劉穎 劉淼晶

摘 要：本文完成了虛擬實驗室系統(tǒng)架構(gòu)分析，對每個層次具體實現(xiàn)進(jìn)行了研究。本文首先分析、選擇合適的數(shù)據(jù)中心解決方案，數(shù)據(jù)中心提供虛擬機，實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)IaaS；其次深入研究了虛擬實驗室控制系統(tǒng)的模塊設(shè)計、工作流程及實現(xiàn)方式；最后對用戶平臺進(jìn)行了編碼實現(xiàn)。對基于云計算的虛擬實驗室建設(shè)提供了可行思路和具體的實現(xiàn)方案。

關(guān)鍵詞：云計算；虛擬實驗室；虛擬機

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-8454（2016）03-0053-04

一、引言

近年來，在互聯(lián)網(wǎng)及云計算技術(shù)迅速發(fā)展的環(huán)境下，高等學(xué)校信息化建設(shè)出現(xiàn)了新局面。高校在計算機實驗室建設(shè)方面加快了建設(shè)和更新速度。但師生在教學(xué)中還是遇到了很多問題。本文就高校如何在云計算環(huán)境下建設(shè)虛擬實驗室進(jìn)行了研究。分析現(xiàn)有的云計算服務(wù)，提出虛擬實驗室的系統(tǒng)框架和具體實現(xiàn)方法。

二、現(xiàn)有研究分析

目前，高校的計算機實驗室方便了教學(xué)活動，提高了教學(xué)質(zhì)量。但通過分析我校計算機專業(yè)師生在實驗室的課堂教學(xué)活動，發(fā)現(xiàn)了一些問題。

（1）學(xué)生學(xué)習(xí)延續(xù)性受阻。學(xué)生在實驗室進(jìn)行了課堂學(xué)習(xí)，執(zhí)行了部分實踐操作，如果課后希望繼續(xù)學(xué)習(xí)，需要復(fù)制實驗環(huán)境。當(dāng)實驗環(huán)境比較復(fù)雜時，學(xué)生就無法實施課后學(xué)習(xí)。

（2）教學(xué)資源利用率低。課堂結(jié)束后，實驗室的機器空閑。硬件、軟件資源利用率不高。實驗室設(shè)備更新速率比較快，被淘汰的設(shè)備閑置造成了浪費。

（3）實驗室管理員任務(wù)繁重。管理員需要管理每臺計算機，包括軟件更新、系統(tǒng)更新、安裝硬件等。

建立虛擬實驗室是實驗室信息化建設(shè)的一個發(fā)展方向。在現(xiàn)有研究中，基于云計算的虛擬實驗室是其中的研究熱點。

基于云計算的虛擬計算機實驗室[1]-[4]提出基于IaaS服務(wù)的虛擬實驗室。分析了構(gòu)建思想和系統(tǒng)框架。但對每個層次的具體實現(xiàn)方法和實現(xiàn)細(xì)則沒有研究。

基于微軟Hyper-V虛擬化技術(shù)建設(shè)虛擬實驗室[5]-[6]提供了一種具體的搭建方案。使用微軟提供的WMI接口進(jìn)行編程，實現(xiàn)用戶對虛擬機的操作。虛擬計算機實驗室[7]基于VMware和Citrix的IaaS服務(wù)主要設(shè)計了資源預(yù)約流程。實驗資源管理系統(tǒng)[8]為每個實驗室劃分了虛擬機群。

基于云計算的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)[9]利用云計算平臺，將本地或異地的不同實驗用戶與虛擬實驗室聯(lián)結(jié)起來，共享一個虛擬的實驗空間。基于云計算的虛擬科研環(huán)境[10]利用國家網(wǎng)格中可共享的虛擬機資源，通過網(wǎng)格技術(shù)來訪問和使用資源，實現(xiàn)國家網(wǎng)格資源共享，為不同學(xué)科的科研提供在線云服務(wù)。其本質(zhì)是PaaS，PaaS需要為不同的應(yīng)用開發(fā)不同的平臺，應(yīng)用場景有局限性。比如計算機系和化學(xué)系的實驗不盡相同，所需的虛擬實驗室功能就不一樣。

