教育信息化中的云計(jì)算運(yùn)用與研究

陳光海 韓晉川 汪應(yīng)

摘 要：本文從實(shí)例出發(fā)，闡述了云計(jì)算在教育信息化建設(shè)中的重要作用，詳細(xì)介紹了云計(jì)算中的服務(wù)器虛擬化、應(yīng)用虛擬化技術(shù)的具體配置和實(shí)施方案，提出了解決大規(guī)模、密集訪問(wèn)和眾多仿真實(shí)訓(xùn)軟件集中部署方法。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；虛擬化；教育信息化

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

在《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）》中，明確提出要“強(qiáng)化信息技術(shù)應(yīng)用，提高教師應(yīng)用信息技術(shù)水平，更新教學(xué)觀念，改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)效果；鼓勵(lì)學(xué)生利用信息手段主動(dòng)學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)，增強(qiáng)運(yùn)用信息技術(shù)分析解決問(wèn)題能力”。在《教育規(guī)劃綱要》的基礎(chǔ)上，教育部針對(duì)教育信息化，進(jìn)一步制訂了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020）》，其目的是改革幾千來(lái)，中國(guó)傳統(tǒng)的教師灌輸知識(shí)、學(xué)生被動(dòng)接受的傳授式教學(xué)模式，培養(yǎng)具有高度創(chuàng)新能力的創(chuàng)新型人才。

2 云計(jì)算助推教育信息化（Cloudy calculation

promotes informationized education）

實(shí)施教育信息化，最核心的內(nèi)容是建立數(shù)字教學(xué)資源管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)立體化的教學(xué)視角和虛擬化的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)作為一種優(yōu)秀的輔助教學(xué)工具，具有形象生動(dòng)、交互性強(qiáng)、反饋實(shí)時(shí)等優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)W(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中所提出的各種假設(shè)進(jìn)行模擬，可以直接觀察到假設(shè)所產(chǎn)生的結(jié)果，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。仿真實(shí)訓(xùn)可以縮短教學(xué)時(shí)間，避免設(shè)備損壞、人身安全和環(huán)境污染，對(duì)不可直觀展示的結(jié)構(gòu)原理和不可再現(xiàn)的如：煤礦井下安全事故等危險(xiǎn)性較大的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，能夠進(jìn)行三維直觀展示[1]。但是，教學(xué)資源庫(kù)，尤其是仿真實(shí)訓(xùn)軟件的訪問(wèn)密度特別高，相當(dāng)于把過(guò)去在實(shí)驗(yàn)室、教室中若干臺(tái)計(jì)算機(jī)要完成的任務(wù)，集中在了IDC中心機(jī)房，可能同時(shí)有數(shù)千甚至上萬(wàn)人進(jìn)行不同項(xiàng)目的仿真實(shí)訓(xùn)，而教學(xué)資源庫(kù)和仿真實(shí)訓(xùn)軟件的運(yùn)行都是由服務(wù)器完成，學(xué)生和教師的終端只完成任務(wù)的提交和運(yùn)行結(jié)果的反饋，對(duì)中心服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備的性能要求太高，最好的解決辦法就是“云”技術(shù)的運(yùn)用。

3 服務(wù)器虛擬化承載高密度訪問(wèn)（Simulated servers

capable of high-density visits）

云計(jì)算的基本原理是：用戶使用的應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)既不存儲(chǔ)也不運(yùn)行在用戶個(gè)人電腦、手機(jī)等終端上，而是保存在互聯(lián)網(wǎng)上大規(guī)模的服務(wù)器集群中，應(yīng)用軟件的執(zhí)行也是由服務(wù)器完成，用戶終端僅提出任務(wù)需求和接收運(yùn)行結(jié)果，而不需要關(guān)心存儲(chǔ)、計(jì)算發(fā)生在哪朵“云”上[2]。它是以虛擬化技術(shù)為基礎(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)為載體提供基礎(chǔ)架構(gòu)、平臺(tái)、軟件等服務(wù)為形式，整合大規(guī)?？蓴U(kuò)展的計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)、應(yīng)用等分布式計(jì)算資源進(jìn)行協(xié)同工作的超級(jí)計(jì)算模式[3]。

