曹天泽

(杭州师范大学，杭州 311121)

0 引言

机房供学生教学的电脑都安装了windows操作系统，在windows系统中体验Linux系统时共有两种方案，一种是在windows内安装虚拟管理软件VMware Workstation，该方案要求教学电脑内存需8G以上，在运行2G内存Linux虚拟机时才不会对其他软件的运行有明显的影响，且VMware Workstation是一款商业收费软件，每个安装使用VMware Workstation的教学电脑都要向VMvare公司购买授权许可证。另一种是在远端服务器的电脑上安装Linux，教学电脑通过SSH客户端连接Linux。该方案要求学生熟悉基本的Shell操作命令，但对教学电脑的硬件要求不高，运算负载集中在服务器端。现有许多公司提供此问题的解决方案，但需付费购买昂贵的服务器和工作站，且高度封装，不利于学生了解底层技术。本研究提出的实训方案是基于远端服务器安装Linux，硬件可以利用淘汰的老PC机，软件采用开源平台，无需投入过多成本。

1 相关技术概述

1.1 SSH

SSH(Secure Shell)是一种基于非对称加密的网络协议，在安装了Linux系统的电脑中安装SSH协议的服务端软件后，处于同一网络的其他电脑可以通过SSH客户端登录电脑，通过Shell命令操作该Linux电脑，也可以通过支持SFTP的软件对该Linux电脑上传和下载文件。本研究采用的基于Windows的开源SSH客户端软件为PuTTY和WinSCP，基于Linux的开源SSH服务端软件为openssh-server。

1.2 QEMU-KVM

KVM[1](Kernel-based Virtual Machine)是Linux系统自带的内核模块，此模块能实现CPU的虚拟化和内存虚拟化。QEMU(quick emulator)是一款免费开源的可执行硬件虚拟的软件。QEMU-KVM是KVM的开发者对二者封装后生成的软件，由KVM负责CPU和内存的虚拟化，QEMU负责其他IO设备的虚拟化。

1.3 Libvirt和virt-manager

Libvirt[2]是一套基于C语言的开源虚拟机管理API，它支持KVM、QEMU、Xen等虚拟机化计算， API可以通过编程方式管理虚拟机。virt-manager[3]是红帽公司推出的一套开源图形学虚拟机管理软件，它功能强大，操作简便。

2 实验教学平台的设计方案

2.1 总体架构

硬件资源分为三部分：第一部分是顶端的“学生机”，安装系统为window 7或windows 10操作系统。第二部分为底部“VM服务端”，根据教学人数和本机电脑配置所需台数。第三部分为右方的“VM管理端”，用来管理VM服务端虚拟机的创建、启动和关闭。第二部分和第三部分的机器全部安装Linux系统，推荐使用Ubuntu 16.04以上操作系统。机器需在一个网络内，相互之间可以连通。

图1 总体架构图Fig.1 General structure diagram

2.2 软件设计方案

整体软件设计分为以下几个步骤：(1)在“学生机”中安装PuTTY和WinSCP；(2)在“VM服务端”安装KVM-QEMU和附属软件，Ubuntu系统在命令行输入“sudo apt install qemu qemu-kvm libvirt-bin bridge-utils ssh-askpass”后，系统会自动安装；(3)在“VM服务端”安装ssh服务端软件，Ubuntu系统在命令行输入“sudo apt intall openssh-server”后，由系统自动安装；(4)在“VM管理端”中安装virt-manager软件，Ubuntu系统在命令行输入“sudo apt install virt-manager”后，由系统自动安装；(5)在“VM管理端”中配置各个“VM服务端”ssh免密码登录功能。首先在命令行输入命令“ssh-keygen -t rsa”，在VM管理端的home主目录下的“.ssh”目录中生成名称为“id_rsa.pub”的密钥，然后执行“ssh-copy-id -i ～/.ssh/id_rsa.pub username@ipaddress”命令，其中“ipaddress”需替换为VM服务端的IP地址，“username”需替换为VM服务端Linux系统的账户名；(6)在“VM管理端”中启动virt-manager，通过该软件菜单栏的“File”->“Add Connection”，在弹出的选项框中分别输入各“VM服务端”的账户名及IP，将各个VM服务端纳入VM管理端的管理范围；(7)在virt-manager中连接任意一个VM服务端，并借助事先下载的LinuxISO镜像创建VM，内存建议不小于2G，网络连接选择“桥接网络”(bridged networking)。完成VM创建后，通过virt-manager登录到VM，为VM配置同一网络的IP信息，并在VM中安装ssh服务端软件，Ubuntu系统在命令行输入“sudo apt intall openssh-server”，由系统自动安装；按照教学需求虚拟机的数量克隆上一步骤，创建VM，并为克隆的每个VM配置同一网络的IP信息。

2.3 实训流程

在实训相关课程时先启动全部电脑，在VM管理端启动virt-manager，通过界面操作，启动每个VM。学生在教学电脑上使用PuTTY或WinSCP软件，通过输入对应VM的IP和账户名登录到虚拟机进行实训操作。

3 结语

软件开发课程教学必须理论结合实训，只有通过动手操作，才能举一反三的验证理论。有别于以往计算机课程在windows系统中就可完成从开发到运行以及验证的全部步骤，大数据软件开发课程必须基于Linux类系统进行运行验证。本方案在无需投资的情况下充分利用旧有硬件资源和免费开源软件，具有易上手，低投入的特点。但部署过程中还有更多优化空间，如通过编写Linux脚本简化运维，定制化镜像的开发，都有待进一步的研究和改进。