CN104144173A - 一种基于分布式虚拟服务技术的校园云平台系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种运用云计算范畴中的分布式虚拟服务技术来实现的校园云平台系统，主要包括校园卡系统、网管系统、服务器端程序、客户端程序。网管系统主要有三个主要功能：（1）创建虚拟机模板；（2）创建用户帐户和虚拟机；（3）查询、设置用户帐户和虚拟机。服务器端程序主要有三个功能：（1）同步虚拟磁盘模板；（2）控制虚拟机；（3）查询虚拟机状态。客户端程序主要有三个功能：（1）用户身份验证；（2）连接登录虚拟机；（3）使能客户端USB等终端设备。管理员可以通过网管系统控制所有机房电脑的开机、关机、自动登录、切换桌面等。用户在使用过程中出现的问题，管理员都可以通过网管系统来解决，不需要去现场处理。

Description

一种基于分布式虚拟服务技术的校园云平台系统和方法

技术领域

本发明涉及一种校园云平台系统。具体地说，涉及到运用云计算范畴中的分布式虚拟服务技术来实现一种校园云平台。该校园云平台系统主要包括校园卡系统、网管系统、服务器端程序和客户端程序。根据本发明实施的校园云平台，可以为学校所有教师、学生提供良好的云平台IT服务。学校中心机房一台服务器上部署网管系统，管理员通过网管系统统一管理用户账户、集中部署虚拟机。服务器端程序在后台集中完成每一个虚拟机的创建、运行、关闭、保存、删除等操作。客户端登录程序可以输入学生的用户名和密码，通过身份认证后，直接连接登录运行于云服务器或普通电脑上的虚拟机；如同使用本地的桌面系统，学生可以使用USB、CDROM等终端设备。学生在任何时刻、在机房的任何一台电脑上连接登录的是同一个桌面系统，极大地方便了学生的学习，有效地保护了他们的隐私和数据安全。

背景技术

某高校计算中心机房为全校所有学生的计算机课程提供电脑上机服务。不同年级、不同专业的老师和学生，对计算机操作系统的要求不同，对应用软件的要求也不同，尤其是专业课的软件。为了便于满足不同要求的上课需求，计算中心管理员安装了多个操作系统，并且在不同操作系统上安装了多种应用软件，例如AutoCAD、Photoshop等，然后借助GHOST、还原卡等工具软件安装部署机房的所有电脑。

每个学生上课时登录的系统是大家共用的，因此每次登录使用的计算机环境跟上次登录时的可能不一样；学生开发的软件或完成的作业，需要用U盘保存带走，下次上课时拷贝回来继续完成。由于不同的学生在不同的时间段使用同一台电脑，一个学生的不当操作很可能会影响到下一个学生的使用。电脑上安装的软件也比较杂，系统运行越来越慢，每个学期开学前都要重新安装或恢复操作系统。虽然借助于网络管理软件可以快速地安装/恢复操作系统，但也要花费管理人员大量的时间来检查软件及网络服务。如果机房电脑使用了还原卡，重启后还原系统，数据丢失，设置还原卡重启系统不还原数据，使用操作不方便。管理员无法远程控制机房所有电脑。

本发明所描述的校园云平台可以用来解决上述问题。校园云平台可以为每一个学生提供良好的云平台IT服务，每个新生报到时，获取一张校园卡，凭此校园卡除了可以在学校内吃饭、住宿、消费；进入教室、图书馆学习。学生还可以在上计算机课程时凭借校园卡帐号连接登录自己专有的云桌面系统，如同使用本地桌面系统一样。在任何地方、任何时刻登录连接到的是同一个桌面系统，方便了学生的学习，有效地保护了他们的隐私和数据安全。学生还可以在宿舍、实验室、家里等凭借校园卡帐号连接登录他们自己专有的云桌面系统。

某高校部署使用校园云平台系统后，为IT维护管理，为每一个教师、学生提供个性化的桌面系统，保护个人隐私，保障数据安全带来了极大的方便。下面是2种与本发明相近的专利。

（1）专利CN102298762A “智慧校园系统”, 描述了一个智慧校园系统，包含基础教育云服务平台、智能管理系统、智能教学系统、移动学习系统、数字化实验系统、智慧系统文化、家校通系统。基础教育云服务平台是数据、信息及资源中心，为所述的智能管理系统、智能教学系统、移动学习系统、数字化实验系统、智慧文化系统、家校通系统提供底层数据存储、数据管理、信息传递及资源支撑。该发明基于Radio Frequency Identification（RFID）技术，即射频识别技术之上，把学校的教学、管理和科研集成为一体，形成一个有机的智慧校园系统，因而可以认为该系统是物联网的一种运用。

（2）专利CN102542418A “基于云存储的校园资源共享方法”, 提供的是一种基于云存储的校园资源共享管理方法。该发明的关键在于将云存储和权限管理引入到现有的校园中，该方法能根据现在高校的资源使用情况，划分多个共享组供高校人员使用，并为各个共享组设定相应的使用角色，为高校教学提供了交互平台。该发明是一种基于云存储的资源共享方法，和本发明以共享计算资源为主导的方案有很大的不同。