本文將研究提供IaaS服務(wù)的虛擬實驗室，對每個層次、模塊的功能和實現(xiàn)方法進(jìn)行深入分析。提出詳細(xì)的實現(xiàn)方案，為具體部署提供參考。

三、虛擬實驗室系統(tǒng)架構(gòu)

基于云計算的虛擬實驗室把虛擬機開放給用戶，用戶能通過創(chuàng)建虛擬機、刪除虛擬機、修改虛擬機等操作來搭建自己的實驗網(wǎng)絡(luò)。虛擬實驗室系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1所示。

數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)云計算功能。基于數(shù)據(jù)中心，把基礎(chǔ)的計算和存儲資源開放給用戶，提供虛擬機，實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)IaaS。

虛擬實驗室控制系統(tǒng)向上接收用戶命令，向下控制虛擬機的創(chuàng)建、刪除和修改。管理與維護(hù)用戶、課程、虛擬機的關(guān)系。

虛擬實驗室用戶平臺包括前端界面和后端系統(tǒng)兩部分。前端界面根據(jù)課程特點，包含創(chuàng)建虛擬機、刪除虛擬機、修改虛擬機等欄目。后端系統(tǒng)支持用戶根據(jù)需要自主搭建實驗網(wǎng)絡(luò)。

下面將對數(shù)據(jù)中心、虛擬實驗室控制系統(tǒng)和虛擬實驗室用戶平臺的實現(xiàn)進(jìn)行分析。

四、數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)研究

數(shù)據(jù)中心提供IaaS服務(wù)，采用虛擬化管理解決方案，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)中心的集中管理和控制。通過對VMware和H3C的解決方案研究發(fā)現(xiàn)，IaaS服務(wù)一般通過管理界面，統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)中心內(nèi)所有的主機和虛擬機。此方法能提高管理員的管控效率、簡化日常例行工作，更可降低IT 環(huán)境的復(fù)雜度和管理成本。下面就VMware和H3C的解決方案進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.VMware IaaS解決方案研究

VMware vSphere是VMware公司推出的虛擬化平臺。vSphere將應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)從底層硬件分離出來，從而簡化了IT操作，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖 2所示。

ESXi 提供虛擬化功能，用于將主機硬件作為一組標(biāo)準(zhǔn)化資源進(jìn)行聚合并將其提供給虛擬機。虛擬機就表現(xiàn)得如同物理機，擁有自己的一套虛擬硬件。包括其上載入的操作系統(tǒng)和應(yīng)用。使用虛擬化，不管下面主機服務(wù)器運行什么操作系統(tǒng)，每臺虛擬機都擁有一致的虛擬硬件。

vCenter Server可用于將多個主機的資源加入池中并管理這些資源，而且可以有效監(jiān)控和管理物理及虛擬基礎(chǔ)架構(gòu)。管理員可以管理虛擬機的資源、置備虛擬機、調(diào)度任務(wù)、收集統(tǒng)計信息日志、創(chuàng)建模板等。

vSphere Client是vCenter Server、ESXi主機和虛擬機的界面。通過vSphere Client，可以遠(yuǎn)程連接到vCenter Server。也可以從任何Windows 系統(tǒng)直接連接到ESXi。vSphere Client 是用于管理 vSphere各個方面的主界面。

2.H3C IaaS解決方案研究

H3C CAS云計算管理平臺是H3C公司推出的構(gòu)建云計算基礎(chǔ)架構(gòu)的管理軟件，H3C CAS云計算系統(tǒng)架構(gòu)如圖 3所示。

