開放云解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理難題

文/胡騰 李燕紅 宋鳳英

實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)環(huán)境管理的問題

如今信息化和智能化技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用越來越普遍，尤其是經(jīng)管類學(xué)校中的實(shí)驗(yàn)課程更加依托于計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。隨之帶來的問題是國內(nèi)大多數(shù)高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)算環(huán)境還停留在大量物理計(jì)算機(jī)階段，它的管理和維護(hù)問題越來越突出。

首先，實(shí)體計(jì)算機(jī)所需要的物理空間分布過大而且固定，不利于參與者的使用和維護(hù)。對(duì)于高校的學(xué)生和教師來說，每個(gè)人必須要到固定的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操作，課程需要大量的教室空間資源。同時(shí)，對(duì)于高校的管理人員，這樣的實(shí)驗(yàn)課程環(huán)境意味著一旦出現(xiàn)問題將很難被定位。更嚴(yán)重的情況下，如果物理計(jì)算機(jī)集群出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)病毒或者部分被植入木馬，都很難被解決。重新部署實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)環(huán)境將是十分繁重的重復(fù)勞動(dòng)，為了降低此類運(yùn)維工作并控制未知風(fēng)險(xiǎn)，必須引入虛擬化技術(shù)進(jìn)行解決。

同一臺(tái)物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境一次只能運(yùn)行一個(gè)固定的操作系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件資源配置幾乎不可能動(dòng)態(tài)改變，造成了大量計(jì)算資源的浪費(fèi)。隨著實(shí)驗(yàn)課程的深入，不同的課程需要引入不同的實(shí)驗(yàn)軟件環(huán)境，使得大量的軟件、數(shù)據(jù)和文檔需要被存儲(chǔ)在同一臺(tái)物理環(huán)境之下，造成實(shí)驗(yàn)環(huán)境分類更加困難，同時(shí)對(duì)硬件要求越來越高。系統(tǒng)的冗余垃圾不斷積累，注冊(cè)表會(huì)存在大量無用的配置信息。隨著時(shí)間推移，物理實(shí)驗(yàn)機(jī)器整體性能將會(huì)嚴(yán)重滯后，影響正常的教學(xué)活動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)物理集群管理本身是業(yè)界的一個(gè)大問題。隨著統(tǒng)一管理軟件的出現(xiàn)，自動(dòng)化運(yùn)維與無人值守的引入一定程度上解決了部分管理問題。然而，由于高校環(huán)境使用的復(fù)雜性和高并發(fā)性，一方面，定制和維護(hù)管理軟件系統(tǒng)的成本極高，另一方面，隨著需求的不斷變化，管理系統(tǒng)將會(huì)逐漸滯后于使用的現(xiàn)實(shí)情況。

綜上，高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的管理問題是由于大量物理計(jì)算資源的引入造成的。如何降低管理成本以及運(yùn)維人力是現(xiàn)在高校亟待解決的問題。技術(shù)革新使得虛擬化技術(shù)大量應(yīng)用于高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，在一定程度上降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的管理成本。然而，虛擬化技術(shù)本身以及與高等實(shí)驗(yàn)教育相結(jié)合的過程中又帶來了新的問題。大量的技術(shù)引進(jìn)和新型概念對(duì)于傳統(tǒng)教育行業(yè)來說并不是良藥，虛擬化技術(shù)如何真正解決高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境所帶來的實(shí)際問題，值得我們探討和解決的。

開放云實(shí)驗(yàn)計(jì)算平臺(tái)概念及特點(diǎn)

