文通過(guò)分析高校計(jì)算機(jī)類課程實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀和云計(jì)算虛擬化技術(shù)，研究搭建一個(gè)集成各種應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)的虛擬化云平臺(tái)，按需提供各種服務(wù)，采用瘦客戶端/云服務(wù)器模式，通過(guò)利用服務(wù)器模式仿真和遠(yuǎn)程硬件操控等方式，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)類的應(yīng)用軟件和程序編譯等實(shí)驗(yàn)。為了解決實(shí)驗(yàn)中的資源占用沖突，采用預(yù)約機(jī)制和最近最少法原則合理調(diào)配。本虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了教育資源整合，降低了高校對(duì)實(shí)驗(yàn)的投入成本，提高了高校信息化水平，進(jìn)而推動(dòng)世界教育技術(shù)的發(fā)展。

云計(jì)算；虛擬實(shí)驗(yàn)；瘦客戶端

1 引言

高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)離不開實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)建設(shè)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)都具有重復(fù)建設(shè)、獨(dú)立性、分散性等特點(diǎn)。由于我國(guó)高等院校數(shù)量龐大，并且辦學(xué)層次和規(guī)模不齊，重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的地區(qū)分布不均衡。實(shí)驗(yàn)室管理者一直在研究如何將這些實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行整合，最大限度地利用起來(lái)。

繼個(gè)人計(jì)算機(jī)變革、互聯(lián)網(wǎng)變革之后，云計(jì)算被看作第三次IT浪潮，使生活、生產(chǎn)方式和商業(yè)模式發(fā)生根本性改變[1]。近幾年，隨著云計(jì)算的快速發(fā)展，云計(jì)算在國(guó)防工業(yè)、傳媒、政務(wù)公務(wù)領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用，發(fā)揮了相關(guān)優(yōu)勢(shì)。但是在教學(xué)領(lǐng)域，云計(jì)算與教學(xué)主體的融合還沒(méi)有展開，教育信息化還停留在“傳統(tǒng)課堂講授+電子教案”的模式上，計(jì)算機(jī)等課程實(shí)驗(yàn)仍是基于單一計(jì)算機(jī)或硬件終端的調(diào)試實(shí)驗(yàn)[2]。本文提出的虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)是指通過(guò)遠(yuǎn)程控制技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)提供的一項(xiàng)混合虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑梢愿淖儌鹘y(tǒng)的上機(jī)實(shí)驗(yàn)課程模式，實(shí)現(xiàn)在云端遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)。

2 云計(jì)算及其在教學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展

云計(jì)算的雛形是分布式計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算、并行計(jì)算[3]，目前主要包括效用計(jì)算和虛擬化的概念。它可以提供包括平臺(tái)即服務(wù)、軟件即服務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)等功能，具有虛擬化、高拓展性、多功能性、超大規(guī)模、高可靠性等技術(shù)特點(diǎn)。目前，我國(guó)云計(jì)算產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)超過(guò)3500億美元并且還在高速增長(zhǎng)，全球的云服務(wù)預(yù)算中，SaaS服務(wù)市場(chǎng)份額最高，達(dá)到49%，IaaS、PaaS分別為28%和18%。2017年是云計(jì)算的政策大年，云計(jì)算產(chǎn)業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)還沒(méi)有出現(xiàn)云計(jì)算的超大公司，市場(chǎng)規(guī)模也有待提高。

云計(jì)算的功能包括平臺(tái)即服務(wù)，因此，我們可基于云計(jì)算設(shè)計(jì)一個(gè)教學(xué)云平臺(tái)，將教育相關(guān)的信息化資源進(jìn)行整合，形成一個(gè)大規(guī)模的云資源庫(kù)，向教師或?qū)W生提供多功能的“云教育”服務(wù)。由于云中提供有多臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理，可以為使用者提供可靠、快捷的服務(wù)信息。在教學(xué)云平臺(tái)上，使用者可使用自己手機(jī)或其它移動(dòng)設(shè)備，自由地訪問(wèn)云資源庫(kù)中所提供的資源，來(lái)完成自己所選課程的學(xué)習(xí)或?qū)嶒?yàn)。