（1）CVK是虛擬化內(nèi)核平臺。運行在基礎(chǔ)設(shè)施層和上層操作系統(tǒng)之間的“元”操作系統(tǒng)，用于協(xié)調(diào)上層操作系統(tǒng)對底層硬件資源的訪問，減輕軟件對硬件設(shè)備以及驅(qū)動的依賴性，同時對虛擬化運行環(huán)境中的硬件兼容性、高可靠性、高可用性、可擴(kuò)展性、性能優(yōu)化等問題進(jìn)行加固處理。

（2）CVM是虛擬化管理系統(tǒng)。主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)中心內(nèi)的計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲等硬件資源的軟件虛擬化，形成虛擬資源池，對上層應(yīng)用提供自動化服務(wù)。其業(yè)務(wù)范圍包括：虛擬計算、虛擬網(wǎng)絡(luò)、虛擬存儲、高可靠性（HA）、動態(tài)資源調(diào)度（DRS）、虛擬機容災(zāi)與備份、虛擬機模板管理、集群文件系統(tǒng)、虛擬交換機策略等。

（3）CIC是云業(yè)務(wù)管理中心。由一系列云基礎(chǔ)業(yè)務(wù)模塊組成，通過將基礎(chǔ)架構(gòu)資源（包括計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)）及其相關(guān)策略整合成虛擬數(shù)據(jù)中心資源池，并允許用戶按需消費這些資源，從而構(gòu)建安全的多租戶混合云。其業(yè)務(wù)范圍包括：組織（虛擬數(shù)據(jù)中心）、多租戶數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)安全、云業(yè)務(wù)工作流、自助式服務(wù)門戶、兼容OpenStack的REST API接口等。

由于H3C CAS提供REST API北向接口，方便用戶進(jìn)行二次開發(fā)，所以本文基于H3C CAS實現(xiàn)虛擬實驗室建設(shè)。

五、虛擬實驗室控制系統(tǒng)實現(xiàn)研究

虛擬實驗室控制系統(tǒng)是建立和維護(hù)虛擬實驗室的核心。包括用戶管理和虛擬機管理。本系統(tǒng)接收用戶平臺發(fā)來的請求，調(diào)用REST API接口，向數(shù)據(jù)中心CAS系統(tǒng)發(fā)送虛擬機的創(chuàng)建、刪除等操作命令。具體地，系統(tǒng)模塊說明如圖 4所示。

其中數(shù)據(jù)庫設(shè)計是關(guān)鍵點。為了存放用戶管理和虛擬機管理相關(guān)信息，首先創(chuàng)建一張用戶表，記錄用戶、課程、及其對應(yīng)的虛擬機信息。每條表項格式為用戶id、課程id、用戶為該課程創(chuàng)建的虛擬機群id。然后創(chuàng)建一張?zhí)摂M機群表，記錄為每個虛擬機群分配的虛擬機。每條表項包含虛擬機群id和虛擬機id。兩張表通過虛擬機群id進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

具體編碼實現(xiàn)時：把接收用戶請求和接收CAS響應(yīng)兩個模塊合二為一成為消息接收模塊；把調(diào)用REST API和響應(yīng)用戶請求兩個模塊合二為一成為消息發(fā)送模塊；把解析用戶請求和解析CAS響應(yīng)兩個模塊合二為一成為消息處理模塊。在三個模塊內(nèi)具體區(qū)分消息的來源和目的，對不同消息進(jìn)行處理。合并后的模塊設(shè)計如圖 5所示。

編碼使用Java程序語言，三個模塊各自用一個線程來實現(xiàn)。線程間通過消息隊列進(jìn)行通信。下面以用戶為“網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)”課程搭建虛擬實驗環(huán)境為例講解虛擬實驗室控制系統(tǒng)工作流程。

“網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)”課程需要學(xué)生使用虛擬機完成網(wǎng)絡(luò)攻防、用戶行為管理等實驗。實驗至少需要兩臺虛擬機，用來模擬局域網(wǎng)環(huán)境。學(xué)生在完成過程中，根據(jù)課程設(shè)計，可以新增或刪除虛擬機。當(dāng)課程結(jié)束后，釋放虛擬機群。本系統(tǒng)具體工作流程如圖 6所示。

