一种服务于高校计算机与软件教学的实验云平台系统

暂无

一种服务于高校计算机与软件教学的实验云平台系统\n技术领域\n[0001] 一种服务于高校计算机与软件教学的实验云平台系统，属计算机教学管理技术领域。\n背景技术\n[0002] 每个高校中都有计算机房和相关的计算机与软件的实验室或者实验中心，计算机与软件课程的很多上机与实验与别的专业的课程的实验有一个明显的不同点，即：在计算机与软件的课程的上机与实验中，所需要的实验设备为计算机主机+操作系统+相关系统软件，而别的专业(如机械)的课程的实验要包括其它的硬件实验设备。因此，这些专业课程的实验一定要去实验室，到相关的机械设备上去做实验。\n[0003] 但在计算机与软件相关专业的课程实验中，在实验室中全部是计算机，学生在计算机上打开操作系统与相关实验软件，完成实验过程。所以每个学校会有很多计算机实验机房与计算中心机房等实验室。学生因为上的课程的不同，要去不同的机房去上机，但每个机房的设备基本上是相同的，不同的只是计算机上的操作系统、实验软件与不同的计算机品牌与型号。但目前计算机实验设备的利用率不是很高，而且还受实验场地限制。由于计算机房是面向全校的计算机课程的实验室，每次学生上机时，每台微机只由一个学生在使用，现在的计算机的性能非常高，学生在上机时，所能发挥的计算机的性能只是占了计算机性能的很小部分。\n[0004] 计算虚拟化技术的应用，使得我们能够在一台计算机主机上能够创建出多台虚拟的计算机，同时能够在这些虚拟计算机上安装操作系统，并启动操作系统运行，并且利用虚拟机系统软件来构建虚拟机集群系统。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的是，为了能够提供一个高效的高校计算机与软件教学的实验云平台系统，通过该平台系统整合全校的计算机硬件、软件资源，合理分配实验系统资源，充分发挥计算机硬件与软件系统的性能，提高计算机实验资源的使用率，并且最大程度的降低计算机资源的使用成本。\n[0006] 本发明的技术方案是，本发明所提出的实验云平台系统是一个服务于高校计算机与软件教学的实验云平台系统，在基于计算虚拟化技术上，将多台物理主机通过互联网络来构建虚拟机集群实验平台，同时又将多个分散在学校各处的虚拟机集群系统实验平台整合为一个实验云平台系统。在该实验云平台中有各种计算机与软件相关实验所需要的操作系统与实验相关软件与工具，并设有实验云平台数据中心来保存实验数据与实验结果，并为用户(教师、学生、管理人员等)提供了远程登录实验云平台的终端，该终端包括硬件终端与软件终端以及实验云平台的管理工具与管理系统软件。\n[0007] 虚拟机集群的构建方法与过程为：首先将实验室的物理主机对其性能如(CPU、内存、硬盘等)进行分类并通过高速互联网络联网，根据性能的高低确定在该物理计算机上创建虚拟化计算机的数量与虚拟计算机的性能。在物理计算机上安装虚拟机操作系统，之后在虚拟机操作系统上根据实际物理主机的性能虚拟化出多台计算机，并在这些虚拟计算机上根据实验的需要安装不同的操作系统与实验软件，并利用虚拟机系统管理软件将这些虚拟化的计算机联网，构建成一个虚拟机集群系统，并由一个集群系统管理软件对集群进行管理。每个实验室根据实验室的系统需求与实验需求，可以构建一个或者多个虚拟机集群，集群之间通过高速互联网络进行互联。\n[0008] 基于虚拟机集群的计算机与软件实验云平台构建。在不同的实验室构建了虚拟机集群之后，通过校园高速互联网络将位于校园内不同位置的虚拟机集群连成一个超级集群的实验云平台系统，由实验云平台系统管理软件来对该实验云平台系统进行管理。在实验室中，设有实验云平台登录终端，该终端主要包括：显示器、键盘、鼠标、网络设备、云平台登录终端。其中实验云平台登录终端分为专用登录终端客户端计算机与云平台登录终端软件工具两种。专用登录终端客户机为一个专用的嵌入式计算机系统，对硬件性能配置要求不高，其价格成本要远远低于计算机主机的价格。实验云平台登录终端软件工具指的是该登录终端软件可以安装在其他的计算机系统上，用户可以在该计算机系统上启动该登录终端软件来远程登录高校的实验云平台系统。\n[0009] 实验云平台管理系统主要包括：资源管理系统、实验管理系统、负载均衡管理系统、实验云安全管理系统、实验云平台数据中心管理系统。