高校基于云计算的虚拟实验室建设研究

本文完成了虚拟实验室系统架构分析，对每个层次具体实现进行了研究。本文首先分析、选择合适的数据中心解决方案，数据中心提供虚拟机，实现基础设施即服务IaaS；其次深入研究了虚拟实验室控制系统的模块设计、工作流程及实现方式；最后对用户平台进行了编码实现。对基于云计算的虚拟实验室建设提供了可行思路和具体的实现方案。

　　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。