虛擬云技術在實驗教學的應用論文
摘要：當前云技術、虛擬化技術在高校實驗教學管理中得到被越來越廣泛的應用，通過云技術和虛擬化技術的有效結合能夠大大提高實驗教學資源的共享和利用率，以及計算機實驗室的服務支撐能力。本文以搭建的私有云桌面平臺為支撐，對虛擬云技術的計算機實驗室建設管理進行研究，從而實現專業實驗教學的由點及面、理論到應用、涵蓋原理及創新的多層次實驗教學，并且以學生為本出發，滿足不同層次學生的實驗需求，幫助學生獲得最大的學習空間。
關鍵字：云技術；虛擬化；實驗室建設管理
隨著信息化社會的迅速發展，云技術、大數據、“互聯網+”等概念的提出，計算機在各行各業得到了越來越廣泛的應用。為了加強專業學生的動手實踐能力，計算機實驗室的使用率在逐年提升，如何提升實驗室的利用效率，強化學生的綜合實力，滿足學生實驗方式的個性化、多樣化需求，充分發揮現有資源完成教師教學和科研任務，將成為實驗室管理人員亟需解決的重要難題。
1、傳統實驗室管理方式下的現狀
（1）由于學科建設和定位的不同，各專業對學生的培養方向也不同，不同年級不同專業所開設的課程存在較大差異，為了滿足實驗教學和教師科研環境的需求，經常需要對實驗室的相關軟件進行更新和重新配置，容易導致系統文件的破損，軟件不能正常使用。
（2）同一操作系統下不同科目的課程使用的軟件版本不同，給實驗室管理員對實驗環境的部署帶來不便[1]。例如，實驗教學中不同教師對于Visualstudio軟件的版本要求不同，雖然同時安裝各種版本的軟件會滿足不同課程的需要，但過度安裝會影響機器的運行速度，造成資源的極大浪費。
（3）為了滿足基礎教學、實習實訓等方面的需求，計算機實驗室通常是進行大規模建設，硬件設備的投入十分巨大，但隨著互聯網行業對人才需求的不斷變化，課程設置及所需軟件對硬件的需求也在不斷提高，同時硬件設備存在3到5年的更換周期，這些淘汰的固定資產的存放和再利用給學校帶來了不小的壓力。
（4）實驗教學環節的上課時間有限而且固定，充分利用課外時間完成和復習所學知識是學習過程中的有效解決途徑。但教學環境本身不具備靈活性和轉移性，特定的軟件對操作的要求不同，導致學生很難在個人計算機上安裝和使用，課后實驗無法繼續進行，造成理論與實踐的脫節。
（5）實驗室是提供教學環境的公共場所，由于不當的上網方式和移動設備的交叉使用，容易造成病毒的傳播和擴散，使一些軟件甚至硬件頻遭攻擊和破壞，增加實驗室的管理工作量，影響正常的教學活動[2]。為了避免這種情況的發生，管理人員通常為機器安裝還原軟件，保持基本的上課環境不受影響，但卻給學生的課后實踐練習帶來不便，比如不及時存盤造成文件丟失、無法自主安裝所需要的軟件等。
2、虛擬化技術
隨著數據規模的日益增加，計算成本的逐漸上升，數據之間的管理越來越復雜，云技術的提出可以有效的解決這些難題。虛擬化技術作為云計算系統中的關鍵技術，可以將原來孤立的物理資源進行抽象整合，實現資源的動態分配和調度，提高現有資源的利用率和服務可靠性，降低運維成本，使數據更加安全。虛擬化技術是指在硬件條件確定的前提下，為用戶創建一個完整的虛擬操作系統，這個操作系統擁有虛擬的CPU和內存，可以有效的提高資源的利用率和系統的安全性。對于機器的硬件層，其核心部件包括CPU、內存及I/O設備，某一個進程若想在這個硬件上運行，則需要對以上核心部件擁有絕對的管理權，這樣不便于多個進程的同時進行[3,4]。為了解決這一弊端，需要在運行的軟件和硬件之間建立一個資源管理軟件層，即對硬件平臺的抽象系統調用接口，這個中間層讓虛擬機管理器（VMM）可以控制用戶操作系統如何有序的使用軟件資源，以上便是虛擬化技術的運行機制。
3、虛擬云桌面的實現
虛擬云桌面是云計算的典型應用，能夠在終端提供遠程的計算機桌面服務[5]。虛擬云桌面是通過遠程服務器所提供的虛擬軟件和操作系統，以視圖的方式發送給客戶端，終端的所有操作實際都在服務器上進行，共享服務器的存儲資源，完成操作后可以對任務進行實時提交，監控資源的利用效率，及時釋放低利用率資源，保證資源的合理利用。
3.1云平臺的設計原理
