基于KVM虛擬化的慕課平臺設計與實現

莫永華

（桂林電子科技大學信息科技學院，桂林　541004）

基于KVM虛擬化的慕課平臺設計與實現

莫永華

（桂林電子科技大學信息科技學院，桂林541004）

隨著國內外慕課教學的方興未艾，在線參與人數迅猛增長，給傳統(tǒng)服務器的訪問帶來了巨大壓力。通過KVM虛擬化技術解決慕課教學平臺問題，設計原生虛擬化的VDI架構，部署虛擬桌面服務器端、云終端和連接管理中間件，實現慕課平臺“集中計算、分布顯示”的解決方案，并給出在Intel高密度服務器上實施慕課平臺的VDI系統(tǒng)。

慕課平臺；服務器虛擬化；KVM

0　引言

隨著“互聯(lián)網+”成為中國經濟提質增效升級的新引擎，全民掀起了“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的實踐熱潮，高校教學也迎來了新的發(fā)展時代。大規(guī)模在線公開課程 （Massive Open Online Course，MOOCs下簡稱慕課）一個創(chuàng)新教學模式，出現在國際知名大學并創(chuàng)建了edX、CourSera、UdaCity三大慕課教學平臺而名聲大噪，慕課的優(yōu)點在于通過互聯(lián)網對優(yōu)秀教育資源在線開放，可以大規(guī)模接納學習者，打破了傳統(tǒng)教學在地域和時間上的局限，使得更多人享受平等的教育權利，推動全民學習化社會的形成。慕課的發(fā)展推動了中國新一輪高等教育觀念革新，深刻影響了傳統(tǒng)教學模式、教學方法，國家教育部也將在“十三五”期間大力支持各高校推廣、建設、使用具有中國特色的MOOCs課程。

發(fā)展慕課，慕課平臺必不可少。慕課的推廣需要優(yōu)秀的慕課平臺，我國的慕課平臺在技術上的應用仍處于早期發(fā)展階段。慕課平臺需要基本的4大功能：學生用戶注冊管理、慕課在線視頻管理、教學師生互動與評價管理和慕課平臺的大數據分析，從而滿足慕課學前資料準備、課程中在線學習和課堂討論、課后評價與教學思路調整等教學環(huán)節(jié)。

1　我國高校慕課平臺現狀分析

慕課平臺用什么樣的技術才能保障大規(guī)模在線開放訪問呢？傳統(tǒng)服務器緊耦合模式下的C/S架構、B/ S架構已經不能滿足需求了，原因在于不適應慕課教學的三大特點：第一、大規(guī)模在線開放課程，在線學習人數多；第二、在線操作學習全天候開放；第三、學習和分析數據量大。下面是一個慕課學習的案例，在斯坦福大學推出的“人工智能導論”慕課曾經一度注冊用戶超過16萬人，面對16萬用戶假如同時在線學習、在線互動討論、在線評價，傳統(tǒng)服務器是難以提供支持的。慕課平臺碰到幾個主要瓶頸：

（1）性能不能滿足。服務器在緊耦合模式下如果遭遇大規(guī)模用戶訪問，將引起服務器資源枯竭。

（2）資源調度不靈活。硬件、操作系統(tǒng)、應用和使用者之間的資源分配與調度不靈活。

（3）資源浪費。新舊服務器、不同品牌服務器之間難以實現統(tǒng)一資源管理，無法高效利用和降低成本。

（4）數據保存與安全問題。大規(guī)模用戶能產生大量數據，在傳統(tǒng)服務器中存放、備份和還原都是難題。

解決以上問題，需要創(chuàng)新應用虛擬化技術，本文針對Linux系統(tǒng)采用KVM、QEMU、Libvirt和SPICE等技術，創(chuàng)新設計原生虛擬化的VDI架構，部署虛擬桌面服務器端、云終端和連接管理中間件，實現慕課平臺“集中計算，分布顯示”的私有云慕課平臺解決方案。

