云计算虚拟化实验室

云计算虚拟化实验室（精选十篇）

云计算虚拟化实验室 篇1

目前,工程计算软件的更新周期基本为一年。软件的不断更新,对计算工作站的硬件的要求越来越高。这使得各高校的实验室在更新软件的同时,还需要花费大量的资金来购置新的计算能力更强的工作站以满足工程计算的需求。同时,淘汰下来的旧设备,由于配置落后,将会被闲置处理,从而造成了不必要的浪费。这种前期的巨额投入和后期的快速更新,不仅使本以捉襟见肘的资金力不从心,也与绿色、低碳的环保理念背道而驰。同时,教师、学生等科研人员大量使用U盘、移动硬盘等储存设备从计算工作站上传、下载数据,极大增加了工作站感染病毒的几率,从而对工作站的系统稳定性造成安全隐患。

云计算利用虚拟化技术,将若干个工作站和终端客户机组成一个虚拟计算实验室((Virtual Computer Lab,VCL)。通过云计算构架来建设实验室的工作站平台,只需配置为数不多几台高性能计算工作站组成计算服务器,以普通的计算机作为客户端,通过远程访问的方式调用服务器上的资源,从而实现数据上传、下载以及在云端的计算。这样能实现硬件资源的最大化利用,杜绝资源的浪费。工程计算中使用的大型软件也不必安装在本地计算机上,只需通过客户端计算机的远程访问,即可随时调用服务器上的软件。由于客户端计算机只是为远程访问提供一个平台,因此不需要有很强的计算能力。服务器进行升级的时候,淘汰下来的旧的工作站可以继续作为客户端计算机使用,而不至于闲置处理,造成资源的浪费。

1 云计算

云计算(Cloud Computing)是一种基于网络的计算方式,是网格计算(Grid Computing)、并行计算(Parallel Computing)、分布式计算(Distributed Computing)、效用计算(Utility Computing)等传统计算机和网络技术发展融合的产物[1]。

1983年,SUN公司提出“网络式电脑”的概念。直至2006年3月,亚马逊公司推出了弹性计算云(Elastic Compute Cloud;EC2)服务。2006年8月9日,Google首席执行官埃里克·施密特在搜索引擎大会(SES San Jose 2006)首次提出“云计算”(Cloud Computing)的概念。在这之后,全球各大IT巨头争相进入云计算领域,从不同领域和角度开始云计算的布局,包括:Microsoft Azure、Google App Engine、Amazon Cloud Drive和IBM公司的“蓝云”计算平台等[2]。

2 云计算的构架

由于提供云计算服务的公司较多,各个公司的解决方案都不尽相同。结合当前云计算的应用与研究,云计算的体系构架可分为:核心服务层、服务管理层、终端用户访问接口的三层构架[3]。如图1所示。

2.1 核心服务层

核心服务层可以将硬件设施、运行环境、应用程序以服务的方式提供给使用者。按照云计算提供的服务类型,云计算可以分为IaaS(基础设施即服务)、PaaS(平台即服务)和SaaS(软件即服务)三层服务体系[4]。

(1)基础设施即服务(IaaS):

它位于三层架构的底层。为上层的服务提供服务器、存储和网络等基本硬件资源。用户在此基础上部署操作系统、运行各种应用程序。另外,为了优化硬件资源的分配,IaaS层引入了虚拟化技术。借助于Xen、KVM、VMware、Hyper-v等虚拟化工具,可以提供可靠性高、可定制性强、规模可扩展的IaaS层服务。

(2)平台即服务(PaaS):

它为云计算的应用程序提供一个运行的平台。将应用运行所需的IT资源和基础设施作为一种服务提供给用户。在这种服务模式下,用户只需要利用该平台,就能够创建、测试、部署和管理自己的应用及服务。但是,用户不能管理和控制底层的基础设施。

(3)软件即服务(SaaS):

是基于云计算基础平台所开发的应用程序。应用开发商将软件部署在自己的服务器上,用户可以根据自己的需求,通过Web浏览器或者APP客户端,从服务提供商获取所需的软件服务。在这种服务模式下,用户不能管理应用软件运行的基础设施和平台,只能对所调用的应用程序做有限的设置。用户不用在自己的主机中安装各种软件,而是通过 Internet 来使用软件。

2.2 服务管理层

服务管理层对核心服务层的可用性、可靠性和安全性提供保障。服务管理层服务管理包括用户管理、应用管理、资源管理、安全管理、服务质量管理等。

用户管理负责对当前登陆的用户进行管理,包括监控当前登陆的用户状态以及各用户之间的负载分配、任务调度、进程迁移;应用管理负责对当前平台的应用程序的更新、维护,包括应用程序质量的好坏、应用程序的稳定性等等;资源管理负责对虚拟资源层的各种虚拟资源的管理,包括监控资源状态、分配、更新、添加、维护与删除资源等;安全管理包括:访问安全管理、网络安全管理、数据安全管理以及用户身份验证和用户的访问控制权等。

2.3 终端用户访问接口

用户访问接口能实现从终端到云端的访问。用户使用PC机、笔记本、平板电脑、手持设备等,通过网络的接入,可以随时随地访问云,使用云中的程序和数据。通过Web服务,可以将云端的操作界面以GUI的形式映射到本地的客户端的显示器上,使得用户在客户机上就能轻松调用云端的数据和资源。

3 虚拟化技术

虚拟化技术是云计算的一个核心技术,也是云计算区别于一般并行计算的一个根本性的特点。通过虚拟化技术可将单个物理资源划分成多个虚拟资源[5]。操作系统运行于虚拟机上,虚拟服务器跟物理服务器一样,可以安装任何的应用。目前,服务器虚拟化软件有VMWare、Xen、KVM以及微软的Hyper-V等,其中Hyper-V2.0集成于Windows 2008 Server及其之后服务器操作系统上,具有较强的通用性。

通过虚拟机的封装,用户各自拥有独立的运行环境,有效实现多用户共享服务器中心资源。用户可以利用虚拟化技术,配置私有的虚拟机,指定所需的CPU数目、内存容量、磁盘空间等,实现物理资源的按需分配。通过虚拟化技术,可以提高服务器的资源利用率,减少浪费,而且有助于服务器的负载均衡和节能[6]。

4 基于云计算的虚拟计算实验室

组建一个基于云计算的虚拟实验室的试验平台。试验平台以一台高性能的工作站作为物理服务器平台;在物理服务器上建立多个虚拟机,组成一个虚拟化资源池;虚拟机的操作界面以GUI的形式发送到客户机上,用户在本地即可对云端的虚拟机进行操作,如图2所示。物理服务器与客户机通过交换机接入同一个局域网内,形成一个私有云,图3为VCL平台的拓扑图。

4.1 物理构架

试验平台的硬件配置包括:一颗至强四核CPU、两台16GB RAM组成的双通道内存、一块256GB 固态硬盘以及由4块2TB硬盘组成的RAID5储存阵列。并安装Windows Server 2008R2作为服务器操作系统。

从操作系统中打开工作站中的本地用户和组,建立远程登录用户信息,并将该用户添加至管理员组中。配置终端服务器,使之支持多用户同时远程登陆[7]。

4.2 虚拟资源池

通过Hyper-V 2.0创建一个系统为Windows7 X64的虚拟机平台。并在此平台上安装一些常用的工程软件,比如:MATLAB、ANSYS、ABAQUS、LabVIEW、CATIA等。通过sysprep操作,将创建好的虚拟机平台封装为VHD母盘文件。此后,可以通过复制母盘或者差分磁盘的方式,创建新的虚拟机平台[8]。多台虚拟机同时工作在物理服务器上,形成一个虚拟的资源池。

4.3 平台的管理与访问

利用Hyper-V2.0管理器,可以实时监控各虚拟机的运行状态,并可实现对各虚拟机CPU数目和内存容量的动态分配。

客户机对云端的访问,实行预约访问机制。需要使用云端工作站的用户,可以提前通过Web浏览器的方式,向管理员提出预约申请,申请时需提交计算所需的CPU数目、内存容量以及客户机的MAC地址。管理员根据用户提出的需求,激活一台虚拟机,并开放接口。用户通过远程桌面连接后,验证MAC地址,验证通过用户方可调用虚拟资源用以计算;验证不通过,系统直接回收虚拟机资源。用户访问结束,系统回收虚拟机资源。其访问流程图如图4所示。

5 系统评价

(1)以较低的投入获得高运算能力。

实验室只需要将少量的高性能工作站组成一个服务器集群。普通的计算机通过远程访问的方式登录到云系统中,然后直接使用云中的高性能资源。这样学校就不需要花费巨额资金来购买大量高性能设备,从而以较低投入获得高性能。

(2)拥有较高的资源存储能力。

在实际应用中,高容量的物理服务器可以容纳海量的数据,并可以根据需要适时增加存储空间,以满足海量信息增长对存储空间的需求。

(3)提高系统的稳定性。

所有的服务都运行于云端。客户机突然断电或者死机,不会对云端的系统和数据产生影响。而且数据的上传和下载完全基于Web传输,杜绝了U盘、移动硬盘的使用,从而减少了病毒对服务器的入侵,保证用户数据安全和系统的稳定性。

(4)可以实现大范围的资源共享,解决资源不足、分布不均的问题。

通过云计算技术,各个院系之间可以共同构建一个虚拟资源池,从而实现资源的共享,同时大幅度提高资源的利用率。

6 结束语

云计算的出现,给高校计算工作站的建设带来了机遇。它不仅大大地提高了工作站的利用率、减少的日常维护的工作量,而且帮助高校摆脱资金不足的困境。可见其在高校实验室中的应用前景十分广阔。

本文利用云计算技术高性能、低成本的优势,设计了一个基于云计算的虚拟计算实验室的试验平台。试验平台的成功搭建,证明通过云计算技术,建设基于云计算的虚拟计算实验室,能将有限的物理资源整合成一个云计算的资源池,这样不仅可以改善资源分布不均的现状,还能够大幅提高资源的利用率,节约工作站的管理和建设成本,降低设备管理和维护的工作量,提高计算机实验室的服务能力和支撑水平。

摘要：云计算是计算机网络发展的一个趋势,是一种基于网络的计算方式。针对高校计算工作站在更新配置时资金投入过大、资源利率不高的问题,研究了当前云计算的相关技术,提出基于云计算的虚拟计算实验室(Virtual Computing Laboratory,VCL)的解决方案。该方案通过在高性能的计算工作站上建立虚拟化资源池的方式,利用Web进行资源预约以及对平台的访问和资源的调用,从而实现服务器虚拟化管理和应用,提高资源利用率,节约工作站的管理和建设成本,降低设备管理和维护的工作量,提高计算机实验室的服务能力和支撑水平。

关键词：云计算,VCL,虚拟资源池,工作站

参考文献

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[7]Rebelxuan.windows server2008设置多用户同时远程登录[EB/OL].http://nizhuan.blog.51cto.com/1041326/732158.

