徐偉1， 李重2

　?。?.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.浙江理工大學(xué) 數(shù)學(xué)科學(xué)系，浙江 杭州 310018）

　　摘要：高校教室計(jì)算機(jī)大多采用Windows操作系統(tǒng)，使用幾年后必定會(huì)因運(yùn)行速度變慢而影響使用效率。為了在不增加硬件成本的前提下讓計(jì)算機(jī)能夠在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持較高的性能，從而延長(zhǎng)計(jì)算機(jī)教室的使用期限，本文以基于UNIX/Linux的操作系統(tǒng)為例，結(jié)合Vmwarer Workstation虛擬化技術(shù)，在Windows和Linux兩種操作系統(tǒng)平臺(tái)做了相關(guān)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Linux操作系統(tǒng)結(jié)合Vmware虛擬化技術(shù)能夠顯著提升計(jì)算機(jī)各方面的性能，這種技術(shù)適用于高校計(jì)算機(jī)教室。

　　關(guān)鍵詞：UNIX；Linux；虛擬化技術(shù)；計(jì)算機(jī)教室

0引言

　　高校的計(jì)算機(jī)教室有個(gè)通病，只要使用三、四年后，運(yùn)行速度會(huì)變得越來(lái)越慢，而且系統(tǒng)也會(huì)變得越來(lái)越不穩(wěn)定，影響了課堂教學(xué)效果。究其原因，一是由于計(jì)算機(jī)教室一般都采用微軟的Windows操作系統(tǒng)，Windows操作系統(tǒng)以漏洞多、病毒多、木馬多著稱(chēng)［1］，系統(tǒng)比較脆弱，而且Windows采用注冊(cè)表的方式存儲(chǔ)軟、硬件配置數(shù)據(jù)［2］，因此計(jì)算機(jī)使用時(shí)間越久注冊(cè)表越臃腫，速度變慢是必然的；二是由于不同專(zhuān)業(yè)、不同課程所需的軟件不相同，計(jì)算機(jī)教室必然要安裝各種軟件供不同課程使用，各種軟件的安裝容易造成沖突而使計(jì)算機(jī)變慢、不穩(wěn)定［3］。而其實(shí)對(duì)于一門(mén)課程而言，只需安裝其中一個(gè)或幾個(gè)軟件就可以了，完全可以避免軟件沖突?；谶@些思路，要解決計(jì)算機(jī)越來(lái)越慢的問(wèn)題，可以從更改操作系統(tǒng)和采用虛擬化技術(shù)兩方面來(lái)進(jìn)行。

1操作系統(tǒng)分析

　　針對(duì)操作系統(tǒng)問(wèn)題，嘗試采用基于UNIX操作系統(tǒng)來(lái)替換Windows操作系統(tǒng)，因?yàn)閁NIX比Windows更具有優(yōu)勢(shì)。

　　1.1UNIX比Windows系統(tǒng)更具創(chuàng)新積累性

　　Windows是微軟公司推出的操作系統(tǒng)，它誕生于1985年，最初是MSDOS之下的桌面環(huán)境，而后其逐漸發(fā)展成為個(gè)人電腦和服務(wù)器操作系統(tǒng)，并最終取得了個(gè)人電腦操作系統(tǒng)的壟斷地位。而UNIX操作系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)大的多用戶(hù)、多任務(wù)操作系統(tǒng)，支持多種處理器架構(gòu)，按照操作系統(tǒng)的分類(lèi)，屬于分時(shí)操作系統(tǒng)，最早由KenThompson、Dennis Ritchie和Douglas McIlroy于1969年在AT&T的貝爾實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)，1991年Linus Benedict Torvalds在UNIX基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了圖形化操作系統(tǒng)Linux。

