计算机有哪些专业 [中医院校计算机教学生态环境研究]

中医院校计算机教学生态环境研究

[关键词]虚拟化；
教学生态环境；
Hyper-V；
实训平台；

VDI；
VOI 当前，信息技术已广泛应用到中医药研究的各个领域， 并成为研究和发展中医药必不可少的工具。传统的中医院校 计算机教学生态环境，由于各种原因普遍存在着缺乏顶层设 计和整体规划、服务器利用率低、实验开展困难、运维复杂 等问题，严重影响制约了计算机教学的深入开展。虚拟化技 术为我们提供了一种全新的选择，将服务器虚拟化技术、桌 面虚拟化技术以及网络虚拟化技术引入传统的计算机教学 生态环境中，将有利于计算资源的合理分配[1]。通过构建 功能完善的教学生态环境，实现信息技术与中医药课程的有 机结合，促进创新人才的培养，是中医院校信息化建设需要 积极探索的课题。

1虚拟化技术 虚拟化（virtualization）是一种资源管理技术，是将计算机的各种物理资源，如服务器、网络、内存及存储等， 予以抽象和转换后再呈现出来[2]。应用虚拟化后同一台物 理服务器上可同时运行多个操作系统，每个操作系统上可部 署多个不同的应用，操作系统之间彼此独立互不干扰。服务 器虚拟化提高了资源的有效利用，减少运维成本（包括硬件、 能源和空间），增加了可用性，实现了比物理服务器更长的 连续运行时间，减少了维护带来的影响，提高了系统的稳定 性[3-4]。

2Hyper-V技术探析 现阶段几大流行的虚拟化产品他们的运行原理各有不 同，概括起来可分为两类模式，基于宿主机的虚拟化模式和 基于Hypervisor虚拟化模式。基于宿主机虚拟化模式的特点 是VirtualMachineMonitor（VMM）运行于宿主机操作系统中。

通过在宿主操作系统上安装第三方虚拟化软件，在此基础上 创建部署虚拟机操作系统来实现虚拟化。虚拟机通过宿主机 操作系统来控制系统资源，其缺点是占用系统资源较多，系 统整体性能不高。如：MicrosoftVirtualPC、 VMWareWork-Station等。基于Hypervisor模式的特点是VMM 直接运行在物理机硬件之上，拥有比操作系统更高的权限来 控制系统资源，依托CPU对虚拟化的支持，可以满足企业级 应用程序对高性能、高可用的需求，如Mi-crosoftHyper-V、 VMWareESX等产品[5]。

2.1Hyper-V体系架构Hyper-V采用了Hypervisor架构，其架构可分为硬件、 Hyper-V和虚拟机三层，在底层硬件上运行的Hypervisor是 Hyper-V的核心组件，是一个只有300多K的代码集，可直接 访问主机上的硬件资源；
而在它之上，运行着许多独立的分 区（虚拟机），这些分区大致可分成四种类型，见图2。2.1.1 根分区根分区是唯一能够直接访问物理内存和设备的分区， 作用是控制和创建其他分区。在其内核模式下， virtualizationserviceprovider（VSP）组件是虚拟化服务 提供程序，驻留在根分区中，通过虚拟机总线（VMBus）向 各子分区提供综合设备支持[2-3]。2.1.2第一类子分区一个 承载来宾操作系统的分区，子分区对物理内存和设备的所有 访问都是通过VM-Bus提供的。在其内核模式下的 virtualizationserviceclient（VSC）组件，通过VSP提供 的服务来完成对硬件的访问。每一个设备类型，都有一对 VSP/VSC来完成对这种类型硬件的使用。对于该内核模式下 运行的Windows系统来说，可自动感知自己是运行在Hyper-V 上面的虚拟机，因此不需要通过任何模拟来访问硬件[6]。