虚拟云技术在实验教学的应用论文 篇2

摘要：当前云技术、虚拟化技术在高校实验教学管理中得到被越来越广泛的应用，通过云技术和虚拟化技术的有效结合能够大大提高实验教学资源的共享和利用率，以及计算机实验室的服务支撑能力。本文以搭建的私有云桌面平台为支撑，对虚拟云技术的计算机实验室建设管理进行研究，从而实现专业实验教学的由点及面、理论到应用、涵盖原理及创新的多层次实验教学，并且以学生为本出发，满足不同层次学生的实验需求，帮助学生获得最大的学习空间。

关键字：云技术；虚拟化；实验室建设管理

随着信息化社会的迅速发展，云技术、大数据、“互联网+”等概念的提出，计算机在各行各业得到了越来越广泛的应用。为了加强专业学生的动手实践能力，计算机实验室的使用率在逐年提升，如何提升实验室的利用效率，强化学生的综合实力，满足学生实验方式的个性化、多样化需求，充分发挥现有资源完成教师教学和科研任务，将成为实验室管理人员亟需解决的重要难题。

1、传统实验室管理方式下的现状

（1）由于学科建设和定位的不同，各专业对学生的培养方向也不同，不同年级不同专业所开设的课程存在较大差异，为了满足实验教学和教师科研环境的需求，经常需要对实验室的相关软件进行更新和重新配置，容易导致系统文件的破损，软件不能正常使用。

（2）同一操作系统下不同科目的课程使用的软件版本不同，给实验室管理员对实验环境的部署带来不便[1]。例如，实验教学中不同教师对于Visualstudio软件的版本要求不同，虽然同时安装各种版本的软件会满足不同课程的.需要，但过度安装会影响机器的运行速度，造成资源的极大浪费。

（3）为了满足基础教学、实习实训等方面的需求，计算机实验室通常是进行大规模建设，硬件设备的投入十分巨大，但随着互联网行业对人才需求的不断变化，课程设置及所需软件对硬件的需求也在不断提高，同时硬件设备存在3到5年的更换周期，这些淘汰的固定资产的存放和再利用给学校带来了不小的压力。

（4）实验教学环节的上课时间有限而且固定，充分利用课外时间完成和复习所学知识是学习过程中的有效解决途径。但教学环境本身不具备灵活性和转移性，特定的软件对操作的要求不同，导致学生很难在个人计算机上安装和使用，课后实验无法继续进行，造成理论与实践的脱节。

（5）实验室是提供教学环境的公共场所，由于不当的上网方式和移动设备的交叉使用，容易造成病毒的传播和扩散，使一些软件甚至硬件频遭攻击和破坏，增加实验室的管理工作量，影响正常的教学活动[2]。为了避免这种情况的发生，管理人员通常为机器安装还原软件，保持基本的上课环境不受影响，但却给学生的课后实践练习带来不便，比如不及时存盘造成文件丢失、无法自主安装所需要的软件等。

2、虚拟化技术

随着数据规模的日益增加，计算成本的逐渐上升，数据之间的管理越来越复杂，云技术的提出可以有效的解决这些难题。虚拟化技术作为云计算系统中的关键技术，可以将原来孤立的物理资源进行抽象整合，实现资源的动态分配和调度，提高现有资源的利用率和服务可靠性，降低运维成本，使数据更加安全。虚拟化技术是指在硬件条件确定的前提下，为用户创建一个完整的虚拟操作系统，这个操作系统拥有虚拟的CPU和内存，可以有效的提高资源的利用率和系统的安全性。对于机器的硬件层，其核心部件包括CPU、内存及I/O设备，某一个进程若想在这个硬件上运行，则需要对以上核心部件拥有绝对的管理权，这样不便于多个进程的同时进行[3,4]。为了解决这一弊端，需要在运行的软件和硬件之间建立一个资源管理软件层，即对硬件平台的抽象系统调用接口，这个中间层让虚拟机管理器（VMM）可以控制用户操作系统如何有序的使用软件资源，以上便是虚拟化技术的运行机制。

3、虚拟云桌面的实现

虚拟云桌面是云计算的典型应用，能够在终端提供远程的计算机桌面服务[5]。虚拟云桌面是通过远程服务器所提供的虚拟软件和操作系统，以视图的方式发送给客户端，终端的所有操作实际都在服务器上进行，共享服务器的存储资源，完成操作后可以对任务进行实时提交，监控资源的利用效率，及时释放低利用率资源，保证资源的合理利用。

3.1云平台的设计原理

面对实验室的各种管理难题，例如软件的多样性、复杂性、对硬件系统的要求逐渐提高、针对数据的存储和共享难度加大等问题，加大了管理人员的工作量，同时对技术的要求也更加苛刻。而基于虚拟化的云平台桌面实现了桌面应用环境与终端设备的分离，用户的桌面环境集中部署于数据中心服务器上的虚拟机中运行。用户通过网络访问虚拟桌面，并且能够获得与使用本地终端相同的效果，如图1所示。通过集中化管理方式，让系统管理员拥有比传统终端更有效的控制和管理权限，并可以根据用户的实际应用软件，及时按需交付应用桌面，大大的减轻了实验室管理人员的工作量。

3.2云平台的构成

桌面虚拟化应用是一个系统工程，需要有服务器、网络环境、终端设备及软件兼容性等多方面的统一配合。完整的云桌面方案包括：

（1）主控节点：部署在服务器上的虚拟化软件，只需配置一台服务器作为主控节点，即可通过主控节点管理整个服务器集群。同时主控节点有权限创建新的虚拟机提供给用户使用。

（2）计算节点：部署在服务器上的虚拟化软件，以KVM为基础提供虚拟化层，虚拟化物理服务器的CPU、内存、存储以及网络资源，并将其分配给多台虚拟机。

（3）管理平台：B/S架构的单一管理模式，任意与服务器在同一网段的终端通过浏览器直接访问主控机的虚拟桌面管理平台，实现服务器虚拟化IT架构以及虚拟桌面的统一管理。虚拟云平台的架构可以真正实现通过网络将定制的桌面系统实时交付给用户，而用户可以通过不同类型的终端如PC机、笔记本、智能设备随时随地进入学习场景，开启一种新型的全开放式学习新模式。

3.3桌面虚拟化的实现

桌面虚拟化的技术主流主要包括瘦客端和非瘦客端两种模式，他们的共同点是：在网络环境允许的情况下，在服务器启动下都可以选择所需要的镜像。不同点是：瘦客端的所有数据存在于服务器中，非瘦客端将个人终端做为客户端。针对学院的教学环境和实际要求，实验室主要采用非瘦客端做为虚拟桌面的实现平台，实施建设主要分以下几方面：

（1）对服务器的相应磁盘采用NTFS文件格式，安装虚拟化软件，如物理服务器已经存在操作系统，则此安装会覆盖之前的操作系统，安装完毕后，对电源、网络信息等参数进行设置和优化。

（2）配置挂载任务。为服务器配置存储，分配操作系统安装目录，设置网卡IP地址，DNS、主机名、通信密钥等信息，如果配置服务的过程中只有一台服务器，则安装后初始化为主控节点即可，如有多台服务器存在，则需要初始化一台为主控节点，其他服务器在管理台添加为计算节点。以上操作完成后，则可以基本完成管理端与服务器端的连接。

（3）在客户端安装虚拟软件，安装完成后重启终端，由于操作系统预先存于主服务器端，即可直接实现客户端的登录操作，终端与服务器通过WEB设置相关信息建立连接，设置密码以便进行匹配验证。

（4）启动任意客户端，进行密码验证后，设置系统上传命令，可将操作系统镜像上传至服务器目标目录[6]。通过以上的操作，即可完成实验室虚拟云桌面的部署和搭建。测试成功后，终端的登录方式已由原来的单一操作界面增加了个人桌面和教学桌面多种场景模式，能够有效的提高实验室环境的部署效率，解决还原软件在实验室管理工作中形成的瓶颈问题，使虚拟化技术在运维管理方面得到了充分应用。

4、小结

培养学生的实践操作能力是高校教学环节中非常重要的组成部分，低配的终端设备已无法实现教学模式的创新，影响学生个性化的学习活动和教学实验的开展。虚拟化云桌面的实现不仅解决了实验教学环境面临的诸多问题，还通过云技术和虚拟桌面技术的有效结合实现了快速部署实验环境和故障机器的排查，使实验室管理人员可以轻松的管理千台终端，极大的减少整体运维成本。

参考文献

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[5]姜宁,何婧媛,牛永洁.基于虚拟云桌面的高校计算机实验室管理[J].延安大学学报(自然科学版),2016(3).

云计算虚拟化实验室 篇3

关键词：云计算；虚拟实验室；虚拟机

中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2016）03-0053-04

一、引言

近年来，在互联网及云计算技术迅速发展的环境下，高等学校信息化建设出现了新局面。高校在计算机实验室建设方面加快了建设和更新速度。但师生在教学中还是遇到了很多问题。本文就高校如何在云计算环境下建设虚拟实验室进行了研究。分析现有的云计算服务，提出虚拟实验室的系统框架和具体实现方法。

二、现有研究分析

目前，高校的计算机实验室方便了教学活动，提高了教学质量。但通过分析我校计算机专业师生在实验室的课堂教学活动，发现了一些问题。

（1）学生学习延续性受阻。学生在实验室进行了课堂学习，执行了部分实践操作，如果课后希望继续学习，需要复制实验环境。当实验环境比较复杂时，学生就无法实施课后学习。

（2）教学资源利用率低。课堂结束后，实验室的机器空闲。硬件、软件资源利用率不高。实验室设备更新速率比较快，被淘汰的设备闲置造成了浪费。

（3）实验室管理员任务繁重。管理员需要管理每台计算机，包括软件更新、系统更新、安装硬件等。

建立虚拟实验室是实验室信息化建设的一个发展方向。在现有研究中，基于云计算的虚拟实验室是其中的研究热点。

基于云计算的虚拟计算机实验室[1]-[4]提出基于IaaS服务的虚拟实验室。分析了构建思想和系统框架。但对每个层次的具体实现方法和实现细则没有研究。

基于微软Hyper-V虚拟化技术建设虚拟实验室[5]-[6]提供了一种具体的搭建方案。使用微软提供的WMI接口进行编程，实现用户对虚拟机的操作。虚拟计算机实验室[7]基于VMware和Citrix的IaaS服务主要设计了资源预约流程。实验资源管理系统[8]为每个实验室划分了虚拟机群。

基于云计算的虚拟实验教学系统[9]利用云计算平台，将本地或异地的不同实验用户与虚拟实验室联结起来，共享一个虚拟的实验空间。基于云计算的虚拟科研环境[10]利用国家网格中可共享的虚拟机资源，通过网格技术来访问和使用资源，实现国家网格资源共享，为不同学科的科研提供在线云服务。其本质是PaaS，PaaS需要为不同的应用开发不同的平台，应用场景有局限性。比如计算机系和化学系的实验不尽相同，所需的虚拟实验室功能就不一样。

本文将研究提供IaaS服务的虚拟实验室，对每个层次、模块的功能和实现方法进行深入分析。提出详细的实现方案，为具体部署提供参考。

三、虚拟实验室系统架构

基于云计算的虚拟实验室把虚拟机开放给用户，用户能通过创建虚拟机、删除虚拟机、修改虚拟机等操作来搭建自己的实验网络。虚拟实验室系统架构如图 1所示。

数据中心实现云计算功能。基于数据中心，把基础的计算和存储资源开放给用户，提供虚拟机，实现基础设施即服务IaaS。

虚拟实验室控制系统向上接收用户命令，向下控制虚拟机的创建、删除和修改。管理与维护用户、课程、虚拟机的关系。

虚拟实验室用户平台包括前端界面和后端系统两部分。前端界面根据课程特点，包含创建虚拟机、删除虚拟机、修改虚拟机等栏目。后端系统支持用户根据需要自主搭建实验网络。

下面将对数据中心、虚拟实验室控制系统和虚拟实验室用户平台的实现进行分析。

四、数据中心实现研究

数据中心提供IaaS服务，采用虚拟化管理解决方案，实现对数据中心的集中管理和控制。通过对VMware和H3C的解决方案研究发现，IaaS服务一般通过管理界面，统一管理数据中心内所有的主机和虚拟机。此方法能提高管理员的管控效率、简化日常例行工作，更可降低IT 环境的复杂度和管理成本。下面就VMware和H3C的解决方案进行详细分析。