　　許多基于UNIX的操作系統(tǒng)是開(kāi)放源碼的，如Linux、FreeBSD、OpenBSD等，開(kāi)放源碼的優(yōu)勢(shì)是使軟件開(kāi)發(fā)者可以在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，其開(kāi)發(fā)模式是開(kāi)放和連續(xù)的，源碼經(jīng)過(guò)眾多用戶(hù)的檢驗(yàn)和改進(jìn)。而Windows保密源碼的限制使軟件之間難以相互借鑒，而且軟件錯(cuò)誤難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，造成操作系統(tǒng)漏洞較多，補(bǔ)丁更新頻繁，防火墻、防垃圾軟件、防間諜軟件占用了大量的系統(tǒng)資源。

　　1.2UNIX比Windows系統(tǒng)更具健壯性

　　隨著Windows操作系統(tǒng)使用時(shí)間的增加，注冊(cè)表會(huì)無(wú)限膨脹，使操作系統(tǒng)越用越慢。Windows系統(tǒng)程序與應(yīng)用程序不是相對(duì)獨(dú)立的，軟件崩潰容易造成系統(tǒng)的癱瘓、宕機(jī)，而Linux是一個(gè)單塊式的操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)通常在用戶(hù)進(jìn)程的內(nèi)存空間內(nèi)進(jìn)行，免去了發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用時(shí)的進(jìn)程切換開(kāi)銷(xiāo)。Linux支持內(nèi)核級(jí)的線程，但它將線程定義為進(jìn)程的另一個(gè)“執(zhí)行上下文”，從而簡(jiǎn)化了進(jìn)程/線程之間的關(guān)系和調(diào)度程序的設(shè)計(jì)［4］。Linux一般不開(kāi)放ROOT遠(yuǎn)程權(quán)限，即使系統(tǒng)被外界入侵，危害性也相對(duì)較小。另外在開(kāi)源系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)病毒無(wú)法隱身，病毒在Linux沒(méi)有寄生的土壤，免去了病毒造成的危害。

　　1.3UNIX比Windows系統(tǒng)IO性能更佳

　　IO性能是影響計(jì)算機(jī)速度的主要因素之一，因此IO接口處理技術(shù)也是關(guān)鍵點(diǎn)。在Windows平臺(tái)下，IO模型是IOCP（IO Completion Port）模型［5］，而Linux采用Epoll模型［6］。兩者都是處理異步IO的高效模型，都可以通過(guò)指針攜帶應(yīng)用層數(shù)據(jù)，Epoll主要具有以下三種優(yōu)勢(shì)：

　?。?）在IOCP模型中，應(yīng)用層數(shù)據(jù)可以通過(guò)單句柄數(shù)據(jù)和單IO數(shù)據(jù)與IOCP底層通信；而在Epoll里，可以通過(guò)epoll_data里的“void *ptr”來(lái)傳遞信息。這種指針傳遞的信息不僅能說(shuō)明發(fā)生了什么樣的事件，同時(shí)還說(shuō)明了這次事件所操作的數(shù)據(jù)是哪些，擴(kuò)展了IO接口處理能力。

　　（2）Epoll模型為內(nèi)核處理大批量文件提供了多路復(fù)用IO接口，它無(wú)須遍歷整個(gè)被偵聽(tīng)的描述符集，只需遍歷那些已被內(nèi)核IO事件異步喚醒并加入Ready隊(duì)列的描述符集合，可顯著提高程序在大量并發(fā)連接中只有少量活躍的情況下的系統(tǒng)CPU利用率。

　?。?）Epoll模型除了提供select/poll的水平觸發(fā)（Level Triggered）事件外，還提供了邊緣觸發(fā)（Edge Triggered），這就使得用戶(hù)空間程序有可能緩存IO狀態(tài)，減少epoll_wait/epoll_pwait的調(diào)用，提高應(yīng)用程序的IO處理效率。