2.1.3第二类子分区在这个子分区里面运行的操作系统，是 一些非Hypervisor感知的系统，如早期win-dows操作系统和 DOS，其内核模式下没有VSC组件支持，必须通过模拟方式， 模拟出操作系统需要的硬件环境。2.1.4第三类子分区这类 子分区里面运行的是Linux的操作系统，在内核模式下微软 提供了使用VSP/VSC方式来访问硬件，而不必让Linux运行在模拟出来的硬件上。从图2所示根分区与子分区是平行的关 系。含有IntelVT/AMD-V的CPU芯片，允许虚拟机直接访问CPU 和内存资源，虚拟机访问硬件设备的速度有了很大提升，虚 拟机的整体性能接近真实的操作系统[7]。同时这种架构增 强了整个虚拟化架构的稳定性，不会因为Hyper-V主机出现 问题而直接影响到子分区正在运行的虚拟机[8]。

2.2Hyper-V故障转移群集 Hyper-V的基础架构，为企业实现业务的高性能、高可 用提供了可能。群集是通过多台物理主机同时运行来实现的， 当群集内某一台物理服务器出现故障时，另一台物理服务器 就开始接管故障服务器的服务（称为故障转移过程）。

WindowsServer下的群集技术被称之为“故障转移群集 （FailoverCluster）”。Hyper-V的故障转移群集角色监测 群集内的Hyper-V主机是否正常工作，当群集内某一台 Hyper-V主机出现故障无法提供服务时，可由群集内的其他 主机快速接管任务，继续为用户提供持续可用的服务，用户 能感知到的停机时间非常短暂[9]。

2.3WindowsServer2012R2Hyper-V 在WindowsServer2012R2中，Hyper-V使用了第二代虚拟 机技术，在WindowsServer2012R2以前的虚拟机称为第一代 虚拟机。WindowsServer2012R2Hyper-V的新增功能非常多， 主要的功能有共享虚拟硬盘、动态调整虚拟机硬盘大小、存 储服务质量、增强的实时迁移、增强的会话模式、虚拟机自动激活、增强的Linux支持、增强的故障转移群集等，Hyper-V 的性能与易用性等方面有了很大的提升。在没有安装 Hyper-V角色之前，WindowsServer2012R2只是一个单纯的服 务器操作系统。在部署Hyper-V角色后，作为宿主机存在的 WindowsServer2012R2变成了第一台虚拟机，也就是图2所示 的根分区，其硬件被Hypervisor接管。

3基于服务器虚拟化技术的教学环境构建 如图3所示，由4台DELLR810服务器（JYS-HV1、JYS-HV2、 JYS-HV3、JYS-HV4）采用基于Hyper-V服务器虚拟化技术和 群集技术，构建了基于Hyper-V的私有云平台。在云平台上 运行的系统种类包括WindowsServer2003、 WindowsServer2008、WindowsServer2012R2、Linux等操作 系统。相较于传统的教学服务部署方式，采用云平台方式具 有明显的优势。

3.1减少系统部署的时间 传统物理服务器部署需要经过安装操作系统、设置网络 和安装应用软件等步骤，其过程较为复杂。利用Hyper-V的 虚拟机模板克隆方式来部署虚拟服务器，可大幅度缩减系统 部署时间[10]。

3.2提高服务器资源利用率 利用Hyper-V实现服务器虚拟化后，原来需要十几台物 理服务器承担的教学系统被移植到由4台服务器集成的私有 云平台中运行，节省下来的物理服务器应用到其他科研和教学领域，提高了服务器的资源利用率，节约了空间，降低了 能耗。

3.3提高教学系统的可靠性 教学系统在云平台上运行，承载的物理主机有故障，其 上的虚拟机系统会自动漂移到群集中其他物理主机继续运 行，保证教学服务的正常运转。

4基于桌面虚拟化技术的虚拟仿真实训平台和桌面部署 桌面虚拟化指对终端系统（计算机桌面）进行完全虚拟 化，生成的镜像系统保存在服务器中，再通过虚拟桌面协议 向客户机提供包含操作系统和应用软件的桌面系统。目前就 其采用的架构方式可分为virtualdesktopinfrastructure （VDI）桌面虚拟化和 vir-tualoperatingsysteminfrastructure（VOI）桌面虚拟 化两大架构[11-12]。

