張乃千　楊海　周麗濤

摘要：分析云計(jì)算的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及在教學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，提出“教學(xué)實(shí)驗(yàn)云”的想法，分析其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，采用瘦客戶端模式，完成虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)的總體構(gòu)架和功能設(shè)計(jì)，以程序編譯平臺(tái)、電路仿真平臺(tái)和硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為例進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，同時(shí)提出運(yùn)用最近最少使用算法（LRU）解決資源訪問沖突和提高資源利用效率、建立預(yù)約機(jī)制等關(guān)鍵問題的方案，在云計(jì)算教學(xué)領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；虛擬實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)云；云教學(xué)

0.引言

虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)是指通過融合云計(jì)算技術(shù)和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)技術(shù)提供的一項(xiàng)虛擬實(shí)驗(yàn)課程，可以改變傳統(tǒng)的上機(jī)實(shí)驗(yàn)課程模式，實(shí)現(xiàn)利用任意終端的“瘦客戶端”模式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)。隨著云計(jì)算和信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)得到了巨大的關(guān)注，相應(yīng)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品也越來越多。卡拉羅納州立大學(xué)設(shè)計(jì)研發(fā)了LAAP（learn anytime anywhere physics）物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以通過網(wǎng)頁(yè)客戶端直接訪問實(shí)驗(yàn)室資源，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室資源選取、相關(guān)實(shí)現(xiàn)模塊實(shí)施、測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果和測(cè)試評(píng)分等功能。華中科技大學(xué)開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境項(xiàng)目也在虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)上取得了重大突破。楊龍軍等人設(shè)計(jì)了一個(gè)基于云計(jì)算平臺(tái)的計(jì)算機(jī)硬件遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室，通過在線網(wǎng)絡(luò)連接方式控制實(shí)體硬件資源完成虛擬實(shí)驗(yàn)；劉福強(qiáng)等人基于云計(jì)算方式設(shè)計(jì)了一種開放式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并完成整體規(guī)劃設(shè)計(jì)；吳迪等人基于XEN云平臺(tái)設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)課程，發(fā)揮了云計(jì)算的優(yōu)勢(shì)?；谀壳坝?jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件資源豐富，高等院校校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展階段，在線網(wǎng)絡(luò)多媒體表達(dá)模式發(fā)生巨大變化的現(xiàn)狀，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款基于云計(jì)算的虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)，可以通過利用服務(wù)器模擬仿真和遠(yuǎn)程硬件操控等方式充分發(fā)揮云計(jì)算優(yōu)勢(shì)，解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)課程實(shí)驗(yàn)的不足，具有一定的發(fā)展前景。

1.云計(jì)算在實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)

云計(jì)算技術(shù)主要發(fā)展自并行計(jì)算（parallel computing）、分布式計(jì)算（distributed computing）和網(wǎng)格計(jì)算（grid computing），目前主要包括虛擬化（virtualization）、效用計(jì)算（utility computing）等概念。它包含基礎(chǔ)設(shè)施、平臺(tái)、應(yīng)用3個(gè)邏輯層次，可以提供包括基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）和軟件即服務(wù)（SaaS）等功能，具有超大規(guī)模、虛擬化、高可靠性、高拓展性、多功能性等技術(shù)特點(diǎn)。下面基于云計(jì)算的相關(guān)特點(diǎn)，分析將其應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。

1.1云計(jì)算的體系構(gòu)架

基于廣義云計(jì)算的定義，云計(jì)算提供的服務(wù)主要通過網(wǎng)絡(luò)形式按需獲得，資源提供者可以看做是“云”端，“云”中的資源具有獲取實(shí)時(shí)性、使用按需性、擴(kuò)展方便性等特點(diǎn)。目前的云計(jì)算體系主要分為5個(gè)構(gòu)架層次：物理層、核心處理層、資源分布層、服務(wù)提供層和用戶應(yīng)用層。

1.2云計(jì)算在教學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展

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)。國(guó)家教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》已明確提出：到2015年，初步建成國(guó)家教育云基礎(chǔ)平臺(tái)，支持相關(guān)教育云計(jì)算資源平臺(tái)和管理服務(wù)平臺(tái)的有效部署和應(yīng)用，為用戶提供教育基礎(chǔ)類云服務(wù)。可以預(yù)見，推動(dòng)云計(jì)算在教學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。