1.VMware IaaS解决方案研究

VMware vSphere是VMware公司推出的虚拟化平台。vSphere将应用程序和操作系统从底层硬件分离出来，从而简化了IT操作，其系统架构如图 2所示。

ESXi 提供虚拟化功能，用于将主机硬件作为一组标准化资源进行聚合并将其提供给虚拟机。虚拟机就表现得如同物理机，拥有自己的一套虚拟硬件。包括其上载入的操作系统和应用。使用虚拟化，不管下面主机服务器运行什么操作系统，每台虚拟机都拥有一致的虚拟硬件。

vCenter Server可用于将多个主机的资源加入池中并管理这些资源，而且可以有效监控和管理物理及虚拟基础架构。管理员可以管理虚拟机的资源、置备虚拟机、调度任务、收集统计信息日志、创建模板等。

vSphere Client是vCenter Server、ESXi主机和虚拟机的界面。通过vSphere Client，可以远程连接到vCenter Server。也可以从任何Windows 系统直接连接到ESXi。vSphere Client 是用于管理 vSphere各个方面的主界面。

2.H3C IaaS解决方案研究

H3C CAS云计算管理平台是H3C公司推出的构建云计算基础架构的管理软件，H3C CAS云计算系统架构如图 3所示。

（1）CVK是虚拟化内核平台。运行在基础设施层和上层操作系统之间的“元”操作系统，用于协调上层操作系统对底层硬件资源的访问，减轻软件对硬件设备以及驱动的依赖性，同时对虚拟化运行环境中的硬件兼容性、高可靠性、高可用性、可扩展性、性能优化等问题进行加固处理。

（2）CVM是虚拟化管理系统。主要实现对数据中心内的计算、网络和存储等硬件资源的软件虚拟化，形成虚拟资源池，对上层应用提供自动化服务。其业务范围包括：虚拟计算、虚拟网络、虚拟存储、高可靠性（HA）、动态资源调度（DRS）、虚拟机容灾与备份、虚拟机模板管理、集群文件系统、虚拟交换机策略等。

（3）CIC是云业务管理中心。由一系列云基础业务模块组成，通过将基础架构资源（包括计算、存储和网络）及其相关策略整合成虚拟数据中心资源池，并允许用户按需消费这些资源，从而构建安全的多租户混合云。其业务范围包括：组织（虚拟数据中心）、多租户数据和业务安全、云业务工作流、自助式服务门户、兼容OpenStack的REST API接口等。

由于H3C CAS提供REST API北向接口，方便用户进行二次开发，所以本文基于H3C CAS实现虚拟实验室建设。

五、虚拟实验室控制系统实现研究

虚拟实验室控制系统是建立和维护虚拟实验室的核心。包括用户管理和虚拟机管理。本系统接收用户平台发来的请求，调用REST API接口，向数据中心CAS系统发送虚拟机的创建、删除等操作命令。具体地，系统模块说明如图 4所示。

其中数据库设计是关键点。为了存放用户管理和虚拟机管理相关信息，首先创建一张用户表，记录用户、课程、及其对应的虚拟机信息。每条表项格式为用户id、课程id、用户为该课程创建的虚拟机群id。然后创建一张虚拟机群表，记录为每个虚拟机群分配的虚拟机。每条表项包含虚拟机群id和虚拟机id。两张表通过虚拟机群id进行关联。

具体编码实现时：把接收用户请求和接收CAS响应两个模块合二为一成为消息接收模块；把调用REST API和响应用户请求两个模块合二为一成为消息发送模块；把解析用户请求和解析CAS响应两个模块合二为一成为消息处理模块。在三个模块内具体区分消息的来源和目的，对不同消息进行处理。合并后的模块设计如图 5所示。

编码使用Java程序语言，三个模块各自用一个线程来实现。线程间通过消息队列进行通信。下面以用户为“网络管理与维护”课程搭建虚拟实验环境为例讲解虚拟实验室控制系统工作流程。

“网络管理与维护”课程需要学生使用虚拟机完成网络攻防、用户行为管理等实验。实验至少需要两台虚拟机，用来模拟局域网环境。学生在完成过程中，根据课程设计，可以新增或删除虚拟机。当课程结束后，释放虚拟机群。本系统具体工作流程如图 6所示。

如果用户需要新增一台实验用的虚拟机，消息接收模块收到用户界面下发的用户请求后，将该请求放入消息接收队列，然后通知消息处理模块。

消息处理模块根据不同消息类型进行处理。这是增加虚拟机用户命令，首先查询数据库，获取用户已经拥有的虚拟机数量、课程信息，判断用户能否创建新虚拟机。如果可以，则把该消息添加到消息等待队列。然后构造一个新的REST消息，放入消息发送队列，通知消息发送模块。

消息发送模块从消息发送队列中提取REST消息，发送给CAS系统。

CAS系统处理完毕后，将处理结果上传给本系统。消息接收模块收到CAS响应，将该响应放入消息接收队列。

消息处理模块判断这是增加虚拟机CAS响应，首先查看消息等待队列，如果能找到对应请求消息，则解析该CAS响应。修改用户表和虚拟机群表，记录为用户分配的虚拟机id。然后构造用户请求响应，放入消息发送队列。

消息发送模块从消息发送队列中提取用户请求响应，发送给用户平台进行处理。

六、虚拟实验室用户平台实现研究

用户平台分为前端界面和后台系统。用户通过网页浏览器访问虚拟实验室的前端界面。输入用户名和密码进入属于自己的虚拟实验室空间，如图 7所示。

用户界面左侧为课程列表，右侧为不同课程的虚拟实验室。比如进入“网络管理与维护”课程后，能看到添加、删除、修改、组网等按钮。点击不同按钮，后台系统将生成对应的用户命令，发送给虚拟实验室控制系统。

在“网络管理与维护”课程中添加三台虚拟机。用户选择虚拟机A为服务器端，B和C为客户端，点击进入虚拟机，和远程访问物理计算机一样。虚拟实验环境如图 8所示。

在A上安装行为管理服务器端软件，在B、C上安装用户行为管理客户端软件。配置虚拟机A、B、C的IP地址，让它们处于同一个网段。这样就可以执行用户行为管理实验。

七、结束语

本文提出在高校部署基于云服务的虚拟实验室，对虚拟实验室的架构设计和系统实现进行了研究。

选择H3C CAS云计算平台搭建数据中心，在此基础上研究如何开发实现虚拟实验室控制系统和虚拟实验室用户平台。

建立该虚拟实验室后，师生无论课上课下，使用何种终端，只要能连接互联网，就可以访问虚拟实验室，搭建实验网络，进行学习。

高校引入云计算将是校园信息化建设的必然趋势。本文提出的虚拟实验室对高校部署云计算具有借鉴价值。如何在虚拟实验室中添加更多课程有待深入研究。因此下一步研究重点是计算资源和网络资源的虚拟化[11]-[13]，让虚拟实验室支持需要网络设备配合的课程，比如《网络系统集成》等课程，为师生提供更丰富的学习环境。

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[11]李明.网络虚拟化技术在云计算数据中心的应用[J].电信工程技术与标准化，2012（4）：39-43.

[12]赵慧玲，谢云鹏，史凡.网络虚拟化及网络功能虚拟化技术探讨[J].中兴通讯技术，2014，20（3）：8-11.

[13]吴永娟，王振华，黄小红.数据中心的网络虚拟化方案研究[J].广西大学学报（自然科学版），2012，37（6）：1193-1198.

云计算虚拟化实验室 篇4

近年来, 云计算服务已应用于社会中的各行各业, 特别是与数据、信息资源密切相关的教育科研行业, 更是展现了极大的应用潜力。云计算利用其独特的桌面虚拟化技术, 以满足实验教学的使用需求为前题, 以信息资源的高效利用为目标, 将各种软件和硬件通过一定的序列组合在一起, 形成一个最大的虚拟资源集合, 更使得硬件资源在损耗最小的情况下, 发挥出最大的功效[1]。

以往实验室所使用的计算机, 是在裸机上安装操作系统, 然后在此基础上安装各种应用程序, 这些程序都在硬件基础上运行。通过连接到这台主机的显示器或投影仪, 应用程序的桌面环境才可以显示出来。虚拟化桌化就是把同一局域网中的计算机终端的桌面应用环境和硬件分离, 保证了桌面使用的安全性和灵活性[2]。终端用户和本地计算机、操作系统和硬件、应用程序和操作系统, 将这些原本固定在一起组件分开, 降低它们之间的依赖关系, 这就意味着要对这个环境实行虚拟化, 将操作系统和应用程序从物理硬件中分离出来, 这样实验室的教学和科研环境将更具有延展性。如此看来, 随着高校实验室需求的不断提升和桌面虚拟化技术的日渐成熟, 高校实验室基础架构平台的建设必将成为改革的首选场所。

高校实验室通过云计算的桌面虚拟化技术, 可以使多个用户, 在局域网内通过各自的终端设备共享一台计算机的资源。这种虚拟化技术具有良好的可扩展性和可靠性, 并能够利用自身的一些特有功能, 提升整个实验运行平台的可用性, 在降低设备运行风险的同时大大提高基础设施资源的利用率, 从而减少实验室物理设备投资, 降低电力、制冷和设备运行、维护的成本, 有效改善了教学环境, 确保了信息资源的安全性和完整性。

一、桌面虚拟技术的工作原理

桌面虚拟化技术, 将数据的运行存储与桌面呈现进行分离, 所有的用户桌面系统由数据中心进行托管并统一管理, 对用户进行共享的、可伸缩的资源分配, 同时用户还能够在远程获得与本地访问并无差别的PC使用体验[3]。它是依托高效的网络传输技术, 实现在虚拟服务器上统一部署多套操作环境, 并按需分配给上机实验的用户[4]。其具体的方法如下:将一台主机的硬件配置平均分配给多个独立的虚拟终端, 而各个终端虚拟机都有其独立的桌面环境, 并可共享主机的软硬件资源和信息资源, 而各个虚拟机之间又具有独立性和隔离性, 可自己安装所需的软件程序, 或拷贝个人信息资料。这样每台虚拟机在共享主机资源的同时, 又可以很好地保护自己的信息资料, 有效提高了设备的利用率。

通过桌面虚拟化技术, 我们改进了实验室教学设施, 即可以在一台物理机上, 运行多个虚拟机。以这种方式, 改变了以往高校实验室传统的计算机管理模式, 实现了操作系统的集中管理和信息资源的高效迁移, 只要具备基本的硬件环境和网络环境, 终端用户就可以使用自己所需的虚拟桌面, 使得管理员对核心数据的控制力度加大, 以前需要从多台电脑上获得的数据现在从一台电脑上就可以获得了, 而且是集中存储的[5]。用户还可以在虚拟桌面和物理桌面之间自由切换, 选用适合自己的学习、工作环境, 而管理员没有必要针对终端设备进行独立维护, 通过统一的管理界面即可管理数据中心的所有虚拟桌面, 有效提高设备使用及管理的安全性、灵活性和可靠性。