云計(jì)算的重要技術(shù)為實(shí)驗(yàn)資源虛擬化提供了有力支撐點(diǎn)。由于在云計(jì)算中，所有環(huán)境部署和物理平臺(tái)都依賴于虛擬平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的信息化使得物理資源也變成邏輯可管理的信息資源，這是高校“虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)”的基礎(chǔ)。基于虛擬技術(shù)的虛擬儀器的開發(fā)和虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)在各大高校都已較為普遍和成熟，這些虛擬實(shí)驗(yàn)資源和虛擬技術(shù)是建設(shè)“虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)”的基石。

新一輪的教育信息化改革和建設(shè)也為高校虛擬實(shí)驗(yàn)云的發(fā)展提供了難得而良好的機(jī)遇。在十二五規(guī)劃中中央明確提出了我國(guó)信息化產(chǎn)業(yè)和教育產(chǎn)業(yè)相結(jié)合的指導(dǎo)方針，并且要求全國(guó)各大院校做好教育產(chǎn)業(yè)信息化工作[4]。政策層面上對(duì)于云計(jì)算產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)力且廣泛的支持，也給高校虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)提供了廣闊的發(fā)展空間。總的來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)資源虛擬化和云計(jì)算技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高校“虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)”的技術(shù)保障；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)步為高校“虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)”提供了堅(jiān)實(shí)而廣闊的基礎(chǔ)；虛擬技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)的聯(lián)合運(yùn)用應(yīng)用是建設(shè)高校“虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)”的技術(shù)手段[5]。實(shí)驗(yàn)云能使高校實(shí)驗(yàn)室在真正意義上實(shí)現(xiàn)資源共享、開放合作和最大限度的環(huán)保節(jié)能。這種全新的模式將徹底破除各大高校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面和物理建設(shè)上的重重壁壘，在信息化建設(shè)的格局上，顛覆性地改革現(xiàn)行教學(xué)模式[6]。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究

本云平臺(tái)涉及的關(guān)鍵技術(shù)有：

（1）云服務(wù)器中實(shí)驗(yàn)資源調(diào)配均衡的措施。在實(shí)際操作中，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源利用率的均衡化，可以采用負(fù)載均衡技術(shù)，讓虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的每臺(tái)云服務(wù)器都具有同等地位且能單獨(dú)提供虛擬服務(wù)。

（2）解決資源占用沖突的措施。在虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，如果有很多使用者同時(shí)申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)資源，那么就會(huì)出現(xiàn)資源占用沖突的可能。為了防止這一現(xiàn)象的出現(xiàn)，可以將每個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境類比Cache調(diào)度的替換算法，采用最近最少算法（LRU）合理配置虛擬實(shí)驗(yàn)室資源訪問(wèn)[2]。

（3）采用預(yù)約機(jī)制實(shí)現(xiàn)用戶提前預(yù)約，保證資源的合理分配與調(diào)度。預(yù)約系統(tǒng)應(yīng)該包括3個(gè)部分：客戶端、云服務(wù)器端和數(shù)據(jù)庫(kù)。

4 虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)采用瘦客戶端/云服務(wù)器模式，整個(gè)系統(tǒng)主要由客戶端、云服務(wù)器端及一個(gè)虛擬的網(wǎng)絡(luò)桌面連接組成。整個(gè)平臺(tái)的構(gòu)架如圖1所示。