本发明与上述发明的根本性区别在于：本发明创造性地运用了分布式虚拟服务技术来实现校园云平台系统。其本质是云计算范畴中的桌面虚拟化技术的一种发展。维基百科（Wiki）上给出的桌面虚拟化定义是：桌面虚拟化（Virtual Desktop Infrastructure）是一种基于服务器的计算模型，它将所有桌面虚拟机在数据中心进行托管并统一管理；同时用户能够获得完整PC的使用体验。用户可以通过瘦客户端，或者类似的设备在局域网或者远程访问获得与传统PC一致的用户体验。

我们注意到：云桌面系统虚拟机一般运行在服务器上，每台服务器根据配置比如CPU、内存、硬盘大小等可以运行几十个甚至上百个虚拟机。个人普通电脑如果CPU支持虚拟化，也可以运行虚拟机，但受CPU、内存等限制，一般只能运行数个虚拟机。在一些使用云桌面系统的企业或单位中，有很多配置不差的电脑，在此情况下全部更新使用云桌面系统，现有电脑只是作为客户端，对现有配置比较好的电脑是个浪费，尤其是CPU、内存、硬盘资源。尤其是在学校计算中心机房里，配置不差的电脑，可以运行虚拟机，不需要购买服务器，就可以实现虚拟化。

本发明所定义的分布式虚拟服务技术，即是：汲取了网格计算的长处，将原本集中于服务器的桌面虚拟机，分布到各个支持虚拟化的电脑中，并统一调配资源，尽可能将桌面虚拟机和对应的客户端程序实例就近安排在同一台电脑上，从而大大缓解了桌面虚拟化所固有的网络压力。对于支持虚拟化的电脑，由于桌面虚拟机通常就在客户本地，性能将会有很大的提高；而对于不支持支持虚拟化的仅作为客户端的电脑，由于服务器负载的桌面虚拟机数目减少，虚拟桌面的性能也将大大提高。本发明的新颖性和创造性还体现在实施例中。

（1）电脑桌面系统是每个学生专有的，有效保证了用户个人数据隐私。

（2）用户可以自由安装各种软件。

（3）网管系统统一管理用户帐户，集中部署虚拟机，可以查询、设置用户帐户和虚拟机。

（4）创建用户帐户和虚拟机速度快；通过网管系统为每个学生创建帐户和虚拟机只需要几秒钟，可以快速地、大规模地为学生创建虚拟桌面，减少IT维护的工作时间和维护成本。

（5）可以为每个学生创建多个虚拟机，用于学习开发。学生离校时，可以将学生使用过的虚拟机保存起来存档，以后还可以恢复查询。

（6）传输数据加密，保证安全。数据在网管系统、服务器端程序、客户端程序之间的传输都经过SSL/TLS加密，确保数据在网络传输过程中不会被截取及窃听。

（7）操作系统、应用程序支持多。网管系统预先定制好不同操作系统和应用程序的模板，包括中文WinXP、Win7、Linux等操作系统，安装不同的应用程序。

（8）访问权限控制严格。网管系统可以任意控制各个用户虚拟机访问内网、外网（Internet）权限，保证校园网信息、网络只被有权限的用户访问。

（9）客户端一次安装，终生使用，自动升级，不需要重装。IT管理员/维护人员不需要再到每一台电脑上操作，所有电脑都是一样的，客户端程序不需要维护，只要检查网络是否畅通即可。

（10）管理员可以通过网管系统查询、设置、控制所有机房电脑（开关机、重启）。

（11）管理员也可以通过网络远程控制机房所有电脑、用户云账户和虚拟机。

某高校部署使用那个云桌面系统后，极大地减轻了计算中心管理员IT维护的时间和人力成本，管理员只需要做好模板，在管理系统创建用户账户即可，现在只需要一个人几分钟即可全部完成，而且维护成本和时间极少。

发明内容

本发明的实施系统为校园云平台，请参阅图1。校园云平台系统主要包括：校园卡系统1100、网管系统1200、服务器端程序1300和1310、客户端程序1400。这几个系统/模块之间的用户认证、数据传输、屏幕传输的关系及架构如图1所示。

 请参阅图1，在计算中心机房一台网管服务器1201上安装了网管系统1200。在专门的云服务器1301、1302、1303上安装了服务器端程序1300。在其CPU支持虚拟化的普通电脑1401上安装了服务器端程序1310和客户端程序1400；在其CPU不支持虚拟化的普通电脑1402上安装了客户端程序1400；在使用低功耗、ARM芯片的云终端1403上安装了客户端程序1400。

服务器端程序1300和1310功能类似，区别在于1300运行在专门的云服务器上；1310运行在其CPU支持虚拟化的普通电脑上。

从图1中可以看出，其CPU支持虚拟化的普通电脑1401上既安装了运行虚拟机的服务器端程序1310，也安装了客户端程序1400。

虚拟机一般运行在专门的云服务器上，每台服务器根据配置比如CPU、内存、硬盘大小等可以运行几十个甚至上百个虚拟机，服务器一般存放在专门的机房里。普通电脑如果CPU支持虚拟化，也可以运行虚拟机，充分利用其CPU、内存、硬盘等资源。普通电脑作为运行虚拟机的服务器端（例如1401），和专门运行虚拟机的云服务器（例如1301、1302、1303）功能类似，区别在于硬件不同，并由此决定可运行多少个虚拟机。