二、虚拟化桌面与传统桌面的区别

云计算桌面虚拟化平台的构建, 实现了合理的实验室资源管理, 使虚拟桌面和计算机硬件资源的应用从传统方法的约束中释放出来, 避免了巨大的成本投入。这些资源的管理, 可以通过虚拟化技术, 实现硬件资源和信息资源集中管理, 从而避免在不同端点上管理资源的浪费。而所有桌面的数据都存储在可信任的位置, 因此提高了数据的安全性。因为终端用户可以按需求访问自己的桌面环境, 所以终端用户可以自由使用任何设备, 从而更加灵活和便利地选择工作和学习的方法及位置, 甚至可以连接自己的笔记本登录虚拟桌面。桌面虚拟化技术为每个桌面提供了动态迁移的机遇, 这样的机遇使桌面虚拟化解决方案管理方式为管理人员提供了更高效的技术支持。应用桌面虚拟化技术是改善可管理性、便携性以及兼容性的基础。同时, 极大地提高了实验室资源的利用率。传统桌面与虚拟桌面的比较:

(1) 前者, 计算机所作的任何更新都成本很高, 无论是修复漏洞还是操作系统迁移都是如此;后者, 通过单一的映像交付, 无论是修复漏洞, 还是操作系统迁移都可立刻实现, 并且每个用户下次登录时都以更新的状态使用。

(2) 前者, 终端用户使用时必须固定到物理桌面, 移动性受限, 远程用户工作效率受影响;后者, 终端用户可以在任何时间、任何位置, 通过任何端点访问自己的虚拟桌面, 无论用户在什么位置, 桌面界面及资源完全一致。

(3) 前者, 每台计算机都需要逐一关注, 用户在不断使用过程中可能出现故障或损坏, 维护系统需要大量时间和精力;后者, 管理员不需要独立对某一个终端用户提供维护, 可对服务器单一桌面映像实施管理、维护。

(4) 前者, 计算机终端数量多, 更替成本非常高, 管理维护成本也较高;后者, 终端的更替时间可延长3-4年, 因为端点设备不需要运行桌面。新的操作系统或应用程序可通过对虚拟桌面映像进行更新的方式应用, 不再需要针对终端单独维护。

三、桌面虚拟技术于实验教学的优势

云计算引入教育行业, 使得高校实验室实现了虚拟桌面的集中管理, 不仅简化了设备管理方面的投入, 还为实验教学和科学研究提供便利。由此可见, 这种虚拟桌面基础架构技术对实验室的管理和应用起着举足轻重的作用, 具体可归纳如下:

(1) 终端规模的可扩展性。“云”的规模可无限扩大, 只要服务器的配置足够大, 即可分配到同一个或不同实验室的多个终端, 通过互联网动态分配服务器资源, 终端用户依据实际需求, 确定使用物理资源或虚拟资源, 实现资源的动态划分。

(2) 软硬件资源的虚拟化。实验室的计算机通过云计算服务, 为终端用户提供一个完善计算机桌面环境, 所有的程序在桌面都可显示, 而实际的软硬件资源被隐藏在后台, 终端用户通过虚拟的桌面环境, 享用后台实际的软硬件资源。同时, 虚拟化技术还需要对虚拟化资源的使用进行控制。

(3) 网络环境的重要性。网络在实验室的桌面虚拟化技术中起着重要的作用, 终端用户通过网络和IP地址即可随时随地享用所需要的资源, 所以网络环境的可靠性和稳定性决定桌面虚拟化环境的可用性。

(4) 虚拟环境的安全性。每台主机虽然可以共享网络上的数据资源, 但虚拟机自身的应用程序和数据都是独立存在的, 若无专属的账户和密码, 是无法共享其资源的, 有效的保证了数据的安全性和完整性。

四、桌面虚拟技术在构建实验平台中的应用

目前, 高校的信息中心一般设有网络、电教和计算机三个管理部门, 分管着高校校园网、多媒体教室、计算机实验室的规划、建设、管理和运行、维护的工作。为了更好地为教学工作和科学研究提供后台保障, 现在大多高校已开始采用云计算的桌面虚拟化技术, 使终端用户可以灵活地访问自己的桌面, 将物理桌面的实验课程迁移到虚拟桌面, 在不改变原来物理设备的基础上, 满足终端用户对设备的操作系统或应用程序等各种软件配置的要求。

高校多媒体实验室作为主要教学场所, 也逐步引入了云计算桌面虚拟技术。桌面虚拟化使多媒体实验室的教学将不受时间、环境及软件条件的约束, 在有网络的情况下即可进行备课和教学, 只要输入分配的IP地址, 在任何网络环境的支持下, 即可登录一个虚拟的系统桌面, 拥有自己所需的软硬件配制, 就像拥有了自己的专属电脑一样, 使高校的实验教学由以软硬件为主体, 转化为以虚拟桌面环境为主体。另外, 后台的主机硬件配置高, 软件程序安装齐全。这样, 每一个终端用户即可共享到一个丰富的资源池, 有效地为终端用户提供自主学习的服务模式。这样教师的教和学生的学, 都将不再局限于某个时间、地点的实验教学, 用户可依据自己的条件共享这些资源池的资源, 有效地提高了工作效率, 避免因教学资源有限等原因, 影响教学。使终端用户实现“按需使用, 即需即用”的自主化学习模式。

由此可见, 在高校实验室采用云计算的桌面虚拟化技术是势在必行, 不仅可以提高设备的利用率, 还可以节省成本, 并在很大程度上减少了实验教学设备管理和维护的负担, 提高了高校信息化建设成本的可控性和持续性, 有效地促进了高等教育的信息化建设。

五、结语

高校实验室采用桌面虚拟化技术后, 计算机工作负荷由原来的每台计算机自己承担, 转移到后台的一台或多台主机分担, 终端用户通过虚拟桌面环境即可进行实验教学, 这样云计算的桌面虚拟架构技术不仅简化了管理、节约了能源, 更是提高了整体实验室的安全性。

云计算的桌面虚拟技术在高等教育的建设和发展方面创建一个新的教学模式。随着云技术的慢慢成熟, 网络带宽的日益增大, 传统电脑模式逐渐会被桌面虚拟化终端设备所取代[6]。从现在高校实验室的规划、建设及需求角度看, 云计算的桌面虚拟化技术将在高校的实验教学起到举足轻重的作用, 其技术的也将越来越成熟, 为教学提供技术支持的同时, 也提升教学设备的利用率。

参考文献

[1]雷万云.云计算技术、平台及应用案例[M].北京:清华大学出版社, 2011.

[2]彭仁松.虚拟化桌面系统在多媒体教室管理中的应用[J], 2015 (04) .

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[4]宋蕾.虚拟技术在高校计算机机房实验室中的应用[J].实验室研究与探索, 2013 (06) .

[5]陈臻栋.从安全性方面看桌面虚拟化技术[J].计算机安全, 2011 (05) .

云计算实验室建设方案探究[范文] 篇5

【摘 要】本文分析云计算优势及在教学领域的发展趋势，提出“虚拟云实验室”建设方案，采用瘦客户端模式，构建虚拟云实验室的总体框架和相关功能设计。将服务器虚拟化、桌面虚拟化和最近最少使用算法应用于云实验室建设方案，提高了资源利用效率，对云计算在教学领域的应用具有重要意义。

【关键词】云计算；虚拟化技术；实验室建设；LRU

0 引言

随着云计算的应用越来越广泛，综合考虑计算机实验室面临的问题及云计算的优势和提供的服务。本文探讨利用云计算的技术优势，将云计算融入实验室建设，使实验室面临的一些问题得到较大改善，如建设成本高、资源利用率低、管理运维效率低、受时间和地点限制、安全性低等。文本采用瘦客户端模式来构建虚拟云计算实验室建设方案，提出的云计算实验室建设方案具有如下优点：提高资源利用率；易于管理；安全、可靠、灵活、可扩展[1]；方便、快捷、按需分配。该方案具有较好的实用性。云计算的技术优势

云计算是分布式计算、并行计算、网格计算、效用计算、网络存储、虚拟化、负载均衡等传统计算机技术和网络技术融合的产物。它提供了3种服务模式：基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS），具有超大规模、虚拟化、高可靠性、通用性、高扩展性、按需服务、高性价比等特点。云计算是一种不同与传统计算的新计算模式，它通过效用计算和SaaS提供了一种新的集成方式，并且要使用云服务需通过Web浏览器或者是经过定义的API。

将云计算应用到教学领域可以将相应的信息化教学资源虚拟化成庞大的云资源库，从而向学生提供广泛的教学云服务。在教学云中，用户无需安装任何软件就可以随时随地通过浏览器来访问云资源库，从而完成学习需求。云系统通过大量计算机集群进行海量数据存储与处理，为用户提供实时的服务信息。如果将基于云计算的教学云与多媒体教学资源和虚拟实验资源进行整合优化，就可以构建成一个实时、全面的多媒体教学实验云平台，这对于提高教育信息化、促进教育发展具有重要意义[2]。云计算实验室建设方案设计

2.1 总体概述

虚拟云实验室能够统一管理虚拟资源库，学生通过瘦客户机连入虚拟云实验室，学生所用虚拟机是根据教师的虚拟机模版自动分配的，所分配的虚拟机具备了实验所需的软件环境和实验环境。虚拟云实验室不必考虑课程所需的软件环境就能够在云端为大多数课程构建虚拟实验环境。教师能够统一管理学生的虚拟桌面，并解决实验中出现的任何问题。

虚拟云实验实采用瘦客户端/云服务器模式，主要由云服务器端、用户端和网络连接组成，包括相关的软硬件资源，整体框架如图1所示。

在上述框架中，用户端采用的模式是瘦客户模式，用户能够通过终端连接云实验网络并进行相关操作，后台系统包括用户端以外的所有部分。在实验过程中，虚拟实验环境是通过实验服务器进行构建并提供必要的支持，云资源是通过虚拟云桌面进行连接的，实验在虚拟桌面运行，而实验过程和结果的相关数据则保存在虚拟云服务器端，实验数据是通过存储服务器进行存储，实验环境及运行状态是通过监控服务器进行监控。本文提出的虚拟云实验室系统能够实现相关数据和软硬件资源等的集中调度管理，从而提高实验运行效率。

2.2 功能实现

虚拟云实验室实现的功能主要包含：第一次使用需注册用户帐号方可进入，进入后在用户端登录成功便可根据需要创建虚拟实验环境，并完成相关实验。上一次未做完的实验下一次仍可继续完成。实验完成后提交到云服务器进行仿真实验，并将仿真结果回传给用户。为方便后续实验对已完成实验数据的调用，实验数据可存放在云存储器。云实验服务器可为用户提供实验所需的硬件资源和虚拟实验环境。用户通过云服务器不仅可以随时查看实验所需的相关文件资料，还可以将所做实验的相关信息进行共享。实验过程中，教师能够统一管理学生的虚拟桌面，指出并解决实验中出现的任何问题。

2.3 性能分析

云计算实验室具有以下优势：降低实验室硬件设施的投入、加大了资源存储空间、实验虚拟化、提高了资源利用率、实验资源共享、降低了实验限制性、降低实验室管理维护的开销、提高安全性和环保性[3]。云计算实验室在具有上述优势的同时，在经费投入方式、云服务端应急处理能力及云自身缺陷等方面的工作还得加强，这也是今后工作的需要。关键技术

3.1 服务器虚拟化

服务器虚拟化实现了多个虚拟机运行在单个服务器上，并对硬件资源进行抽象。服务器虚拟化为虚拟机的运行提供了环境和安全措施，保证了虚拟机的运行和信息的安全与共享。服务器虚拟化的使用具有以下优点：提高了服务器资源利用率、动态分配资源、提高了部署进程、降低成本、增强了兼容性和可用性、安全[4]。

3.2 桌面虚拟化

桌面虚拟化依赖于服务器虚拟化，是将计算机的终端系统进行虚拟化，使得桌面使用具有灵活性和安全性，用户使用任何设备便可随时随地通过网络访问个人的桌面系统。桌面虚拟化与IAAS结合形成云桌面。云桌面将大量物理资源集中到后台的数据中心，管理者能够统一认证和管理大量的主机、虚拟机和终端设备，使得资源调配更为方便灵活。具有以下优点：快速灵活部署、提高资源利用率、负载均衡、配置灵活、数据存放安全可靠、维护方便、节能减排。

