軟件虛擬化在計算機實驗室的應用論文

　　軟件虛擬化在計算機實驗室的應用論文【1】

　　摘要：高校計算機實驗室應用范圍不斷擴大，軟件環境頻繁更新對高校實驗室管理人員造成一定困難，對此提出了一種軟件虛擬化的軟件部署方案，降低了實驗室軟件環境的部署次數，提高部署效率。

　　關鍵詞：軟件;虛擬化;實驗室

　　隨著網絡的發展與應用以及各類利用計算機軟件系統模擬的實驗教學環境的出現及使用，各個高校都建設了大量的計算機實驗室用于學生的實驗、實訓課程的學習以及各類社會服務項目，但高校計算機實驗室的急劇增加，應用范圍的不斷擴大，社會服務項目的不斷增多，造成大面積的計算機實驗室內的軟件配置環境不斷更改、更新，甚至重新進行部署。

　　此類工作都直接造成計算機實驗室的管理任務增加，如何能夠有效地提高實驗室的靈活度，降低實驗室的更改、更新、重新部署次數、提高實驗室的部署速度就成為計算機實驗室管理人員共同面臨、需要解決的關鍵問題。

　　一、實驗室目前存在的問題

　　以山西大學商務學院為例，以各大學計算機實驗室存在的共同點為研究對象。

　　各高校普遍擁有的計算機實驗室在20個以上，用于實驗的計算機數量在1200臺以上，因實驗室不斷建設、教學軟件更新的特性，造成各實驗室中的計算機性能良莠不齊，實驗室在經過幾年的使用后雖然都根據各計算機的特性有針對性地進行著升級等改造，但局限于計算機的基本結構，也只能緩解一時的困難，無法根本解決教學需要與實驗設備性能落后的矛盾，因此在滿足各類教學、實驗上存在不同差距。

　　例如在2005年左右建設的計算機實驗室，計算機配置主要集中在P4 3.0級的CPU，雖然在使用中對內存進行升級，但因計算機的基本結構已定，并不能實質性地提高計算機的運行能力，因此在實踐教學中就形成了各教學軟件可以運行但效率有限的癥狀，尤其是在單機被部署較多的教學軟件后，計算機運行慢的癥狀表現得更加突出。

　　為緩解和解決該類問題，各高校的計算機實驗室不斷投入、重新建設，在硬件配置上得到了大幅度提升，均采用i5級或以上的CPU，但相應而來的是目前部分軟件對64位系統的兼容性不足，主要集中在原有的實驗環境模式系統。

　　受這些因素的影響，在不同性能的計算機實驗室中部署教學軟件時就變得更為復雜，因此需要一種既能解決低性能計算機在大量軟件部署后對效率的低影響又能改變試驗教學軟件在64位系統上運行的方式。

　　二、軟件虛擬化在實驗室的應用

　　在每個學期的開學伊始，各高校的實驗室都要根據教學的不同需要對實驗室內的計算機軟件環境進行更改、更新甚至重新部署，以滿足教學的需要，而在教學的過程中，因高校計算機實驗室承擔的各類考試，諸如國家計算機等級考試、財務類考試以及其他用到計算機實驗室的項目，勢必造成計算機軟件環境的重新部署。

　　在實驗室部署效率的摸索中，經過簡單綠色版或免安裝軟件的過渡后選擇了利用Vmware thinapp 軟件來處理應用程序的安裝問題。

　　Vmware thinapp是一款可將應用軟件進行虛擬化的工具軟件，可以實現在同一操作系統上運行多版本的虛擬應用程序而不發生沖突，甚至可以運行同一應用程序的多個版本。

　　在這里主要用該虛擬化工具來制作免安裝的單文件應用軟件，改變傳統的軟件完全安裝模式，充分結合實踐教學的需要，對教學軟件進行虛擬化處理，測試、跟蹤、評估軟件的運行表現及效果。

