無(wú)盤網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和云技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中的應(yīng)用

林 榕, 林瑜華, 盤煒生, 陳守寬

(肇慶學(xué)院 信息中心, 廣東 肇慶 526061)

高校辦學(xué)規(guī)模擴(kuò)大、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)增加、實(shí)驗(yàn)室不斷開(kāi)放等都對(duì)高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和管理提出了更高的要求。隨著網(wǎng)絡(luò)瓶頸的突破和千兆網(wǎng)絡(luò)到桌面的普及,無(wú)盤網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用得到快速發(fā)展,為高校數(shù)字化教學(xué)環(huán)境建設(shè),實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、管理維護(hù),資源共享等提供了新思路和機(jī)遇[1-2]。這些新技術(shù)解決了目前的高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與改造、管理維護(hù)中的多方面問(wèn)題,然而也需要充分考慮到應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn),從實(shí)際需求出發(fā),切勿一味追求新技術(shù)、盲目追趕上項(xiàng)目,造成建設(shè)投入高、使用效果卻不甚理想的情況。

總結(jié)多年來(lái)在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與改造、維護(hù)與管理中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),通過(guò)對(duì)多種技術(shù)模式的應(yīng)用進(jìn)行客觀分析,在研究與比較之后,提出了切實(shí)可行的解決方案和建議,為無(wú)盤網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和云技術(shù)在高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中的具體應(yīng)用提供參考意見(jiàn),以期加強(qiáng)交流與探討,使實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理更上水平。

1 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 硬盤還原卡技術(shù)

傳統(tǒng)PC模式仍是高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中應(yīng)用最廣泛的模式,這種模式依靠硬盤還原卡技術(shù)來(lái)保護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。利用硬盤還原卡技術(shù)可以防止硬盤數(shù)據(jù)(主要是系統(tǒng)分區(qū))被修改,包括學(xué)生的惡意操作和病毒的攻擊[3]；利用還原卡的網(wǎng)絡(luò)同傳功能,可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的智能網(wǎng)絡(luò)同傳,減輕實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)安裝與維護(hù)工作量[4-5]。但在實(shí)際使用中存在許多問(wèn)題,最突出的就是整個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)、安裝和更新軟件時(shí),仍然必須逐臺(tái)計(jì)算機(jī)操作,工作量極大[6]。

1.2 云計(jì)算

云計(jì)算的概念最早出自IBM公司于2007年底宣布的云計(jì)算計(jì)劃[7]。代表了IT領(lǐng)域向集約化、規(guī)?；c專業(yè)化道路發(fā)展的趨勢(shì)[8-9]。云計(jì)算可以使硬件基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)在大規(guī)模的廉價(jià)服務(wù)器集群上,用來(lái)構(gòu)造應(yīng)用程序,相當(dāng)于PC機(jī)上的操作系統(tǒng)；應(yīng)用程序與底層服務(wù)協(xié)作開(kāi)發(fā),最大限度地利用資源,并通過(guò)多個(gè)廉價(jià)服務(wù)器之間的冗余、容錯(cuò),使軟件獲得高可用性。

1.2.1 云桌面技術(shù)

云桌面技術(shù)是云計(jì)算的典型應(yīng)用?；诜植际皆朴?jì)算存儲(chǔ)技術(shù)、虛擬化技術(shù),打破了傳統(tǒng)PC在硬件、操作系統(tǒng)、應(yīng)用、用戶等幾個(gè)層次結(jié)構(gòu)中任意上下相連的2個(gè)“層”之間在編程邏輯上的“緊耦合”關(guān)系,在層次結(jié)構(gòu)、上下邏輯關(guān)系不變的前提下,將操作系統(tǒng)、應(yīng)用和用戶放到數(shù)據(jù)中心,通過(guò)桌面交付的方式實(shí)現(xiàn)集中管理,從而使層與層之間從“緊耦合”變成了“松耦合”。用戶可以在任何地方通過(guò)相關(guān)設(shè)備靈活地訪問(wèn)相同的桌面。

1.2.2 渲染農(nóng)場(chǎng)