基于云計(jì)算應(yīng)用的教學(xué)云可以將相應(yīng)的教育信息化資源虛擬化成巨大的云資源庫(kù)，以云資源庫(kù)為基礎(chǔ)向?qū)W生提供廣泛的云計(jì)算教學(xué)服務(wù)。在云計(jì)算應(yīng)用的教學(xué)云中，用戶不需要安裝服務(wù)器程序或任何客戶端軟件就可以利用自己的移動(dòng)設(shè)備終端，在任意時(shí)間、任意地點(diǎn)通過瀏覽器訪問教學(xué)云資源，來完成各種課程學(xué)習(xí)或在線遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作。云計(jì)算系統(tǒng)包含大量計(jì)算機(jī)集群進(jìn)行海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理，可以為用戶提供最新最快速的服務(wù)信息。如果將基于云計(jì)算的教學(xué)云與多媒體教學(xué)資源和虛擬實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行整合優(yōu)化，就可以構(gòu)建成一個(gè)實(shí)時(shí)、全面的“多媒體教學(xué)實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)”，這對(duì)于提高教育信息化、促進(jìn)教育發(fā)展具有重要意義。

2.虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

2.1總體構(gòu)架

虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)采用瘦客戶端/云服務(wù)器模式，系統(tǒng)主要由用戶端、云服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)連接組成，包括相關(guān)的硬件系統(tǒng)和軟件平臺(tái)，整體平臺(tái)構(gòu)架如圖1所示。

其中，用戶端采用瘦客戶端模式，要求用戶可以使用終端連接實(shí)驗(yàn)云網(wǎng)絡(luò)并可以實(shí)現(xiàn)頁(yè)面瀏覽即可。實(shí)驗(yàn)云資源支持通過安全虛擬桌面連接，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行在虛擬桌面中，實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果保存在虛擬實(shí)驗(yàn)云服務(wù)器中。除去用戶端以外的其他部分是平臺(tái)的后臺(tái)系統(tǒng)，后臺(tái)系統(tǒng)綜合運(yùn)用存儲(chǔ)設(shè)備、硬件設(shè)備、服務(wù)器集群設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備等，并基于云計(jì)算平臺(tái)搭建后臺(tái)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室及虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。這一平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)、軟硬件設(shè)備等大規(guī)模資源的統(tǒng)一調(diào)度管理。其中，存儲(chǔ)服務(wù)器主要負(fù)責(zé)用戶實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的在線存儲(chǔ)，實(shí)驗(yàn)服務(wù)器負(fù)責(zé)搭建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境并提供實(shí)驗(yàn)支持，監(jiān)控服務(wù)器負(fù)責(zé)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)環(huán)境運(yùn)行狀態(tài)。

后臺(tái)部分的最底層為磁盤陣列，用來為云平臺(tái)服務(wù)器提供共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。上一層為服務(wù)器群和網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，通過高速物理網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通。服務(wù)器集群中包含虛擬實(shí)驗(yàn)室的各種操作平臺(tái)，平臺(tái)內(nèi)已含實(shí)驗(yàn)相關(guān)運(yùn)行環(huán)境、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、硬件資源及應(yīng)用軟件，用戶可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上構(gòu)建自己所需的各種實(shí)驗(yàn)環(huán)境。每個(gè)用戶都可以平等地從云服務(wù)器獲取相關(guān)資源并建立虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并且用戶之間的數(shù)據(jù)相互隔離，可以提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能等。

軟件部分主要通過在云服務(wù)器中運(yùn)行不同的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，包括操作系統(tǒng)的選取和實(shí)驗(yàn)軟件的安裝，根據(jù)服務(wù)器的運(yùn)算性能不同，在不同的服務(wù)器上部署不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。系統(tǒng)管理部分將用來管理和維護(hù)創(chuàng)建的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并合理分配實(shí)驗(yàn)資源，將一個(gè)或多個(gè)云服務(wù)器整合為多個(gè)虛擬計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，使用負(fù)載均衡技術(shù)，保證每臺(tái)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的云服務(wù)器具有等價(jià)地位，可以單獨(dú)提供虛擬實(shí)驗(yàn)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源利用率的均衡化，提高實(shí)驗(yàn)環(huán)境的可用性。