開放云實(shí)驗(yàn)計(jì)算平臺(tái)是對(duì)外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)自主研發(fā)的一套輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)計(jì)算平臺(tái)對(duì)基于HTML5的WebRDP協(xié)議進(jìn)行了修改和封裝，并結(jié)合對(duì)外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)的情況和已有運(yùn)維管理經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行開發(fā)，目的是為了更好地輔助教師進(jìn)行教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)，幫助運(yùn)維人員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程管理。該平臺(tái)基于服務(wù)器虛擬化技術(shù)，將高校實(shí)驗(yàn)課程所需要的服務(wù)器硬件資源構(gòu)成一個(gè)大的資源池，對(duì)所使用的資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，同時(shí)封裝整體計(jì)算資源，進(jìn)行同一IP地址接入，減少了外部交互，使得整個(gè)平臺(tái)完全被封裝，易于使用和運(yùn)維。

在過去的一段實(shí)際的教學(xué)之中，通過在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，也間接反饋了這種新型教學(xué)模式在高校應(yīng)用中的廣泛性和創(chuàng)新性。

網(wǎng)頁訪問無需客戶端安裝

首先，為了更好地輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，中心虛擬化教學(xué)平臺(tái)采用了B/S(Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)，學(xué)生學(xué)習(xí)、教師教學(xué)以及運(yùn)維人員進(jìn)行平臺(tái)管理都只需要同一IP地址入口進(jìn)入平臺(tái)。這需要操作系統(tǒng)能在主流瀏覽器之中進(jìn)行顯示與交互，目前只有HTML5技術(shù)支持這種解決方案。由于學(xué)生學(xué)習(xí)大部分采用的是Windows系統(tǒng)，在虛擬化技術(shù)之中屬于較困難的全虛擬化技術(shù)。WebRDP不同于半虛擬化的遠(yuǎn)程VNC協(xié)議，如何通過此協(xié)議傳輸?shù)匠Ｓ玫臑g覽器之中并正確顯示成了最大的問題?；贖TML5的WebRDP技術(shù)可以說是此解決方案的核心思想和最重要技術(shù)，解決了頁面在瀏覽器傳輸問題之后，本平臺(tái)相對(duì)于傳統(tǒng)虛擬化解決方案的優(yōu)勢才能顯示出來。不用受限于物理環(huán)境的限制，極大地提高了開放云實(shí)驗(yàn)計(jì)算平臺(tái)的核心競爭力。目前支持Chrome、Firefox、Safari及IE等主流瀏覽器，并提供自適應(yīng)瀏覽器大小的功能。帶來的好處有，學(xué)生和教師只需要訪問一個(gè)固定地址就能訪問到屬于自己的實(shí)驗(yàn)計(jì)算資源。虛擬化技術(shù)不僅突破了傳統(tǒng)的教學(xué)物理空間和學(xué)習(xí)環(huán)境的限制，而且使得教與學(xué)的過程可以分布在不同的物理環(huán)境之下。由于很少受到機(jī)器本身的限制，使得課下繼續(xù)實(shí)驗(yàn)成為可能。

B/S結(jié)構(gòu)的提出可以幫助解決大量客戶端安裝的問題，同時(shí)也能節(jié)省大量的開發(fā)成本。而開放云實(shí)驗(yàn)計(jì)算平臺(tái)應(yīng)用了此框架結(jié)構(gòu)，不僅僅只是為了解決客戶端所帶來的問題，同時(shí)對(duì)于高校新型實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建提出了新的解決方案。省去了客戶端部署，可以利用高校傳統(tǒng)的多媒體教室加上有邊界的無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建特殊的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

由于現(xiàn)在智能終端的普及，學(xué)生可以完全在傳統(tǒng)的多媒體實(shí)驗(yàn)室通過自己的手持設(shè)備訪問到開放云實(shí)驗(yàn)計(jì)算平臺(tái)之中屬于自己的虛擬計(jì)算環(huán)境內(nèi)，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建的成本，解決了機(jī)房資源不足的問題，同時(shí)將傳統(tǒng)課堂之中知識(shí)的傳授變成技能熟練度的訓(xùn)練行為，成熟以后可以在傳統(tǒng)多媒體教室完成技能訓(xùn)練的考試等。