渲染農(nóng)場(chǎng)是云計(jì)算技術(shù)的一個(gè)具體應(yīng)用,是分布式并行集群計(jì)算系統(tǒng)的通俗叫法。利用云計(jì)算中的高性能計(jì)算、海量存儲(chǔ)、自動(dòng)化任務(wù)管理等技術(shù),將一個(gè)或多個(gè)渲染任務(wù)分割成若干部分,交由各個(gè)渲染節(jié)點(diǎn)同時(shí)渲染,以達(dá)到快速渲染的目的。

1.3 無(wú)盤網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無(wú)盤網(wǎng)絡(luò)就是局域網(wǎng)中所有客戶機(jī)都通過(guò)網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)器磁盤上獲取操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件并運(yùn)行的一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),客戶機(jī)不安裝磁盤驅(qū)動(dòng)器僅是表面現(xiàn)象,不具有實(shí)質(zhì)含意。目前以PXE(Pre-boot Execute Environment,預(yù)啟動(dòng)執(zhí)行環(huán)境)技術(shù)為主,采用動(dòng)態(tài)路由,在安裝和操作上更簡(jiǎn)單、快捷,其優(yōu)越性已超過(guò)有盤網(wǎng)絡(luò)[10],運(yùn)行速度要比有盤PC快3倍以上[11]。

2 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與改造

以肇慶學(xué)院2013年和2015年先后建設(shè)的50人規(guī)模動(dòng)漫創(chuàng)作實(shí)驗(yàn)1和2室為實(shí)例,就應(yīng)用不同技術(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的投入、維護(hù)與管理、使用效果等方面的對(duì)比分析。

2.1 建設(shè)實(shí)例

(1) 傳統(tǒng)PC模式:2013年10月建設(shè)的動(dòng)漫創(chuàng)作實(shí)驗(yàn)1室選用了聯(lián)想Think Station E31工作站和23寸戴爾全高清寬屏顯示器,計(jì)算機(jī)軟、硬件配套投入約82萬(wàn)元,具體技術(shù)指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 傳統(tǒng)PC模式成本投入

(2) 云桌面模式:由于擴(kuò)招、專業(yè)課程增加,2015年5月建設(shè)了動(dòng)漫創(chuàng)作實(shí)驗(yàn)2室。該實(shí)驗(yàn)室建設(shè)時(shí)考慮到動(dòng)漫創(chuàng)作實(shí)驗(yàn)1室在傳統(tǒng)PC模式下,維護(hù)復(fù)雜、困難,時(shí)間長(zhǎng),難以實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)共存,造成教學(xué)效果打折扣；做不到維護(hù)過(guò)程不間斷實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放得不到保障等因素,選用了云桌面模式；計(jì)算機(jī)軟、硬件配套投入約117萬(wàn)元,具體技術(shù)指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表2。

(3) 云桌面模式很好地解決了傳統(tǒng)PC模式下維護(hù)復(fù)雜、困難,多系統(tǒng)無(wú)法共存的問(wèn)題。云技術(shù)模式在投入資金遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)PC模式的情況下,48個(gè)云桌面同時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)算請(qǐng)求時(shí),服務(wù)器端平均分配到每個(gè)云桌面的CPU運(yùn)算能力只能接近Intel Core i5-2500的性能水平,單點(diǎn)位綜合性能不及傳統(tǒng)PC模式下的單機(jī)性能[12]。

2.2 無(wú)盤網(wǎng)絡(luò)技術(shù)改造

動(dòng)漫創(chuàng)作所需的軟件種類多、插件多,且版本更新頻繁。 在傳統(tǒng)PC模式下,這些軟件可以通過(guò)一對(duì)多的智能網(wǎng)絡(luò)同傳完成系統(tǒng)升級(jí)和軟件更新等維護(hù)工作,但是更新軟件后,必須逐臺(tái)機(jī)注冊(cè)。此時(shí),硬盤還原卡除了保護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)外,起不到其他任何作用,計(jì)算機(jī)維

表2 云桌面模式成本投入

護(hù)管理的工作量極大,維護(hù)更新難以及時(shí)實(shí)施,多系統(tǒng)共存難以實(shí)現(xiàn),很難滿足實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放的要求。