服務(wù)器虛擬化是構(gòu)建云計(jì)算平臺(tái)的基礎(chǔ)部分，所有云計(jì)算平臺(tái)中的功能及子系統(tǒng)都依賴于通過(guò)服務(wù)器虛擬化技術(shù)搭建的服務(wù)器集群來(lái)實(shí)現(xiàn)。筆者所在的重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，近年來(lái)各種應(yīng)用系統(tǒng)上線投入使用，除OA辦公系統(tǒng)、教務(wù)系統(tǒng)、學(xué)工管理、圖書管理、迎新系統(tǒng)、離校系統(tǒng)等以外，特別是供全校師生大規(guī)模使用的教學(xué)資源庫(kù)和仿真實(shí)訓(xùn)軟件的應(yīng)用，用過(guò)去的方式，把應(yīng)用系統(tǒng)安裝在某臺(tái)物理服務(wù)器上，訪問(wèn)規(guī)模必然受限，僅教務(wù)系統(tǒng)中，全校學(xué)生選擇選修課時(shí)，上萬(wàn)人同時(shí)使用教務(wù)系統(tǒng)，要么服務(wù)器崩潰，要么根本就登錄不了。同一應(yīng)用系統(tǒng)裝在多臺(tái)物理服務(wù)器上，數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性、完整性存在很大問(wèn)題，管理也復(fù)雜。為了解決這些問(wèn)題，我們決定采用服務(wù)器虛擬化集群技術(shù)，所有應(yīng)用系統(tǒng)部署在80多臺(tái)虛擬機(jī)上，集中大部分性能較高、參數(shù)接近的物理服務(wù)器，通過(guò)安裝VMware ESX建立HA集群，用一臺(tái)服務(wù)器安裝配置VirtualCenter管理軟件，建立起各個(gè)ESX服務(wù)器之間的聯(lián)系，組成服務(wù)器集群。

同時(shí)，采用iSCSI SAN高性能存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)承載所有虛擬機(jī)和數(shù)據(jù)，這種以太網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，成本較低，使用方便，它比本地存儲(chǔ)的性能更加優(yōu)異。另外，用一臺(tái)低性能的iSCSI存儲(chǔ)作日常備份，保證虛擬機(jī)和數(shù)據(jù)的安全。

負(fù)載均衡分為兩個(gè)層次，一是ESX主機(jī)的VMware的分布式資源調(diào)度，二是業(yè)務(wù)系統(tǒng)的負(fù)載均衡。ESX主機(jī)的VMware的分布式資源調(diào)度即常用vSphere DRS功能，該功能當(dāng)群集的利用率低時(shí)，會(huì)將虛擬機(jī)重新整合到少數(shù)ESX服務(wù)器主機(jī)上，并將某些暫時(shí)不需要的主機(jī)斷電。當(dāng)群集的工作量增加，需要更多容量的資源時(shí)，會(huì)重新給某些ESX服務(wù)器主機(jī)供電，并再一次平衡群集中正在供電的主機(jī)的虛擬機(jī)，如圖1所示。

圖1 服務(wù)器集群配置

Fig.1 Servers figuration

業(yè)務(wù)系統(tǒng)負(fù)載采用H3C核心交換機(jī)LSQM1LBSC0負(fù)載均衡業(yè)務(wù)板卡實(shí)現(xiàn)硬件負(fù)載將多臺(tái)虛擬機(jī)通過(guò)負(fù)載板卡對(duì)外變成單一地址提供服務(wù)。如圖名為JW3_SERVER虛服務(wù)的地址為121.49.*.*，實(shí)際對(duì)應(yīng)的為15臺(tái)內(nèi)網(wǎng)虛擬機(jī)，這些虛擬機(jī)內(nèi)網(wǎng)地址不同，內(nèi)容和對(duì)外地址是相同的，也就是可以增加同一應(yīng)用業(yè)務(wù)的訪問(wèn)量，達(dá)到承載大規(guī)模、高密度訪問(wèn)的目的，如圖2所示。