2　慕課平臺VDI實現方案

慕課平臺采用桌面虛擬化架構 （Virtual Desktop Infrastructure，VDI），主要技術是服務器虛擬化。虛擬化技術（Virtualization Technology）是快速發(fā)展的資源管理技術，它可以將計算機的各種實體資源（CPU、網絡、內存及存儲等）首先抽象，然后轉換后呈現出來，最后靈活分配到應用系統(tǒng)。在原有計算機系統(tǒng)架構上打破實體結構間的緊耦合狀態(tài)，使用戶以快速、靈活的方式來應用這些資源。服務器虛擬化技術體現出對資源的整合、成本的降低、利用率的提高等優(yōu)勢。如圖1服務器虛擬化的實現。

圖1　服務器虛擬化的實現

本文中慕課的虛擬平臺采用Linux系統(tǒng)，KVM虛擬機（Kernel-based Virtual Machine，KVM）是Linux核心的虛擬化技術，以內核模塊的形式而存在，需要硬件支持（如Intel VT技術或者AMD V技術）。這一體系虛擬機經歷了從寄宿虛擬化到原生虛擬化的實現發(fā)展。隨著越來越多的虛擬化功能被加入到 Linux內核中來，Linux已經成為虛擬機管理系統(tǒng)Hypervisor，因此KVM是原生虛擬化模型。

2.1Linux核心的虛擬化技術原理

傳統(tǒng)慕課平臺的軟件與硬件是緊耦合的，KVM技術可以將計算機的各種實體資源（CPU、網絡、內存及存儲等）予以抽象，如CPU基于 Intel VT技術的硬件虛擬化，然后結合QEMU（虛擬操作系統(tǒng)模擬器）來提供設備虛擬化并轉換后呈現各種虛擬機，最后靈活分配到應用系統(tǒng)。如圖2 KVM虛擬化的原理。KVM虛擬化技術體現出較強的靈活性，能較好地將不同的操作系統(tǒng)（基于x86架構的Linux、Unix、Windows操作系統(tǒng)）和不同廠商的硬件設備加以整合利用。在Linux系統(tǒng)中KVM使用底層硬件的虛擬化支持來提供完整的原生虛擬化，底層硬件只要支持虛擬化，它就能夠為大量的慕課用戶按資源需求合理地分配虛擬機。

圖2　KVM虛擬化的原理

慕課平臺服務器經過虛擬化后在不更改客戶機操作系統(tǒng)（Guest Operating System，Guest OS）和應用程序的前提下，借助虛擬技術合理分配到的硬件資源運應到業(yè)務系統(tǒng)，宿主機（Host Machine）的硬件和客戶機操作系統(tǒng)上的軟件相互獨立，每臺機器運行多個虛擬機，部署運行多個應用。

2.2慕課平臺DVI系統(tǒng)組成

分析了慕課平臺的服務器虛擬化技術之后，接下來就是慕課平臺中服務器端和大規(guī)模的用戶端之間的運行模式和系統(tǒng)架構的設計。與傳統(tǒng)兩大應用系統(tǒng)客戶機/服務器（C/S）、瀏覽器/服務器（B/S）的架構有所不同，該平臺采用桌面虛擬化架構 （Virtual Desktop Infrastructure，VDI），首先通過服務器虛擬化技術，然后在服務器數據中心內進行集中處理，而桌面用戶不參與任何計算和應用，解放客戶端的運算，最后在桌面用戶輸出與界面顯示。這種客戶端可以采用專用小型終端機或瘦客戶端的方式，僅負責輸入輸出。桌面虛擬化架構實現“集中計算，分布顯示”功能。這也是當下熱門“私有云”的技術，其核心也在實現桌面計算虛擬化。

慕課平臺的桌面虛擬化架構主要由三部分組成，分別是虛擬桌面服務器端（主機端）、終端用戶桌面端（云終端）以及主機端和云終端的連接管理中間件（Broker中間件），桌面虛擬化架構組成。如圖3 VDI架構組成模塊的邏輯關系。