　　提高計算機實驗室內教學軟件的快速部署，提高單機的運算效率，并同時解決部分軟件無法在Windows 7操作系統上運行的問題，排除部分教學軟件的沖突。

　　在制作該類軟件前，首先需要對計算機實驗室的實驗軟環境進行統計，結合高校實踐教學的需要，根據教學軟件性質的不同進行分類，整理出所有實驗、實訓教學需要的軟件，按照軟件的特性及用途、實驗室中的利用率逐個對軟件進行分類，按軟件的特性及用途一般可以把軟件分為服務類軟件、編程類軟件、工具類軟件。

　　[1，2]軟件的利用率可根據各院校的教學計劃將軟件分為高使用率和一般使用率、較低使用率，按照以上兩種分類的交集中會發現，服務類軟件通常處于較低的使用率，僅局限于計算機專業類的學生，大多時間與編程類軟件同步使用。

　　編程類軟件的使用率一般，雖然也集中在計算機相關專業學生，但其對編程軟件的使用卻貫穿整個學習、研究過程。

　　工具類軟件則因為多樣性、普及性使用率較高而種類較多，如影音、圖像、統計等。

　　下面針對各類軟件在安裝后對計算機單機性能的影響，根據完成的分類逐個分析。

　　服務類軟件在服務類軟件安裝后，由于軟件本身的服務性質，會造成系統的加載項過多，計算機運行時增加不必要的消耗。

　　編程類軟件安裝后本身對系統性能的影響不大，而且在使用時地點比較固定。

　　工具類軟件雖然單個軟件在安裝后對系統的影響不大，但因種類太多，如果在實驗室中希望實現大面積安裝時比較費時，對系統的影響也會增加。

　　針對分類，可考慮在實驗室的部署上，服務類軟件在性能可保證的前提下采用虛擬化的模式進行部署。

　　編程類軟件可采用傳統安裝模式。

　　工具類軟件則盡量采用虛擬化的模式大面積部署，既保證了機房的靈活調配又不會造成對實驗、實訓效果的影響。

　　在傳統的計算機軟件安裝模式時，每個學期開始，各計算機實驗室需要核對自己的課表，并與代課教師核對實驗軟件的版本，然后才能對實驗室內的計算機進行系統更新，并逐一安裝試驗用應用軟件，同時需要注意軟件之間的沖突問題，而且很難避免軟件的安裝失敗時對系統造成不良的影響。

　　而在計算機實驗室中因采用軟件虛擬化與傳統模式的混合運行后，可根據實驗室內計算機的性能以及實驗室的教學安排來合理采用應用軟件的虛擬化，實驗環境需要大面積應用軟件是提前處理好的獨立運行程序，它的部署免去了傳統軟件運行模式的安裝過程，可以將可運行的單文件軟件直接保存在有還原功能的非系統分區里，因此，軟件的安裝工作就只是幾個文件的拷貝工作，不僅提高了工作的效率，同時保證了軟件的可運行性。

　　采用虛擬化后的應用軟件部署到實驗室時，由于VMware ThinApp將程序需要使用的相關資源如exe、dll、ocx、注冊表項等打包封裝到一個單一的可運行文件中，程序在運行時所需要的資源也都從這個可運行文件中調用到虛擬環境中，從而實現與操作系統的隔離。

　　因而應用軟件本身在不處于運行狀態時與計算機的系統沒有關聯，因此它不再受系統的更替影響，同時由于軟件處于獨立文件的形態存在于計算機中，免去了與其他軟件的沖突，提高了軟件運行時的穩定性及可靠性。

　　軟件在系統啟動時不隨系統的啟動而啟動，在不運行軟件時軟件只是作為一個大文件單獨保存，不存在計算機運行資源的消耗。

　　當虛擬化后的應用程序被關閉時，軟件將完全與系統剝離，釋放對系統資源的占用，對其所產生的修改都只保留在軟件自身的目錄內，也可同時提高學生對軟件設置的靈活掌握，需要恢復軟件的默認設置時僅需要刪除虛擬化軟件在運行后產生的文件即可。