2虛擬化技術(shù)選擇

　　解決因計(jì)算機(jī)軟件安裝多而造成軟件沖突問(wèn)題的方法是為每門(mén)課程分別建立獨(dú)立的虛擬機(jī)運(yùn)行環(huán)境，即采用虛擬化技術(shù)。當(dāng)前虛擬化技術(shù)已從純軟件逐步深入到處理器級(jí)虛擬化、操作系統(tǒng)級(jí)虛擬化以及存儲(chǔ)級(jí)虛擬化，代表技術(shù)為Intel Virtualization Technology for Directed I/O，簡(jiǎn)寫(xiě)為Intel VT-d。AMD公司采用AMD-V同樣用于x86平臺(tái)。主流的虛擬化技術(shù)主要包括服務(wù)器虛擬化、應(yīng)用虛擬化、桌面虛擬化。

　　2.1服務(wù)器虛擬化

　　服務(wù)器虛擬化主要分為兩種：“一虛多”和“多虛一”。“一虛多”是一臺(tái)服務(wù)器虛擬成多臺(tái)服務(wù)器，即將一臺(tái)物理服務(wù)器分割成多個(gè)相互獨(dú)立、互不干擾的虛擬環(huán)境［7］，這種技術(shù)比較適合計(jì)算機(jī)教室?！岸嗵撘弧本褪嵌鄠€(gè)獨(dú)立的物理服務(wù)器虛擬為一個(gè)邏輯服務(wù)器，使多臺(tái)服務(wù)器相互協(xié)作，處理同一個(gè)業(yè)務(wù)，這種技術(shù)適合構(gòu)建高性能的服務(wù)器集群。另外還有“多虛多”的概念，就是將多臺(tái)物理服務(wù)器虛擬成一臺(tái)邏輯服務(wù)器，然后再將其劃分為多個(gè)虛擬環(huán)境，即多個(gè)業(yè)務(wù)在多臺(tái)虛擬服務(wù)器上運(yùn)行，這種技術(shù)可以為桌面虛擬化技術(shù)提供后端服務(wù)。

　　2.2應(yīng)用虛擬化

　　應(yīng)用虛擬化的原理是基于應(yīng)用/服務(wù)器計(jì)算A/S架構(gòu)，采用類(lèi)似虛擬終端的技術(shù)，把應(yīng)用程序的人機(jī)交互邏輯（應(yīng)用程序界面、鍵盤(pán)及鼠標(biāo)的操作、音頻輸入輸出、讀卡器、打印輸出等）與計(jì)算邏輯隔離開(kāi)來(lái)［8］。在用戶(hù)訪問(wèn)一個(gè)服務(wù)器虛擬化后的應(yīng)用時(shí)，用戶(hù)計(jì)算機(jī)只需要把人機(jī)交互邏輯傳送到服務(wù)器端，服務(wù)器端為用戶(hù)開(kāi)設(shè)獨(dú)立的會(huì)話空間，應(yīng)用程序的計(jì)算邏輯在這個(gè)會(huì)話空間中運(yùn)行，把變化后的人機(jī)交互邏輯傳送給客戶(hù)端，并且在客戶(hù)端相應(yīng)設(shè)備展示出來(lái)，從而使用戶(hù)獲得如同運(yùn)行本地應(yīng)用程序一樣的訪問(wèn)感受。

　　2.3桌面虛擬化

　　桌面虛擬化依賴(lài)于服務(wù)器虛擬化，在數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器上進(jìn)行服務(wù)器虛擬化，生成大量的獨(dú)立的桌面操作系統(tǒng)（虛擬機(jī)或者虛擬桌面），同時(shí)根據(jù)專(zhuān)有的虛擬桌面協(xié)議發(fā)送給終端設(shè)備［9］。用戶(hù)終端通過(guò)以太網(wǎng)登錄到虛擬主機(jī)上，只需要記住用戶(hù)名和密碼及網(wǎng)關(guān)信息，即可隨時(shí)隨地地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)自己的桌面系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)單機(jī)多用戶(hù)。