\n[0010] 资源管理系统。主要是负责对云平台上的资源的管理，包括：集群资源状态管理、虚拟机资源管理、资源的加入、删除、禁用管理、虚拟化系统管理。\n[0011] 实验管理系统。主要是负责对实验云平台上的实验项目的管理。包括：实验项目添加、修改、删除；实验人员(老师、学生)管理；实验环境管理；实验预约管理、实验数据与结果管理、实验系统软件管理等。\n[0012] 负载均衡管理系统。主要是负责对实验云平台上的各个云资源节点(即：虚拟机集群系统)上的负载的均衡管理，包括：负载均衡策略管理、流量监控、用户登录导向管理、基于虚拟化技术的进程迁移、用户服务调度管理等。\n[0013] 实验云平台数据中心管理系统。主要是负责对实验云平台上的计算机教学资源数据、用户数据、实验项目数据、数据库系统、实验结果数据、日志系统数据、分布式数据的管理等。\n[0014] 实验云平台安全管理系统。主要是负责对实验云平台上的系统安全方面的管理。\n包括：用户登录验证、访问安全管理、网络安全管理、数据安全管理、防火墙系统以及实验云平台的专用网安全管理等。\n[0015] 用户通过设在实验室的实验云平台登录终端，输入自己的用户名、密码并选择登录身份，在登录验证通过后便进入了实验云平台系统中。用户选择此次上机的实验课程、题目、操作系统、系统软件、实验软件等，实验管理系统与实验云平台资源管理系统根据用户的实验的资源需求，并根据实验云平台系统中的各个虚拟机集群资源上的负载情况，为其分配合适的实验资源。用户并不知道自己所登录的具体的计算机系统是在哪个实验室的实验云平台资源节点上，而且此次实验的所有用户所登录的可能是分布在整个学校实验云平台的不同的实验室的虚拟机集群系统内部的能够满足用户的实验资源需求的虚拟计算机系统上。用户在实验结束时，将自己的实验结果内容与数据保存于实验云平台数据中心中，之后退出实验云平台系统。\n[0016] 如果用户在实验课时内没有完成实验任务，则可以将实验中间结果保存于实验云平台数据中心系统中，并在以后的实验云平台所提供的开放时间内，利用实验云平台所提供的云平台登录终端软件在指定的授权计算机上或者其它校内开放实验室继续完成实验或者是对该门课程的实验的深入学习。\n[0017] 如果因为实际课程的需求，用户需要在实验云平台系统中增加新的实验内容，此时，利用虚拟化系统管理软件与实验管理系统，可以很方便轻松的在实验云平台系统中对虚拟机集群系统资源进行重新配置，增加新的操作系统、新的实验软件或者实验工具等[0018] 本发明与现有技术比较的有益效果是，通过本发明所公开的高校计算机与软件实验云平台系统，充分整合了高校的计算机与软件实验资源、通过将上机地点与所使用的计算机资源的逻辑上的划分，充分提高了计算机硬件设备的使用效率和充分发挥了计算机的使用性能，并大大节约了学校在计算机与软件相关课程上的设备投资成本。\n[0019] 本发明适用于高校的计算机计算与软件资源的共享管理。\n附图说明\n[0020] 图1是高校计算机与软件实验云平台系统功能结构图；\n[0021] 图2是虚拟计算机集群系统体系结构图；\n[0022] 图3是用户使用实验云平台时系统服务流程图；\n[0023] 图4是实验云平台资源与资源管理分层图；\n[0024] 图中图号表示：1实验云平台登录终端；2实验云平台登录系统软件；3实验云平台登录终端；4高速校园互联网络；5实验云平台的资源系统；6实验云平台的资源系统；7虚拟机集群系统；11虚拟计算机集群管理系统；12虚拟机管理与控制系统；13操作系统；\n14物理计算机；15高速互联网络。\n具体实施方式\n[0025] 本发明的实施方式如图1所示，为高校计算机与软件实验云平台系统功能结构图；图2为虚拟计算机集群系统体系结构图。\n[0026] 整个实验云平台包括：底层硬件系统层、操作系统资源层、系统管理层与登录终端系统层。\n[0027] 该实验云平台系统的底层硬件设备主要包括物理计算机(PC机、服务器、工作站等)、网络交换设备。如图2中14表示的是每个实验室中的物理主机，根据每个主机的性能的不同，确定每个主机所能创建的虚拟计算机的数量与性能。物理主机间通过高速的互联网络实现联网，在高校内一般是构建校园内的高速局域网。