普通电脑如果CPU不支持虚拟化（例如1402），则可以作为客户端，连接登录运行于服务器上的虚拟机。

如果客户端是其CPU支持虚拟化的普通电脑（例如1401），某用户在该客户端电脑上连接登录自己的虚拟机时，可以充分利用客户端电脑（例如1401）的CPU、内存、硬盘资源，将用户的虚拟机目录下载到该客户端电脑上并运行。如果该用户是首次在客户端电脑上连接登录自己的虚拟机，则从服务器上下载该用户的虚拟机目录，包括虚拟磁盘文件和虚拟机配置文件；下载完成后在客户端电脑（例如1401）运行虚拟机；最后通过客户端程序1400连接登录运行于该客户端电脑上（例如1401）上的虚拟机。如果该用户以前在该客户端电脑上（例如1401）连接登录过自己的虚拟机，则不需要下载该用户的虚拟机目录。

如果客户端是其CPU不支持虚拟化的电脑（例如1402），用户在该客户端电脑上连接登录自己的虚拟机时，连接到专门的云服务器（例如1301、1302、1303）上的虚拟机。

如果客户端是低功耗的、ARM芯片的云终端，用户在该客户端（云终端）连接登录虚拟机时，连接到专门的云服务器（例如1301、1302、1303）上的虚拟机。

计算中心管理员根据老师/学生上课需要的操作系统和软件安装要求，在网管服务器1201上预先做好多个虚拟机模板，比如Windows XP、Windows 7、Windows 2008、Linux系统，安装Office、.NET、Java、AutoCAD、Photoshop等多种软件。计算中心管理员为学校所有学生创建一个云账户和根据模板要求分配一个虚拟机，创建时系统会为每一个学生在网管服务器1201上创建一个用户目录，并在用户目录下创建该用户的虚拟机配置文件和虚拟磁盘文件（空文件）。管理员可以在几分钟内创建一个班或一个年级几百个学生的云账户和虚拟机。

请参阅图1，学生上课时来到机房的任何一台电脑（例如1401），开机后自动进入客户端程序1400登录界面，在登录界面上输入用户名和密码，系统会自动连接网管系统1200进行身份认证；认证通过后，可获取该学生拥有的账户信息和虚拟机信息；然后从网管服务器1201下载学生的用户目录，包括目录下的虚拟机配置文件和虚拟磁盘文件；下载完成后向本机（例如1401）的服务器端程序1310发送一条命令消息；服务器端程序1310收到消息后解析，然后运行该虚拟机；最后客户端程序1400连接登录该虚拟机，此时就可以看到桌面操作系统，如同本地系统一样，用户可以使用USB、CDROM等设备。对于不支持虚拟化的电脑（例如1402），区别在于跳过下载虚拟机虚拟磁盘文件和配置文件的步骤；并且向服务器（例如1301）上服务器端程序1300发送一条启动虚拟机的命令消息。

请参阅图1，学生上课结束关闭虚拟机，系统会自动将学生虚拟机新增部分的虚拟磁盘上传到网管服务器1201上的用户目录，使学生在当前电脑（例如1401）上的用户目录和在网管服务器1201上的用户目录保持一致；学生下次上课时如果使用的是同一台电脑（例如1401），就不需要下载用户目录下的虚拟机配置文件和虚拟磁盘文件；如果使用的不是同一台电脑，只需要下载用户目录，包括虚拟机配置文件和虚拟磁盘文件。虚拟机运行连接后，学生看到的仍是自己的桌面系统，和上次的完全一样，极大地方便了学生的学习，有效地保证了学生的数据安全和隐私。

学生上课时，如果使用的操作系统出了问题，在备份好必要数据后，管理员可以在几秒钟之内删除原有虚拟机，并创建新的虚拟机；学生可以立刻使用，相当于快速地重新安装了操作系统和应用软件。

请参阅图1，网管系统1200统一管理用户账户、集中部署虚拟机，网管系统1200将管理员的操作指定发送到服务器端程序1300或1310，由后者完成具体的操作并返回消息。网管系统1200创建用户帐户和虚拟机时为每一个用户创建一个唯一的目录（UUID），并在该目录下创建用户的帐户文件、虚拟机配置文件和虚拟机磁盘文件。学生的云账户和虚拟机的相关信息都保存在数据库中。通过网管系统1200可以查询用户账户、虚拟机信息；可以创建、运行、删除虚拟机等操作。

请参阅图1，服务器端程序1300或1310在后台集中完成每一个虚拟机的创建、运行、关闭、保存、删除等操作。服务器端程序1300或1310监听网管系统1200、客户端程序1400发来的操作指令，完成具体的操作，包括虚拟磁盘的拷贝、虚拟机的配置、虚拟机的启动运行等。虚拟机操作系统可根据模板选择，包括中英文Windows XP、Windows 7、Linux等。虚拟机创建好并运行后，客户端程序1400可连接登录该虚拟机桌面；也可以通过笔记本、云终端、智能手机等访问虚拟机。

请参阅图1，客户端程序1400在用户输入学生的用户名和密码后，首先到网管系统1200进行身份认证，认证通过后获取虚拟机的信息，比如服务器地址和端口。然后根据客户端电脑CPU是否支持虚拟化，决定是否从服务器上下载虚拟机虚拟磁盘和配置文件、以及本地运行虚拟机；最后连接登录运行的虚拟机，如同使用本地的桌面系统，用户还可以使用USB等存储媒介。特别需要指出的是：客户端程序1400和服务器端程序（即1310）可以在同一台电脑上，也可以和服务器端程序（即1300）不在同一台电脑上。

