賀 飛,陳恒臻

(沈陽科技學(xué)院,遼寧 沈陽 110167)

0 引言

校企合作已成為一種趨勢,信息技術(shù)的不斷發(fā)展為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研深度融合提供了機(jī)會。虛擬化技術(shù)的廣泛應(yīng)用也使得實(shí)驗室管理模式發(fā)生了變革[1]。構(gòu)建校企虛擬化實(shí)驗管理平臺,旨在為校企合作提供一個高效便捷的實(shí)驗管理平臺,為學(xué)生提供更為全面的實(shí)踐機(jī)會,促進(jìn)企業(yè)與高校的緊密合作,加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作,提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

本平臺基于云計算、虛擬化、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),以智能化、數(shù)字化為目標(biāo),打造全方位、立體化的實(shí)驗室管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)實(shí)驗室資源的共享和利用。同時,本平臺致力于構(gòu)建一個數(shù)據(jù)化的實(shí)驗教學(xué)管理系統(tǒng),提供在線實(shí)驗指導(dǎo)、實(shí)驗預(yù)約、實(shí)驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析等服務(wù),方便學(xué)生及時獲取實(shí)驗信息,提高實(shí)驗教學(xué)效果。本平臺還支持校企合作,為企業(yè)提供實(shí)驗室資源租借、技術(shù)支持、人才培養(yǎng)等服務(wù),同時實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研合作的深度融合。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)是構(gòu)建虛擬實(shí)驗平臺的基礎(chǔ),是將計算機(jī)硬件資源(如CPU、內(nèi)存、磁盤等)進(jìn)行抽象,以軟件方式來創(chuàng)建多個虛擬的執(zhí)行環(huán)境。虛擬化技術(shù)的應(yīng)用可以將多個操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運(yùn)行在同一臺物理服務(wù)器上,從而實(shí)現(xiàn)資源共享和提高物理服務(wù)器的利用率。常見的虛擬化技術(shù)包括全虛擬化和半虛擬化,其中,全虛擬化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多個操作系統(tǒng)的同時運(yùn)行,并提供了良好的隔離性能和資源分配控制,但會造成一定的性能損失,而半虛擬化則可以更高效地共享物理資源[2]。

1.2 云計算和邊緣計算技術(shù)

云計算是一種以Internet為基礎(chǔ)的計算方式,它將計算資源進(jìn)行虛擬化并分配在多個數(shù)據(jù)中心中,以提供快速、可靠和靈活的計算服務(wù)。云計算技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)按需分配計算和存儲資源,提高企業(yè)和機(jī)構(gòu)IT資源利用的效率和靈活性,而邊緣計算則是一種將計算資源分配在離終端設(shè)備更近的位置,以提高計算效率和降低網(wǎng)絡(luò)延遲的計算方式。邊緣計算技術(shù)的應(yīng)用可以有效支持物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)設(shè)備的計算和通信需求,為實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗平臺的邊緣計算提供了技術(shù)支持[3]。

1.3 分布式存儲和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

分布式存儲是一種將數(shù)據(jù)分布在多個存儲節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)存儲方式,具有可擴(kuò)展性和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。分布式存儲技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)管理和備份,支持多個虛擬實(shí)驗環(huán)境之間的數(shù)據(jù)共享和協(xié)作,而網(wǎng)絡(luò)技術(shù)則是構(gòu)建虛擬實(shí)驗平臺必不可少的技術(shù)基礎(chǔ),包括物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)安全等方面。通過合理設(shè)計和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),可以提高虛擬實(shí)驗平臺的性能和安全性[4]。

2 校企共用虛擬化實(shí)驗管理平臺的需求分析

2.1 虛擬化實(shí)驗管理平臺現(xiàn)狀

目前,市場上的虛擬化實(shí)驗管理平臺大多支持多種虛擬化技術(shù),如KVM、VMware、Xen等,同時支持多種操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。此外,現(xiàn)有的虛擬化實(shí)驗管理平臺還具備實(shí)驗數(shù)據(jù)管理、用戶權(quán)限管理、虛擬機(jī)監(jiān)控、資源管理等功能。但是,目前市場上的虛擬化實(shí)驗管理平臺仍然存在一些問題,例如操作煩瑣、使用不便等。因此,設(shè)計一個高效、易用的虛擬化實(shí)驗管理平臺具有重要意義[5]。

2.2 虛擬化實(shí)驗管理平臺功能性需求

為滿足教學(xué)、科研等需求,校企共用虛擬化實(shí)驗管理平臺需要具備以下功能模塊:(1)用戶管理模塊;(2)實(shí)驗管理模塊;(3)虛擬機(jī)管理模塊;(4)實(shí)驗教材模塊;(5)系統(tǒng)設(shè)置模塊;(6)消息中心模塊;(7)操作日志模塊。