不同的计算机之间通过互联网络连成集群，不同的集群通过互联网络连成超级集群，即：实验云平台。\n[0028] 操作系统资源层。在物理主机上安装虚拟机操作系统，实施的高校单位可以根据单位的具体情况去选择虚拟机操作系统(开源的或者是商用的)。在虚拟机的操作系统上创建虚拟化的计算机，如图2中所示，根据计算机的性能的不同，3个虚拟机操作系统上分别创建了3台、2台和4台虚拟化的计算机。在虚拟化的计算机上面安装操作系统，如图2中的13所示。根据实验项目的需求、虚拟机的性能等因素的需要，在虚拟化的计算机上安装不同的操作系统，主要包括：微软系统列的操作系统(如：Windows Vista、Windows XP、Windows 2000、Windows 95、Windows 98、Windows 2003、Windows 2007等)、Linux操作系统(如：RedHat、fedora core、ubuntu、Debian、Gentoo、Red Flag等)、UNIX操作系统以及其它操作系统(如：FreeBSD、OpenBSD等)。\n[0029] 在安装好的操作系统上，根据不同的操作系统以及不同的实验需求等来安装实验所需的工具、软件以及平台等。由虚拟机管理与控制系统(如图2中的12所示)来管理与维护当前所创建的虚拟化计算机，并将当前的所有虚拟化的计算机系统根据实际需要来构建成一个或者多个虚拟计算机集群系统，并由虚拟计算机集群管理系统软件来管理与维护该集群系统。集群管理系统的主要任务是：查看每个虚拟机上的系统状态；管理每个虚拟机上的系统资源与实验资源(操作系统、系统性能、实验软件、工具、平台等)；与其它集群系统的信息交互与通信管理；与上层的云平台系统管理的信息交互等。\n[0030] 在学校的不同的实验室中通过虚拟化技术创建了不同数目的虚拟机集群管理系统(如图1中的7所示)，通过校园高速互联网络将这些集群系统整合成了一个超级集群系统，这个超级集群系统构成了实验云平台的资源系统。如图1中的5与6所示，假设在不同的实验室中的计算机资源，构成了多个集群系统，他们通过互联网络相连，由云平台的系统管理层来管理这些互联起来的集群系统资源。\n[0031] 实验云平台系统管理层。如图1中所示，该层的系统管理主要包括云平台资源管理系统、云平台实验管理系统、负载均衡管理系统、云平台安全系统与云数据中心系统。\n[0032] 云平台资源管理系统。云平台上的资源管理系统如图4所示，为一个分层的管理系统，从资源的层次上来说分为4层，即：物理计算机层、虚拟化计算机层、虚拟化计算机集群层与实验云平台层。\n[0033] 在物理计算机层对应的是虚拟机操作系统，该系统管理物理计算机上的底层硬件，增加或者减少虚拟机的数量，并且负责将创建的多个虚拟化的计算机实现联网。\n[0034] 虚拟化计算机层对应的是虚拟机资源管理系统，该系统管理被创建的虚拟化计算机的系统状态、性能状态、负载情况，并负责将虚拟机上的资源状态信息传送给上层的集群资源管理系统并接收从上层传送过来的资源管理服务请求。\n[0035] 虚拟化计算机集群层对应的是集群资源管理系统，该系统负责管理整个集群上的资源状态、系统负载、网络流量、登录用户情况、资源分配状态等，并负责将集群上的资源状态信息传送给上层的实验云平台资源管理系统并接收从上层传送过来的资源管理服务请求。\n[0036] 实验云平台层对应的是集群资源管理系统，该系统负责管理整个实验云平台上的资源状态、系统负载、网络流量、登录用户情况、资源分配状态等，并负责将各个资源集群上的资源状态信息进行收集，并向各个集群系统发送资源管理请求。通过该系统，云系统管理员可以查看到各个集群上的资源状态，并负责新的集群资源的加入与当前集群资源的退出管理。\n[0037] 云平台实验管理系统。主要是负责主要是负责对实验云平台上的实验项目的管理。包括：新增实验项目管理、实验项目修改、实验项目删除等管理；实验用户(教师、学生等)管理；实验环境与实验工具管理；实验日志管理、实验结果与数据管理、实验内容管理与实验系统软件管理等。\n[0038] 负载均衡管理系统。主要是负责对实验云平台上的各个实验云平台资源节点上的负载的均衡管理，包括：负载均衡策略管理、流量监控、用户登录导向管理、基于虚拟化技术的进程迁移、用户任务调度管理等。