附图说明

图1 校园云平台的架构图。

图2 虚拟机虚拟磁盘映射关系图。

图3 网管系统创建虚拟机模板流程图。

图4 网管系统创建虚拟机流程图。

图5 服务器端开机运行虚拟机流程图。

图6 客户端电脑连接登录虚拟机流程图。

具体实施方式

校园云平台系统主要包括下列四个子系统/模块：校园卡系统1100、网管系统1200、服务器端程序1300和1310、客户端程序1400, 如图1所示。它们具体的实施方式分述如下。

网管系统

请参阅图1，校园云平台的网管系统1200主要功能有四个：（1）用户管理，创建、查询、设置用户帐户；（2）模板管理，创建、控制虚拟机模板；（3）虚拟机管理，创建、设置、控制虚拟机；（4）客户端管理，查询、设置、控制客户端。

网管系统1200主要包括：一个Web网站、一个MySQL数据库系统、一个系统服务程序。网管系统1200的WEB网站以Apache+PHP+MySQL形式提供服务，以https协议访问，管理员打开网页登录认证后即可进行操作。

网管系统的MySQL数据库主要用来保存学生的用户账户信息、虚拟机信息、模板信息等。用户账户信息包括学号、姓名、密码、性别、班级、电话、地址、邮件等信息；虚拟机信息包括计算机名称、CPU、内存、虚拟磁盘、连接协议、连接端口等；模板信息包括虚拟机的操作系统、安装的软件列表等；管理员可以为每个用户创建一个或多个虚拟机。网管系统1200的系统服务程序主要用来监听、接收消息、处理指令、转发消息等。

（ A）创建虚拟机模板

请参阅图3，通过网管系统1200创建虚拟机模板之前，需要先把操作系统安装光盘的ISO镜像文件（比如WinXP_SP3_CN.iso）上传到网管服务器1201上的特定目录（/clouddesktop/iso）。虚拟机模板位于网管服务器1201上的特定目录（/clouddesktop/template/）。

管理员通过网管系统1200创建虚拟机模板时，指定模板的虚拟机名称、CPU、内存、虚拟磁盘、连接协议、光盘ISO镜像文件等。系统处理时将虚拟机模板信息写入到数据库中，同时将指令发送到网管系统1200的守护进程。

创建虚拟机模板的过程如下所示。

步骤（1）上传虚拟机模板操作系统的安装盘ISO镜像到网管系统指定目录（/clouddesktop/iso），上传工具可以使用FTP工具，也可以通过其他方式上传ISO文件。

步骤（2）网管理系统创建模板，在页面中指定模板的虚拟机名称、CPU、内存、虚拟磁盘、连接协议、光盘ISO镜像文件等。

步骤（3）系统将虚拟机模板信息写入到数据库中。

步骤（4）系统将创建虚拟机模板的指令消息发送到网管系统守护进程，由后者完全具体的创建。

步骤（5）网管系统服务程序监听端口，接收到网管系统发来的指令消息，解析参数，获知“method=createTemplate”，不是该方法另行处理。

步骤（6）在目录（/clouddesktop/template/）下创建新的目录，目录名称为虚拟机模板的UUID。

步骤（7）在新建目录下根据指定虚拟磁盘大小创建虚拟磁盘文件vdisk1.img。

步骤（8）在新建目录下创建虚拟机模板的配置文件（vm.xml），主要包括虚拟机名称、UUID、VCUP、内存Memory、虚拟磁盘Virtual Disk、时钟Clock、声卡Sound、显卡Video、网络设备接口、MAC地址、连接协议、连接端口、光盘ISO镜像等。

步骤（9）通过VM_Manager服务程序运行该虚拟机。

步骤（10）运行虚拟机客户端程序1400，指定服务器（支持虚拟化的普通电脑或云服务器）IP地址和端口连接虚拟机。

步骤（11）连接登录虚拟机后，看到的是操作系统安装画面，安装过程和PC机上安装操作系统过程一样。

步骤（12）安装CSP-AGENT程序。

步骤（13）安装需要的其他应用软件。

步骤（14）关闭虚拟机，此时虚拟磁盘文件vdisk1.img大小是几GB甚至上百GB。

步骤（15）在新建目录下创建虚拟磁盘文件vdisk2.img，该文件是一个空文件，大小只有几KB。

虚拟机名称是虚拟机模板名称，CPU、Memory、Disk是指定的，时钟Clock默认是本地时间，声卡Sound默认是AC97，显卡Video默认是qxl，虚拟机网络通过Bridge访问外网，虚拟机MAC地址是后8位随机生成的，连接协议是创建虚拟机时指定的，连接端口是系统分配的，网管系统1200中所有虚拟机模板端口是统一分配的，端口从5701到5899，可以支持创建二百个虚拟机模板，虚拟机模板被删除后，端口也将释放被重新分配使用。

 （B）创建用户帐户和虚拟机

请参阅图1，管理员通过网管系统1200管理员通过网管系统可以为每个用户创建一个云帐户，用户账户信息包括用户ID、姓名、密码、性别、班级、宿舍、地址、邮编、电话、手机、电子邮件、备注等信息。创建用户帐户时必须指定用户ID、用户名、密码等信息，其他都不是必须输入选项。用户的初始密码是学号。