2.3 虛擬化實(shí)驗管理平臺非功能性需求

在校企共用虛擬化實(shí)驗平臺的開發(fā)過程中,除了功能性需求,還需要考慮到一些非功能性需求。虛擬化實(shí)驗管理平臺的一些非功能性需求如下:(1)系統(tǒng)安全性要求高;(2)可靠性高;(3)性能要求高;(4)易用性和可維護(hù)性高;(6)可擴(kuò)展性強(qiáng);(7)高效性;(8)易于集成。

3 虛擬化實(shí)驗管理平臺設(shè)計

根據(jù)平臺建設(shè)需求將平臺劃分為3個功能層:實(shí)驗管理層、虛擬化服務(wù)層和虛擬化基礎(chǔ)層。

3.1 虛擬化實(shí)驗管理平臺詳細(xì)設(shè)計

3.1.1 實(shí)驗管理層

實(shí)驗管理層為整個系統(tǒng)的最上層,負(fù)責(zé)實(shí)驗室管理、實(shí)驗教學(xué)管理、實(shí)驗室綜合管理等。實(shí)驗管理層提供一個自助門戶網(wǎng)站——Web系統(tǒng),供用戶登錄后進(jìn)行實(shí)驗操作、實(shí)驗報告管理、成績管理等。該層的主要功能包括:用戶管理模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊、消息中心模塊、實(shí)驗管理模塊、虛擬機(jī)管理模塊、操作日志模塊、實(shí)驗教材模塊。

3.1.2 虛擬化服務(wù)層

虛擬化服務(wù)層是構(gòu)建在虛擬化基礎(chǔ)層之上,為實(shí)驗管理層提供服務(wù)的重要層級。虛擬化服務(wù)層主要包括虛擬化服務(wù)應(yīng)用程序、PowerShell命令外殼程序以及虛擬化管理程序System Center Virtual Machine Manager Server。

虛擬化服務(wù)應(yīng)用程序是虛擬化服務(wù)層的核心組成部分,主要包括服務(wù)監(jiān)聽、命令處理和數(shù)據(jù)訪問。服務(wù)監(jiān)聽是負(fù)責(zé)監(jiān)聽客戶端請求的組件,負(fù)責(zé)接收和分發(fā)客戶端請求,并將請求轉(zhuǎn)發(fā)給命令處理組件。命令處理組件則是負(fù)責(zé)解析請求,執(zhí)行操作,返回響應(yīng)的組件。數(shù)據(jù)訪問組件則是負(fù)責(zé)與虛擬化基礎(chǔ)層進(jìn)行交互,獲取虛擬化資源信息,實(shí)現(xiàn)虛擬化資源的分配和管理。

另外,PowerShell命令外殼程序也是虛擬化服務(wù)層中的重要組成部分,其主要作用是為管理員提供一種交互式的命令行界面,通過命令行的方式來操作虛擬化資源,實(shí)現(xiàn)對虛擬化環(huán)境的快速部署、配置和管理。

虛擬化管理程序System Center Virtual Machine Manager Server也是虛擬化服務(wù)層的重要組成部分,它是一個完整的虛擬化管理解決方案,可以用來管理虛擬化資源、部署虛擬機(jī)、實(shí)現(xiàn)自動化管理等。該程序提供了一系列的管理工具,包括虛擬機(jī)和虛擬機(jī)模板管理、虛擬化主機(jī)管理、存儲管理、網(wǎng)絡(luò)管理等,可以方便快捷地進(jìn)行虛擬化資源的管理。

總體而言,虛擬化服務(wù)層是實(shí)現(xiàn)虛擬化資源管理和調(diào)度的核心層級,它提供了一系列的服務(wù)和工具,可以幫助管理員對虛擬化資源進(jìn)行高效的管理和分配。虛擬化服務(wù)層的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)關(guān)系到整個虛擬化平臺的性能、可靠性和安全性,因此需要對其進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計和測試,確保其穩(wěn)定性和安全性。

3.1.3 虛擬化基礎(chǔ)層

虛擬化基礎(chǔ)層是虛擬化架構(gòu)中的底層基礎(chǔ)設(shè)施,用于提供物理設(shè)備資源的虛擬化和管理。它主要包括虛擬機(jī)池、硬件池等幾個組成部分。

虛擬機(jī)池是虛擬化基礎(chǔ)層的核心組成部分,用于管理虛擬機(jī)的創(chuàng)建、分配、回收等操作,包含服務(wù)器池和桌面云兩個子組件。

服務(wù)器池負(fù)責(zé)管理物理服務(wù)器資源,主要包括物理服務(wù)器的添加、移除、監(jiān)控等功能。同時,服務(wù)器池還提供了虛擬化管理器的安裝、配置等操作。

桌面云負(fù)責(zé)管理桌面云虛擬機(jī)資源,主要包括桌面池和應(yīng)用程序池。桌面池負(fù)責(zé)管理桌面云虛擬機(jī)的創(chuàng)建、分配、回收等操作;應(yīng)用程序池負(fù)責(zé)管理桌面云虛擬機(jī)中的應(yīng)用程序的分發(fā)、更新、卸載等操作。