如果用戶需要新增一臺實驗用的虛擬機，消息接收模塊收到用戶界面下發(fā)的用戶請求后，將該請求放入消息接收隊列，然后通知消息處理模塊。

消息處理模塊根據(jù)不同消息類型進(jìn)行處理。這是增加虛擬機用戶命令，首先查詢數(shù)據(jù)庫，獲取用戶已經(jīng)擁有的虛擬機數(shù)量、課程信息，判斷用戶能否創(chuàng)建新虛擬機。如果可以，則把該消息添加到消息等待隊列。然后構(gòu)造一個新的REST消息，放入消息發(fā)送隊列，通知消息發(fā)送模塊。

消息發(fā)送模塊從消息發(fā)送隊列中提取REST消息，發(fā)送給CAS系統(tǒng)。

CAS系統(tǒng)處理完畢后，將處理結(jié)果上傳給本系統(tǒng)。消息接收模塊收到CAS響應(yīng)，將該響應(yīng)放入消息接收隊列。

消息處理模塊判斷這是增加虛擬機CAS響應(yīng)，首先查看消息等待隊列，如果能找到對應(yīng)請求消息，則解析該CAS響應(yīng)。修改用戶表和虛擬機群表，記錄為用戶分配的虛擬機id。然后構(gòu)造用戶請求響應(yīng)，放入消息發(fā)送隊列。

消息發(fā)送模塊從消息發(fā)送隊列中提取用戶請求響應(yīng)，發(fā)送給用戶平臺進(jìn)行處理。

六、虛擬實驗室用戶平臺實現(xiàn)研究

用戶平臺分為前端界面和后臺系統(tǒng)。用戶通過網(wǎng)頁瀏覽器訪問虛擬實驗室的前端界面。輸入用戶名和密碼進(jìn)入屬于自己的虛擬實驗室空間，如圖 7所示。

用戶界面左側(cè)為課程列表，右側(cè)為不同課程的虛擬實驗室。比如進(jìn)入“網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)”課程后，能看到添加、刪除、修改、組網(wǎng)等按鈕。點擊不同按鈕，后臺系統(tǒng)將生成對應(yīng)的用戶命令，發(fā)送給虛擬實驗室控制系統(tǒng)。

在“網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)”課程中添加三臺虛擬機。用戶選擇虛擬機A為服務(wù)器端，B和C為客戶端，點擊進(jìn)入虛擬機，和遠(yuǎn)程訪問物理計算機一樣。虛擬實驗環(huán)境如圖 8所示。

在A上安裝行為管理服務(wù)器端軟件，在B、C上安裝用戶行為管理客戶端軟件。配置虛擬機A、B、C的IP地址，讓它們處于同一個網(wǎng)段。這樣就可以執(zhí)行用戶行為管理實驗。

七、結(jié)束語

本文提出在高校部署基于云服務(wù)的虛擬實驗室，對虛擬實驗室的架構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)實現(xiàn)進(jìn)行了研究。

選擇H3C CAS云計算平臺搭建數(shù)據(jù)中心，在此基礎(chǔ)上研究如何開發(fā)實現(xiàn)虛擬實驗室控制系統(tǒng)和虛擬實驗室用戶平臺。

建立該虛擬實驗室后，師生無論課上課下，使用何種終端，只要能連接互聯(lián)網(wǎng)，就可以訪問虛擬實驗室，搭建實驗網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行學(xué)習(xí)。

高校引入云計算將是校園信息化建設(shè)的必然趨勢。本文提出的虛擬實驗室對高校部署云計算具有借鑒價值。如何在虛擬實驗室中添加更多課程有待深入研究。因此下一步研究重點是計算資源和網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化[11]-[13]，讓虛擬實驗室支持需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配合的課程，比如《網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成》等課程，為師生提供更豐富的學(xué)習(xí)環(huán)境。

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（編輯：楊馥紅）