创建成功后，系统将用户信息写入到数据库系统。

创建用户帐户时可以同时指定创建一个虚拟机，虚拟机要指定模板、VCUP、内存、虚拟磁盘、连接协议、USB、运行模式等。

请参阅图4，管理员通过网管系统1200创建用户虚拟机时，指定虚拟机的名称、CPU、内存、虚拟磁盘、连接协议、模板名称、服务器等。系统处理时将虚拟机配置信息写入到数据库中，同时将指令发送到服务器端程序。服务器端程序程序监听端口，收到消息后，新建一个线程处理该消息，在新建线程里，解析参数后获知method=createVm，执行创建虚拟机的操作，过程如下。

步骤（1）在目录（/clouddesktop/vm/）下创建新的目录，目录名称为用户虚拟机的UUID。

步骤（2）在新建目录下创建虚拟机的配置文件（vm.xml），主要包括虚拟机名称、UUID、VCUP、内存Memory、虚拟磁盘Virtual Disk、时钟Clock、声卡Sound、显卡Video、网络设备接口、MAC地址、连接协议、连接端口等。

步骤（3）在新建目录下创建指向模板vdisk1.img的链接文件。

步骤（4）在新建目录下拷贝指定模板目录下的虚拟磁盘文件vdisk2.img。

虚拟机名称是用户名，CPU、Memory、Disk是指定的，时钟Clock默认是本地时间，声卡Sound默认是AC97，显卡Video默认是qxl，虚拟机网络通过Bridge访问外网，虚拟机MAC地址是后8位随机生成的，连接协议是创建虚拟机时指定的，连接端口是系统分配的，网管系统1200中所有虚拟机端口是统一分配的，端口从10001到49999，可以支持创建四万个虚拟机，虚拟机被删除后，端口也将释放被重新分配使用。

请参阅图2，一般情况下，每一个虚拟机都有一个独立的虚拟磁盘文件，创建虚拟机时从模板拷贝该虚拟磁盘文件。但计算中心机房电脑的空间有限，不可能为每一个学生都创建一个独立的虚拟磁盘文件。所以本系统为每一个虚拟机配置两个虚拟磁盘：一个是安装好操作系统和应用软件的虚拟磁盘vdisk1.img；另一个是动态增加的虚拟磁盘vdisk2.img。第一个虚拟磁盘是只读的，机房的每台电脑上只要有一个该虚拟磁盘文件即可，每个用户新建虚拟机（例如虚拟机1）的第一个虚拟磁盘文件（例如2001）实际上是一个指向该虚拟磁盘（例如2100）的链接文件；虚拟机运行过程中，新安装的软件和生成的新文件，都保存在第二个虚拟磁盘上vdisk2.img（例如2010），第二个虚拟磁盘在虚拟机运行前，只有几K大小，使用过程中逐步增加。

具体地说，多个虚拟机共享基本虚拟磁盘的方法如下。

（1）虚拟机运行时指定两个虚拟磁盘文件，并指定虚拟磁盘类型：第一个虚拟磁盘vdisk1.img类型是只读的、文件大小不变的；第二个虚拟磁盘vdisk2.img类型可读写的，文件大小动态增加的。

（2）虚拟机运行过程中打开/创建三个文件：打开只读类型的虚拟磁盘文件vdisk1.img；打开可读写类型的虚拟磁盘文件vdisk2.img；创建一个虚拟磁盘扇区映射表文件vm.map，每个扇区用一个比特位表示。

（3）如果虚拟机运行过程中要写入数据到虚拟磁盘文件，计算出在只读类型的虚拟磁盘文件vdisk1.img要写入位置的扇区号和要写入数据的大小，同时计算出该扇区在虚拟磁盘扇区映射表中的位置，并将该位置1，如果连续写入多个扇区的数据，则将映射表中连续多个比特位置1。同时将要写入的数据写入到可读写类型的虚拟磁盘文件vdisk2.img的同样位置。

（4）虚拟机在读取只读类型的虚拟磁盘文件vdisk1.img过程中，同时读取虚拟磁盘扇区映射表文件，如果读取位置在扇区映射表中对应的比特位被置1，则到可读写类型的虚拟磁盘文件vdisk2.img中相同位置读取块设备数据。

（C）查询用户帐户和虚拟机

请参阅图1，管理员/用户通过网管系统1200可以查询用户的账户信息、以及拥有的虚拟机信息；可以查看虚拟机的运行状态；可以控制此虚拟机的启动、关机、暂停、重启、保存、恢复等操作。

查询用户帐户时可以根据学生的用户名、学号、班级、号码等查询；查询用户虚拟机时可以根据虚拟机的IP地址、MAC地址、连接协议、连接端口、终端登录IP、终端登录时间等查询。

服务器端程序

请参阅图1，运行、控制虚拟机的服务器端程序（本质上1300和1310是同样的程序），可以在专门的云服务器（例如1301、1302、1303）上，也可以在CPU支持虚拟化的普通电脑（例如1401）上，普通电脑作为运行虚拟机的服务器端，和专门运行虚拟机的云服务器功能类似，区别在于能够运行虚拟机的多少。

校园云平台的服务器端程序1300和1310主要功能有三个：（1）同步虚拟机模板；（2）控制虚拟机；（3）查询虚拟机状态。

服务器端程序1300和1310主要包括：虚拟磁盘同步、消息接收、消息解析、命令处理、虚拟机管理、数据处理和服务纠错等模块。

服务器端程序1300运行在专门的云服务器上；服务器端程序1310运行在其CPU支持虚拟化的普通电脑上。

 （A）同步虚拟机模板

学校计算中心机房的每一台云服务器（例如1301、1302、1303）开机后会自动和网管系统服务器（例如1201）同步虚拟机模板。管理员通过网管系统更新虚拟机模板后，也要设置程序通知云服务器和网管系统模板保持一致。