3.3 最近最少使用算法

虚拟云实验室资源访问采用最近最少使用算法（LRU）进行合理配置。最近最少使用算法是内存管理的一种页面置换算法，对于在内存中但又不用的数据块（内存块）叫做LRU，操作系统会根据哪些数据属于LRU而将其移出内存而腾出空间来加载另外的数据。

实验运行过程中，实验的所有相关参数信息是由云服务器端来进行记录，一个用户完成实验并退出环境后，云服务器端的实验环境并没有将相关实验信息清空，而且对一些相关的服务资源和访问次数做了记录。新用户来申请实验环境时，若云服务器已记录的某实验环境与用户所求相类似，同时该服务也处于空闲状态，此时可将空闲环境中最近使用次数最少的一个优先分配给该用户使用。若用户提交的实验资源没有相似的，就给用户分配一个空闲实验环境中使用次数最少的。与此同时，若用户与云服务器长时间没有进行数据连接，则客户端与云服务器端的连接就自动断开。结论

本文提出的云计算实验室借助云计算技术共享实验环境，整合教育教学资源，降低实验成本。本文利用服务器模拟化和桌面虚拟化等技术实现的虚拟云实验充分发挥了云计算优势，不仅解决了传统计算机实验室存在的问题，还方便了学生的创新实验和相关课程设计，提高了资源利用率、实现了资源共享、降低了实验限制性、实验安全环保等，具有一定的发展前景。

【参考文献】

云计算虚拟化的安全性分析 篇6

[关键词]云计算；虚拟化；资源；安全

由于云计算整合了大量的计算、存储资源，具有自助按需服务、虚拟化资源、高宽带网络等特征，如BAT所属的阿里云、百度云、腾讯云，实现了资源的按需分配，凭着高度集中的管理方式、专业精准的数据存储、安全灵活的终端操作，使得云计算在资源共享、服务成本等方面具有很大优势，市场前景广阔，被认为是IT业未来的发展方向。

1.云计算虚拟化的体系架构

在云计算中，有三种基本服务模型：软件即服务（SaaS）、平台即服务（PaaS）和基础架构即服务（IaaS）。此外，还分为公有、混合和私有三种部署模型。在云部署中处理虚拟化时，需选择一项服务和部署模型。在服务模型中SaaS提供了环境最小的控制，IaaS则提供了最多的控制。IaaS层位于云服务的最底层，采用大量的虚拟化技术，因此，虚拟化服务器安全是其面临的主要风险，如亚马逊AWS主要是提供基于IaaS服务；PaaS位于云服务的中间，承上启下，面临的主要安全风险是分布式文件和数据库安全，用户接口和应用安全；而SaaS位于云服务的最顶层，存在着数据隔离、客户化配制方面的风险，如阿里云、腾讯云在IaaS方面下了很大功夫，同时也顾及到PaaS、SaaS服务。在公有云中，需遵守云服务提供商（CSP）的相关规则，如具备环境的完全控制。CPS控制了云部署中的大部分，而用户只控制了一小部分。虚拟化常用于这些云计算模型和部署中，以实现其诸多优势，包括成本效益、改善运行时间、增强隔离恢复等。

2.云计算虚拟化的安全挑战

数据安全是云计算安全的关键，尽管虚拟化带来了很多优势，但是也导致了很多安全问题，而用户的数据在云计算系统中具有数据存储不可控性等诸多安全隐患。

2.1由于许多用户将隐私数据存储在本地

从而催生了混合云的模型，即本地云和公有云一起维护数据存储。但有的云提供商却不支持这种方式，因为这种共同托管服务的费用比使用Amazon Web Service的费用高。比如托管在云端的Salesforce.com来说，共管连接可以大幅降低云运行的次数。

2.2由于资源共享是云计算的优点

但共享程度越高，虚拟化的资源管理形成了动态漂移的VM（虚拟机），不同业务系统之间没有了绝对边界，另外，开放的云计算要求大量的网络接口和API来整合资源，也增加了安全风险。

2.3当物理内存或者数据存储被一个虚拟机使用并重新分配给其他虚拟机时

当不再被需要的VM被删除以及释放资源重新分配给其他的VM时，就会造成泄露风险。一个新的VM收到了额外的资源，会采用取证调查来获取物理内存的的镜像，整个镜像随后会用于分析，这样就会将前一个VM留下的数据信息泄露出去。

2.4如果攻击者对一个VM造成了威胁

就可以通过网络攻击相同主机上的其他VM.，这样的一种跨虚拟机攻击方法在云计算中广泛存在。目前，能够提供虚拟化操作系统的供应商不太多，如VMware、Microsoft、Citrix等。其中VMware私有代码厂商向第三方提供了开发接口API，如果底层安全接口没有及时开放，就会给用户维护造成技术难度。

3.加强云计算虚拟化安全

一般来说，从现有的IT管理体系过渡到私有云平台，需要以下几个步骤：数据相对集中、业务系统整合、网络资源虚拟化、管理平台云化、云服务提供等。其中，资源虚拟化是关键，因为只有资源都虚拟化管理，才可以谈得上动态的调配。

3.1控制漏洞避免损失

提高云计算的安全性，可在发现安全漏洞后绕过保护机制，进而利用漏洞访问系统，控制由此造成的损失。如虚拟化的CSP方案，其配套的基础设施可能遭受损失，尽管通过控制这种损失可以提高安全性，但在虚拟化环境中运行应用，意味着每个应用都要运行一种操作系统。还可采用类似Linux容器（LXC）或者Docker的容器软件组件，使应用与系统部分隔开。

3.2内容分发网络（CDN）

CDN使用域名系统（DNS）将内容分发到多个数据中心，使网页运行加速。当用户发送DNS请求时，CDN返回IP，可使系统免受拒绝服务的攻击。CDN还可以开启其他保护机制，如WAF电子邮件保护，谷歌Analytics（分析）等，可与虚拟化为核心的云平台有机结合，适应运算能力、存储能力的动态变化。

3.3采取数据划分方式

少数用户在下载和上传重要数据至社交媒体时，如果允许LinkedIn搜索他们的Outlook通讯录，则容易被窃取密码，从而泄漏敏感数据。要解决这一问题，就要采取数据划分的方式，即端点探测和移动设备管理。由于业务流程优先保护本地服务，但对于云端的软件即服务（SaaS）应用会困难些。鉴于SaaS支持业务流程的敏捷阻力尽量小，应将SaaS与供应商协同起来，双方IT人员在协议之前签署声明，才能执行一个成功的云计算。

3.4充分利用管理资源

当从一个虚拟机将资源再分配给另一个虚拟机时，在同一物理主机上的VM的流量进出，可采用符合国家GB50174-2008 A级标准（国际Uptime T3+标准）的“云数据中心租用”，通过保持管理程序的更新，防止攻击者利用已知的漏洞来控制系统，包括正在运行的云计算虚拟系统。

4.结语

对于云计算虚拟化可能会出现的多种风险，如果在对云部署实施管理的时候进行适当的安全控制是可以预防的。首先要弄清这些恶意攻击的运行机理，这将有助于确保有效防御云计算环境中可能出现的威胁，从而保证云计算环境的虚拟化安全。

参考文献

[1]蒋涛.《云计算安全性探讨》.华南京津探讨，2009

[2]陈珍珍.《云计算及安全性分析》.电脑知识与技术，2011

[3]黄维真.《云计算时代的国家安全》.中国国防报，2010

云计算下的虚拟计算机实验室的构建 篇7

1 目前我国实验室建设的真实状态

就当前的教学环境而言, 不容否定的是我国计算机实验室的建设已取得了一定的成效, 学生进行操作实验的软硬件条件得到了较大改善。因此而言, 在实验方面的教学质量也随之提升。但在对国内多数计算机实验室的建构框架和维护的数据进行整理分析之后, 得出了当前我国计算机实验室的建设仍旧存在着诸多缺点的论断, 具体表现有以下方面。

第一方面。对软件的维护及更新方面。在我国的计算机实验室不仅仅要满足学习计算机学生的需求, 还要满足其他有实验需求学生的使用。这就需要实验室管理人员本身的素质、专业知识达到一定程度。通常情况下, 凡实验室所属的计算机, 每一台都装配有不同的操作系统。这样操作的目的是为了能够满足不同专业学生对系统的需求的不一致性。往往也由于同一台机器装配不同操作系统的原因, 直接导致计算机的内存不够用、反应迟钝、易死机等问题。除上述原因之外, 专业的差异性导致实验课程所需教学软件也不同, 且绝大多数软件随着技术的发展完善而进行更新换代。因此这些软件就出现刚刚使用一小段时间之后就需要更新的问题, 只有这样才能满足正常的教学。尽管可以采用网络传递等技术手段对软件进行处理, 但还需要考虑到的是学校的实验设备不同于其他, 一半都是通过招标进行购置, 夺标厂家不同, 剪辑的品牌型号并自然不可能完全一致。这样又因为不同计算机操作的方法不一, 给实验室的维护带来新的困难。

第二方面。计算机存储受困。当前情形时为了保证计算机的稳定性、安全性, 我国实验室绝大部分采取安装硬件保护卡或是安装具有还原功能的软件, 这些措施的作用是对被使用后的计算机软件系统进行处理, 以此来保护计算机系统的安全。就安全性而言, 这样起到了保护计算机的安全的作用, 但同时也留下了一个难以解决的问题。那就是不能长时间保存学生的实验数据, 从而不能够保证学生实验的连续性, 在很大程度上影响了学生实验的顺利进行。直接后果就是打消了学生试验的热情, 间接影响了教师对学生实验的指导, 不利于学生的进步。

第三方面。硬件设施的建设和更新耗资巨大。在刚开始构建实验室的时, 往往会因资金不足而导致大量的实验设备不能够采买, 只能以其他类似产品代替。同时另一方面, 实验设备的硬件因为软件的更新也会出现大量设备被淘汰的状况, 大量设备得不到利用, 这是极大的浪费。旧的硬件设备被闲置不用, 而重新购入设备则需要再次投入大量的资金。这二者直接就使得计算机实验室建设成本大大增高。

2 云计算的及其应用

2.1 何谓云计算的虚拟

云计算到现在为止仍然没有一个被大家共同认定的定义, 但目前美国国家标准和技术研究院提出的对云计算定义是得到广泛认同和支持的定义。他们认为云计算是一种能够通过网络以方便快捷按需的方式获取计算机资源并提高资源的可利用率的模式。这些资源均来自于一个已经配置的、可以共享的资源储存大户, 人们能够以简单快捷且无人干预的方式获取资源。虚拟化是指为某些对象创造的不真实存在的版本。它的本质其实是一种抽象的表现计算机资源的方法。通过虚拟化, 这样在访问抽象后的资源时, 就可以用与访问抽象前资源一样的方法, 方便为一组相类似的资源供给了一个共用的接口点, 从而达到了隐藏属性和隐藏操作之间的差异。同时它还允许通过任意一种公用的方式来查看和维护资源, 这其中包括存储的虚拟化、平台的虚拟化、服务器的虚拟化、应用虚拟化及桌面虚拟化。将各种计算及存储资源充分整合和高效利用的关键技术就是虚拟化技术。利用了虚拟云计算技术就可以大幅节省了时间, 提高了计算机的工作效率, 提高资源的利用率。

