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基于虚拟化下的实验室设计与建设

本站原创   发布时间:2018-12-15   [点击量:472]  



为了实现计算机实验室的资源的优化配置以及利用效率的提升,该文选择Hybrid HVM方案设计构建基于Xen虚拟化的计算机实验室整体框架,以重构和语义获取的方式来对虚拟机控制与管理。

采取虚拟硬件辅助页四级页表控制机制,以虚拟机任务调度总时间为目标,虚拟事件并行处理机制为导向,构建资源调度算法,通过实验表明,该算法对虚拟机的性能影响较小,耗费时间短,提高了计算机实验室运行与管理的效率。

关键字:虚拟技术;Xen;资源配置;算法


日前许多高校、职业院校的计算机和网络专业都开设了网络安全、计算机网络技术等课程,课程中的实验内容大多是在网络及多机环境下进行,需要许多计算机和网络的硬件设各,要完成这些实验往往要配置专用的网络实验室随着众多的高校、职业院校蓬勃发展,在校生人数的小断增加,传统的网络实验环境难以满足需求,主要存在以下问题:

1、网络设各缺乏。常见的网络实验室中,每组的实验设各由若干台微机、路由器、交换机等构成,这些设各价格都比较昂贵,因此往往数量有限很多学校只能购买少量网络设各或者模块,用于演示性实验教学,学生很少有机会动手实践有些实验只能采取模拟软件来完成,或者小开设相关实验,这易使学生对抽象的计算机网络知识的学习产生厌学情绪;

2、教学力法单一。很多学校采用了“教师理论讲解+教师操作的演示+学生操作”的方式进行教学,当实验内容抽象理论较多、操作步骤复杂时,学生容易遗漏某些操作步骤,或难以理解其中原理,造成实验效果很不理想;

3、实验内容受限。为保持微机操作系统稳定和维护力便,学校的网络实验室往往都安装了各种还原系统,小利于学生进行网络系统的安装或者网络安全类带有一定破坏性的实验;

4、网络教室维护难度大。当使用网络教室的班级较多时,实验设备的运行与维护、实验内容的设计、实验设各的恢复,都给实验教师带来繁重的工作;

5、实验课时有限部分学生小能在正常上课时间内完成实验内容,学生没有足够的时间进行实验,也会影响了这部分学生的实验学习效果当前,随着虚拟化和仿真技术的发展,虚拟化软件能够模拟真实的物理设各,如微机、路由器、交换机、防火墙等网络设各,并能像真实设各一样对其进行操作而仿真实验软件可建立虚拟实验环境,可根据实验内容和要求,自主选择所需要的各种网络设各,进行接近真实场景的实验本文对当前常见的虚拟仿真软件的特点进行分析比对,结合学校常见的网络实验内容,提出使用虚拟仿真软件构建网络实验平台方法。

并且随着计算机网络技术的发展与进步,学校招生规模的不断扩大,学生的人数呈现快速发展,通过现有设备发挥出资源的最大化,成为当前学校教学与管理的实践的需求。在学校计算机的教学与管理环节,依靠计算机实验室,培养出适合当代社会需要的复合型人才,对学生的专业知识与能力的提升起到十分重要的作用。计算机实验室作为高等教育实践活动的一个十分重要的场所,如何构建一个高效的计算机处理机制、资源优化配置方式,实验室的管理机制更合理,实验室的队伍不断加强,在有限的资源下得到最大计算机利用效率成为我们一直研究的问题,[1,2.3]。受到计算机实验室中的计算机数量较多,数据处理繁杂等因素的影响,现有的条件下管理模式存在很大的缺陷,造成整个实验室的利用率来降低,管理水平存在明显的不足,很容易在运行管理环节出现故障,不及时的进行故障的处理与维修很容易造成实验室事故的发生。

为了有效地提高计算机实验室资源的有效配置,提高管理的效率,设备的故障发生的概率降至最低,本文基于虚拟化技术引人到计算机实验室的设计与建设的过程中,构建实验的整体实验教学平台,设计了计算机资源分配的调度算法,有效地提高了实验室的教学服务能力与水平,实验室管理效率得到最优。

1.2 虚拟计算机实验室

虚拟实验室是一种基于Web技术、VR虚拟现实技术构建的开放式网络化的虚拟实验教学系统,是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化。虚拟实验室由虚拟实验台、虚拟器材库和开放式实验室管理系统组成。虚拟实验室为开设各种虚拟实验课程提供了全新的教学环境。虚拟实验台与真实实验台类似,可供学生自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备。教师利用虚拟器材库中的器材自由搭建任意合理的典型实验,或实验案例,这一点是虚拟实验室有别于一般实验教学课件的重要特征。