学校计算中心普通机房的每一台其CPU支持虚拟化的普通电脑（例如1401），开机后会自动和网管系统服务器（例如1201）同步虚拟机模板。对于其CPU不支持虚拟化的普通电脑（例如1402），开机后则不需要和网管系统服务器（例如1201）同步虚拟机模板。专门的云终端（例如1403），开机后也不需要和网管系统服务器（例如1201）同步虚拟机模板。

上节介绍了虚拟机模板保存在网管服务器1201的特定目录（/clouddesktop/template/）下，同步虚拟机模板意味着在机房的每一台服务器（例如1301、1302、1303），每一台电脑（例如1401）上的虚拟磁盘模板目录（/clouddesktop/template/）和网管服务器1201同样的目录保持一致。

模板的虚拟磁盘一般都是几G甚至上百G，同步虚拟磁盘时并不是重新拷贝完整的虚拟磁盘文件，本系统使用差分同步算法，每次只同步有变化的磁盘块Block，减少同步内容，加快同步时间。

 （B）控制虚拟机

请参阅图5，服务器端程序1300或1310监听端口5999，一旦接收到网管系统1200或客户端程序1400发送来的SOCKET连接请求时，新开一个线程处理该连接请求。在该线程中，解析参数，并根据其method方法完成具体的操作，包括创建虚拟机（1300支持、1310不支持）、启动虚拟机、关闭虚拟机、暂停虚拟机、重启虚拟机、保存虚拟机、恢复虚拟机等。

以运行虚拟机为例，SOCKET连接建立后在新建线程里。

步骤（1）解析命令参数后获知method=StartVm。

步骤（2）进一步解析创建虚拟机的参数，获取计算机名称、UUID、连接协议、连接端口等。

步骤（3）解析完参数后进行验证，比如当前服务器（支持虚拟化的普通电脑或云服务器）已运行了多少台虚拟机，能否接受此请求等。

步骤（4）如接受请求，通过VM_Manager程序根据虚拟机的XML配置文件启动运行虚拟机。

步骤（5）向网管系统1200或客户端程序1400发送回复消息。

请参阅图1，服务器端程序1300和1310在开源软件KVM、Libvirt基础上，开发了虚拟机管理控制程序，从而更好地控制、管理虚拟机桌面系统。VM_Manager程序用于管理控制所有的虚拟机，程序内部通过libvirt库控制每一个具体的虚拟机。这样服务器（支持虚拟化的普通电脑或云服务器）上的所有虚拟机都在VM_Manager程序的控制范围里。网管系统1200发来的查询命令，VM_Manager程序将此台服务器（例如1401、1301、1302、1303）上的虚拟机信息及运行状态发送到网管系统1200，同时还可以根据权限更新数据库内虚拟机的信息。

服务器端程序1300和1310安装了CentOS操作系统，并对Linux系统进行了优化裁剪，以加快虚拟机的运行。其服务控制程序添加、修改了虚拟磁盘驱动程序，使用了VirtIO加快虚拟磁盘的读写，减少了IO瓶颈；可以快速同步、迁移虚拟磁盘。虚拟机支持SPICE协议，播放视频时将视频、音频分不同通道传输到终端。添加、修改了网络文件系统，虚拟机桌面系统可以访问本地终端（例如1401、1402、1403）的U盘、移动硬盘、光驱等存储媒介。

服务器端程序1300和1310除了接受来自网管系统1200的连接请求，还会接受客户端程序1400的连接请求。客户端程序1400连接登录虚拟机时，通过了网管系统1200用户身份认证后，主要和服务器端程序1300或1310建立连接，虚拟机的屏幕传输、用户事件直接在客户端（例如1401、1402、1403）和服务器端（例如1401、1301、1302、1303）之间传输。

 客户端程序

请参阅图1，校园云平台的客户端程序1400主要功能有三个：（1）用户身份验证；（2）连接登录虚拟机；（3）使能客户端USB等终端设备。

客户端程序1400包括读取校园卡读取模块、用户认证模块、消息接收模块、消息处理模块、连接登录模块、USB监听模块等。校园云平台的客户端程序1400部署在计算中心机房的每一台电脑（例如1401、1402、1403）上，每台电脑配有一个读卡器，用于读取校园卡信息。电脑开机后可以直接看到用户登录界面，学生输入用户名和密码即可，用户名也可以使用学生的学号。学生第一次登录使用时输入学号、初始密码也是学号，登录后可以看到桌面上网管系统1200的快捷方式，学生可以修改密码和修改其他用户信息。

 请参阅图6，客户端程序1400连接登录虚拟机的流程如下所示。

（1）用户在客户端登录界面输入用户名和密码，或者插入校园卡等。系统自动读取用户信息，获取用户ID或姓名、密码信息。

（2）程序向网管系统1200的5998端口发起SOCKET连接请求；SOCKET连接建立后，发送用户的认证请求；发送的认证请求是一个XML格式的字符串如下所示。

<SOCKET TYPE='request'>

  <METHOD>loginRequest</METHOD>

  <PARAM>

      <USER_ID>104037900920121201</USER_ID>

      <USER_NAME>user1001</USER_NAME>

      <USER_PASSWORD>******</USER_PASSWORD>

      <CLIENT_IP>192.168.66.101</CLIENT_IP>

      <LOGIN_TIME>20121234 14:23:21</LOGIN_TIME>

  </PARAM>

</SOCKET>

网管系统1200收到该连接请求后，系统对用户身份进行认证，认证通过返回SUCCESS消息；认证失败返回FAILED消息。程序收到认证失败的消息后，断开和网管系统1200的SOCKET连接，在主界面弹出认证失败对话框，并给出失败原因。