除了虛擬實(shí)驗(yàn)程序仿真以外，針對(duì)用戶需要硬件實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了將實(shí)驗(yàn)板與云服務(wù)器連接成內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，當(dāng)用戶提出硬件實(shí)驗(yàn)需求時(shí)，可直接將相關(guān)實(shí)驗(yàn)代碼發(fā)送到硬件實(shí)驗(yàn)板上，通過云服務(wù)器返回實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在這方面，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)獨(dú)立研發(fā)的天河陽(yáng)光實(shí)驗(yàn)板對(duì)此進(jìn)行了積極的探索，取得了較大進(jìn)展，在技術(shù)上積累了一定經(jīng)驗(yàn)。天河陽(yáng)光實(shí)驗(yàn)板與交換機(jī)、Web服務(wù)器等共同組成了B/S模式的云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用戶只需要一個(gè)可以上網(wǎng)的終端就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。天河陽(yáng)光實(shí)驗(yàn)板由Web服務(wù)器進(jìn)行控制，擁有豐富的硬件實(shí)驗(yàn)資源，可以將實(shí)驗(yàn)者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程下載到FPGA，可實(shí)現(xiàn)相關(guān)的硬件實(shí)驗(yàn)。天河陽(yáng)光實(shí)驗(yàn)板的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，當(dāng)用戶發(fā)送實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求時(shí)，實(shí)驗(yàn)板的STM32會(huì)控制命令CPLD完成FPGA的配置工作，同時(shí)將地址和數(shù)據(jù)傳送給FPGA，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過STM32返回云服務(wù)器并最終發(fā)送給用戶。

2.2實(shí)現(xiàn)功能

虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：用戶在使用虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)之前先申請(qǐng)專門的用戶賬號(hào)以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)的環(huán)境可以提前預(yù)約，也可以直接上機(jī)操作；在用戶端完成登陸后即可搭建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)完成后可以將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容發(fā)送到云服務(wù)器端并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將實(shí)驗(yàn)結(jié)果傳送給用戶；用戶的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不會(huì)永久存放在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，但可以將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果存放在云存儲(chǔ)端以便后續(xù)實(shí)驗(yàn)的調(diào)用；云服務(wù)端通過虛擬實(shí)驗(yàn)軟件提供預(yù)置的實(shí)驗(yàn)環(huán)境以方便用戶實(shí)驗(yàn)；用戶在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)還可以實(shí)時(shí)檢索云服務(wù)端的參考文獻(xiàn)資料并將相關(guān)實(shí)驗(yàn)情況實(shí)時(shí)共享。為簡(jiǎn)化用戶操作，提高對(duì)系統(tǒng)的熟練性和實(shí)驗(yàn)效率以及考慮到系統(tǒng)的跨平臺(tái)性，用戶端提供安全虛擬桌面支持，主要由網(wǎng)頁(yè)操作完成，實(shí)驗(yàn)環(huán)境安裝在虛擬桌面平臺(tái)，用戶只要在動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)中完成相關(guān)操作即可。實(shí)驗(yàn)完成后，用戶可以對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行在線評(píng)價(jià)、指出存在問題，以便于云服務(wù)端系統(tǒng)維護(hù)和改進(jìn)。系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)流程圖如圖3所示。

2.3具體應(yīng)用設(shè)計(jì)

2.3.1虛擬實(shí)驗(yàn)云程序編譯平臺(tái)的設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)云程序編譯平臺(tái)主要提供程序編譯服務(wù)，用戶不需要在本機(jī)安裝任何程序語言編譯環(huán)境，通過云服務(wù)端的虛擬編譯環(huán)境，在線搭建程序開發(fā)平臺(tái)后即可實(shí)時(shí)編譯程序代碼，并得到相關(guān)程序編譯情況和二進(jìn)制程序。例如，在進(jìn)行c語言代碼編譯實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選擇Windows或Linux系統(tǒng)下的Visual C++、Java、Turbo C等編譯環(huán)境作為虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，用戶提交測(cè)試代碼后由云服務(wù)器端根據(jù)用戶設(shè)計(jì)需求選擇實(shí)驗(yàn)服務(wù)器中對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)平臺(tái)和編譯環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程編譯并返回編譯結(jié)果。虛擬實(shí)驗(yàn)云程序編譯平臺(tái)的主要設(shè)計(jì)功能如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)中，云服務(wù)端提前配置好不同系統(tǒng)平臺(tái)下的不同編譯環(huán)境，用戶在登錄后，即可選擇需要的編譯環(huán)境搭建自己的項(xiàng)目工程文件。對(duì)于常用的底層資源庫(kù)，云實(shí)驗(yàn)環(huán)境支持實(shí)時(shí)的添加和調(diào)用。用戶完成項(xiàng)目配置后即可進(jìn)行根據(jù)系統(tǒng)文檔規(guī)范的代碼設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后，可以選擇進(jìn)行編譯。系統(tǒng)將用戶的項(xiàng)目工程發(fā)送到云服務(wù)端，通過虛擬編譯環(huán)境實(shí)時(shí)編譯并反饋編譯信息，如錯(cuò)誤代碼、二進(jìn)制文件等，用戶可以選擇將這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存在云服務(wù)器存儲(chǔ)或者下載到本機(jī)保存。這種云編譯平臺(tái)不受本地客戶端性能限制，擁有豐富的編譯開發(fā)環(huán)境，可以極大提高用戶的編程效率。

