何婧媛

【摘 要】本文分析云計(jì)算優(yōu)勢(shì)及在教學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，提出“虛擬云實(shí)驗(yàn)室”建設(shè)方案，采用瘦客戶端模式，構(gòu)建虛擬云實(shí)驗(yàn)室的總體框架和相關(guān)功能設(shè)計(jì)。將服務(wù)器虛擬化、桌面虛擬化和最近最少使用算法應(yīng)用于云實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案，提高了資源利用效率，對(duì)云計(jì)算在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】云計(jì)算；虛擬化技術(shù)；實(shí)驗(yàn)室建設(shè)；LRU

0 引言

隨著云計(jì)算的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，綜合考慮計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室面臨的問(wèn)題及云計(jì)算的優(yōu)勢(shì)和提供的服務(wù)。本文探討利用云計(jì)算的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將云計(jì)算融入實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，使實(shí)驗(yàn)室面臨的一些問(wèn)題得到較大改善，如建設(shè)成本高、資源利用率低、管理運(yùn)維效率低、受時(shí)間和地點(diǎn)限制、安全性低等。文本采用瘦客戶端模式來(lái)構(gòu)建虛擬云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案，提出的云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：提高資源利用率；易于管理；安全、可靠、靈活、可擴(kuò)展[1]；方便、快捷、按需分配。該方案具有較好的實(shí)用性。

1 云計(jì)算的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

云計(jì)算是分布式計(jì)算、并行計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算、效用計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、虛擬化、負(fù)載均衡等傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合的產(chǎn)物。它提供了3種服務(wù)模式：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），具有超大規(guī)模、虛擬化、高可靠性、通用性、高擴(kuò)展性、按需服務(wù)、高性價(jià)比等特點(diǎn)。云計(jì)算是一種不同與傳統(tǒng)計(jì)算的新計(jì)算模式，它通過(guò)效用計(jì)算和SaaS提供了一種新的集成方式，并且要使用云服務(wù)需通過(guò)Web瀏覽器或者是經(jīng)過(guò)定義的API。

將云計(jì)算應(yīng)用到教學(xué)領(lǐng)域可以將相應(yīng)的信息化教學(xué)資源虛擬化成龐大的云資源庫(kù)，從而向?qū)W生提供廣泛的教學(xué)云服務(wù)。在教學(xué)云中，用戶無(wú)需安裝任何軟件就可以隨時(shí)隨地通過(guò)瀏覽器來(lái)訪問(wèn)云資源庫(kù)，從而完成學(xué)習(xí)需求。云系統(tǒng)通過(guò)大量計(jì)算機(jī)集群進(jìn)行海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理，為用戶提供實(shí)時(shí)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]。

2 云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案設(shè)計(jì)

2.1 總體概述

虛擬云實(shí)驗(yàn)室能夠統(tǒng)一管理虛擬資源庫(kù)，學(xué)生通過(guò)瘦客戶機(jī)連入虛擬云實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生所用虛擬機(jī)是根據(jù)教師的虛擬機(jī)模版自動(dòng)分配的，所分配的虛擬機(jī)具備了實(shí)驗(yàn)所需的軟件環(huán)境和實(shí)驗(yàn)環(huán)境。虛擬云實(shí)驗(yàn)室不必考慮課程所需的軟件環(huán)境就能夠在云端為大多數(shù)課程構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。教師能夠統(tǒng)一管理學(xué)生的虛擬桌面，并解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的任何問(wèn)題。

虛擬云實(shí)驗(yàn)實(shí)采用瘦客戶端/云服務(wù)器模式，主要由云服務(wù)器端、用戶端和網(wǎng)絡(luò)連接組成，包括相關(guān)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(guò)終端連接云實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行相關(guān)操作，后臺(tái)系統(tǒng)包括用戶端以外的所有部分。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境是通過(guò)實(shí)驗(yàn)服務(wù)器進(jìn)行構(gòu)建并提供必要的支持，云資源是通過(guò)虛擬云桌面進(jìn)行連接的，實(shí)驗(yàn)在虛擬桌面運(yùn)行，而實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果的相關(guān)數(shù)據(jù)則保存在虛擬云服務(wù)器端，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是通過(guò)存儲(chǔ)服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境及運(yùn)行狀態(tài)是通過(guò)監(jiān)控服務(wù)器進(jìn)行監(jiān)控。本文提出的虛擬云實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)和軟硬件資源等的集中調(diào)度管理，從而提高實(shí)驗(yàn)運(yùn)行效率。

2.2 功能實(shí)現(xiàn)

虛擬云實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)的功能主要包含：第一次使用需注冊(cè)用戶帳號(hào)方可進(jìn)入，進(jìn)入后在用戶端登錄成功便可根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。上一次未做完的實(shí)驗(yàn)下一次仍可繼續(xù)完成。實(shí)驗(yàn)完成后提交到云服務(wù)器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并將仿真結(jié)果回傳給用戶。為方便后續(xù)實(shí)驗(yàn)對(duì)已完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的調(diào)用，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可存放在云存儲(chǔ)器。云實(shí)驗(yàn)服務(wù)器可為用戶提供實(shí)驗(yàn)所需的硬件資源和虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。用戶通過(guò)云服務(wù)器不僅可以隨時(shí)查看實(shí)驗(yàn)所需的相關(guān)文件資料，還可以將所做實(shí)驗(yàn)的相關(guān)信息進(jìn)行共享。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師能夠統(tǒng)一管理學(xué)生的虛擬桌面，指出并解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的任何問(wèn)題。