在虚拟实验室中,学生既可以在虚拟实验台上动手操作,又可自主进行设计实验,有利于培养的操作能力、分析诊断能力、设计能力和创新意识。在虚拟实验室中,学生更易获得相关的知识,科学的指导和敏捷的反馈。虚拟实验室是未来实验室建设的发展方向。虚拟现实实验室是虚拟现实技术应用研究十分重要的载体。随着虚拟实验技术的成熟,人们开始认识到虚拟实验室在教育领域的应用价值,它除了可以辅助高校的科研工作,在实验教学方面也具有如利用率高,易维护等诸多优点。近年来,国内的许多高校都根据自身科研和教学的需求建立了一些虚拟实验室。虚拟实验室的开发分为模型建立、制作交互文档、网络发布三个阶段。文章以目前国内市场占有率最高的虚拟现实软件VRP为例,进行更为详细和系统的讲解。

1、数字模型

基于3Dmax建模需注意以下三点:第一,要有相对准确的模型数据,保证产品模型的尺寸比例协调和模型外观在视觉上的真实性。第二,对于复杂对象要考虑三维模型的层次结构,分别建模,最后把所有的模型组合。第三,使用尽量少的面数,删除冗余的几何元素,合并同类模型,降低整个模型的复杂度以优化模型、提高反应速度。建好模型之后,根据虚拟实验室动作制作模型动画。

建好模型后,进行材质编辑和设置场景灯光。材质编辑与模型优化同样十分重要,因为材质的使用需要与烘焙操作结合,不同类型的材质采取不同的烘焙方式。LightingMap烘焙方式只支持3DSMAX默认的Standard材质,Completemap烘焙方式支持Max大部分材质(例如符合材质、多为材质等),如果Diffuse(漫反射)通道上没有添加纹理贴图,只能选择Completemap烘焙方式。此外,材质贴图只支持jpg,bmp,dds图片格式;灯光按照3DSMAX的标准设置。

烘焙模型,烘焙就是把MAX中的物体的光影以贴图的形式带到VRP中,以求真实感。模型烘焙需要注意三个问题:第一,选择恰当的烘焙模式,Completemap光感好,但烘焙效果模糊,所以小部件物体和产品推荐使用Completemap;Lightmap贴图清晰但光感弱。第二,根据模型大小及其材质进行恰当的烘焙参数设置,大模型采用大贴图尺寸,小模型采用小贴图尺寸,很小的模型和金属、玻璃材质不必烘焙。第三,根据模型烘焙类型和贴图尺寸,把模型进行分类并放在一个图层中,便于管理、修改。

最后,利用VRP-for-Max插件导出场景。导出场景之前要检查重名模型并进行修改,然后选择导出类型(静态模型、刚体动画、柔体动画、相机),直接导出VRP格式的文件。

2、交互文档

VRP的设置对象主要包括动作、事件和场景三类要素。动作包括物体移动、旋转、平动、缩放、视角切换,现实(隐藏)物体、交互控制、粒子特效等;事件包括场景开始事件、鼠标和键盘时间、计时器和用于特定情况下由其他事件激发自定义事件(例如单机按钮启动机器)等;场景包括文件中后期加入的界面、材质、声音等交互现象。VRP交互设计就是在脚本编辑器中建立事件、动作和场景的相互关系,用户触发某个事件或某个事件自动发生时,相应的场景做出相应的动作。

3、网络发布

在VRP中完成交互设置后,将VRP对象导出为支持网络发布的vrpie格式。学生可通过网络或本地机用IE或Netscape浏览器使用虚拟实验室,随时随地地做实验、分解实验步骤,也可通过旋转或移动对象查看其细节结构及属性、组装和拆卸对象等。虚拟实验室技术既能减少实验室建设的投入成本,又可应用在远程教学网站上,以更好地实现金属焊接实践教学。

实验室反映时代的特征,时代的发展又推动实验室的发展。数字时代的到来使实验室走形虚拟化,带来前所未有的发展空间,促使其发生全方位的变化,呈现出许多新特点和新优势——提升了设计理念、拓展了服务对象、扩大了设计空间、简化了设计流程、缩短了设计周期、降低了设计成本。虚拟实验室的开发具有众多优势,作为走在时代最前沿的教育工作者,应积极地把虚拟化技术运用到实验室开发中,把握时代脉搏,发挥虚拟实验室在新时代教学和科研中的巨大作用。

1.3 虚拟计算机实验室的特点

1、系统内容丰富,包含实验室常见仪器设备,手术器械、实验常用药品及实验动物图文并茂地介绍,起到辅助教师教学的效果

2、仿真大约20多个机能学实验,使用虚拟仿真技术模拟动物实验的整个操作步骤,包括:动物的麻醉,手术及信号的记录

3、每个实验的操作仿真,充分应用多媒体丰富直观的表达形式,将仿真动画,实验录像以及操作说明有机结合起来,既表达整体,也表达细节,便于学生对实验操作的充分理解和掌握