对于实验云平台上的负载均衡策略，可以有多种均衡策略与方案，如：基于实验用户登录数的均衡策略(通过该策略使每个承担实验任务的计算机系统上的实验用户数保持一个动态的平均值)、基于性能均衡的策略(通过该策略使每个承担实验任务的计算机系统上的负载如：CPU利用率、内存使用率、应用进程数、网络负载等保持一个动态的均衡值)。\n[0039] 实验云平台安全管理系统。主要是负责对实验云平台上的系统安全方面的管理。\n包括：用户登录验证、用户权限管理(学生、教师、实验师、系统管理、领导、客人等)、访问安全管理、网络安全管理、数据中心安全管理、防火墙系统以及实验云平台的专用网安全管理等。\n[0040] 云数据管理系统。通过设立云数据中心，将用户的相关实验数据与个人数据等全部保存在实验云平台的数据中心里。数据中心的实现上可以采用数据库加网络存储空间等多种形式实现，数据库可以采用开源的数据库管理系统或者商用大型数据库系统等。\n[0041] 登录终端系统层。位于该层的实验云平台登录终端主要是位于各个实验室或者机房中，实现形式为硬件专用机终端与登录终端软件系统。硬件专用机终端对系统的要求不高，在终端机中只需要实现一个登录终端软件即可。登录终端软件则作为一个安装软件，可以被安装在计算机的操作系统上，这样，用户可以在自己的计算机上通过该终端软件登录到实验云平台系统中。\n[0042] 下面，我们通过某一用户(如学生)登录到实验云平台进行实验的系统流程来描述一个用户使用实验云平台的实例，如图3所示。\n[0043] 第一步：用户(教师或者学生)在实验室或者指定的上机地点，选择好实验云平台登录终端，准备登录实验云平台中。\n[0044] 第二步：用户在终端登录平台时，输入登录验证信息，如：学号、登录密码、验证码等，然后向云平台管理系统进行登录验证。\n[0045] 第三步：由云平台管理系统与云平台安全管理系统对用户登录信息进行验证。具体验证策略可包括：学号与登录密码验证、登录终端号验证、登录IP地址验证等。如果验证没有通过，则根据提示的原因，重新选择登录验证或者放弃登录。如果验证通过，则转入到下一步。\n[0046] 第四步：由用户选择自己的实验项目、实验内容、实验软件、操作系统以及实验所属的课程等信息，并进行确定。\n[0047] 第五步：由实验管理系统与云平台资源管理系统根据用户的实验需求，在实验云平台中为其检索满足其实验需求的计算机实验资源。如果没有找到满足要求的资源，则返回信息，请用户暂时等待。如果找到满足用户实验需求的资源信息，则转下一步。\n[0048] 第六步：如果满足用户实验需求的资源很多，则需要根据负载均衡策略与服务调度策略来选择一个资源推荐给用户。负载均衡策略的选择由每个高校的系统管理根据单位的实际情况进行策略选择与制定。同理，对服务调度策略与算法的选择与制定也由实施单位根据单位的实际情况进行选择与制定。常用的服务调度策略有：First Fit(即找到第一个满足要求的即可)、最优性能选择(在找到的资源队列里选择性能最佳的资源)、最小负载选择(即在找到的资源队列里选择当前负载量最小的资源)等。\n[0049] 第七步：如果用户已经得到资源，并已经登录到该资源的计算机上，则用户开始其实验过程。\n[0050] 第八步：如果在实验过程中，因为实验需要还需要其它的实验资源，则提交所需要的实验资源，并转第五步。\n[0051] 第九步：用户是否实验已经完成？如果没有完成，继续实验，如果已经完成实验，则转第十步。\n[0052] 第十步：用户将已经完成的实验结果、数据等相关信息，提交到实验云平台的数据中心，进行保存。\n[0053] 第十一步：实验云平台管理系统与实验管理系统记录好此次该用户的相关实验日志。\n[0054] 第十二步：用户退出实验云平台，完成此次实验过程。本发明所提出的服务于高校计算机与软件教学的实验云平台系统，主要是解决在高校计算机与软件相关的课程的实验室的计算机与软件系统资源利用率低，投资成本高的问题。每年学校要采购大量的计算机，用于相关的上机与实验教学。通过实验云平台的构建，将用户上机终端与资源系统在逻辑上划分开来，使得多人可以同时使用一台计算机的系统资源，充分提高了资源的利用率，方便了学校对实验系统资源的管理和维护，同时也降低了学校的计算机设备投资成本。