2.3 性能分析

云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室具有以下優(yōu)勢(shì)：降低實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)施的投入、加大了資源存儲(chǔ)空間、實(shí)驗(yàn)虛擬化、提高了資源利用率、實(shí)驗(yàn)資源共享、降低了實(shí)驗(yàn)限制性、降低實(shí)驗(yàn)室管理維護(hù)的開銷、提高安全性和環(huán)保性[3]。云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室在具有上述優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，在經(jīng)費(fèi)投入方式、云服務(wù)端應(yīng)急處理能力及云自身缺陷等方面的工作還得加強(qiáng)，這也是今后工作的需要。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 服務(wù)器虛擬化

服務(wù)器虛擬化實(shí)現(xiàn)了多個(gè)虛擬機(jī)運(yùn)行在單個(gè)服務(wù)器上，并對(duì)硬件資源進(jìn)行抽象。服務(wù)器虛擬化為虛擬機(jī)的運(yùn)行提供了環(huán)境和安全措施，保證了虛擬機(jī)的運(yùn)行和信息的安全與共享。服務(wù)器虛擬化的使用具有以下優(yōu)點(diǎn)：提高了服務(wù)器資源利用率、動(dòng)態(tài)分配資源、提高了部署進(jìn)程、降低成本、增強(qiáng)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(wù)器虛擬化，是將計(jì)算機(jī)的終端系統(tǒng)進(jìn)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(shè)備便可隨時(shí)隨地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)個(gè)人的桌面系統(tǒng)。桌面虛擬化與IAAS結(jié)合形成云桌面。云桌面將大量物理資源集中到后臺(tái)的數(shù)據(jù)中心，管理者能夠統(tǒng)一認(rèn)證和管理大量的主機(jī)、虛擬機(jī)和終端設(shè)備，使得資源調(diào)配更為方便靈活。具有以下優(yōu)點(diǎn)：快速靈活部署、提高資源利用率、負(fù)載均衡、配置靈活、數(shù)據(jù)存放安全可靠、維護(hù)方便、節(jié)能減排。

3.3 最近最少使用算法

虛擬云實(shí)驗(yàn)室資源訪問(wèn)采用最近最少使用算法（LRU）進(jìn)行合理配置。最近最少使用算法是內(nèi)存管理的一種頁(yè)面置換算法，對(duì)于在內(nèi)存中但又不用的數(shù)據(jù)塊（內(nèi)存塊）叫做LRU，操作系統(tǒng)會(huì)根據(jù)哪些數(shù)據(jù)屬于LRU而將其移出內(nèi)存而騰出空間來(lái)加載另外的數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)的所有相關(guān)參數(shù)信息是由云服務(wù)器端來(lái)進(jìn)行記錄，一個(gè)用戶完成實(shí)驗(yàn)并退出環(huán)境后，云服務(wù)器端的實(shí)驗(yàn)環(huán)境并沒有將相關(guān)實(shí)驗(yàn)信息清空，而且對(duì)一些相關(guān)的服務(wù)資源和訪問(wèn)次數(shù)做了記錄。新用戶來(lái)申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境時(shí)，若云服務(wù)器已記錄的某實(shí)驗(yàn)環(huán)境與用戶所求相類似，同時(shí)該服務(wù)也處于空閑狀態(tài)，此時(shí)可將空閑環(huán)境中最近使用次數(shù)最少的一個(gè)優(yōu)先分配給該用戶使用。若用戶提交的實(shí)驗(yàn)資源沒有相似的，就給用戶分配一個(gè)空閑實(shí)驗(yàn)環(huán)境中使用次數(shù)最少的。與此同時(shí)，若用戶與云服務(wù)器長(zhǎng)時(shí)間沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，則客戶端與云服務(wù)器端的連接就自動(dòng)斷開。

4 結(jié)論

本文提出的云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室借助云計(jì)算技術(shù)共享實(shí)驗(yàn)環(huán)境，整合教育教學(xué)資源，降低實(shí)驗(yàn)成本。本文利用服務(wù)器模擬化和桌面虛擬化等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的虛擬云實(shí)驗(yàn)充分發(fā)揮了云計(jì)算優(yōu)勢(shì)，不僅解決了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室存在的問(wèn)題，還方便了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和相關(guān)課程設(shè)計(jì)，提高了資源利用率、實(shí)現(xiàn)了資源共享、降低了實(shí)驗(yàn)限制性、實(shí)驗(yàn)安全環(huán)保等，具有一定的發(fā)展前景。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陽(yáng)建州.高校實(shí)驗(yàn)室云平臺(tái)建設(shè)及應(yīng)用案例[D].東華大學(xué)，2014.

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

[3]鄭平輝，莊鴻鴻.基于云計(jì)算的高校實(shí)驗(yàn)室研究與實(shí)現(xiàn)[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，31（5）：17-18.

[4]柏忠賢，崔純，等.高校云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室虛擬化解決方案探究[J].軟件導(dǎo)刊，2014，13（6）：5-8.

[責(zé)任編輯：王楠]