2.2 云计算下的虚拟实验室构建过程

如图1所示:我们有专业的实验室板块。并进行以下步骤

1如上图所示在已经创建的实验室构建多台虚拟机, 比如虚拟机1和2, 合理、有效、平衡地分配计算机的CPU, 内存及网络资源

2不同系统的安装。根据不同专业学生实验要求的不同及虚拟机的性能等多种因素的影响, 将不同的操作系统安装在已经虚拟化的计算机上。这写系统主要包括:微软系统列的操作系统、Linux操作系统、Unix操作系统。

3装配不同软件。依据不同的教学实验需求, 等待安装实验所需的各种软件以及软件平台等。

4在网络下实现不同计算机的互联。通过虚拟机操作系统网络管理功能, 使得这些虚拟计算机之间能够与网络连接, 不同主机之间, 也可以通过局域网、互联网达到实现互通的目的。

5利用云安全的管理设置系统, 由管理人员设置用户及用户可操作权限, 设置新的系统数据中心, 以方便一切数据的存储, 将各种纸质性质指导书籍与实验教程等相关资料全部进行数字转化, 上传至云计算数据中心, 实现方便用户使用目的。

6装载客户端。在实验室所有的计算机安装客户登录终端的软件。如上述构成图的用户1、用户2等。用户个人均有不同的账户名称, 不同的用户就可以通过个人的账户进行登录, 从而进行多种实验操作。

3 云计算的优点

3.1 大幅度降低实验室建设的成本

云计算这一新型服务模式对用户端无任何特殊要求, 用户只要在联网的条件下, 使用计算机, 登录当地计算机的客户端, 就可以直接连接到“云端”。如此, 用户可以实现使用原实验室计算机所装资源一样, 便捷的在云计算系统进行下载各种所需软硬件。“云”端提供的各种资源均出自不同地方, 所以用户不需要自身进行购买, 就可以如臂指使地使用“云”端的各种资源。直接解决了实验室计算机软硬件的更新换代的问题, 降低各高校在计算机实验室建设中的成本。

3.2 降低实验室软硬件维护的压力

因用户所使用的种种软硬件均是由云端提供的, 这种情况下计算机实验室就不需要再次投入更多的人力物力财力对硬件进行维护, 从而在一定程度将对实验室软硬件维护的压力减轻些许。

3.3 数据的海量存储化

云计算系统不需要占据本地计算机的任何内存, 因此, 它能为用户创造更为庞大的数据存储空间, 直接后果就是实验室不需要再为学生的实验数据存储而忧愁。这样在实验的整个过程中, 随时可以进行数据存储, 作为实验主题的学生可以将实验数据随时保存在“云端”, 可以随时继续进行实验, 而不会担心数据的丢失。这将会极大地提高学生实验的积极性、有效性、连续性, 同时也为教师指导学生的试验成果提供了保障。

4 云计算的意义

云计算的应用直接提高了人们的工作效率, 降低了资源的损耗率。使得实验室的投入成本大幅降低, 方便了教学的顺利进行, 较好地解决当前实验室建设面临的问题。

5 结束语

本文就当前高校计算机实验室建设仍然存在的不足, 提出利用虚拟云计算这一新技术, 建设云计算下的计算机实验室, 主要是为了合理运用计算机的新技术来提升资源的有效利用率。就云计算现在的优势而言, 我们有理由相信未来云计算的前景是相当广阔的。

参考文献

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[2]柴亚辉, 涂春萍, 刘觉夫, 等.基于云计算的计算机与软件实验资源管理[J].实验室研究与探索, 2010 (10) .

云计算虚拟化实验室 篇8

在现代信息技术快速发展的背景下,互联网的应用范围不断扩大,使得高等教育信息化的水平也随之得到了提高。目前,计算机被应用到高校各个科目的教学中,应用计算机信息技术展开教学有利于提高学生的综合能力, 对提高高校日常教学水平具有非常重要的作用。因此,加强高校计算机实验室建设成为了当前高校发展的重要工作内容。

但是,当前高校计算机实验室在建设和管理过程中存在着一系列的问题,如何利用高科技技术已经成为了当前高校计算机实验室建设急需解决的内容。随着云计算的发展,为高校计算机实验室的建设和管理提供了全新的途径。本文基于云计算环境下怎样建设高校虚拟计算机实验室进行简单的探讨。

2 云计算

2.1 定义

对于云计算(Cloud Computing)的定义,长期以来都没有一个统一的说法。因此只有一个广义的解释,即是指服务的交付与使用的模式。通过网络采用易扩展、按需的手段来获取所需的服务,而这种服务既可以是互联网、软件相关的,也可以是其他的服务。云计算,其实就是效用计算、基础设施服务的系统(Iaa S)、提供软件服务的系统(Saa S)、提供平台服务的系统(Paa S)等“一切皆服务”(Xaa S)的概念与技术在混合演练之下产生的结果。图1为云计算技术的体系结构图。

从图1可以看出,云计算技术体系结构当中最为关键的部分在于管理中间件和资源池层。云计算系统能够根据自身所提供的服务来进行科学有效的分类,而这其中主要包 括了上述 所说到的 基础设施 服务的系 统(Iaa S)、提供软件服务的系统 (Saa S)、提供平台服务的系统(Paa S)。

同时,根据目前的实际情况来看,“Scientific Cloud”、“Amazon EC2”、“Eucalyptus”等是主要关注“Iaa S”实现的云计算 系统 ; 而“Microsoft Azure”、“Google App”、“Apache Hadoop”则是主要关注“Paa S”实现的云计算系统。无不例外,它们都提供出了“Web API”调用。

2.2 主要技术

SOA和Web服务。面 向服务的 架构(Service-Oriented Architecture,简称SOA)属于众多架构方法之一, 主要使用一组构件模块实现软件系统的创建。简单来说,就是把应用程序里各个功能单元通过在构件间定义良好结构以及契约连接起来。

接口的定义采用标准方式, 相较于服务硬件平台、编程语言以及操作系统而言是独立的,这就赋予了构件能在不同系统间使用统一方式实现交互的功能。

通常来说,云服务的实现是以Web的形式,就云计算系统层面来分析,使用云计算以及云存储方式提供的网络服务有存储类服务和计算类服务。

云计算借助信息服务自动化技术,把资源封装成服务提供给用户,同时借助使用标准使服务的开发与交付更加方便快捷,减少客户服务上线时间。

虚拟化技术。从广义层面来说,虚拟化技术就是一种逻辑简化的技术,屏蔽了物理层的复杂性,实现了物理层到逻辑层的变化, 就外表来看系统就是简单的逻辑形态。很早以前,计算机操作系统、编程语言等领域就已经广泛使用虚拟技术了, 能将单个资源分成很多个虚拟资源。比如,单个服务器能够支持多个虚拟机运行多个操作系统, 同时也能把多个资源合并成为一个虚拟资源。

虚拟机监控程序是虚拟机技术的核心所在,可以在虚拟机跟底层硬件间创建一个抽象层,对操作系统调用硬件实施拦截, 同时提供虚拟内存以及CPU给停留在其上面的操作系统。

现今,可以直接在硬件上运行的有VMware ESX和Citrix Xen Server, 虚拟操作系统的运行是在Hypervisor上, 这样就可以结合用户的实际需求提供相应的IT基础设施。虚拟化技术使资源的统一表示以及逻辑抽象得以实现,云计算充分利用虚拟化技术的灵活性以及伸缩性达到提升资源利用率的目的,同时还能简化资源以及服务的管理与维护。

最近几年, 涌现出了很多虚拟机迁移技术的研究,这给云计算中的容错等提供了有效的解决办法。

工作流程。软件的工作流程主要有两种,一是基于人的业务流程,二是基于规则的自动化工作流程。在由Web服务构建起来的合作应用程序中 ,其业务流程就是一组任务,Web服务是以任务参与者的身份出现, 要处理好互联网应用集成以及协作问题,就要将原本独立的Web服务进行组合,形成复杂的业务逻辑功能。

现今,Web流程管理、服务编制等的实现主要依靠于Web服务的业务流程执行语言。除此之外,借助工作流程规则云计算平台还能实现作业的自动分配。

3 高等院校计算机实验室建设现状

在当前高校快速发展的背景下,计算机实验室的建设已经取得了一定的成效,在较大程度上改善了高校计算机实验软硬件应用的环境,有效提高了高校计算机实验教学的水平。但是,在高校计算机实验室的日常应用和管理过程中,我们能够很清晰的发现计算机实验室建设中存在的问题。具体包括几个方面。

一是硬件设施建设和所需成本较大, 更新速度慢。通常情况下, 在高校计算机实验室建设的初级阶段,需要花费较多的人力、物力和财力。但是常由于资金缺乏或者报批政府采购的流程繁琐,从而导致计算机实验室在建设过程中被耽搁。

二是实验设备技术更新速度快,设备淘汰率高。由于计算机设备技术更新速度较快,很多设备的更换跟不上技术的更新。设备更换和技术更新同步的话,重新购置新设备又需要投入更多的资金,无形中增加了高校建设计算机实验室的成本。

三是软件维护和更新难度大。目前,各个高校计算机实验室为了满足学生参与实验的需求,对实验室多样性的要求以及计算机实验室的建设和管理提出了更高的要求。但是,当前高校很多计算机实验室的电脑上安装不同科目的多个专业实验应用软件,从而导致一些应用软件在应用过程中出现冲突的现象,导致系统反应速度慢或应用软件没有办法使用。

与此同时,各个专业科目所需要的计算机软件更新速度快,而高校由于条件有限导致软件难以适应教学变化的要求。

虽然目前可以通过互联网技术对计算机软件进行处理, 但是高校计算机实验设备由于生产厂家不一样,系统操作也存在着差异,从而增加了高校计算机实验室管理和维护的难度,无法满足当前高校教学的要求。

4 云计算在高校虚拟计算机实验室建设中的优势

4.1 减轻实验室软硬件维护与更新的压力

云计算所提供的服务包括三方面, 即基础设施、平台、软件。由于基础设施的维护以及软件的更新都是由云端所提供的,所以在云计算环境下的虚拟计算机实验室,并不需要定期的对硬件、软件进行更新,这极大的减轻了实验室硬件、软件更新和维护的压力。

4.2 投入低,效益高

云计算环境下的实验室建设并不需要投入大量的资金来配置那些高性能的设备,只需要一台普通的客户机,将其作为终端即可登陆到云系统中,从而对云系统中的高性能资源进行直接的利用。因此,一台普通客户机就能远程获取云系统平台的海量资源,具有高强度计算和大存储容量的性能。

在教学中,学生所需要的大型程序不需要安装在本地机器上,一旦要使用它时只需借云客户端即可安装相应的应用程序。显然,这一技术从根本上突破了实验室机器性能的限制,能够让高校实验室在低成本的前提下巨大的储存空间和最佳的性能。

4.3 高可用性

云计算的虚拟计算机实验平台始终保持着其服务的高可用性。通过在客户机中的专业设计,不但有效的减少了停机工作的时间、提升了服务的质量,更让出错的现象得到了极大的遏制,理应在高校虚拟计算机实验室中得到积极的应用。在此环境下,一旦某一个物理服务器在服务器池当中出现了失效现象时,通过负载均衡的配合,在服务器当中运行的所有虚拟机都会自动重启(无需人工操作 ),然后恢复工作 ;而一旦单片虚拟机出现了失效的现象时,虚拟机便会自动的重启,重新恢复工作。

4.4 提供巨大的资源存储能力

在云计算环境下,所构建的虚拟资源池在为我们提供储存的空间上,理论上是不受限制的。数量庞大的物理资源能够容纳下海量的数据。同时,我们还可以根据自身的实际需要来对存储的空间进行增加,这有利于满足海量信息增长对存储空间的需求。