高校人力運(yùn)維成本最小化

開放云實(shí)驗(yàn)計(jì)算平臺(tái)的需求定位之一是大幅度降低運(yùn)維與管理成本。平臺(tái)投入運(yùn)行的結(jié)果證明平臺(tái)系統(tǒng)的安裝零成本、運(yùn)維零成本、使用零成本。開放云實(shí)驗(yàn)計(jì)算平臺(tái)的出現(xiàn)降低了對(duì)外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)管理人員的運(yùn)維成本，使得管理和教學(xué)集成在一個(gè)入口點(diǎn)，通過權(quán)限設(shè)計(jì)分開，簡單和方便。

為了解決成本問題，中心對(duì)開源框架Django進(jìn)行了開發(fā)，系統(tǒng)所包含的管理思想對(duì)于整體的管理十分重要。因?yàn)榭刂坪凸芾硐到y(tǒng)直接面向用戶，是教師和學(xué)生使用體驗(yàn)、能否省去運(yùn)維管理人員的人力成本是重要的一個(gè)選項(xiàng)。管理人員通過平臺(tái)系統(tǒng)的集中管理就可以操作所有的教室虛擬機(jī)器，同時(shí)更容易修復(fù)虛擬機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)的各類問題。

開放云實(shí)驗(yàn)計(jì)算平臺(tái)通過大量的程序編寫，將主要功能全部通過簡單的鼠標(biāo)操作進(jìn)行封裝，系統(tǒng)中集成了大量的操作功能，并盡可能封裝成了簡單的鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作，使得實(shí)際使用中能有更好的用戶體驗(yàn)。

學(xué)生使用時(shí)間更加合理

開放云實(shí)驗(yàn)計(jì)算平臺(tái)主要通過面向高校實(shí)驗(yàn)課程預(yù)約管理和課程自動(dòng)化輪循使用來實(shí)現(xiàn)。實(shí)際教學(xué)過程中，課程數(shù)的增加必然給服務(wù)器帶來更大的負(fù)載壓力，如何充分使用服務(wù)器的性能成為節(jié)省成本的重要因素之一。開放云實(shí)驗(yàn)計(jì)算平臺(tái)采用課程輪循調(diào)度的方式，使得加入的實(shí)驗(yàn)課程在設(shè)定好的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)啟動(dòng)或者關(guān)閉，完全成為了自動(dòng)化的程序。管理人員的一次加入，使得后續(xù)課程完全由機(jī)器進(jìn)行托管，整個(gè)平臺(tái)優(yōu)先保證課程正常運(yùn)行。

為服務(wù)器資源得到充分使用，學(xué)生更好地管理學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)時(shí)間，平臺(tái)上學(xué)生身份的可以對(duì)自己的虛擬機(jī)進(jìn)行預(yù)約使用。在固定的時(shí)間段內(nèi)，學(xué)生可以訪問到自己的機(jī)器資源，完成課程之后，平臺(tái)將自動(dòng)關(guān)閉此機(jī)器，并將釋放出來的硬件資源給予其他人進(jìn)行使用，平臺(tái)可以充分調(diào)度和使用教學(xué)資源，完成優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

開放云實(shí)驗(yàn)計(jì)算平臺(tái)具體應(yīng)用

開放云實(shí)驗(yàn)計(jì)算平臺(tái)從第一步創(chuàng)建起來都是圍繞實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行，在投入使用的過程中，隨時(shí)投入到實(shí)際課堂中，可以及時(shí)得到師生的反饋。結(jié)合開放云實(shí)驗(yàn)計(jì)算平臺(tái)的原生優(yōu)勢，平臺(tái)系統(tǒng)迅速應(yīng)用到了對(duì)外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)的實(shí)驗(yàn)課程之中，在收到師生好評(píng)的同時(shí)，也開辟了實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式新的模式。例如學(xué)校金融學(xué)院研究生課程，名為“Python在量化交易中的應(yīng)用”，課程需要配置完整的python環(huán)境，包括python2.7的解釋器、IPython環(huán)境、Sublime Text編輯器、繪圖軟件Visio、編程教育軟件Scratch等。安裝的軟件較多而且相對(duì)比較集中，在服務(wù)器中的Windows7系統(tǒng)上直接安裝壓縮模板并直接生成使用，不需要后續(xù)的分布安裝。