2.3.2虛擬實(shí)驗(yàn)云電路仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)云電路仿真平臺(tái)的應(yīng)用效果與程序編譯平臺(tái)類似，用戶不需要在本機(jī)安裝相關(guān)電路仿真軟件，通過云服務(wù)端就可以完成電路的虛擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試。但是基于電路實(shí)驗(yàn)的客觀需要，虛擬電路仿真平臺(tái)要求用戶端提供更多的富文本信息，包括圖形圖像和必要的音視頻資源，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的反饋也有所不同。

為了提高瀏覽器端電路仿真平臺(tái)的表達(dá)效果，可以采用HTML5技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)的設(shè)計(jì)與表達(dá)。HTML5是HTML語言的最新版本，對(duì)于多元素網(wǎng)頁(yè)有更好的支持，可以較好地解決數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、地理定位、音視頻播放、網(wǎng)頁(yè)繪圖等問題，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)語義化標(biāo)簽的直接支持，矢量繪圖和支持網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容編輯、多線程處理和離線存儲(chǔ)等。目前主流的瀏覽器客戶端均增加了對(duì)HTML5語言的支持。其中，HTML5提供了一種Canvas標(biāo)記元素，這種元素可以在瀏覽器端直接實(shí)現(xiàn)畫布功能。Canvas可以實(shí)現(xiàn)畫矢量圖、合成柵格圖等操作，并將這些圖形直接渲染在瀏覽器上，這樣極大地簡(jiǎn)化了網(wǎng)頁(yè)中圖形等多媒體資源的交互過程?；贖TML5設(shè)計(jì)的電路仿真平臺(tái)效果如圖5。

實(shí)驗(yàn)中，云服務(wù)端提前配置電路仿真平臺(tái)環(huán)境，用戶登錄后即可開展仿真操作。電路仿真平臺(tái)基于富文本信息呈現(xiàn)，用戶可以通過拖拽電子元件實(shí)現(xiàn)“所見即所得”的電路設(shè)計(jì)，并通過調(diào)用與服務(wù)端虛擬電路仿真平臺(tái)進(jìn)行電路仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)返回仿真結(jié)果。

2.3.3虛擬實(shí)驗(yàn)云硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)云硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括硬件仿真和硬件實(shí)物操作，硬件仿真平臺(tái)與程序編譯平臺(tái)相類似，硬件實(shí)物操作將云計(jì)算技術(shù)與真實(shí)硬件實(shí)驗(yàn)板相結(jié)合，用戶可以通過遠(yuǎn)程云連接直接調(diào)用硬件實(shí)驗(yàn)板資源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。使用云計(jì)算+實(shí)驗(yàn)板的模式可以有效提高資源利用效率，降低實(shí)驗(yàn)成本，減少不必要的用戶等待時(shí)間，為更多的用戶提供硬件實(shí)驗(yàn)操作。該用戶端的功能類似于程序編譯平臺(tái)，用戶只需要在線提交使用硬件描述語言描述的實(shí)驗(yàn)代碼，云服務(wù)器接收相關(guān)代碼并在特定的虛擬仿真環(huán)境中測(cè)試，如果仿真測(cè)試成功，則自動(dòng)連接實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行硬件實(shí)物操作并返回實(shí)驗(yàn)結(jié)果，平臺(tái)的主要設(shè)計(jì)功能如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)中，計(jì)算機(jī)綜合硬件實(shí)驗(yàn)板整合了豐富的硬件實(shí)驗(yàn)資源，實(shí)驗(yàn)板直接與云服務(wù)器端連接并接受云服務(wù)器的資源調(diào)用，響應(yīng)客戶端請(qǐng)求。當(dāng)用戶提交實(shí)驗(yàn)代碼后，云服務(wù)器接收到相關(guān)數(shù)據(jù)，選取相對(duì)占用率最低硬件實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行排隊(duì)操作，將配置文件下載到FPGA后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果并返回實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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

