基于云計算的開放式實踐平臺研究與設(shè)計

李坤　蔣莉莉

摘要：針對當(dāng)前計算機教學(xué)實踐中存在的缺乏合適的實踐平臺、實踐環(huán)境，實踐時間和地點受到限制等突出性問題，文章介紹利用云計算和虛擬化技術(shù)，結(jié)合需求設(shè)計一個開放式實踐平臺。該平臺通過整合學(xué)院資源，同時利用瘦客戶端技術(shù)，極大地擴充了學(xué)生參與實踐的機會，有效地促進了學(xué)生實踐能力的提高。

關(guān)鍵詞：云計算；虛擬化；IaaS；資源池；瘦客戶端技術(shù)

文章編號：1672-5913（2013）07-0021-03

中圖分類號：G642

教育部實施的“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”明確提出要強化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力。如何在保證課堂教學(xué)質(zhì)量的同時，讓學(xué)生的實踐能力得到提高是當(dāng)前學(xué)校教育面臨的關(guān)鍵問題。然而在實際中，學(xué)生參與實踐往往受到諸多條件限制，具體表現(xiàn)在：①缺乏合適的實踐平臺，專業(yè)教學(xué)和實踐資源零散分布；②實踐條件很難滿足需要，實驗室硬件設(shè)備無法提供高性能計算、不支持特定操作系統(tǒng)等環(huán)境配置信息；③參與實踐的時間和地點受到實驗室管理制度的限制，無法為學(xué)生提供全天候管理和服務(wù)，無法實現(xiàn)完全開放。

隨著虛擬化和云計算技術(shù)的發(fā)展，通過構(gòu)建專業(yè)實踐平臺，提升學(xué)院的實踐教學(xué)水平成為可能。實踐平臺借助先進的云計算技術(shù)，整合學(xué)院信息技術(shù)教育資源，構(gòu)建實踐環(huán)境資源池，根據(jù)課程創(chuàng)新實驗需求，提供開放式實踐環(huán)境預(yù)約與部署；同時利用瘦客戶端技術(shù)，將學(xué)生實踐地點從實驗室擴展到有網(wǎng)絡(luò)連接的教室、宿舍、家庭等，實踐時間也從實驗室工作時段擴展至7×24（一周7天，每天24小時），讓學(xué)生有充分的機會參與實踐。

1 云計算與虛擬化技術(shù)

云計算是一種能夠降低IT復(fù)雜性的新方法，它將按需提供自助管理虛擬基礎(chǔ)架構(gòu)匯集成高效資源池，以服務(wù)的形式提供計算能力。云計算將資源管理方法由分散的硬件更改為虛擬化共享資源池，共享資源包括服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)。通過虛擬化所有IT資源，可以提高資源利用率和針對高優(yōu)先級應(yīng)用程序進行動態(tài)資源分配。這些共享資源池可以抽象為邏輯構(gòu)造塊，包括存儲、網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器單元等，從而有效創(chuàng)建虛擬數(shù)據(jù)中心。

虛擬化技術(shù)是通往云計算的必由之路。虛擬化技術(shù)通過直接在計算機硬件上面嵌入一個精簡的軟件層，建立多個虛擬操作系統(tǒng)并且可以同時運行在單臺物理機上或服務(wù)器集群上，彼此之間共享硬件資源，通過服務(wù)器整合、自動化負(fù)載均衡、計劃內(nèi)零宕機、高可用性來優(yōu)化IT基礎(chǔ)架構(gòu)。

通過虛擬化技術(shù)構(gòu)建的云計算平臺，允許以托管服務(wù)的形式交付豐富的個性化虛擬桌面。將虛擬桌面整合到數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器中，構(gòu)建桌面云環(huán)境，實現(xiàn)操作系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)和用戶數(shù)據(jù)的獨立管理，從而使最終用戶能夠通過各種網(wǎng)絡(luò)條件獲得靈活的高性能桌面體驗。

2 平臺設(shè)計方案

2.1平臺框架設(shè)計

根據(jù)云計算平臺提供的服務(wù)類型，可以將云計算服務(wù)分為3類：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service，IaaS）是以服務(wù)的形式提供虛擬硬件資源，由底層硬件或虛擬機資源所構(gòu)建；平臺即服務(wù)（Platform as a Service，PaaS）是構(gòu)建在云基礎(chǔ)設(shè)施上，用來提供應(yīng)用服務(wù)引擎，如應(yīng)用編程接口、公用基礎(chǔ)服務(wù)等；軟件即服務(wù)（Software as a Service，SaaS）是基于云平臺開發(fā)的各類應(yīng)用服務(wù)，允許用戶定制與創(chuàng)建面向具體應(yīng)用的服務(wù)，實現(xiàn)用戶個性化的服務(wù)整合和信息聚合。

結(jié)合云計算服務(wù)的類型和實踐平臺的功能需求，采用模塊化、分層的設(shè)計理念，將平臺劃分為3個層次：終端應(yīng)用層、虛擬中間層、基礎(chǔ)設(shè)施層，形成云環(huán)境下的開放式實踐平臺總體架構(gòu)，如圖1所示。

1）基礎(chǔ)設(shè)施層位于平臺底層，由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器以及存儲等基礎(chǔ)設(shè)備組成。在硬件資源層的基礎(chǔ)上，通過虛擬化技術(shù)建設(shè)虛擬化資源池，為物理資源的統(tǒng)一適配提供堅實基礎(chǔ)。通過虛擬化技術(shù)實現(xiàn)對資源的池化管理，便于資源動態(tài)分配，充分體現(xiàn)彈性可伸縮的特點，同時保證系統(tǒng)的高可用性。

