基于虚拟化技术的开放实验室管理系统
学生提供更加人性化的预约服务和上机指导。
关键词：Hyper-V虚拟化；Wi-Fi；SMS；排课算法
文章编号：1672-5913（2017）07-0149-06
中图分类号：G642
1开放实验室管理系统研究背景及现况
随着实验课程的丰富和实验需求的增加，许多实验需要使用大型软件，这对计算机性能提出了更高的要求，学校也要投入更多的人力来管理实验过程。此外，在实验课编排问题上，一般采用手动排课方式，效率较低且容易冲突。传统的信息管理系统，已经无法满足新的需求。
近年来，国内高校努力探索实验室建设的新思路，取得了很好的成效。2013年，清华大学运用H3C IRF2虚拟化技术建立了网上教学平台，采用创新CLOS架构，改变了过去Crossbar架构核心交换机在大量数据交换时出现拥塞和丢包的状况，让网络性能更好、可靠性更高。2015年，张民垒等人把物联网技术应用到实验室管理系统中，通过无线节点采集实验室内数据，监控室内的温度、湿度，并采用自动化报警机制、NFC读卡验证身份、手机App控制室内灯光等[1]，通过物联网技术实现了实验室的监控智能化管理。
国外高校也非常重视计算资源的管理。2009年，卡塔尔大学、德州农工大学等高校与IBM合作，将云计算技术引入“卡塔尔云计算计划”，通过搭建云平台整合计算资源，为师生提供更优质的高性能计算服务。2014年，Franz Schauer等人在云端设计远程實验功能，解决了上机实验受时间、空间限制的问题，且平台运行高效、可靠。
将云计算、虚拟化、物联网等技术应用在实验室管理中，是实验室建设的新趋势。搭建云平台，将高性能计算资源集中在服务器端进行统一管理，有利于计算资源的合理分配。用无线节点实时监控实验室内各项数据，减轻了管理人员的负担。不过这些措施没有降低实验室的建设成本，实验课编排困难和设备利用率低的问题仍然存在。
本文提出基于虚拟化技术的开放实验室管理系统。通过在服务器端搭建云平台管理大型软件资源[2]，用户可以根据需求登录云端申请使用，能够实现计算资源的集中管控和动态分配，学生实验无需主机，安装瘦客户机即可[3-5]，降低了实验室的建设成本，减轻了设备维护的工作量。通过开放实验室管理网站对实验室资源进行管理[2]，实验课排课模块结合自动排课算法和手动调整功能，有效提高了实验课排课效率，降低了排课冲突率；预约管理模块提供了信息发布、实验指导、预约和批改等功能，还提供了人性化的SMS短信通知服务，能够及时通知学生预约结果，使预约服务更加完善、设备利用率更高；设备电源由无线Wi-Fi开关控制，TCP连接更加稳定，学生可以刷校内一卡通上机实验[6]，实现了预约和上机流程的智能化管理。
2开放实验室管理系统架构
系统的架构图见图1，云平台由服务器集群构成，用于管理软件资源，学生可以登录桌面管理系统申请资源[7]。实验室资源由开放实验室系统网站管理，管理人员可以通过网站对设备、低值品、用户等信息进行管理。教师可以通过课程管理模块对实验课进行排课；学生可以通过预约管理模块预约实验，预约成功后，相关信息会发送到学生的手机端。学生可以自主上机，通过读卡器读取个人信息，与预约信息进行对比验证，验证成功后，向Wi-Fi模块发送命令，打开设备电源，客户端开始计时收费。
2.1服务器虚拟化
如图2所示，通过Hyper-V技术把物理资源转化为逻辑资源[8]，在物理服务器集群上创建多个虚拟机，再在虚拟机上创建桌面池，用于安装实验所需的各种应用程序。客户端可以在远端访问服务器，连接虚拟机，获取相应的计算资源，还可以登录云端，请求桌面池资源，使用池内的如AutoCAD、Premiere等实验课所需软件。云平台把软件资源集中在服务器上管理，本地主机无负载，避免了频繁更新设备或软件带来的巨大工作量，降低了实验室建设和维护的成本。同时，通过创建虚拟机和桌面池对内存、CPU等资源进行合理划分、统一管理，提高了资源的利用率。
2.2排课算法
以前，实验课排课采用手动方式，教师打印出班级的理论课表，在实验室和学生共同空闲的课时安排课程。由于教师间没有及时协调，容易发生冲突，所以多是采用“先到先得”的方法排课。为此，我们设计了排课管理模块，教师排课前，先把学校的理论课排课结果批量导入系统，在选课时，教师就可以根据教学班级、学期、上课周次、实验室等信息查询课表，课表显示的是查询条件下学生课程、教师个人课程和实验室课程三者的并集，这样教师在空余时段选课就不会发生冲突。
同时，为了保证课时段安排的公平合理，改变“先到先得”的原则，笔者设计了自动排课算法，算法流程图见图3。
2.3预约管理
实验室每个实验台的电源控制设备是和实验室管理模块进行绑定的，管理人员可以根据实验室实际布置情况生成座位图，然后为每个实验台绑定一个无线电源控制设备，并设置是否开放。学生登录系统后，可以查询实验室的预约信息、最新公告、课程通知、实验分数、实验室开放计划、座位开放数量等内容，然后根据需求预约实验台。预约请求由教师审核，审核通过后，系统利用SMS服务（采取及时通讯发送设备）将预约信息和登录密码发送至申请者的移动通讯设备，作为进入实验室和使用实验台的凭证。学生预约流程图见图4，实验流程图见图5。
3运行效果