3.1資源訪問最近最少使用法

在虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)設(shè)計(jì)中，大規(guī)模用戶申請(qǐng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)資源后，存在資源占用沖突的可能。如虛擬電路仿真平臺(tái)需要提供大量配置文件，仿真環(huán)境配置準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)；進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)板實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于對(duì)實(shí)驗(yàn)板的反復(fù)連續(xù)操作，新下載的配置文件需要在較短時(shí)間內(nèi)替換舊的配置文件等。如果每次不同用戶配置的實(shí)驗(yàn)環(huán)境相差不大，實(shí)驗(yàn)環(huán)境一直處于運(yùn)行狀態(tài)，則沒有必要每次重新配置實(shí)驗(yàn)環(huán)境。為了解決這一問題，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）合理配置虛擬實(shí)驗(yàn)室資源訪問。

實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)運(yùn)行中，服務(wù)器端記錄每一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的相關(guān)參數(shù)信息，當(dāng)上一個(gè)用戶完成實(shí)驗(yàn)退出后，云服務(wù)器端實(shí)驗(yàn)環(huán)境并不隨機(jī)清空，并同時(shí)記錄相關(guān)服務(wù)資源或硬件實(shí)驗(yàn)板的訪問次數(shù)。當(dāng)新的用戶申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境時(shí)，如果所需實(shí)驗(yàn)環(huán)境與服務(wù)器記錄某類實(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)分配給用戶操作。如果沒有與用戶提交相類似的實(shí)驗(yàn)資源，則找出空閑實(shí)驗(yàn)資源中使用次數(shù)最少的一個(gè)分配給用戶操作。同時(shí)為了防止掛機(jī)現(xiàn)象的出現(xiàn)，當(dāng)服務(wù)器長(zhǎng)期未能與用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)連接并確認(rèn)時(shí)，將自動(dòng)斷開服務(wù)器與客戶端的實(shí)驗(yàn)連接，同時(shí)回收相關(guān)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

3.2虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境預(yù)約機(jī)制

當(dāng)用戶需要提前預(yù)約實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)時(shí)間時(shí)，可以通過預(yù)約機(jī)制完成。預(yù)約系統(tǒng)包括用戶端、云計(jì)算服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)3部分組成。當(dāng)用戶通過用戶端登陸并選擇實(shí)驗(yàn)環(huán)境預(yù)約功能后，將從數(shù)據(jù)庫(kù)資源中顯示當(dāng)前可以預(yù)約的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。數(shù)據(jù)庫(kù)中主要存放用戶信息、虛擬實(shí)驗(yàn)室資源環(huán)境情況等。當(dāng)用戶確認(rèn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境預(yù)約后，可以由系統(tǒng)自動(dòng)依據(jù)相關(guān)信息進(jìn)行審核，審核完成后，系統(tǒng)即自動(dòng)生成該用戶的模擬使用信息并在特定時(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，根據(jù)超時(shí)規(guī)則即如果用戶在預(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。

4.結(jié)語

隨著云計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，在相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用也將越來越普遍，利用云計(jì)算技術(shù)成功解決的實(shí)際問題也會(huì)越來越多?；谠朴?jì)算的虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)可以借助云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)共享實(shí)驗(yàn)環(huán)境，擴(kuò)大實(shí)現(xiàn)規(guī)模，實(shí)現(xiàn)教育資源整合，降低實(shí)驗(yàn)成本。通過服務(wù)器主機(jī)模擬和遠(yuǎn)程硬件操控等實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)可以充分發(fā)揮云計(jì)算優(yōu)勢(shì)，解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)課程實(shí)驗(yàn)不足問題，同時(shí)為學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)提供了方便靈活的技術(shù)支撐，避免了實(shí)驗(yàn)室硬件資源堆疊、利用率低、實(shí)驗(yàn)環(huán)境重復(fù)建設(shè)問題，具有一定的發(fā)展前景。

（編輯：孫怡銘）