面對實驗室的各種管理難題，例如軟件的多樣性、復雜性、對硬件系統的要求逐漸提高、針對數據的存儲和共享難度加大等問題，加大了管理人員的工作量，同時對技術的要求也更加苛刻。而基于虛擬化的云平臺桌面實現了桌面應用環境與終端設備的分離，用戶的桌面環境集中部署于數據中心服務器上的虛擬機中運行。用戶通過網絡訪問虛擬桌面，并且能夠獲得與使用本地終端相同的效果，如圖1所示。通過集中化管理方式，讓系統管理員擁有比傳統終端更有效的控制和管理權限，并可以根據用戶的實際應用軟件，及時按需交付應用桌面，大大的減輕了實驗室管理人員的工作量。
3.2云平臺的構成
桌面虛擬化應用是一個系統工程，需要有服務器、網絡環境、終端設備及軟件兼容性等多方面的統一配合。完整的云桌面方案包括：
（1）主控節點：部署在服務器上的虛擬化軟件，只需配置一臺服務器作為主控節點，即可通過主控節點管理整個服務器集群。同時主控節點有權限創建新的虛擬機提供給用戶使用。
（2）計算節點：部署在服務器上的虛擬化軟件，以KVM為基礎提供虛擬化層，虛擬化物理服務器的CPU、內存、存儲以及網絡資源，并將其分配給多臺虛擬機。
（3）管理平臺：B/S架構的單一管理模式，任意與服務器在同一網段的終端通過瀏覽器直接訪問主控機的虛擬桌面管理平臺，實現服務器虛擬化IT架構以及虛擬桌面的統一管理。虛擬云平臺的架構可以真正實現通過網絡將定制的桌面系統實時交付給用戶，而用戶可以通過不同類型的終端如PC機、筆記本、智能設備隨時隨地進入學習場景，開啟一種新型的全開放式學習新模式。
3.3桌面虛擬化的實現
桌面虛擬化的.技術主流主要包括瘦客端和非瘦客端兩種模式，他們的共同點是：在網絡環境允許的情況下，在服務器啟動下都可以選擇所需要的鏡像。不同點是：瘦客端的所有數據存在于服務器中，非瘦客端將個人終端做為客戶端。針對學院的教學環境和實際要求，實驗室主要采用非瘦客端做為虛擬桌面的實現平臺，實施建設主要分以下幾方面：
（1）對服務器的相應磁盤采用NTFS文件格式，安裝虛擬化軟件，如物理服務器已經存在操作系統，則此安裝會覆蓋之前的操作系統，安裝完畢后，對電源、網絡信息等參數進行設置和優化。
（2）配置掛載任務。為服務器配置存儲，分配操作系統安裝目錄，設置網卡IP地址，DNS、主機名、通信密鑰等信息，如果配置服務的過程中只有一臺服務器，則安裝后初始化為主控節點即可，如有多臺服務器存在，則需要初始化一臺為主控節點，其他服務器在管理臺添加為計算節點。以上操作完成后，則可以基本完成管理端與服務器端的連接。
（3）在客戶端安裝虛擬軟件，安裝完成后重啟終端，由于操作系統預先存于主服務器端，即可直接實現客戶端的登錄操作，終端與服務器通過WEB設置相關信息建立連接，設置密碼以便進行匹配驗證。
（4）啟動任意客戶端，進行密碼驗證后，設置系統上傳命令，可將操作系統鏡像上傳至服務器目標目錄[6]。通過以上的操作，即可完成實驗室虛擬云桌面的部署和搭建。測試成功后，終端的登錄方式已由原來的單一操作界面增加了個人桌面和教學桌面多種場景模式，能夠有效的提高實驗室環境的部署效率，解決還原軟件在實驗室管理工作中形成的瓶頸問題，使虛擬化技術在運維管理方面得到了充分應用。
4、小結
培養學生的實踐操作能力是高校教學環節中非常重要的組成部分，低配的終端設備已無法實現教學模式的創新，影響學生個性化的學習活動和教學實驗的開展。虛擬化云桌面的實現不僅解決了實驗教學環境面臨的諸多問題，還通過云技術和虛擬桌面技術的有效結合實現了快速部署實驗環境和故障機器的排查，使實驗室管理人員可以輕松的管理千臺終端，極大的減少整體運維成本。
參考文獻
[1]曾陽艷.基于虛擬云技術的實驗室建設和管理[J].電腦知識與技術,2015(18).
[2]高云霞,高景剛.基于云計算的高校虛擬實驗教學研究[J].制造業自動化,2013(8).
[3]胡旭.計算機實驗教學中虛擬化技術的應用[J].中國管理信息化,2017(3).
[4]鄒永康.桌面云技術在高校計算機類實驗室建設中的應用[J].重慶文理學院學報,2016(5).
[5]姜寧,何婧媛,牛永潔.基于虛擬云桌面的高校計算機實驗室管理[J].延安大學學報(自然科學版),2016(3).
[6]陳志雄.高校計算機實驗室管理技術探討[J].電腦知識與技術,2016(19).
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