圖3　VDI架構組成模塊的邏輯關系

在VDI架構中各模塊功能和軟硬件實現，如下表1 VDI三大模塊功能表。

表1　VDI三大模塊功能表

在整個VDI架構中兩個重要技術，一個是虛擬桌面服務器創(chuàng)建成百上千個虛擬桌面客戶端。另一個是Broker中間件連接云終端與 Host端、管理主機端資源（虛擬機與硬件資源）。它像橋一樣把Host端虛擬機和云終端連接在一起。慕課平臺應用首先用戶通過云終端從Broker中間件中獲取到用戶的虛擬桌面，然后調用客戶端桌面顯示協(xié)議（SPICE）連接到Host端所提供的SPICE服務端進行通訊。對于Broker中間件管理功能是通過提供 Host Agent接口給主機端上的 Host A-gent模塊來管理主機端上的虛擬機以及 Host端上相應的資源。

3　慕課平臺KVM虛擬化實現

3.1硬件與軟件部署

（1）慕課虛擬化系統(tǒng)服務器硬件

平臺服務器池采用Intel原裝高密度服務器，計算節(jié)點4個。具體參數如下：

（2）服務器虛擬化部署

●管理服務器：應用Intel服務器第一個節(jié)點，在服務器上安裝 CentOS 6.5操作系統(tǒng)，部署B(yǎng)roker連接管理軟件。將“broker.tar.gz”文件拷貝到安裝服務器的“/opt”目錄下，解壓后運行命令“tar xvzf broker.tar.gz”，另外部署B(yǎng)roker連接管理軟件、SQL數據庫服務，實現對主機資源和數據的管理。

●虛擬桌面服務器：應用Intel服務器剩下三節(jié)點，安裝CentOS 6.5操作系統(tǒng)，用于創(chuàng)建虛擬機并提供虛擬桌面虛擬機，每臺虛擬機可以配置2G內存。每個虛擬桌面被分配獨享資源（虛擬CPU、虛擬內存、虛擬硬盤）。虛擬桌面之間相互獨立，并可以根據用戶業(yè)務要求靈活進行配置。對于特殊的用戶需要可以部署、分配不同的操作系統(tǒng)（Windows XP、Windows 7、Linux等）。

（3）部署虛擬化軟件

●服務器虛擬化軟件：部署QEMU-KVM和Libvirt，創(chuàng)建虛擬機，實現資源虛擬化。

●桌面虛擬化軟件：實現云終端機與虛擬機間的連接，實現錄入信息與計算結果的安全傳遞與呈現。

●連接管理軟件：用于管理云終端機、虛擬機、用戶等之間的關系。

3.2應用測試

對慕課在線課程下的學生桌面進行獨享連接或共享協(xié)助測試。

4　結語

為滿足MOOCs平臺大規(guī)模在線訪問需求，本文在Intel高性能服務器上利用Linux系統(tǒng)KVM虛擬化技術，實現慕課平臺的VDI架構建設、以“集中計算，分布顯示”的設計滿足慕課訪問需求，另外虛擬化和慕課平臺有效地結合，極大地整合了慕課平臺服務器的資源、降低了系統(tǒng)建設成本、提高了服務器利用率。

表2　慕課平臺下桌面虛擬化的應用測試

［1］袁松鶴，馬若龍.MOOCs：開放、爭論與啟示［J］.中國電化教育，2014-1，324

［2］鄧宏鐘，李孟軍.“慕課”發(fā)展中的問題探討［J］.科技創(chuàng)新導報，2013，7

［3］李桂林，崔廣章，李永寶.OpenStack云環(huán)境中KVM虛擬機性能測試與優(yōu)化［J］.物聯(lián)網技術，2016

Design and Implement of the MOOCs Platform Based on Kernel-Based Virtual Machine

MO Yong-hua
（Institute of Information&Technology，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004）

With the vigorous development of the global MOOCs teaching，the number of online participation has increased rapidly，and the traditional server's access pressure is huge.The KVM virtualization technology solves MOOCs teaching platform problem，designs a native virtualization VDI architecture，the deployment of virtual desktop server，terminal user desktop and connection management middleware，realizes MOOCs platform"Centralized Computing，Distributed Display"solution，realizes the MOOCs class platform VDI system based on Intel high density server.

MOOCs Platform；Server Virtualization；Kernel-Based Virtual Machine

1007-1423（2016）27-0064-04DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.27.016

莫永華（1978-），男，廣西桂林人，研究生，講師，研究方向為

2016-07-19

2016-09-20

計算機網絡、網絡安全技術