圖2 負(fù)責(zé)均衡配置

Fig.2 Work balance distribution

4 應(yīng)用虛擬化構(gòu)建虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)（Applications

simulated laid the practice platform）

云計(jì)算中的應(yīng)用虛擬化，可以將應(yīng)用軟件變?yōu)榭梢酝ㄟ^(guò)互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器使用的服務(wù)，因此應(yīng)用軟件不再需要安裝在本地，而是安裝在虛擬服務(wù)器上，虛擬服務(wù)器可以建立很多，有沖突的應(yīng)用軟件可以分開(kāi)安裝，永遠(yuǎn)不會(huì)沖突。特別是對(duì)于單機(jī)版的仿真實(shí)訓(xùn)軟件，不需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)購(gòu)買一套，只要一套安裝在虛擬服務(wù)器上，通過(guò)應(yīng)用虛擬化發(fā)布后就自然成為了“網(wǎng)絡(luò)版”，可供多人同時(shí)使用。

用一臺(tái)機(jī)架式服務(wù)器和若干USB HUB作為USB服務(wù)器，所有仿真軟件的軟件狗都插在它上面，保證虛擬機(jī)或應(yīng)用程序在動(dòng)態(tài)遷移過(guò)程中能正常運(yùn)行。

具體實(shí)施方案如下：

該系統(tǒng)由服務(wù)器虛擬化平臺(tái)、應(yīng)用虛擬化平臺(tái)和USB服務(wù)器構(gòu)成，服務(wù)器虛擬化采用9臺(tái)曙光A840-G10主機(jī)建立虛擬機(jī)系統(tǒng)并安裝需要使用的應(yīng)用程序。USB服務(wù)器采用老的x86平臺(tái)服務(wù)器通過(guò)USB HUB連接各類軟件的加密狗，并通過(guò)“USB Over Network”服務(wù)端程序?qū)崿F(xiàn)加密狗網(wǎng)絡(luò)共享，并在安裝應(yīng)用程序的系統(tǒng)中安裝“USB Over Network”客戶端程序連接所需加密狗實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接加密狗，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Fig.3 System structure

使用深信服VPN-2050設(shè)備的SSL VPN功能對(duì)應(yīng)用程序完成應(yīng)用虛擬化。管理員可后臺(tái)建立用戶，選擇發(fā)布的應(yīng)用程序。用戶可通過(guò)WEB瀏覽器直接使用應(yīng)用程序，除PC可使用外，還可通過(guò)Android及IOS等智能移動(dòng)終端訪問(wèn)并運(yùn)行Windows平臺(tái)的應(yīng)用程序，其管理和訪問(wèn)效果如圖4所示。

圖4 應(yīng)用虛擬化配置

Fig.4 Applications simulation profiles

5 結(jié)論（Conclusion）

云計(jì)算為教育信息化的建設(shè)和發(fā)展提供了新的模式，本質(zhì)上它是一種更加高效的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，可以解決過(guò)去許多無(wú)法解決的難題，是互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中最具生命力的一項(xiàng)技術(shù)，在發(fā)展教育信息化、實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化的歷史進(jìn)程中，我們應(yīng)該充分利用這種先進(jìn)技術(shù)，為教學(xué)手段的更新、課堂教學(xué)模式的改革提供強(qiáng)大的后臺(tái)支撐。只有這樣，我們的教育水平才能走在世界的前列。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 林徐潤(rùn)，段虎.虛擬仿真技術(shù)在高職實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].深

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[2] 黃鑫.云計(jì)算及其在教育信息化中的架構(gòu)和應(yīng)用模型研究[J].

軟件導(dǎo)刊，2013（8）：80-82.

[3] 吳吉義，等.云計(jì)算：從概念到平臺(tái)[J].電信科學(xué)，2009（12）：

23-30.

作者簡(jiǎn)介：

陳光海（1964-），男，碩士，教授.研究領(lǐng)域：現(xiàn)代教育技術(shù).

韓晉川（1982-），男，本科，實(shí)驗(yàn)師.研究領(lǐng)域：云計(jì)算技術(shù).

汪 應(yīng)（1982-），男，本科，實(shí)驗(yàn)師.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

技術(shù).