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)的整體構(gòu)架

客戶端的教師或?qū)W生可以使用任意終端如手機(jī)、平板電腦等連接實(shí)驗(yàn)云網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行頁(yè)面瀏覽，并通過(guò)安全虛擬桌面連接云資源庫(kù)。實(shí)驗(yàn)可以運(yùn)行在虛擬桌面上，而實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果則會(huì)保存到云服務(wù)器端。云服務(wù)器端集成了硬件設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、多媒體設(shè)備和服務(wù)器設(shè)備等，并在云平臺(tái)上搭建了各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。云服務(wù)器端的存儲(chǔ)設(shè)備主要用來(lái)在線存儲(chǔ)用戶的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備用來(lái)搭建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，監(jiān)控設(shè)備用來(lái)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)運(yùn)行狀態(tài)。虛擬實(shí)驗(yàn)室的操作平臺(tái)都安裝在云服務(wù)器端，各種實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、軟硬件資源等信息都事先存儲(chǔ)在平臺(tái)，每個(gè)使用者都可以從云服務(wù)器端獲取相關(guān)教學(xué)資源，建立所需的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。由于使用者之間的數(shù)據(jù)相互隔離，所以實(shí)驗(yàn)時(shí)相互不影響，實(shí)驗(yàn)完成后還可以將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端。云服務(wù)器端的系統(tǒng)管理部分將用來(lái)管理和維護(hù)使用者搭建的各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并合理分配實(shí)驗(yàn)資源。

虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)工作流程圖如圖2所示。

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)工作流程圖

使用者在使用虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)之前要先申請(qǐng)注冊(cè)一個(gè)專門的用戶賬號(hào)，為了避免資源使用沖突，做實(shí)驗(yàn)要提前預(yù)約。客戶端登錄云服務(wù)器后即可搭建自己所需的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)；云服務(wù)器端通過(guò)使用者提供的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容和數(shù)據(jù)進(jìn)行資源配置，虛擬實(shí)驗(yàn)服務(wù)器調(diào)用和連接相關(guān)軟硬件實(shí)驗(yàn)資源，創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)束后自動(dòng)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果傳送給用戶，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果存放在云存儲(chǔ)服務(wù)端以便后續(xù)實(shí)驗(yàn)的調(diào)用。由于HTML5提供了Canvas畫布功能，可以實(shí)現(xiàn)矢量繪圖、合成柵格圖等功能，并可將這些圖形直接渲染在瀏覽器上，所以為了提高云平臺(tái)的仿真實(shí)驗(yàn)效果，在此采用HTML5技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)的設(shè)計(jì)與表達(dá)。

在設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)時(shí)，隨著申請(qǐng)使用人數(shù)的增多，可能會(huì)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源占用沖突的情況。為了解決這一沖突，可以將每一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境類比Cache調(diào)度的替換算法，采用最近最少算法（LRU）進(jìn)行合理配置虛擬實(shí)驗(yàn)室資源的訪問(wèn)。在實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)運(yùn)行時(shí)，云服務(wù)器端記載下每一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的相關(guān)參數(shù)信息，當(dāng)前一個(gè)使用者完成實(shí)驗(yàn)退出后，云服務(wù)器端會(huì)記錄相關(guān)服務(wù)資源的訪問(wèn)次數(shù)，暫不清空實(shí)驗(yàn)環(huán)境。當(dāng)新的使用者申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境時(shí)，如果所需實(shí)驗(yàn)環(huán)境與云服務(wù)器端記錄的某個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境資源類似，且該服務(wù)資源處于空閑狀態(tài)，則優(yōu)先分配空閑實(shí)驗(yàn)環(huán)境中使用次數(shù)最少的一個(gè)分配給申請(qǐng)者使用。如果沒(méi)有與申請(qǐng)者提交相類似的實(shí)驗(yàn)資源，則提供空閑實(shí)驗(yàn)資源中使用次數(shù)最少的一個(gè)分配給申請(qǐng)者使用。同時(shí)為了防止出現(xiàn)掛機(jī)現(xiàn)象，當(dāng)客戶端與服務(wù)器端長(zhǎng)時(shí)間未進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，服務(wù)器端將自動(dòng)斷開與客戶端的實(shí)驗(yàn)連接，同時(shí)回收相關(guān)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