基于虚拟化技术的开放实验室管理系统可以解决传统实验室管理中存在的实验室建设成本高、可扩展性差、管理和维护工作量大、资源浪费等问题。把虚拟化技术应用到管理系统中，能够实现计算资源的动态分配。预约管理模块为学生提供了更好的预约服务和实验指导，减轻了管理人员的工作负担，提高了实验室的开放程度，能够更好地适应实验教学发展的进程。表1展现了与其他类型实验室的对比情况[9]，表2展现了传统模式单机单用与云平台服务的对比情况。
在实际使用中，服务器安装的是Windows Server 2008 R2系统，服务器内存为32G，处理器主频为2.5GHz，实验室面积约为88（8×11）平方米，拥有60个实验台，室内信号干扰物多为木质桌椅和实验台的铁质外壳。
在这样的实验环境下，启动瘦客户机系统约耗费27.83 s的时间；每增加一个客户端播放视频，服务器CPU、内存、占用带宽等指数约增长4.5%，客户端视频播放质量良好，可以很好地满足用户需求。Wi-Fi网络在无障碍物情况下，能保证30 m范围内稳定连接；在木质、铁柜、墙等物件阻挡下，能保证10 m范围内的稳定连接，可以同时控制60个实验台的电源，符合实验室环境要求。使用系统后，课件的更新时间和学生的实验操作时间都有所缩短，实验完成情况有所改善，该系统能够在高校实验教学和管理中发挥提高实验教学质量和效率的作用。
4结 语
平台已经部署在大连海事大学电工电子实验楼，由3台服务器为50个瘦客户机提供云服务，实现全天24 h、多点多地、校内校外无差别和多种终端并行访问的需求。实验环境支持5门课程，服务300名学生，能够满足目前信息学院学生的实验预约需求。学生也可以访问云端进行虚拟仿真实验。通过问卷调查得知，在软件系统的功能、用户体验等方面都得到了较为满意的反馈，预约实验数量逐渐增加，学生的实验考核成绩也有所提高。
初步搭建的云平台部分功能还不够完善和细化，需要在下阶段研究工作中继续修改和完善，特别是设备管理、课程管理、选课预约等系统功能需要完善与深入开发。此外，未来还可以在视频监控端加入异常行为检测算法，来监督学生实验操作的合理性、规范性、安全性，通过进一步细化和充实，创造更为成熟的平台环境。
参考文献：
[1]张民垒. 基于物联网的实验室管理系统的设计与实现[D]. 大连： 大连理工大学， 2015.
[2]耿学宇. 基于云平台的开放实验室管理系统[D]. 大连： 大连海事大学， 2015.
[3]Sharma S U， Gandole Y B. Virtualization approach to reduce network latency for thin client performance optimization in cloud computing environment[EB/OL]. [2017-05-20]. http：//ieeexplore.ieee.org/document/6921753/.
[4]Cimen C， Kavurucu Y， Aydin H. Usage of thin-client/server architecture in computer aided education[J]. Turkish Online Journal of Educational Technology， 2014， 13（2）： 181-185.
[5]Hung P P， Tuan-Anh B， Huh E N. A solution of thin-thick client collaboration for data distribution and resource allocation in cloud computing[EB/OL]. [2017-05-20]. http：//ieeexplore.ieee.org/xpl/abstractAuthors.jsp？reload=true&arnumber=6496383&.
[6]付先平， 張军， 毕胜， 等. 基于瘦客户机的云平台在实验教学及管理中的应用[J]. 计算机教育， 2015（9）： 28-30.
[7]Zhang J， Bi S， Geng X， et al. Experience of experimental teaching and management based on cloud computing[EB/OL]. [2017-05-20]. http：//dl.acm.org/citation.cfm？id=2879848.
[8]Chang B R， Tsai H F， Chen C M. Evaluation of virtual machine performance and virtualized consolidation ratio in cloud computing system[J]. Journal of Information Hiding and Multimedia Signal Processing， 2013， 4（3）： 192-200.
[9]Xu L， Huang D， Tsai W T. Cloud-based virtual laboratory for network security education[J]. IEEE Transactions on Education， 2014， 57（3）： 145-150.
（编辑：孙怡铭）