（3）认证通过后，程序继续向网管系统1200发送获取虚拟机信息的请求。网管系统1200收到该请求后，到数据库系统中查询该用户拥有的虚拟机信息。 

（4）客户端程序1400收到网管系统1200发送来的虚拟机信息后，对参数进行解析，比如该虚拟机位于哪一台服务器？连接协议是什么？连接端口是多少？安全端口是多少？动态密码是什么？虚拟机有效期？不同的协议，返回的参数不一样，支持的协议有SPICE、RDP、ICA、PCOIP协议。

（5）判断本地客户端电脑是否支持虚拟化，如果CPU支持虚拟化（例如1401），从步骤（4）中解析得知的虚拟机服务器上下载用户虚拟机目录，包括目录下的虚拟磁盘文件和配置文件。如果CPU不支持虚拟化（例如1402），则下一步。

（6）客户端程序1400向服务器端程序1300或1310发送运行虚拟机的消息命令。需要向该虚拟机所在的服务器端程序1300或1310的5999端口，发起SOCKET连接请求，SOCKET连接建立成功后，发送启动虚拟机请求。如果客户端电脑CPU支持虚拟机（例如1401），则消息命令发送到本地电脑的服务器端程序1310；如果客户端电脑CPU不支持虚拟化（例如1402），则消息命令发送到服务器（例如1301、1302、1303）上的服务器端程序1300。服务器端程序1300或1310收到消息命令后，解析参数、运行虚拟机。

（7）虚拟机运行后，客户端程序1400根据步骤（4）中解析的连接协议，使用不同的连接程序登录虚拟机。如果是SPICE协议，则使用spice客户端程序直接连接服务器 + 端口+ 安全端口 + 动态密码。如果是RDP协议，则使用rdesktop客户端程序连接服务器上的虚拟机；其他协议，类似处理。连接成功后，即可看到虚拟桌面，如同使用本地桌面系统一样。如果连接失败，则会弹出出错对话框，并给出出错信息。

（8）用户插入USB移动硬盘或U盘，内核首先检测到有USB设备插入；然后通知用户程序；用户程序再通知虚拟机的Agent程序，加载USB驱动。用户在虚拟桌面系统里可以看到真实的USB设备，可以读写，甚至可以格式化USB硬盘。用户拔掉USB设备，也是内核首先检测到USB设备移除；然后通知用户程序；用户程序再通知虚拟机的Agent程序，卸载USB设备。

（9）用户关闭虚拟机后，客户端SCP-CLIENT程序检测到之后，向网管系统1200的5998端口发起SOCKET连接请求；SOCKET连接建立后，发送用户的断开请求。网管系统1200收到该连接请求后，更新虚拟机的状态、登出时间等。

用户登录后如同使用本地操作系统，可以进行办公软件office操作；播放视频、音乐；上网浏览；访问本地U盘、硬盘、光驱等。登录成功后，将本地电脑的IP地址等信息发送到网管系统1200。网管系统1200可以查询哪一个终端（例如1401、1402、1403）连接登录到虚拟机。IP地址或MAC地址和地理位置绑定，进而可以查询到从哪一个客户端（例如1401、1402、1403）登录连接该虚拟机。

 客户端程序1400安装好后就不再需要维护，因为它仅使用了本地电脑的运行Linux操作系统的最基本功能，本地操作系统文件和配置没有任何改变，所以平时管理人员仅需要检查网线、网络是否可用即可。

Claims (7)