為了合理配置實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)時(shí)間，可以通過(guò)預(yù)約機(jī)制完成。當(dāng)客戶通過(guò)客戶端登錄并選擇實(shí)驗(yàn)環(huán)境預(yù)約功能后，服務(wù)器端會(huì)顯示出當(dāng)前空閑的實(shí)驗(yàn)環(huán)境資源，當(dāng)客戶預(yù)約實(shí)驗(yàn)環(huán)境并確認(rèn)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)依據(jù)相關(guān)信息進(jìn)行審核，審核完成后，系統(tǒng)自動(dòng)生成該客戶的模擬使用信息并在約定實(shí)驗(yàn)時(shí)間點(diǎn)前占用相關(guān)虛擬實(shí)驗(yàn)資源，資源占用同樣按照最近最少法原則，如果用戶在預(yù)約實(shí)驗(yàn)環(huán)境一段時(shí)間后，未登錄系統(tǒng)或未實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接，則自動(dòng)取消占用并退出實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

5 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)類實(shí)驗(yàn)只能在計(jì)算機(jī)機(jī)房或?qū)嶒?yàn)室完成，都是通過(guò)臺(tái)式機(jī)等物理部件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每人一機(jī)，學(xué)校要投入大量成本，要根據(jù)實(shí)驗(yàn)人數(shù)，合理安排機(jī)房上機(jī)時(shí)間，配置實(shí)驗(yàn)環(huán)境，若要臨時(shí)安排實(shí)驗(yàn)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)時(shí)間或機(jī)房容量或?qū)嶒?yàn)環(huán)境方面的沖突；而基于云計(jì)算的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在任意時(shí)間、任意地點(diǎn)均可完成。用戶只需要利用任一移動(dòng)設(shè)備終端，登錄云服務(wù)器，提交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，就可以進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)仿真了，大家可以共用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)校投入成本相對(duì)較少。虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)只需進(jìn)行服務(wù)器集群的擴(kuò)充，就可以滿足不定量人的實(shí)驗(yàn)要求，且實(shí)驗(yàn)環(huán)境由實(shí)驗(yàn)服務(wù)器配置，采用最近最少算法（LRU），避免資源占用沖突。采用預(yù)約機(jī)制，可提前預(yù)約實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

[1] 楊楓，祁慧敏，靳賀敏．基于PaaS云平臺(tái)的計(jì)算機(jī)類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探析[J]．河南財(cái)政稅務(wù)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2013(4)：82-85．

[2] 張乃千，楊海，周麗濤．基于云計(jì)算的虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]．計(jì)算機(jī)教育，2015(1)：39-44．

[3] 孫劍華．未來(lái)計(jì)算在"云端"——淺談云計(jì)算和移動(dòng)學(xué)習(xí)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2009，19(8)：60-63．

[4] 王笑梅，賈曉強(qiáng)．云計(jì)算對(duì)高校教育的影響分析[J]．科技信息，2010(10)：397-398．

[5] 孫柏祥，云計(jì)算．高校教育信息化建設(shè)和發(fā)展的新模式[J]．中國(guó)電化教育，2010，280(5)：123-125．

[6] 黃晨輝，林泳琴．基于云計(jì)算的虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的研究與實(shí)現(xiàn)[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29(11)：178-181．

Design of Virtual Experiment Cloud Platform Based on Cloud Computing

Wang ShuxiaJiao JialinHuang Zhiwu
(School of Computer and Information Science,Hubei Engineering University,Xiaogan 432000,Hubei)

This paper analyzes the current situation of computer class experiment and cloud computing virtualization technology in university,and builds a virtual cloud platform integrating various application software and operating systems,and provides various services on demand,using thin client/cloud server mode.It realizes the application software and program compilation of computer classes by means of server model simulation and remote hardware manipulation.In order to solve the conflict of resource occupation in the experiment,the appointment mechanism and the least recent law principle are adopted.This virtual experiment cloud platform realizes education resource integration,reduces the cost of university's input to the experiment,improves the information level of universities,and then promotes the development of education technology in the world.

cloud computing;virtual experiment;thin client

T9311

A

1008-6609(2017)09-0005-03

王曙霞（1975-），女，湖北荊門人，碩士，副教授，研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù)、智能計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)安全等。

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：B2016181。