5 基于云计算的虚拟计算机实验室模型构建

5.1 虚拟资源层

所谓虚拟资源池,即是将相同类型的资源通过各种不同的技术手段来构造成“同构”或是接近“同构”的虚拟资源池。同时,虚拟资源池能够有效地屏蔽掉物理资源的复杂性,从而真正实现物力资源向逻辑资源转化的目标。

另外, 还能够将物理资源有效的整合成跟实物、位置等无关的方式来进行调用,这既可以降低维护管理的复杂程度,也能够有效提高资源的利用率。比如利用虚拟软件分别在两台服务器上虚拟出5台虚拟机,并动态分配虚拟的内存、CPU、硬盘、网络资源等。同时,在这些虚拟机上分别安装上不同的操作系统,并配置上相应的程序, 以此就能够建立起由10台服务器构建成的云计算环境下的虚拟资源池。

5.2 物理资源层

所谓物理资源层,即是具备物理意义的资源(如物理机、通信线路、存储器等),通过将这些资源进行网络联接来有效的实现资源的共享。在云计算的系统中,需要共享的资源主要有存储资源、计算资源、网络资源等。而在高校计算机实验室的建设当中,所需要共享的则是服务器、PC机、交换机、存储设备、工作站等。主要使用的设备则是高校内部局域网的设备(既可以是一个高校的内部局域网设备,也可以是多个高校的内部局域网设备)。“云”即是通过这些物理设备共同构成的。

5.3 云客户端

云客户端 最大的作 用在于能 够为云计 算应用以及相 应的用户 提供出一 种统一的 、规范的接 口 ,在云客户端 当中 , 网络浏览 器是最为 常见的 ( 如“IE”、“Firefox”等 ), 而用户通过云客户端 , 能够使访问“云”中资源的过程更加的便捷。 云客户端对于系统的硬件要求其实并不高, 在高校实验室系统的构建过程中,我们只需 要将云客 户端安装 在每一个 实验室的 终端计算机当中即可。

在这样的环境下,我们能够实现在不建立高性能本地终端机器的情况下对云计算平台中的资源进行便捷的访问。这样的过程显然强过大存储容量和高强度计算的工作。比如在教学过程中,如果学生需要对大型程序(如“Oracle”、“SQL”等)进行运用时,就可以通过云客户端来安装这些程序。同时,学习过程当中,学生能够通过“云”来对自己的学习作业进行安全、有效的存储,在需要使用时, 直接登录即可下载自己之前已经存储的作业。

5.4 云管理层

云资源管理、云平台安全管理、负载均衡管理、云数据管理是云管理层的四大主要功能。云资源管理,主要负责的是对虚拟资源层当中的各种虚拟资源进行管理( 如分配资 源、监控 资源状态、 添加、更 新、删除 、维护等);云平台安全管理,主要包括了网络安全管理、访问安全管理、用户登录验证管理、数据安全管理、用户权限管理等; 负载均衡管理, 其主要是按照一定的策略,在根据资源的状态数据的前提下进行负载均衡工作 ,这其中主要包括进程迁移、任务调度等; 云数据管理,主要起到的是保存、维护、保护的作用,而其主要针对的对象则是计算机以及软件云计算平台系统当中的用户数据、资源数据、实验数据、软件数据、系统数据等,能够对这些云数据进行加密的处理, 从而在安全性上带来一定的保障。

6 结束语

总之,云计算技术的应用,势必将让高校计算机实验室的教学管理、实验设备维修和维护管理等工作更加的高效化、信息化、规范化。这不但让资源的利用更加的合理,真正实现工作效率的提高,也能够通过对实验资源的供需进行迅速、准确地动态分析来对管理的水平带来实质性的提高。

云计算虚拟化实验室 篇9

1云计算环境下虚拟实验系统的概念

虚拟实验系统是指通过计算机多媒体技术、网络技术、云计算技术、远程实验技术及三维虚拟仿真现实技术在云端环境上构建的教与学的实验环境,也即三维虚拟数字实验室。它借助云计算等相关技术实现网络就是设备,软件就是设备的优势,再通过软件将虚拟实验设备实现模拟、仿真传统实验实践教学课堂,从而形成分布式的实验系统,实现数据和仪器地远程共享[1],从而可为处于不同地点的师生提供一个虚拟化、协同式、交互式的实验教学环境,教师和学生之间相互听得着、看得见、能够相互交流,逻辑上跟现实生活中传统实验室一样。有了虚拟实验系统,就可以开展线上实验教学,可以突破时间、地点、人员、设备和场地限制,借助“瘦客户端”的移动设备即可实现智能化地虚拟实验实践教学。

2 基于云计算技术的虚拟实验系统的设计

2.1虚拟实验系统的技术体系架构设计

基于云计算技术的虚拟实验系统,应该要满足云计算技术的先进性、运营的低成本性、使用地便利性和智能性等特性,结合云计算技术的传统技术结构、虚拟实验系统的服务特点和对象等,本文从基础设施即服务(Iaa S)层、平台即服务(Paa S)层、软件即服务(Saa S)层和服务接口层等对该实验系统进行技术体系架构设计,具体如图1所示。

2.1.1 Iaa S层

Iaa S层是整个系统结构和运行的基础,处于最底层,主要包括网络接入层和实验资源层,其中网络接入层主要由网络软硬件为系统提供正常地网络接入服务,确保系统正常运行所需要的网络资源。而实验资源层主要有物理资源池和虚拟资源池,它们提供虚拟实验系统构建和实验项目实施过程中所需要的各种软硬件资源等材料地供给服务;首先,从系统外整合各类实验素材、实验仪器、实验软硬件等资源,经过虚拟化形成资源池,以便资源能够被云服务器分配和调度。再次,配合底层的硬件和虚拟机工作,利用虚拟化技术对底层硬件设备进行管理,向上提供数据计算、数据存储和网络通信等虚拟资源[1],为软硬件等实验资源地调度、动态配置和均衡负载提供基础性地保障。因此,该层是整个系统进行虚拟实验系统构建和虚拟实验进行的物质基础。

2.1.2 Paa S层

Paa S是构建在Iaa S基础之上的应用开发层,为需要进行实验实践教学服务的学员定制个性化的实验环境,提供基于云计算理念的虚拟实验系统开发所需要的各种环境和应用程序编程接口,为用户搭建虚拟实验系统平台提供帮助。该层设计的功能服务模块有:

1)安全管理。整个实验系统的安全管理工作主要通过构筑防火墙和账户授权机制来实现,防火墙主要采用硬件和软件相结合的方式来构筑安全壁垒,确保不同网络之间的访问权限和安全。而用户账户的安全管理采用权限分类管理的办法,不同用户账户,享用的权限不一样,权限不同,登录系统后访问资源、调度资源以及享受的实验服务就不一样,从而间接地对系统资源的安全性进行了管理,从而确保了整个实验系统的安全。

2)虚拟实验处理。该模块主要负责虚拟实验系统的个性化配置和构建,以及虚拟实验项目正常开展等相关工作,主要有以下几个方面:

1 虚拟实验素材创建,主要通过数学建模的方式构建实验素材,完成资源池中软硬件资源地统一建模、统一规划等工作,以便生成能被虚拟实验系统构建时调用的部件。

2 虚拟仪器构建,主要把实验素材、实验元器件组装成实验过程中用到的实验仪器和实验标本,以满足实验过程中对实验仪器和实验标本地需求。

3 虚拟实验环境创建,主要应用实验元件和实验仪器等材料构建用户个性化的三维实验环境,以满足用户个性化地实验要求,为用户正常实验提供身临其境地环境支撑;

4 虚拟实验场景创建,主要用于生成具体而真实的三维虚拟实验现场,让虚拟实验场景变得真实而令人信服,包括立体声音配置和其他能够让实验者沉浸至实验过程中引发空间想象力因素的配置等。

5 实验项目设计,主要为用户提供相关课程的实验规划,并根据用户地要求,能够智能化地辅助用户设计实验项目和提供相关的技术支持服务。

6 实验仪器回收,主要对实验结束之后,系统可以智能化地把相关的实验环境和实验场景终止,回收该过程所用到的实验素材、仪器等设备,将其分类放回到虚拟资源池中,最后更新资源池中地数据,以便接受下一个申请者地申请和分配。

3)业务管理。该功能模块,主要负责虚拟实验系统运行及运行过程中所有业务的管理工作,包括虚拟实验系统正常运行过程地监控、资源分配与均衡负载地监控、运行过程中发生故障地报警、虚拟实验运行过程中实验环境和实验场景地维持与切换、及其他各类业务地管理工作等。

2.1.3 Saa S层

Saa S也就是多用户多租户层,在虚拟实验系统中主要为用户提供虚拟实验系统、实验管理系统、实验论坛系统等应用服务。

1)虚拟实验系统模块主要为用户提供个性化地实验项目规划,个性化的实验仪器、材料和实验环境地申请和配置。根据用户的需求为用户搭建和调试个性化的实验平台提供服务,根据搭建好的实验环境,协助用户完成实验地具体实施和测试工作,为用户进行实验和进一步研究提供智能化地全程指导,提供实验过程的结果记录和实验报告等相关文档地撰写服务。此外,当用户完成某一实验操作步骤之后,系统能自动显示相关的实验结果和提示,以方便用户进行下一步操作,如果实验过程中出现错误,系统会给出相应的报警并提供解决的建议。

2)实验管理系统模块为用户提供课程的分类管理,课程实验项目的规划管理,例如某一实验的实验目的、实验过程的规划和编制等管理工作,此外,还提供实验仿真模拟测试及实验过程的事务日志记录和管理工作等服务。

3)实验论坛系统模块教师可以通过云计算平台远程指导学员实验,远程监控实验的实际操作过程,提供在线动态发布作业、批改作业以及在线答疑等服务,学员可与其他在线的学员、教师等相互交流,探讨实验过程中遇到的问题及解决方法等,特别是可以通过云端网络组建虚拟化的实验或科研团队,相互合作、共同协助实验或科学研究;此外,教师还可以接受远程专家地培训和指导,提高自身业务素质和实验科研水平等。

2.2虚拟实验系统的工作机理设计和设计步骤

基于云计算的“虚拟实验系统”工作机理设计如图2所示,其中虚拟实验系统的组建由云端虚拟管理软件负责资源地申请、调度、配置和回收,实验系统运行在云数据中心的虚拟机和服务器上,而实验系统的环境则通过移动终端设备的界面呈现出来,用户的具体操作和实验过程也是通过终端设备进行操作和控制。

虚拟实验系统地构建主要从实验环境和功能特性等角度进行设计,实验环境主要是可视化的界面和三维立体声效的设计,功能特性主要是从实验仿真模拟的逻辑运算和实际实验效果进行设计,其主要地构建步骤为:首先运用数学建模工具和三维仿真技术模拟出各种仪器、设备和实验素材,形成可用的资源池;其次收集各类仪器和设备的真实实验数据和属性信息,设置相应的数据参数,输入计算机后建立相应的数学模型;再次将数学模型和资源池中的材料建立连接关系,然后运用虚拟现实技术和程序将其描述出来,最后通过云管理软件,根据实验的具体功能和性能需求,将不同的实验构件通过云管理软件进行组合和架构,组合后的不同类型实验场景通过统一的编译和组装实现实验系统的逻辑装配与运行[2],从而生成跟真实实验室一样效果的虚拟实验室。