　　因虛擬化軟件在制作過程中包含了與自身運行有關的系統關聯項，使得虛擬化軟件可在不同的系統平臺中運行。

　　同時，在計算機實驗室中存在部分實驗室需要使用雙系統的實驗環境，在傳統模式時需要在兩套系統中均安裝軟件，負責就需要，采用了虛擬化軟件的運行模式時只需對應用軟件一次性部署，把存放應用軟件的分區提供雙系統可見即可，這樣在需要使用應用軟件時即可直接使用，而不用在雙系統之間頻繁切換。

　　三、總結

　　在采用軟件虛擬化的進程中值得注意的是，雖然應用軟件的虛擬化給計算機實驗室的應用、部署上帶來了高效性及靈活性，但也要注意實踐教學軟件進行虛擬化處理后的測試，并根據不同性質的軟件進行技術性總結歸類，總結使用過程中的問題、缺陷，并逐個摸索，直到虛擬化后的實踐教學軟件達到教學的要求，保證應用程序對功能性，不能因軟件的虛擬化而造成對教學的影響。

　　同時，應根據各高校實驗教學的實際情況，在學生、教師中對虛擬化后的軟件進行性能及使用表現調查，以發現問題所在，探索問題的原因并進行修正、完善，充分研究分析各類軟件的使用率，合理采用傳統軟件應用模式與軟件虛擬模式的結合，提高效率，而且對實驗指導教師要做好充分的軟件使用說明。

　　參考文獻：

　　[1]張文盛.虛擬化服務器的應用研究[J].辦公自動化,2010,(8).

　　[2]羅婕,寧天橋.服務器虛擬化技術在計算機實驗室的實踐應用[J].計算機時代,2010,(2).

　　服務器虛擬化技術在計算機實驗室的實踐應用【2】

　　摘要：利用服務器虛擬化技術可以非常經濟地搭建出先進的實驗教學平臺。

　　基于虛擬技術的實驗平臺能夠以簡單的方式模擬出各種IT環境，起到了支持各學科的實驗教學的作用，符合計算機實驗教學的發展趨勢。

　　文章在探討多種服務器虛擬化產品特點的基礎上，結合高校計算機實驗中心的建設，給出了一個具有應用價值的、基于虛擬化技術的實驗教學平臺解決方案。

　　關鍵詞：虛擬化技術;服務器虛擬化;x86平臺;計算機實驗教學;Hypervisor;Citrix XenServer

　　0　引言

　　隨著我國大學教育從精英教育發展到大眾教育的階段，大學生的“就業難”問題也隨之突出，其原因之一是大學畢業生普遍存在著動手能力不強、創新能力差、綜合競爭能力不強、不能很快進入崗位角色等問題，缺乏滿足企業實際工作需要的知識和技能。

　　出現這些問題的根源在于高校的學科設置和教育模式偏離了社會發展的需要。

　　為解決上述問題，各類高校都大力倡導素質教育，紛紛通過調整專業、課程設置。

　　使教學盡可能地與社會需求接軌，同時重視建設實驗教學培訓中心，全天候開放實驗室，增加學生動手的機會，加強技能教學。

　　計算機技術、網絡技術和信息技術是實踐性極強、更新極快的學科，雖然高校IT設備的投入很大，但是實驗室建好后很快又落后于技術的發展，無法滿足高校教育的需要。

　　針對當前存在的問題，我校計算機實驗室綜合多年的教學實踐經驗，在實驗室建設中引入服務器虛擬化技術和產品，建立了新一代實驗教學平臺，由此，不僅提高了計算機實驗室的服務能力和支撐水平，也提高了資金和設備的利用率，降低了設備管理和維護的工作量。