2）虛擬中間層是基于基礎(chǔ)設(shè)施層構(gòu)建的。在虛擬化及物理資源池上通過各種操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、中間件的部署，搭建各種實踐應(yīng)用、創(chuàng)新計劃應(yīng)用及測試環(huán)境等，該層主要包括虛擬桌面池和實踐資源池。

虛擬桌面池：平臺一方面面向全校信息技術(shù)公共基礎(chǔ)教學(xué)和專業(yè)實踐教學(xué)，通過批量構(gòu)建統(tǒng)一桌面進行實踐，目前提供有信息技術(shù)基礎(chǔ)實踐桌面、C語言上機實踐桌面、軟件工程綜合實踐桌面等；另一方面面向大學(xué)生科技創(chuàng)新和學(xué)術(shù)科研，已經(jīng)運行的有ACM大賽、高性能計算、圖形圖像處理等專用桌面。此外，平臺還提供定制服務(wù)，用戶可以根據(jù)實際需求，在當(dāng)前桌面資源不能滿足應(yīng)用的情況下，進行環(huán)境定制。

實踐資源池：提供實踐資源整合與共享，根據(jù)學(xué)院學(xué)科實踐特點整合實踐資源形成實踐項目、實踐計劃、實踐資料、成功案例等資源列表，基于平臺提供實踐計劃安排、實踐活動提醒等共享信息，提供電子白板、網(wǎng)絡(luò)會議、即時通訊工具等方式進行實踐信息交流。

3）終端應(yīng)用層面向最終用戶。利用瘦客戶端技術(shù)，提供多種接入方式，允許移動終端、筆記本、臺式機等設(shè)備無縫接入，將固定的實踐環(huán)境虛擬化為移動的、開放的實時服務(wù)平臺。

2.2開放式實踐環(huán)境定制

實踐平臺預(yù)先按照基本需求，提供滿足通用條件的實踐環(huán)境虛擬桌面，用戶可以根據(jù)具體的實踐要求或科研需求，在通用實踐環(huán)境不能滿足的情況下，填寫實踐環(huán)境定制申請，由系統(tǒng)管理員審核后進行實踐環(huán)境的設(shè)置與發(fā)布。對于學(xué)生用戶提交的定制申請，還需要先經(jīng)過科研導(dǎo)師或任課教師的審核，從而確保實踐環(huán)境定制申請的嚴(yán)肅性和合法性。具體的定制審批流程如圖2所示。

2.3虛擬桌面池設(shè)計

虛擬桌面池是滿足開放式實踐平臺環(huán)境定制功能的虛擬機資源池，根據(jù)用戶特點和分類進行虛擬資源的預(yù)先劃分和設(shè)定。根據(jù)實踐平臺用戶規(guī)劃和用戶對桌面的需求不同，針對不同用戶組設(shè)計出不同的虛擬桌面池。對于虛擬桌面池中的資源，一方面按需分配經(jīng)過優(yōu)化的計算資源，實現(xiàn)彈性資源管理，最大限度滿足用戶需求；另一方面借助瘦客戶端技術(shù)，用戶可以方便接入平臺，實現(xiàn)學(xué)生實踐不再受實驗室地點和時間的限制，有效擴充學(xué)生參與實踐的機會。

1）特定桌面。特定桌面是指允許進行遠程訪問的單個虛擬機。此類桌面更多地面向科研需求，對虛擬機資源有較高的性能或安全要求，主要適用于那些需要惟一專用桌面的用戶，也適用于使用單個主機需由多名用戶在不同時間訪問應(yīng)用程序的情形。已經(jīng)建立的圖形圖像處理虛擬桌面和高性能計算桌面屬于此類。

2）手動桌面池。手動桌面池是指系統(tǒng)管理員手動構(gòu)建的虛擬機池，為用戶分配一個保留會話所有文檔、應(yīng)用程序和設(shè)置的專用桌面。此類桌面是在用戶首次鏈接時以靜態(tài)方式分配的，稍后可用于所有后續(xù)會話。該類桌面池大致分為以下兩種：

固定桌面池：針對實踐平臺的固定用戶組，每個用戶都分配了一個特定的桌面，并在每次登錄時返回同一個虛擬桌面。用戶可以個性化定制桌面、安裝應(yīng)用程序和存儲數(shù)據(jù)。主要用于研究生科研和大學(xué)生創(chuàng)新實驗，平臺提供的ACM大賽虛擬桌面屬于此類。

流動桌面池：針對實踐平臺的流動用戶組，在每次使用虛擬機后可選擇性地刪除并重新創(chuàng)建虛擬機，從而形成高度可控的環(huán)境。浮動分配桌面就像一個計算機實驗室，其中的每個桌面都加載了必要的應(yīng)用程序，而且所有桌面都能訪問所需的數(shù)據(jù)。該類桌面目前主要有信息技術(shù)基礎(chǔ)實踐桌面和C語言上機實踐桌面。

3 結(jié)語

基于云計算的開放式實踐平臺經(jīng)過校企共建，目前已經(jīng)在中國石油大學(xué)信息技術(shù)公共教學(xué)和專業(yè)實踐中發(fā)揮了重要作用，實現(xiàn)了信息技術(shù)教學(xué)資源的全面開放式管理，在保障基本實驗教學(xué)任務(wù)之外，將優(yōu)質(zhì)的實踐資源提供給課外實驗、科技創(chuàng)新和科學(xué)研究，達到了人盡其才、物盡其用的高效運行模式。平臺實施后學(xué)生的各項科技活動取得了豐碩成果，目前獲得國家級大學(xué)生科技競賽獎項24項，省部級獎勵103項，獲批國家級大學(xué)生創(chuàng)新實驗計劃12項；同時學(xué)生動手能力和綜合應(yīng)用能力大幅提高，畢業(yè)生受到用人單位的一致好評。

（編輯：郭田珍）