虚拟实验系统VES(Virtual experiment system)地构建可以通过以下五元组的数据结构来进行描述,VES={ F,O ,I,M,C},其中定义F为虚拟实验系统功能和性能的建设描述,O为实验系统输出端功能和性能的信息描述,I为实验系统输入端的信息描述,M ={m1,m2,m3...}为输入的各种实验仪器、设备和素材等材料的信息描述,C为各种实验仪器和设备、素材之间连接和组合架构的描述。

3 基于云计算技术的虚拟实验系统的应用

构建好虚拟实验系统之后,借助虚拟实验室就可以仿真模拟和现实个性化的实验教学,让学生和科研团队足不出户,就可在移动终端设备上进行科学实验研究,同时可获得与真实实验一样甚至更优的效果和体会,从而丰富学生的感性认识,加深对实验教学内容和科学研究现象地理解。更为重要的是虚拟实验可以避免真实实验或操作所带来的各种危险地发生,具体地实验过程和形象也可以由学生亲自操作和控制,灵活性得到大大地提高。在具体地实验过程中,用户可以利用虚拟实验资源池中提供的各类虚拟实验材料和仪器,调配各种实验素材和设备,根据实验要求和目的进行任意组合,再设置相应的属性、参数即可配置和架构所需个性化实验环境。

图3 所示为滑动变阻器测电流的具体虚拟实验设计效果图。此页面包含进行虚拟实验的实验操作区、实验项目工具箱及相关元件按钮、元件及设备参数设置区等,用户可以通过点击左边工具箱的某些设备或元件按钮,将其拖动到中间的操作区,并在右边的参数设置区进行相关的参数设置,点击应用之后即可进行相关的实验操作。

4 结束语

基于云计算的虚拟实验系统,借助网络和移动智能设备可为用户定制个性化的实验环境,解决了传统实验实践教学的不足,促进了实验教学和教学观念地改革,实现了实验教学地虚拟仿真模拟,降低了实验成本的同时,为创新实验教学、实践动手能力培养提供了方便灵活的载体。本实验系统地构建尚处于雏形,设计时通过测试某些具体的实验教学项目操作,其技术、性能并不完善,实践效果并没达到预期期望,仍需进一步研究。但利用云计算机技术实现虚拟的实验教学,是将来教育信息化实验教学改革的发展趋势,随着云计算技术地发展和应用,相信这朵绚丽的实验教学云会有美好的应用前景。

摘要：针对网络教育中云端用户不能使用终端设备进行现场实验教学、不能进行实践动手操作的问题,本文在分析了云计算技术的服务特点和一些成功的虚拟实验教学系统的基础上,设计了一种基于云计算技术的虚拟实验系统,并详细地对技术系统架构和工作机理进行了分析,最后设计了一个典型的应用案例,为将来在移动终端设备上实现实验实践教学提供了一个参考和借鉴。

关键词：云计算,虚拟实验系统,设计,应用

参考文献

[1]鲁慧民,刘刚,等.基于云计算理念的虚拟实验教学系统设计探讨[J].实验技术与管理,2012,29(04):334-337.

云计算虚拟化实验室 篇10

关键词：虚拟仿真实验室,云服务,实验教学

1 前言

随着“卓越工程师计划”的实施, 以工程实践教育中心建设为依托的大学生实训实验平台须融合IT技术发展新成果进行深层次整合和提升。国家教育部印发的《教育信息化十年发展规划 (2011-2020年) 》明确提出“建设优质虚拟仿真实验室”, 2013年起各地开展各级虚拟仿真实验教学中心建设工作。“虚拟实验室” (Virtual Laboratory) 是计算机网络化的虚拟实验环境, 致力于构筑综合不同工具和技术的电子化、网络化的科学研究集成环境。在这个环境里, 可以有效地利用地理上分布的各种资源 (数据、设备、人力等) 开展教学、科研和实训活动, 被称为“无墙的研究中心”。国内外有很多大学和研究机构都已经开展了虚拟仿真软件的开发和虚拟仿真实验室的建设工作, 涵盖了计算机网络、数学、人工智能、生命科学、化学、物理、生物工程、通讯、图形图像、农业科学等教学科研领域。

虚拟仿真实验室可为全程互动的工程教育实践实训提供全新的教学仿真环境, 具有实验环境开放、多元化、成本低廉等优点。随着云计算、大规模开放网络课程 (MOOC) 等新技术或和新媒介快速发展, 虚拟仿真实验室的建设既要满足传统的虚拟仿真要求, 也要满足“云学习”方式要求。我们以所承担的国家级校外大学生实践基地建设项目为依托, 研究和实践了以云计算平台为支撑的计算机工程教育虚拟实验室建设, 构建开放性仿真教学实验云服务, 提升软硬件资源利用率, 优化实验室使用效益。

2 建设内容

基于云计算的虚拟仿真实验室按照信息技术学科专业的工程实训方案和人才目标, 建立“理论授课-虚拟实验-实验室教学”融合的计算机电子信息类学科实验教学体系, 将动画演示实验、实物实验、虚拟仿真实验、远程仿真实验纳入到相关专业的基础课程和专业课程的教学环节中。基于云计算的虚拟仿真实验室的建设应包括虚拟仿真实验教学资源的建设、虚拟仿真实验教学的建设、虚拟仿真共享平台的建设等方面。

2.1 虚拟仿真共享云服务平台的建设

按照服务与资源相结合的原则, 建设统一的具有开放性、扩展性、兼容性、前瞻性的基于云计算的虚拟仿真实验教学管理和共享平台, 其架构如图1所示。主要包括实现物理资源虚拟化和教学资源共享的云管理子系统。管理虚拟仿真软件和监控整个虚拟仿真过程的虚拟仿真实验管理子系统和集成应用软件。

云服务平台实现了教育资源云存储、虚拟资源管理、平台监控管理、安全权限管理等功能, 将多物理设备的存储和计算资源虚拟化为统一的资源池;提供教育资源在云计算环境下的多租户虚拟机资源按需供给, 根据用户需求分配虚拟机资源, 提供灵活的虚拟机部署和模板化虚拟机配置能力;提供包括云终端在内的富客户端访问平台资源和服务的方式;提供可视化的监控管理界面, 能够实时监控各类资源, 进行基于资源感知的管理;提供基于角色访问控制模型的安全权限管理。在实现技术原理上, 主要使用了基于Swift技术的云存储功能, 基于开源虚拟机监管器QEMU-KVM和虚拟化功能程接口Libvirt实现虚拟机管理功能。

在虚拟仿真实验室中引入了云终端, 它是在网络体系中基本无需应用程序、无主机的计算机终端 (见图2) , 通过SPICE桌面协议与云服务器通信。云终端可以直接连接不同系统、不同配置的虚拟机, 以此实现即插即用的网络便捷性、高度安全性及较低的IT支持成本。学生通过云终端获得数据和应用服务、教学资源。

基于云计算的虚拟仿真实验平台能高效管理实验教学资源, 实现各种软、硬件实验教学资源的共享, 打破专业实验的限制, 满足多学科专业开展虚拟仿真实验教学的需要, 并把实验方案按需模板化, 为学生们批量创建合适的虚拟实验环境。云服务平台根据虚拟仿真数据量的变化动态地调度物理计算资源, 既实现了虚拟仿真的功能, 又能满足用户的虚拟仿真体验。

2.2 模板化虚拟仿真实验教学资源管理

虚拟仿真实验室利用学科专业优势, 系统整合、共享学院信息化实验教学资源, 添置和自主研发虚拟化课程软件。学生可通过云终端登录到虚拟仿真实验室平台, 并根据课程需求选择创建合适的实验平台。虚拟仿真实验室通过为不同课程打造特色实验系统平台, 有针对性的培养学生综合设计和创新能力, 例如, 针对计算机学科的《计算机网络》《Linux操作系统》《计算机网络安全》《Java程序计》4门课程开设50个典型实验。在云服务平台支持下, 实现教学资源模板管理 (如图3所示) , 将各种资源按照不同的使用规格, 按需为用户提供定制的资源模板, 提供模板的创建、修改、激活、删除等功能。在定义云应用个性化性的、通用型的虚拟机资源视图模板基础上, 在应用过程中通过实例化各种视图模板, 实现云中的资源和操作在不同类型的终端的展现。

3.3虚拟仿真实验教学组织

在软件平台的支持下, 在实际教学中, 组织教师精心设计虚拟仿真实验方案, 控制虚拟仿真实验的过程, 适时进行虚拟仿真实验资源的整合。为了确保虚拟仿真实验教学的顺利进行, 教师在设计方案时, 在课题范围内选择代表性的试验样本, 并预设既定或随机化的目标, 并以此制定实验总体控制预案。在实验方案确定后, 虚拟仿真实验需要在实验预知、实验操作、交流讨论、实验课题或作业等环节进行变量控制, 以充分发挥学生能动性又不偏离实验预期为宜, 最大限度地促进创新思维的发挥及效用。

3 实验室建设的关注点

3.1 云计算与虚拟仿真技术的结合

云计算技术将所有的硬件和软件资源形成一个资源池, 支持可伸缩的资源需求, 提供无处不在的计算存储能力。虚拟仿真技术能模拟真实的实验设备和实验场景, 使学生通过人机交互的方式在模拟的实验设备、实验场景和软件中开展实验, 达到在虚拟现实环境中实现各种预定实验项目目的。通过云计算和虚拟仿真技术的结合, 实验室能按需动态调度物理计算资源, 实现虚拟仿真功能, 支持软、硬件教学资源的共享, 从而实现了无处不在的学习。

3.2 自主研发与直接引进相结合

基于云计算的虚拟仿真实验室包括已有的软、硬件教学资源, 例如服务器、机房、教学课件等, 除此之外, 还需要课程虚拟仿真软件和虚拟仿真平台管理软件。其中, 课程虚拟仿真软件将通过直接购买现有的软件获得;基于云计算的虚拟仿真实验平台由实现物理资源虚拟化和教学资源共享的云管理子系统、管理虚拟仿真软件和监控整个虚拟仿真过程的虚拟仿真实验管理子系统、集成应用软件组成, 软件是由我们教师组织研发团队自行研发, 为后期的维护、更新提供可靠保障。

3.3 传统教学模式与mooc教学模式相结合

传统的实验模式要求学生在规定的时间到规定的实验室进行实验, 由于实验的时间有限, 实验设备不充裕, 实验设置简单呆板, 时间和地点受限, 导致学生往往对实验不感兴趣, 应付了事。而通过建立基于云计算的虚拟仿真实验室, 实现了面向自主学习的开放、互动的网络虚拟仿真实验环境, 使学习者能够便捷、灵活地获取优质教学资源, 通过学习过程中的交流、互动、协作与评价, 完成高效、低耗、多样的实验。

3.4 低成本与逼真的仿真体验相结合

由于云计算的资源虚拟共享特性使得在云平台的基础上构建各种应用具有低预置成本、低维护成本和低消耗的特点。基于这一优势的同时, 为了保证逼真的仿真效果, 云平台能根据虚拟仿真实验的实时数据量动态地对各种软、硬件资源进行调度, 充分满足虚拟仿真实验在功能和效果上的要求。

4 结束语

基于云服务的虚拟仿真实验室能根据不同课程特点在虚拟仿真实验平台上创建适合教学的实验, 特别是实际工程实训实践项目的需求, 综合利用模板化虚拟机和资源调度技术, 为学生提供按需的教学资源访问和实验过程。由于其可灵活设计实验、可批量生成实验平台、低维护成本和低消耗等特点, 虚拟仿真实验室的建设对推动教学改革, 提高一体化科研教学的效率、降低成本有着积极的作用。

参考文献

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[5]刘泽良.发挥虚拟实验室建设对实验教学的促进作用[J].实验技术与管理, 2011, 28 (7) :193-194.