　　本文探討了多種服務器虛擬化技術，并在此基礎上介紹了基于Citrix XenServer產品的虛擬化教學實驗平臺的建設方案。

　　1　服務器虛擬化技術探討

　　1.1　概念和起源

　　虛擬化的概念在20世紀60年代首次出現，利用它可以對稀有而昂貴的大型機硬件進行分區。

　　后來虛擬化技術又在小型機上得到了應用，把一臺小型機虛擬成幾臺小型機使用。

　　隨著時間的推移，微型計算機和x86服務器已可提供更有效、更經濟的方法來分配處理能力。

　　因此到20世紀80年代，虛擬技術已不再被廣泛使用。

　　到了20世紀90年代，研究人員開始探索如何利用虛擬化技術解決與廉價硬件激增相關的一些問題，例如。

　　利用率不足、管理成本不斷攀升和易受攻擊等，虛擬化技術再次得到了廣泛認可。

　　x86平臺上虛擬化技術的出現，首次向人們展示了虛擬化技術應用的廣闊前景，因為x86平臺可以提供便宜的、高性能和高可靠的服務器群，可以將物理服務虛擬化。

　　第一代的虛擬化產品通過一個Hypervisor或者是主機的架構提供服務器的分區能力。

　　第二代的虛擬化技術增加了虛擬化的管理、生產力的規劃、物理服務器到虛擬機的遷移以及其它的工具用于整合生產服務器。

　　第三代虛擬架構(V13)代表了下一代的虛擬化技術，該虛擬架構重新定義了一個新的IT標桿，它將工業標準服務器和存儲虛擬化成了一個整體，聚合成一個動態的可集中管理的資源池，可使任何應用或操作系統保持持續優化和高可用狀態。

　　它使得企業有能力去轉化、管理和優化他們的IT系統架構。

　　具體而言，最新一代的虛擬化技術――服務器虛擬化技術，通過將服務器物理資源抽象成邏輯資源，讓一臺服務器變成幾臺甚至上百臺相互隔離的虛擬服務器，或者讓幾臺服務器變成一臺服務器，人們使用時感覺不再受限于物理上的界限，讓CPU、內存、磁盤、I/O等硬件變成可以動態管理的“資源池”，從而提高資源的利用率，簡化系統管理，實現服務器整合，讓IT對業務的變化更具適應力。

　　1.2　解決的問題

　　現在的服務器主機群，除一部分用于大型數據處理的小型機外，大部分是由PC服務器主機構成，并隨著用戶需求的不斷增加，PC服務器的數量也在不停地增加。

　　但是，終端用戶還是覺得訪問速度慢(而此時網絡流量實際很少)，利用率極低。

　　所以如此，部分原因是服務器資源沒有整合，造成資源分配的不合理。

　　有些系統在設計當初是沒有問題的，但是，運行一段時間后數據量增加，使得系統變得很慢。

　　為此，需要將這些資源(主要是CPU、內存)作為一個共享池，對相應的應用進行統一調配，重新動態分配資源。

　　這就是基礎架構的虛擬化。

　　在具體實現中，為了實現數據的集中存儲、集中備份，以及充分利用虛擬架構中虛擬機可動態在線從一臺物理服務器遷移到虛擬服務器上的特性等，需要利用光纖存儲陣列產品與冗余的光纖交換機(或者iSCSI存儲設備)組成標準的SAN集中存儲架構，由虛擬架構套件生產出來的虛擬機的封裝文件都存放在SAN存儲陣列上。

　　通過共享的SAN存儲架構，可以最大化地發揮虛擬架構的優勢，在線地遷移正在運行的虛擬機，進行動態的資源管理和集中的基于虛擬機快照技術的LAN Free的整合備份等，而且可為以后的容災打下基礎。

　　1.3　服務器虛擬化產品介紹

　　在典型的分層架構中，提供平臺虛擬化的層稱為Hypervisor(有時稱為虛擬機管理程序或VMM)。

　　來賓操作系統稱為虛擬機(VM)，對這些VM而言，硬件是專門針對它們虛擬化的。

　　1.3.1　Hypervisor的分類

　　Hypervisor可以劃分為兩大類：直接運行在物理硬件之上的Type 1 Hypervisor和運行在另一個操作系統(如運行在物理硬件之上的各種Windows)中的Type 2 Hypervisor。