在云桌面模式下,桌面以虛擬機(jī)方式運(yùn)行在服務(wù)器虛擬化平臺(tái)中,每個(gè)桌面環(huán)境都有其獨(dú)立的硬件性能及軟件系統(tǒng),做到按需定制。系統(tǒng)和軟件統(tǒng)一管理及維護(hù),即時(shí)生效,即裝即用,且維護(hù)過(guò)程不間斷實(shí)驗(yàn),滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求,更為實(shí)驗(yàn)室全面開(kāi)放提供了技術(shù)保障。

通過(guò)實(shí)踐,計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的傳統(tǒng)PC模式和云技術(shù)模式各有優(yōu)劣。隨著普通本科高校向應(yīng)用型本科高校轉(zhuǎn)型,肇慶學(xué)院成為廣東省首批試點(diǎn)院校,開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系對(duì)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提出了更高的要求,傳統(tǒng)PC模式已滿足不了需求,云技術(shù)動(dòng)漫創(chuàng)作實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放的負(fù)荷增大,實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放的教學(xué)效果不好。2016年10月,利用基于PXE的無(wú)盤網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)PC模式的動(dòng)漫創(chuàng)作實(shí)驗(yàn)1室進(jìn)行了改造,在很少投入的情況下,結(jié)合了傳統(tǒng)PC模式和云技術(shù)模式的優(yōu)點(diǎn),維護(hù)更新比云技術(shù)模式更加簡(jiǎn)化,為實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型本科教學(xué)目標(biāo)提供了技術(shù)保障。

2.3 利用現(xiàn)有資源搭建渲染農(nóng)場(chǎng)

在動(dòng)漫專業(yè)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中,作品的渲染是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。然而,渲染硬件資源不足,幾分鐘的高清作品往往需要幾個(gè)小時(shí)進(jìn)行渲染,以至于相關(guān)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容被削弱或忽略。為解決動(dòng)漫專業(yè)教學(xué)中渲染的硬件瓶頸,利用原有的動(dòng)漫創(chuàng)作工作站為渲染節(jié)點(diǎn),選用專業(yè)版渲染集群管理軟件,搭建了基于數(shù)字化校園私有云基礎(chǔ)上的云渲染實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。平臺(tái)節(jié)點(diǎn)的渲染能力范圍可以達(dá)到準(zhǔn)高清(1280×720)、全高清(1920×1080)、支持2～6 KB的序列幀渲染、 2～8 KB的高分辨率圖像渲染。同時(shí)支持3ds max、Maya、XSI、Aeffects、V-Ray、Mental Ray、Brazil、Renderman等主流教學(xué)軟件。平臺(tái)可以很方便地進(jìn)行分層渲染、立體渲染、單幀多機(jī)并行渲染、單機(jī)多進(jìn)程渲染、邊工作邊渲染等的設(shè)置和管理,支持7×24 h的渲染服務(wù)。

2.4 應(yīng)用效能

(1) 傳統(tǒng)PC模式建設(shè)的實(shí)驗(yàn)室受干擾因素少,單機(jī)性能穩(wěn)定。但由于更新維護(hù)需要逐臺(tái)操作,多系統(tǒng)共存時(shí),維護(hù)工作量=系統(tǒng)數(shù)×機(jī)器數(shù)。因而,難以實(shí)現(xiàn)因?qū)I(yè)、年級(jí)、教師、課程等的不同,而定制不同的教學(xué)軟件環(huán)境,往往需要有所遷就,對(duì)教學(xué)效果造成了一定的影響,實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放更是難以實(shí)現(xiàn)。

(2) 云桌面模式利用虛擬化技術(shù),變傳統(tǒng)PC的“緊耦合”結(jié)構(gòu)為“松耦合”結(jié)構(gòu),“松開(kāi)”了應(yīng)用與其使用者之間的緊密捆綁,更新維護(hù)不再需要像傳統(tǒng)PC模式那樣逐臺(tái)操作,定制和維護(hù)不同的教學(xué)軟件環(huán)境輕而易舉,既可以輕松地為不同教師部署不同的教學(xué)環(huán)境,又可以為不同專業(yè)的學(xué)生安裝相同軟件的不同版本,保障了教學(xué)實(shí)驗(yàn)的效果。