　　綜上所述，計(jì)算機(jī)教室一般采用服務(wù)器虛擬化與桌面虛擬化技術(shù)相結(jié)合的方式。但在老舊計(jì)算機(jī)教室升級(jí)或改造時(shí)，在不增加額外設(shè)備的情況下，可以采用技術(shù)簡(jiǎn)明、兼容性佳的VMware Workstation服務(wù)器虛擬化技術(shù)，該技術(shù)允許用戶(hù)選擇某個(gè)特定的操作系統(tǒng)。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　實(shí)驗(yàn)以Linux內(nèi)核的麒麟U(xiǎn)buntu Kylin與Windows為操作系統(tǒng)平臺(tái)，采用相同版本號(hào)的VMware Workstation虛擬機(jī)平臺(tái)，在相同虛擬機(jī)操作系統(tǒng)鏡像下，用PassMark PerformanceTest測(cè)試CPU、Graphics、Memory、Disk、開(kāi)機(jī)時(shí)間等相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行比較分析。

　　3.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境

　　計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)：CPU采用英特爾Core i3-4150 @ 3.50 GHz處理器、內(nèi)存采用4 GB(Crucial DDR3 1 600 MHz)、硬盤(pán)采用希捷 ST500DM002-1BD142(500 GB/7 200 r/min)、顯卡采用英特爾HD Graphics 4400板載。操作系統(tǒng)分別采用中國(guó)版麒麟Linux Ubuntu Kylin 14.10和Windows 7 SP1 64位虛擬機(jī)平臺(tái)：VMware Workstation 10 for Linux 、VMware Workstation 10 for Windows。虛擬機(jī)操作系統(tǒng)：Windows 7 SP1 32位。測(cè)試軟件：PassMark PerformanceTest 8.0。

　　3.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

　　(1)在相同硬件平臺(tái)的計(jì)算機(jī)上分別安裝Linux Ubuntu Kylin 14.10和Windows 7 SP1 64位操作系統(tǒng)。

　　(2)在Ubuntu Kylin 14.10操作系統(tǒng)上安裝VMware Workstation 10 for Linux虛擬機(jī)平臺(tái)，在Windows 7 SP1 64位操作系統(tǒng)上安裝VMware Workstation 10 for Windows虛擬機(jī)平臺(tái)。

　?。?）將事先安裝好PassMark PerformanceTest 8.0的虛擬機(jī)Windows 7 SP1 32位，分別拷入U(xiǎn)buntu Kylin 14.10和Windows 7 SP1 64位操作系統(tǒng)。

　　(4)在不同操作系統(tǒng)環(huán)境下，運(yùn)行VMware Workstation 10，并確保虛擬機(jī)的所有選項(xiàng)、參數(shù)都一致。分別加載虛擬機(jī)操作系統(tǒng)Windows 7 SP1 32位。

　　(5)在兩種操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)中運(yùn)行PassMark PerformanceTest 8.0，并記錄數(shù)據(jù)，如表1所示。

　　用同樣的方法測(cè)驗(yàn)了D409教室中的計(jì)算機(jī)，該教室計(jì)算機(jī)CPU采用i3-2100 @ 3.10 GHz處理器，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。 

4結(jié)論

　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在Linux和Windows操作系統(tǒng)下,虛擬機(jī)性能除了內(nèi)存測(cè)試數(shù)據(jù)Windows略勝外，在CPU、Graphics、Disk、開(kāi)機(jī)時(shí)間等測(cè)試數(shù)據(jù)上，Linux系統(tǒng)更優(yōu)，特別是I/O性能方面，Linux遙遙領(lǐng)先，導(dǎo)致兩者綜合分?jǐn)?shù)Linux比Windows高出近5倍。因此，在計(jì)算機(jī)性能上，基于UNIX虛擬化技術(shù)相比Windows更具有優(yōu)勢(shì)。由于目前像Linux這樣的類(lèi)UNIX系統(tǒng)的應(yīng)用軟件較少，且沒(méi)有特定的技術(shù)支持廠商，不太適用于個(gè)人電腦，但這種技術(shù)適用于高校計(jì)算機(jī)教室這種場(chǎng)合。

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