　　在Type 1中，Hypervisor是一個存在于操作系統下面的軟件層，直接位于硬件之上。

　　這種模型保證虛擬機最大可能地提高性能，并且可以使得它們以在真實機上運行的速度運行。

　　Hypervisor不需要自己驅動，利用支持虛擬化的處理器，例如啟動了AMD-V或者Intel VT的處理器。

　　這使得Hypervisor可以做得非常小并且效率很高。

　　由于上述特點，Type 1 Hypervisor在生產及企業級應用中被普遍采用，目前主流的服務器虛擬化平臺產品都采用這種技術。

　　1.3.2　產品簡介

　　市場上基于Type 1 Hypervisor的主流服務器虛擬化平臺(產品)主要有：

　　VMware Infrastructure 3.5、微軟Windows Server 2008 Hyper-V和Citrix XenServer 5.5等。

　　2　實驗教學平臺建設實例

　　為了讓學生掌握實用的IT技巧，我校在培育計算機人才時非常重視實驗教學。

　　開展實驗教學離不開由各種硬件裝備構成的實驗平臺。

　　由于教學資金有限，在打造實驗教學平臺時不僅要斟酌先進性的問題，還要統籌如何讓有限的資金發揮出最大的價值。

　　基于AMD強大的多核計算技術，我們僅利用一臺服務器和一套虛擬化軟件，就以低投入搭建出了一個先進的實驗教學平臺。

　　該平臺不僅能夠以簡單的方法模仿出各種rr環

　　境，高效地支撐各學科的實驗教學，而且能夠有效地支撐科研工作的開展。

　　該平臺的建成使我們的實驗教學在實踐和理論上都向前邁進了一大步。

　　2.1　需求

　　要求新的平臺能夠搭建數量更多、復雜度更高的實驗環境，能夠支持更多門類的實驗教學工作。

　　平臺技術要開放、結構要簡單，要能夠穩定可靠地模擬并運行多種計算系統和網絡系統，要有非常好的兼容性，能夠提供先進的系統管理方案，能夠被輕松地部署、維護和管理。

　　2.2　解決方案

　　經過對大量資料和技術方案的調研，我們最終決定采用服務器虛擬化技術來建設新一代的強大、靈活、高效的計算機實驗教學平臺。

　　采用虛擬化技術，可以有效保證學生的基礎學習需要，每人都可獲得一臺虛擬服務器。

　　采用虛擬化技術可以提升老師的教學平臺，搭建不同的網絡環境，從而為學生提供更多的了解網絡的機會。

　　運用虛擬技術的一個關鍵是必需擁有性能強大的服務器。

　　為了確保虛擬的實驗教學平臺能夠順利建成，我們對服務器的選型提出了三點具體要求。

　　(1)擁有先避的計算機架構，具有強大的處理能力

　　服務器無論是在主板設計上，還是在處理器、內存、硬盤和網卡等重要部件上，都必需采用先進技術;必須支持多路多核處理器，并且所采用的處理器必須在硬件層面上高度支持虛擬技術，確�？梢蕴峁�強大的并行數據處理能力，能夠在根本上支持虛擬體系的高效運轉。

　　(2)支持64位計算，易于升級

　　內存不足將嚴重影響虛擬體系的性能，并會直接限制虛擬機的數量。

　　為了能夠盡可能地擴大內存的空間，處理器必須支持64位帶寬的計算，能夠突破傳統的4GB內存限制，可以做到輕松升級，可以讓服務器安排更多的虛擬機，讓每臺虛擬機可以處理更多的事務。

　　(3)價廉物美，長期擁有成本低

　　為了充足利用教學資金，必須選用性價比高的服務器。

　　由于多路服務器的整體價格在很大水平上是由處理器的價錢決定的，因此我們要求盡可能選用那些性能強大、價格經濟、運行穩固、能耗低的處理器，這樣不僅可以降低原始采購的成本，而且能夠降低長期的擁有成本。