在云桌面模式下,還可以根據(jù)需求對(duì)服務(wù)器計(jì)算資源實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分配和平衡,充分發(fā)揮服務(wù)器高性能計(jì)算資源的優(yōu)勢(shì)來(lái)提高工作效率,特別體現(xiàn)在動(dòng)漫創(chuàng)作時(shí)的3D圖形設(shè)計(jì)、動(dòng)畫(huà)建模、渲染和影視后期非線性編輯等工作方面。云桌面維護(hù)過(guò)程不間斷實(shí)驗(yàn),使實(shí)驗(yàn)室全面開(kāi)放成為可能。

然而,對(duì)于沒(méi)有差異化請(qǐng)求、滿負(fù)荷的常規(guī)實(shí)踐教學(xué),服務(wù)器計(jì)算資源均分,單個(gè)用戶端的計(jì)算性能若要達(dá)到單機(jī)的性能,就必須大幅增加服務(wù)器的投入。

(3) 無(wú)盤網(wǎng)絡(luò)模式的系統(tǒng)維護(hù)和更新工作量=系統(tǒng)數(shù),與云桌面模式一致。而且用戶機(jī)的所有運(yùn)算都依靠自身的CPU和內(nèi)存性能,服務(wù)器上使用固態(tài)硬盤,配合比機(jī)械硬盤讀寫(xiě)速度更快的千兆局域網(wǎng)時(shí),其運(yùn)行速度比有盤時(shí)更快。

2.5 安全穩(wěn)定性

動(dòng)漫創(chuàng)作實(shí)驗(yàn)室對(duì)數(shù)據(jù)安全和硬件穩(wěn)定性要求較高,因而在建設(shè)時(shí)選用了穩(wěn)定性較高的工作站。

(1) 數(shù)據(jù)安全性方面主要涉及到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全和防止病毒破壞兩個(gè)方面。服務(wù)器在存儲(chǔ)的容錯(cuò)、冗余機(jī)制上有成熟的技術(shù)保障,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全性高。針對(duì)動(dòng)漫創(chuàng)作實(shí)驗(yàn)教學(xué)所需的大量實(shí)驗(yàn)素材,服務(wù)器端存儲(chǔ)具有數(shù)據(jù)讀寫(xiě)方便快捷、安全可靠,還具有存儲(chǔ)容量上的優(yōu)勢(shì)。云桌面由于云服務(wù)器的高性能,最具優(yōu)勢(shì)。云桌面和無(wú)盤網(wǎng)絡(luò)可以隨時(shí)更新安全補(bǔ)丁,系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)降到最低。而且由于客戶機(jī)均以鏡像形式運(yùn)行,讀寫(xiě)分離。即使發(fā)現(xiàn)感染病毒,只需遠(yuǎn)程對(duì)客戶機(jī)進(jìn)行關(guān)機(jī),云桌面進(jìn)行桌面的刪除、重構(gòu)操作就可以清除病毒。無(wú)盤網(wǎng)絡(luò)更簡(jiǎn)單，刪除回寫(xiě)文件即可清除病毒。

(2) 云桌面和無(wú)盤網(wǎng)絡(luò)一旦遭遇服務(wù)器端硬件故障或網(wǎng)絡(luò)故障,整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作即刻停頓。為避免教學(xué)工作停頓,就需要進(jìn)行服務(wù)器的備份,無(wú)盤網(wǎng)絡(luò)由于對(duì)服務(wù)器需求不高而很容易實(shí)現(xiàn),云桌面則由于高昂的服務(wù)器價(jià)格,使備份顯得較為困難。而傳統(tǒng)PC同時(shí)出現(xiàn)硬件故障的概率幾乎為零,零星故障對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的影響不大。

3 思考與建議

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)資金的投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于需求,既要保障需求越來(lái)越高的實(shí)踐教學(xué),又要滿足逐年增長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放需求,就必須充分整合現(xiàn)有資源,通過(guò)技術(shù)改造,形成資源配置與服務(wù)的集約化發(fā)展途徑,構(gòu)建穩(wěn)定可靠、低成本的服務(wù)模式。