同時(shí)，由于人數(shù)增加的原因，此課程由46座教室調(diào)整到了64座大教室，開放云實(shí)驗(yàn)計(jì)算平臺(tái)中的虛擬機(jī)器無需像物理環(huán)境一樣重新部署。學(xué)生和教師的教學(xué)環(huán)境在物理環(huán)境的更換之后無縫平滑地過渡，沒有使實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程產(chǎn)生任何影響，同時(shí)管理員也沒有任何參與過程，節(jié)省重新安裝的人力開支。

平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)及核心技術(shù)

開放云實(shí)驗(yàn)計(jì)算平臺(tái)在硬件方面分為兩大部分，一部分是作為承載大規(guī)模虛擬機(jī)運(yùn)行的服務(wù)器，目前應(yīng)用的是Dell的R910，采用開源的虛擬化系統(tǒng)。另一部分作為承載各類核心服務(wù)和運(yùn)行所有程序的控制服務(wù)器，應(yīng)用的是托管的虛擬機(jī)。在操作系統(tǒng)方面，控制服務(wù)器采用的是Ubuntu 12.04 Server，而在R910之中XenServer 6.2版本。服務(wù)器虛擬化方面，由于主要承載教學(xué)進(jìn)行使用，目前支持各類Windows操作系統(tǒng)，同時(shí)也支持部分可視化Linux的需求使用。

系統(tǒng)功能及主要流程

圖1 功能視圖

在系統(tǒng)功能方面，虛擬化教學(xué)平臺(tái)解決方案旨在提供一個(gè)通用IP地址，通過權(quán)限設(shè)計(jì)的方式把管理員、教師、學(xué)生的三類用戶分別開來。對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)功能模塊主要包括對(duì)模板的管理和訪問、虛擬機(jī)組的管理和訪問、用戶信息和其他信息等。教師和學(xué)生的操作基本已訪問和申請(qǐng)為主，這也反映了開發(fā)人員簡潔明確且方便使用的思路。而對(duì)于運(yùn)維管理人員來說，其需要使用的功能更多也更加復(fù)雜，在功能方面包括四大類的功能模塊，每類功能模塊又分為更加細(xì)致的小型功能模塊。功能視圖如圖1所示：

其中，簡要介紹核心的兩大模塊，模板管理功能模塊和虛擬機(jī)組管理模塊。首先是模板管理模塊，模板是學(xué)生和教師虛擬機(jī)組批量創(chuàng)建的核心，通過對(duì)模板的克隆使得運(yùn)維管理人員可以迅速根據(jù)實(shí)際課堂需要?jiǎng)?chuàng)建對(duì)應(yīng)的虛擬機(jī)，而每臺(tái)虛擬機(jī)都包含此類課程所需要的全部軟件信息。所以，如何定制化一個(gè)模板和管理好已有的模板成為衡量系統(tǒng)是否成功的重要因素。虛擬化教學(xué)平臺(tái)在此提供了三個(gè)子模塊，分別是模板庫列表模塊、制作新模板模塊以及模板申請(qǐng)查看模塊，管理人員通過審核教師的申請(qǐng)課程信息，可以判斷出使用已有模板還是協(xié)助教師制作新的模板，制作完畢的模板存儲(chǔ)在模板庫列表之中，最后成為創(chuàng)建課程的原型。包含了教師的申請(qǐng)操作和管理人員的審批和制作操作，教師提出請(qǐng)求，管理員完成請(qǐng)求。