　　按照上述原則，我們最終引入基于AMD四核皓龍處理器的戴爾PE R905服務器，以及Citrix的XenServer5.5虛擬化軟件打造新一代的實驗教學平臺。

　　軟硬件配置：在服務器的硬件配置上，我們為戴爾PER905服務器配備了4顆AMD四核皓龍處理器、64GB內存和5塊400GB的SAS硬盤;在軟件方面，我們采取了開源的Citrix公司免費的XenServer5.5服務器虛擬化軟件。

　　2.3　教學使用情況

　　基于PE R905服務器的強大計算能力，我們運用XenServer服務器虛擬化軟件將PE R905服務器虛擬成多個基本應用平臺，這些基本應用平臺的數量和性能可以依據教學需要隨時變更。

　　虛擬的應用平臺在實驗教學中主要有以下三方面作用。

　　第一，基本練習。

　　利用新的教學實驗平臺的強大能力，教師在實驗課中可依據學生的數量多少劃分出相應的虛擬機，并給每個學生都分配一臺虛擬化的服務器，讓學生在其上實踐所學的各種計算機基礎知識，比如安裝Unix、Linux、Solaris和Windows等操作系統，進行應用軟件的配置和優化等等。

　　第二，高級應用。

　　利用虛擬系統可以自由分割、隨便組合的特點，教師在實驗課中可將不同的系統，包括DNS系統、網站系統、防火墻系統和安全證書等安裝在相互獨立的虛擬機中，再組合成一個功能齊全的網絡應用環境，讓學生以身臨其境的方法，深入探尋IT網絡的運作規律。

　　第三，開辟視野。

　　教師可以因材施教，給學習得比較深入的學生分配多個虛擬機，讓他們將自己編寫的各種程序放在不同的操作系統平臺上調試，或在虛擬的異構平臺上模仿各種應用和網絡服務，使他們實踐能力和視野得到進一步的提高和擴展。

　　新一代的計算機教學實驗虛擬化平臺的構造示意圖如圖3所示。

　　3　虛擬化實驗教學平臺的優勢

　　教學實踐應用證明，基于虛擬技術的實驗教學平臺相對于傳統的實驗教學平臺具有明顯的優勢，包括：

　　(1)穩定高效，結構簡單，易于部署、維護和管理;虛擬操作近乎是‘傻瓜’式的，只需在圖形界面上圈圈點點就能完成非常復雜的工作。

　　在平臺上開展實驗教學，系統維護和管理的工作量可以減輕80%以上。

　　(2)能夠快速搭建數量更多、復雜度更高的實驗環境，能夠支持更多門類的實驗教學工作;現有的實驗平臺的資源可以支持同時建立和啟用高達100臺左右的虛擬機，可以支持DOS、Unix、Linux、Solaris和Windows等不同的操作系統。

　　上百臺各種類型操作系統的虛擬機可以構建出功能齊全的網絡環境。

　　滿足更高層次的教學實踐需求。

　　(3)提高效率，大幅降低建設成本。

　　只需一臺服務器和一套免費的虛擬化軟件，可為學校極大地節約成本。

　　相較傳統的基于多臺物理服務器的平臺建設方式，這種虛擬化解決方案最少能夠節省50%-60%的建設成本。

　　(4)延長了硬件平臺的使用壽命。

　　硬件平臺虛擬化之后，要支持更新的操作系統只需要升級虛擬化軟件即可，無需對硬件平臺進行更新，這樣就延長了系統的使用壽命。

　　4　結束語

　　服務器虛擬化技術在我校計算機實驗教學的應用實踐證明，在購置高性能服務器的基礎上，采用虛擬化技術建設虛擬化的實驗教學平臺是既節約設備經費，又能夠滿足計算機實驗教學對實驗環境的多樣性、復雜性、實驗性需求的有效手段。

　　盡管由于投入有限(如我們沒有建設SAN存儲)，目前的平臺尚無法充分發揮服務器虛擬化技術的所有優點，虛擬化平臺的性能還有待進一步提高，但隨著虛擬化技術的日臻完善，虛擬化的理念和虛擬化的解決方案必將在實驗教學平臺的建設中發揮更大的作用。

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