3.1 綜合對(duì)比圖示

對(duì)采用傳統(tǒng)PC技術(shù)、無(wú)盤網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和云技術(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及改造的實(shí)例,通過(guò)實(shí)際使用效果、管理維護(hù)難度、系統(tǒng)和軟硬件故障對(duì)實(shí)踐教學(xué)的影響程度等方面對(duì)比,進(jìn)行綜合分析,得出如圖1所示的綜合對(duì)比。

圖1 三種技術(shù)模式綜合對(duì)比

3.2 云桌面技術(shù)的優(yōu)劣

云桌面技術(shù)打破了傳統(tǒng)PC的層次結(jié)構(gòu),使“層”之間編程邏輯上的“緊耦合”關(guān)系變成“松耦合”,從而突破了設(shè)備、操作系統(tǒng)的限制,利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)又突破了地域限制,用戶可以在任何地方通過(guò)任何設(shè)備靈活地訪問(wèn)相同的桌面。云桌面技術(shù)有著移動(dòng)性、便捷性、可擴(kuò)展性強(qiáng)、管理方便、運(yùn)維成本低等諸多優(yōu)勢(shì)。

然而,通過(guò)對(duì)云桌面技術(shù)用于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的成本構(gòu)成進(jìn)行分析,不難發(fā)現(xiàn),服務(wù)器的投入成本約占總成本的50%～80%,性能要求越高,服務(wù)器成本占比越大。非服務(wù)器投入部分,桌面終端+顯示器+虛擬化軟件授權(quán)的投入是相對(duì)固定的,與性能要求基本無(wú)關(guān),但是這些投入已經(jīng)與傳統(tǒng)PC模式下的主流PC的投入相當(dāng)。而在建設(shè)規(guī)模不大的情況下,運(yùn)維成本又與投入極少的無(wú)盤網(wǎng)絡(luò)模式基本相當(dāng)。

3.3 無(wú)盤網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推廣

針對(duì)無(wú)盤網(wǎng)絡(luò)改造對(duì)服務(wù)器要求低、容易實(shí)施且實(shí)際維護(hù)管理效果好,計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心對(duì)原有的服務(wù)器資源進(jìn)行了改造、整合,充分利用虛擬化技術(shù),依照實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)配,使用部分改造后的服務(wù)器就滿足了原有的所有功能,將剩余的服務(wù)器用做計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室的無(wú)盤網(wǎng)絡(luò)改造,大大地簡(jiǎn)化了維護(hù)工作、提高了使用率,緩解了資金投入和實(shí)驗(yàn)室數(shù)量偏少的壓力。計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心已明確將無(wú)盤網(wǎng)絡(luò)技術(shù)定位為未來(lái)實(shí)驗(yàn)室改造和建設(shè)的優(yōu)選方案。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè),無(wú)盤網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無(wú)疑是一種投入適合、管理維護(hù)方便、應(yīng)用效能高、安全穩(wěn)定性強(qiáng)的解決方案,可以得到大力推廣。云桌面技術(shù)由于需要高昂的服務(wù)器投入,應(yīng)當(dāng)屬于一種“基礎(chǔ)設(shè)施”建設(shè),是面向更廣范圍需求的服務(wù)提供,而非針對(duì)個(gè)別實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)投入。云計(jì)算技術(shù)作為最先進(jìn)的技術(shù),在時(shí)機(jī)成熟時(shí)必將成為主流技術(shù),云計(jì)算的發(fā)展和推廣離不開(kāi)其所借助的先進(jìn)的商業(yè)模式,因此,要想成功,就必須走商業(yè)化的道路,一個(gè)合理的,強(qiáng)大的云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)并非是一般高校所能承受的,應(yīng)當(dāng)引入市場(chǎng)化的路線,由專業(yè)公司投入運(yùn)營(yíng),高校只是按需購(gòu)買其服務(wù)。隨著技術(shù)的發(fā)展和硬件成本的降低,云桌面技術(shù)將得到更快的推廣和應(yīng)用。

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