4、实验结果的模拟,对于机体在各种不同实验条件下产生的各种波形进行实时仿真,对于一些学生平时难于完成的实验起到示范的作用

5、学生实验技能考核,通过内置的考试系统,对学生进行实验掌握情况的考核

6、药物考核可以通过对未知药物对动物机体造成的反应让学生对药物进行识别,对于已知药物则可进行用量考核,比如不同麻醉药品的剂量考核

7、进行各种药理学参数的计算,比如PA2,LD50,半衰期等,使学生在进行药理学实验的同时理解各种药理学参数的意义及计算方法,帮助学生建立科研的思维能力

8、系统具有开发性,用户可以将自己的实验图片,实验录像,实验原理和操作的文字加入到系统中,从而扩充系统的适用性。

1.4 虚拟化技术简介

虚拟化技术始于对分时(Time Sharing)操作系统的需求[4]。虚拟化技术通过虚拟机来实现其功能的,通过在虚拟的环境中进行资源状态的模拟后实现资源的有效管理与控制。虚拟化技术可以通过内存的虚拟化来完成内存容量的扩大,利用虚拟内存的进程寻址的方式完成对多个CPLJ的模拟虚拟操作,在同一个平台上运行多个操作系统。在不同区域内每一个运行程序都相互隔离,使得资源的利用率得到提升。虚拟机管理器(VMM)的主要功能在于管理系统资源与客户的操作系统。从系统架构上来讲,虚拟机管理器在操作系统与物理硬件间存在,每一个虚拟机上都存在一个模拟的硬件虚拟环境空间。通过虚拟机可以将不同的虚拟计算机定义在同一的计算机上,使得运营的资金成本以及空间成本降低,解决了系统开发与一致的难度问题。

当前随着虚拟化技术的发展,现有的较成熟的虚拟化技术主要分为服务器虚拟化,存储虚拟化,网络虚拟化,应用虚拟化四种用户可以动态启用虚拟服务器(又叫虚拟机),每个服务器实际上可以让操作系统(以及在上而运行的任何应用程序)误以为虚拟机就是实际硬件运行多个虚拟机还可以充分发挥物理服务器的计算潜能,迅速应对数据中心小断变化的需求虚拟机是一种严密隔离的软件容器,它可以运行自己的操作系统和应用程序,就好像一台物理计算机一样虚拟机的行为完全类似于一台物理计算机,它包含自己的虚拟(即基于软件的)CPU,RAM,硬盘和网片。

对于虚拟化来讲,其主要的虚拟技术包含了指令级虚拟化、硬件级虚拟化、操作系统级虚拟化、程序库级虚拟化以及编程语言级虚拟化等分类。虚拟机管理器作为多个计算机管理,通过VMM将不同的计算机位置分为混合模式((Hybrid Model)、主机模式(Hosted-haled Mode)、独立监视器模式(Stand-alone Hypervisor Model),如图1-1所示。

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图1-1 三种虚拟机管理器技术

虚拟化技术通过一些特权指令的方式执行操作产生陷入(Trap,下层的VMM对该指令进行执行后,真实的内存与处理器寄存器的相关信息被操作系统虚拟机利用后进行反馈,保证了VMM完全控制虚拟机,彼此间相互隔离。VMware和Xen是虚拟机的代表,是作为混合模式的一种模式,模拟了虚拟I/0设备的运行过程,并提供了基础的虚拟服务功能。将虚拟技术应用在计算机实验室的设计与建设的环节,对实验环节的构建产生很大的影响,可以灵活地满足学生的实验要求与实践环境。

1.5 虚拟化计算机实验室总体框架

为了构建虚拟化的计算机实验室,本文设计采取的是混合虚拟化的综合设计思想,通过虚拟化的操作系统运行与硬件辅助虚拟机器上,实现虚拟化计算机的整体性能的提升。本文采用x86/x86-64 CPLJ中的虚拟化扩展页表(EPT)和虚拟化拓展指令VT-x来共同对数据进行处理,从而实现整个计算机实验室环境的数据处理。通过引人虚拟中断以及事件通道等虚拟化技术对I/0虚拟化事件进行处理,避免了在进行事件处理过程中出现“陷入一模拟执行”的问题,降低了事件处理内存的利用率,保证了吞吐率。虚拟化技术本文选择Hybrid HVM方案,可以有效地对系统内存的人侵性降低,调试便利,可行性度高。如图1-2所示,为该方案的框架结构。


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图1-2 Hybrid HVM框架设计

本文提出基于Xen虚拟化平台下的虚拟化的计算机实验室设计与建设,该方案主要对每一个计算机融合了虚拟化的工作特性,增加了虚拟功能的系统接口。如图3所示,为本文设计的关于虚拟化的计算机实验室的体系结构。

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图1-3 基于虚拟化的计算机实验室框架

在本文设计中,将事件处理机制,传输通道,网络交换进行分层后,虚拟实验室的物理服务器作为数据处理服务器的主机,以虚拟为容器中的单元,建立各个资源群,每一个资源群进行数据的存储与运算的处理,为虚拟服务器来提供服务。与Xen虚拟监控器对虚拟主机的上运行的每一个操作系统进行监控与控制。当事件发生后,以语义的获取与重构的方式完成了数据的处理。该实验室的整体结构框架模式远小于操作系统代码数量,具有更小的可信基;在运行的过程中,虚拟机单元是彼此独立的,具有更高的隔离性能。


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