基于云计算的虚拟实验平台关键技术研究

With the innovation of modern education technique and the development of remote education, the requirement of virtual lab becomes stronger and stronger. The existing virtual experiment platform frameworks are relatively simple, which are hard to satisfy the complexity of virtual lab and all kinds of requirements accompanied by the increase of users. Recently, with the spread of network application, cloud computing technique becomes more and more mature, and it will be a strong support for the development of virtual lab. This project aims at the investigation of virtual lab system framework and key technique based on the cloud computing technique. Firstly, in order to satisfy the experiment requirements of software operation, this project will apply service layer technique of could computation platform to study custom-made experiment environment methods, including how to construct experiment environment by customer's requirement s, and how to get the experiment environment quickly and efficiently. Secondly, aiming at all types of virtual experiment resource, the project will make use of the techniques of the service layer of cloud computing platform and study the method of deploying and dispatching virtual environment resource, which can satisfy the access requirement of a large amount of parallel users. Finally, in the light of the requirements of providing real experiment environment to users, and based on the latest Web technique of the software layer of cloud computing platform, the project will study the virtual operating environment realization technique, which can capture users' requirements accurately and transfer experiment data timely and orderly. The successful implementation of this project will push the application of cloud computing technique and provide experienced theory and technique support for the development of virtual lab.

随着现代教育技术改革的不断深入以及远程教育的不断发展，对虚拟实验室的需求也变得越来越强。现有的虚拟实验平台架构相对比较简单，难以满足虚拟实验室复杂度和用户数增长所带来的各种需求。近年来云计算技术也随着网络应用的推广而日渐成熟，其可以为虚拟实验室的进一步发展提供有力支撑。本项目将基于云计算技术对虚拟实验室系统架构及关键技术问题展开研究。具体研究：针对软件操作类的实验需求，利用云计算基础设施层的虚拟化技术，研究可定制实验环境的按需定制方法及快速部署技术；针对多种形态的虚拟实验资源，利用云计算平台服务层技术，研究能够满足大并发用户访问需求的虚拟实验资源的部署与调度方法；针对向用户提供逼真实验环境的需求，基于云计算软件层最新Web技术，研究能准确捕获用户需求并及时有序传递实验数据的虚拟实验操作环境实现技术。项目的成功实施将对推动云计算技术应用和虚拟实验室的发展提供可以借鉴的理论和技术支撑。

在本基金的支持下，课题组按照研究计划中的研究内容和技术路线进行了三年的研究工作，取得了较好的研究成果。综合三年来的工作，我们提出并实现了一种基于云计算的虚拟实验平台架构。该架构针对不同虚拟实验需求，分别以云计算的IaaS和SaaS层技术来对各类实验资源进行虚拟,为用户提供了一个通过Web环境中方便快捷选择使用部署于云计算环境中的虚拟实验资源来进行相应课程所需实验的平台；设计了一种基于增量的虚拟实验环境按需定制方法，该方法将虚拟机镜像文件按数据块分为操作系统基础和应用软件增量两个部分。同时基于透明计算思想，将磁盘读写改为iSCSI协议，并将操作系统基础文件块加载到内存的方式实现虚拟实验环境的快速部署；设计并实现一种虚拟实验资源部署与调度技术。该技术基于对硬件资源的运行状态、虚拟实验资源的需求以及经验模型，实现了虚拟实验资源的弹性部署和动态迁移。从而充分提高了平台运行效率和用户体验；设计并实现了一种用户需求捕获和实验数据传输方法。该方法通过协议转换和隧道机制，实现了基于Web的远程桌面推送方法，并提供了相应的安全控制机制。同时也基于HTML5为用户提供了一个纯Web的虚拟实验环境，使得用户可以方便快捷的使用虚拟实验资源并直观获取实验结果。同时对于实验数据传输，则通过序列化的方法保证了实验数据的有序和稳定。.此项目研究对不仅云计算在虚拟实验环境中的应用起了很好的促进作用，也为云计算环境中虚拟机置备、Web服务资源管理提供了很好的参考。