硬件池用于管理虛擬化基礎(chǔ)層中的物理硬件資源,主要包括服務(wù)器、交換機(jī)、存儲等設(shè)備。硬件池提供了硬件設(shè)備的添加、刪除、監(jiān)控等功能,并可以對硬件設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理和分配。

虛擬化基礎(chǔ)層主要提供了物理資源的虛擬化和管理,為上層的虛擬化服務(wù)層和實(shí)驗管理層提供了必要的硬件支持。

3.2 平臺功能層間的接口設(shè)計

接口設(shè)計是平臺設(shè)計的重要部分,它為不同層次之間的通信和協(xié)作提供了基礎(chǔ)。接口設(shè)計的主要目的是使接口易于使用,降低開發(fā)難度,并提供良好的擴(kuò)展性,以便未來系統(tǒng)的擴(kuò)展。此外,接口安全也是系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)之一,必須通過訪問控制和加密等方式來保證接口的安全性。

整個平臺根據(jù)功能劃分為3個層次:實(shí)驗管理層、虛擬化服務(wù)層和虛擬化基礎(chǔ)層。每個層次之間都有對應(yīng)的接口,用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的傳遞。實(shí)驗管理層與虛擬化服務(wù)層之間的接口主要負(fù)責(zé)實(shí)驗管理數(shù)據(jù)的傳遞和指令的下發(fā),而虛擬化服務(wù)層與虛擬化基礎(chǔ)層之間的接口則主要負(fù)責(zé)虛擬機(jī)和硬件資源的管理和調(diào)度。

在設(shè)計接口時,需要考慮如何提供簡單易用的接口,避免過于復(fù)雜的接口設(shè)計。同時,接口應(yīng)該提供良好的擴(kuò)展性,以便在未來添加新的功能時能夠快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行接口的修改和更新。此外,接口的安全性也是至關(guān)重要的,必須使用合適的加密和訪問控制機(jī)制來確保接口的安全性。因此,平臺接口設(shè)計需要綜合考慮易用性、擴(kuò)展性和安全性,以滿足平臺的需求和用戶的需求。

4 虛擬化實(shí)驗管理平臺測試總結(jié)

通過對虛擬化實(shí)驗管理平臺的測試,可以發(fā)現(xiàn)該平臺具有較高的穩(wěn)定性和可靠性,可以在不同的實(shí)驗環(huán)境下正常運(yùn)行。同時,虛擬實(shí)驗的穩(wěn)定性和可靠性也很高,可以滿足實(shí)驗需求。因此,該平臺可以有效地提升實(shí)驗教學(xué)的效率和質(zhì)量。

5 結(jié)語

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,虛擬化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于計算機(jī)教育和培訓(xùn)領(lǐng)域,以實(shí)現(xiàn)高效的實(shí)驗教學(xué)。在這個背景下,本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種基于虛擬化技術(shù)的實(shí)驗管理平臺,以滿足高校計算機(jī)教育的需求。

首先,本文研究了虛擬化技術(shù)的基本原理和應(yīng)用,介紹了虛擬化技術(shù)在計算機(jī)教育領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀,并提出了虛擬化實(shí)驗管理平臺的設(shè)計目標(biāo)和功能需求。其次,本文設(shè)計了平臺的整體架構(gòu),并對各個模塊進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn),包括實(shí)驗管理模塊、虛擬機(jī)管理模塊、操作日志模塊、實(shí)驗教材模塊等。同時,本文采用了HTML5作為前端框架、Django作為后端框架,MySQL作為數(shù)據(jù)庫,Unity3D作為虛擬化技術(shù),Excel作為統(tǒng)計分析工具,實(shí)現(xiàn)了虛擬化實(shí)驗管理平臺的基本功能。再次,本文對平臺的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行了詳細(xì)描述,包括軟件環(huán)境和硬件環(huán)境,并進(jìn)行了系統(tǒng)測試,包括實(shí)驗環(huán)境測試和虛擬實(shí)驗測試,驗證了虛擬化實(shí)驗管理平臺的功能和穩(wěn)定性。最后,虛擬化實(shí)驗管理平臺為高校計算機(jī)教育提供了一種新的實(shí)驗教學(xué)模式,具有較高的實(shí)用性和推廣價值,可以幫助學(xué)生更好地掌握計算機(jī)技術(shù)。

總體而言,虛擬化實(shí)驗管理平臺的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)為高校計算機(jī)教育提供了一種新的實(shí)驗教學(xué)模式,有助于提高學(xué)生的實(shí)踐能力和計算機(jī)技術(shù)水平。但是,平臺的功能仍有待完善和擴(kuò)展,未來的研究可以進(jìn)一步提高平臺的用戶友好性、實(shí)驗?zāi)Ｐ偷呢S富性和教育資源的共享性。