1.一种以分布式虚拟服务技术为基础的云平台系统，即校园云平台系统；所述校园云平台系统的设计装置包括：

1）校园卡系统；

2）网管系统；

3）服务器端程序；

4）客户端程序。

2.根据权利要求1所述的网管系统，主要包括一个Web网站、一个MySQL数据库系统、一个系统服务程序；其特征在于下列几点：

1）网管系统统一管理用户账户、集中部署虚拟机，网管系统将管理员的操作指定发送到服务器端程序，由后者完成具体的操作并返回消息；

2）网管系统创建用户帐户和虚拟机时为每一个用户创建一个唯一的目录（UUID），并在该目录下创建用户的帐户文件、虚拟机配置文件和虚拟机磁盘文件；

3）学生的云账户和虚拟机的相关信息都保存在数据库中；通过网管系统可以查询用户账户、虚拟机信息；可以创建、运行、删除虚拟机等操作。

3.根据权利要求1所述的服务器端程序，主要包括虚拟磁盘同步、消息接收、消息解析、命令处理、虚拟机管理、数据处理和服务纠错等模块；其特征在于下列几点：

1）服务器端程序在后台集中完成每一个虚拟机的创建、运行、关闭、保存、删除等操作；

2）服务器端程序监听网管系统、客户端程序发来的操作指令，完成具体的操作，包括虚拟磁盘的拷贝、虚拟机的配置、虚拟机的启动运行等；

3）虚拟机操作系统可根据模板选择，包括中英文Windows XP、Windows 7、Linux等；

4）虚拟机创建好并运行后，客户端程序可连接登录该虚拟机桌面；也可以通过笔记本、云终端、智能手机等访问虚拟机。

4.根据权利要求1所述的客户端程序，包括读取校园卡读取模块、用户认证模块、消息接收模块、消息处理模块、连接登录模块、USB监听模块等；其特征在于下列几点：

1）客户端程序在用户输入学生的用户名和密码后，首先到网管系统进行身份认证，认证通过后获取虚拟机的信息，比如服务器地址和端口；

2）然后根据客户端电脑CPU是否支持虚拟化，决定是否从服务器上下载虚拟机虚拟磁盘和配置文件、以及本地运行虚拟机；最后连接登录运行的虚拟机，如同使用本地的桌面系统，用户还可以使用USB等存储媒介；

3）特别需要指出的是：客户端程序和服务器端程序可以在同一台电脑上，也可以和服务器端程序不在同一台电脑上。

5.根据权利要求1所述的云平台系统，其特征之一在于其运用了分布式虚拟服务技术，其特征在于下列几点：

1）汲取了网格计算的长处，将原本集中于服务器的桌面虚拟机，分布到各个支持虚拟化的电脑中，并统一调配资源，尽可能将桌面虚拟机和对应的客户端程序实例就近安排在同一台电脑上，从而大大缓解了桌面虚拟化所固有的网络压力；

2）对于支持虚拟化的电脑，由于桌面虚拟机通常就在客户本地，性能将会有很大的提高；

3）而对于不支持支持虚拟化的仅作为客户端的电脑，由于服务器负载的桌面虚拟机数目减少，虚拟桌面的性能也将大大提高。

6.根据权利要求1所述的云平台系统，其特征之二在于其灵活支持虚拟机运行在服务器端或客户端的方法：

1）普通电脑如果CPU支持虚拟化，运行虚拟机，可充分利用其CPU、内存、硬盘等资源；

普通电脑作为运行虚拟机的服务器端，和专门运行虚拟机的云服务器功能类似，区别在于硬件不同，并由此决定可运行多少个虚拟机；普通电脑如果CPU不支持虚拟化，则可以作为客户端，连接登录运行于服务器上的虚拟机；当然，支持虚拟化的普通电脑也可以作为客户端使用；

2）服务器上下载该用户的虚拟机目录，包括虚拟磁盘文件和虚拟机配置文件；下载完成后在客户端电脑运行虚拟机；最后通过客户端程序连接登录运行于该客户端电脑上的虚拟机；如果该用户以前在该客户端电脑上连接登录过自己的虚拟机，则不需要下载该用户的虚拟机目录；

3）如果客户端是其CPU不支持虚拟化的电脑，或是低功耗的、ARM芯片的云终端，用户在该客户端电脑上连接登录自己的虚拟机时，连接到专门的云服务器上的虚拟机。

7.根据权利要求1所述的云平台系统，其特征之三在于其多个虚拟机共享基本虚拟磁盘的方法：

1）一般情况下，每一个虚拟机都有一个独立的虚拟磁盘文件，创建虚拟机时从模板拷贝该虚拟磁盘文件；但计算中心机房电脑的空间有限，不可能为每一个学生都创建一个独立的虚拟磁盘文件；

2）所以本系统为每一个虚拟机配置两个虚拟磁盘：一个是安装好操作系统和应用软件的虚拟磁盘vdisk1.img；另一个是动态增加的虚拟磁盘vdisk2.img；第一个虚拟磁盘是只读的，机房的每台电脑上只要有一个该虚拟磁盘文件即可，每个用户新建虚拟机的第一个虚拟磁盘文件实际上是一个指向该虚拟磁盘的链接文件；虚拟机运行过程中，新安装的软件和生成的新文件，都保存在第二个虚拟磁盘上vdisk2.img，第二个虚拟磁盘在虚拟机运行前，只有几K大小，使用过程中逐步增加；

3）具体地说，多个虚拟机共享基本虚拟磁盘的方法如下①②③④；

①虚拟机运行时指定两个虚拟磁盘文件，并指定虚拟磁盘类型：第一个虚拟磁盘vdisk1.img类型是只读的、文件大小不变的；第二个虚拟磁盘vdisk2.img类型可读写的，文件大小动态增加的；

②虚拟机运行过程中打开/创建三个文件：打开只读类型的虚拟磁盘文件vdisk1.img；打开可读写类型的虚拟磁盘文件vdisk2.img；创建一个虚拟磁盘扇区映射表文件vm.map，每个扇区用一个比特位表示；

③如果虚拟机运行过程中要写入数据到虚拟磁盘文件，计算出在只读类型的虚拟磁盘文件vdisk1.img要写入位置的扇区号和要写入数据的大小，同时计算出该扇区在虚拟磁盘扇区映射表中的位置，并将该位置1，如果连续写入多个扇区的数据，则将映射表中连续多个比特位置1；同时将要写入的数据写入到可读写类型的虚拟磁盘文件vdisk2.img的同样位置；

④虚拟机在读取只读类型的虚拟磁盘文件vdisk1.img过程中，同时读取虚拟磁盘扇区映射表文件，如果读取位置在扇区映射表中对应的比特位被置1，则到可读写类型的虚拟磁盘文件vdisk2.img中相同位置读取块设备数据。