另一方面為虛擬機(jī)組管理模塊，虛擬機(jī)組是課程通過模板克隆出來的學(xué)生和教師虛擬機(jī)的統(tǒng)稱，而實(shí)際教學(xué)之中，學(xué)生和教師在各自的虛擬機(jī)中進(jìn)行操作，一個(gè)虛擬機(jī)組相當(dāng)于一個(gè)虛擬出的課堂。其中包含兩個(gè)重要模塊，一個(gè)是虛擬機(jī)組列表，虛擬機(jī)組列表可以顯示不同課程對(duì)應(yīng)的所有虛擬機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，管理員可以隨時(shí)去操作相關(guān)的虛擬機(jī)，比如集體的開關(guān)機(jī)、重啟和刪除等操作。虛擬機(jī)組的操作在管理課堂行為的同時(shí)，可以節(jié)省大量的服務(wù)器硬件資源供其他課程使用。

平臺(tái)服務(wù)器硬件要求

開放云實(shí)驗(yàn)計(jì)算平臺(tái)系統(tǒng)要求相對(duì)于物理環(huán)境較低，由于所有的虛擬機(jī)都建立中心的服務(wù)器之上，所以對(duì)于整體的系統(tǒng)來說，服務(wù)器水平是虛擬機(jī)系統(tǒng)能否成功而有效部署的瓶頸。一般來說，搭建大規(guī)模教學(xué)環(huán)境的服務(wù)器所需要的硬件水平市場是基本沒有能夠達(dá)到此高要求的。

所以，對(duì)于多臺(tái)服務(wù)器做成的是一個(gè)集群系統(tǒng)，共同配合工作。服務(wù)器的具體的配置根據(jù)虛擬機(jī)數(shù)量進(jìn)行變更，由于實(shí)現(xiàn)了增量硬盤和內(nèi)存動(dòng)態(tài)分配的技術(shù)，相對(duì)的服務(wù)器瓶頸在于CPU的工作效率和網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制。例如一臺(tái)Windows7需要至少2G內(nèi)存和24G硬盤，10臺(tái)就會(huì)消耗20G內(nèi)存和240G的硬盤容量?？紤]本機(jī)服務(wù)器虛擬化系統(tǒng)資源占用、硬盤和內(nèi)存技術(shù)優(yōu)化、冗余備份等增減要求，一般24G內(nèi)存和300G硬盤容量的服務(wù)器就完全能夠滿足?？蛻舳说臋C(jī)器要求不高，一般能正常運(yùn)行的均可，因?yàn)樗匈Y源都是在服務(wù)器上進(jìn)行運(yùn)行。所以對(duì)于學(xué)生的物理設(shè)備能顯示、能通信和鼠標(biāo)鍵盤操作即可，這也是移動(dòng)設(shè)備就能滿足條件的原因。同時(shí)對(duì)于教學(xué)系統(tǒng)來說，集成的低端顯卡就可以滿足需求，對(duì)于其他環(huán)境可以自行增減設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)方面，由于虛擬機(jī)數(shù)量不同，服務(wù)器端的帶寬要求盡量是萬兆，客戶端百兆接入即可，目前學(xué)校的條件完全可以滿足。

現(xiàn)代的教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境應(yīng)在物理機(jī)器集群的基礎(chǔ)之上，配合桌面虛擬化的系統(tǒng)調(diào)度，應(yīng)用虛擬化推送以及服務(wù)器虛擬化的開放云實(shí)驗(yàn)計(jì)算之下，才能解決不斷出現(xiàn)新的教學(xué)環(huán)境問題?，F(xiàn)實(shí)中，可以采用一部分的虛擬化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，把物理機(jī)和虛擬機(jī)的使用結(jié)合起來，最終實(shí)現(xiàn)物理環(huán)境和虛擬環(huán)境無縫鏈接起來進(jìn)行教學(xué)使用，達(dá)到對(duì)高校教學(xué)信息化建設(shè)的最終目的。