4.1基于VDI架构的维思实训平台 VDI桌面虚拟化基本特征是“集中运算、分布显示”。

客户端所有运算都在服务器中进行，而桌面用户只负责输入 输出与界面显示，不参与任何计算和应用[13-14]。本例维 思实训平台由2台DELLR810服务器（JSY-VS1、JSY-VS2）群 集而成。维思实训平台是一种基于VDI方式的桌面虚拟化平 台，依托微软Hyper-V技术，以桌面虚拟化为主要表现形式， 可同时在该平台下部署多种实验环境。教师和学生无论身在 何处，都可以通过Web浏览器选择符合实验需求的计算资源、存储资源、网络设施配置等，打破了传统的计算机实训空间 的限制，可进行多人并行、相互隔离的计算机仿真实验[15]。

很多中医药专业相关的实训课程都可利用该实训平台进行， 既减少了学校对实验教学硬件的投资，又有利于网络教学环 境的管理。

4.2基于VOI架构桌面虚拟化部署 VOI桌面虚拟化基本特征是“集中管理，本地运算”。

客户机利用虚拟容器技术实现镜像系统的本地缓存，并通过 本地客户机启动运行，充分利用了本地计算机的性能。由于 客户机本地缓存的系统镜像和服务器推送的完全一致，即使 断网也可离线继续使用[16-17]。Dawnstor是一种基于VOI技 术具有“盘网双待”特色的桌面虚拟化产品。本例中1台 DELLR810服务器（JYS-DAWNSTOR）承担了720个节点12间计 算机实验室的桌面部署服务，实验室管理呈现出如下特点：
4.2.1集中管理、本地运行实验室由原来的以保护卡为运维 方式的分散管理，变为高度集中的节点式管理模式；
桌面虚 拟化管理系统通过对客户端创建虚拟容器，实现镜像系统的 本地缓存，服务器上的镜像系统采用“边用边下”的方式高 速缓存到本地硬盘中。依托“盘网双待”技术，即使在断网 的情况下，客户端仍可正常启动运行。4.2.2多系统灵活管 理服务器中保存的每个系统镜像是由多个节点（快照）组成， 其中每个节点都可以作为单独的虚拟桌面系统发布；
满足多 系统、多专业的课程需求，一直是计算机实验室管理的难点，现在只需调度好相应的节点并发布到启动菜单即可。4.2.3 提升运维效率桌面管理由分布式模式过渡到节点化模式，实 现了对纳入管理的计算机集中统一的管理。管理人员登录虚 拟化管理平台即可完成绝大部分工作，工作效率大幅提升。

依托VDI架构与VOI架构各自的优势，针对教学和实验环境的 不同，相互结合、取长补短，设计出虚实结合的教学场景， 通过桌面虚拟化管理平台控制场景的快速切换，解决了传统 计算机实验室实训环境部署困难的问题，成倍提升了实验室 的运维效率以及实训课程效果。

5计算机教学生态环境 将虚拟化技术融入到传统的计算机教学生态系统中，促 进了教学环境、教学内容和学习方式的发展，逐步形成了具 有中医药特色的计算机教学生态环境，即教学主体与教学环 境通过教学资源的传播和利用所形成的相互联系、相互作用 的有机整体。如图4所示，其主体是教师、学生、教学管理 者，应用层为虚拟化服务平台（由各种信息系统、教学资源 共享、网络教学平台等构成），基础服务层为虚拟桌面构成 的智慧型计算机实验室（由多媒体教学互动系统、虚实结合 的实训环境、虚拟桌面管理等构成）。其运行机制是在计算 机实验室的生态环境中，以教学内容为基础，以教学目标为 导向，通过师生之间的教学互动，使学生的学习能力与创新 能力得到了提高。智能化的计算机实验室和各信息系统为计 算机教学活动的顺利开展提供了多元化的技术支撑，加快了教学内容的进化和知识更新，促进了计算机教学与信息化建 设的协同创新发展[18-19]。图4基于虚拟化的计算机教学生 态环境模型。

6结语 中医院校计算机教学的主要目的是以应用为主，信息技 术与中医药的完美融合，是中医院校计算机教学和科研追寻 的目标。基于信息生态环境理论和虚拟化技术发展而成的中 医院校计算机教学生态环境，将生态的概念引入到了计算机 教学当中，增强了师生之间的互动，提高了教学与实训效果， 构建了一种“平等沟通、启发引领、与时俱进”的师生关系， 学生的应用能力、创新能力和动手能力均可提升[20]。