分層構(gòu)建“以學(xué)生為中心”的計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)云平臺(tái)

梁慧娜，周勁樺，洪文圳

(廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，廣東 廣州 510507)

2016年9月廣東省在全國率先啟動(dòng)一流高職院校建設(shè)項(xiàng)目，廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院被確立為廣東省一流高職院校建設(shè)計(jì)劃立項(xiàng)建設(shè)單位。學(xué)院有計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室50多間，計(jì)算機(jī)3 000多臺(tái)，是學(xué)生的重要實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。現(xiàn)所有計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室都是采用傳統(tǒng)的單機(jī)組網(wǎng)的方式構(gòu)建，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和軟件的管理維護(hù)采用的是保護(hù)卡還原技術(shù)，在有效保護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)免受破壞的同時(shí)，也對學(xué)生使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)造成了眾多約束。云計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用可有效突破這些約束，讓計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，為構(gòu)建“以學(xué)生為中心”的個(gè)人專屬計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)提供了技術(shù)保障。

1 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的局限性

1.1 學(xué)生不能保存實(shí)訓(xùn)資料及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室使用還原卡可使計(jì)算機(jī)免受病毒、誤操作等破壞，有效地保證計(jì)算機(jī)軟件的完好率，但這也使得教師、學(xué)生的資料無法保存。雖然現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)上有很多公用網(wǎng)盤可免費(fèi)使用，但在校內(nèi)上外網(wǎng)的速度較慢且不穩(wěn)定，所以學(xué)生完成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本只能用U盤拷貝，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。有的軟件數(shù)據(jù)需從系統(tǒng)中導(dǎo)出保存，下次上課時(shí)再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入才可繼續(xù)操作；有些軟件使用每次都要進(jìn)行初始化設(shè)置。

1.2 學(xué)生連續(xù)性的實(shí)訓(xùn)環(huán)境難以保證

有的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目具有連續(xù)性，需要多次實(shí)訓(xùn)才能完成，甚至有的實(shí)訓(xùn)是貫穿整個(gè)學(xué)期的。前一次的實(shí)訓(xùn)是后一次實(shí)訓(xùn)的基礎(chǔ)，環(huán)環(huán)相扣，這時(shí)只能解除還原卡，否則無法進(jìn)行實(shí)訓(xùn)。失去了還原保護(hù)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)損壞率非常高。這類實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目如果多個(gè)班同時(shí)使用相同的計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，會(huì)相互干擾。

1.3 實(shí)訓(xùn)體驗(yàn)度差

計(jì)算機(jī)有很多專業(yè)課程需要進(jìn)行多系統(tǒng)的配置操作，破壞性實(shí)訓(xùn)，還要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組建、服務(wù)器搭建等?，F(xiàn)云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)也逐漸成為計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的必備專業(yè)技能之一。但現(xiàn)在缺少真實(shí)的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，很多實(shí)訓(xùn)只能在操作系統(tǒng)中嵌套安裝虛擬機(jī)或模擬軟件上進(jìn)行，學(xué)生真實(shí)感和體驗(yàn)度差，實(shí)訓(xùn)效果不好。

1.4 硬件資源分散，軟件系統(tǒng)維護(hù)慢

為了滿足多樣化的教學(xué)需求，現(xiàn)每臺(tái)計(jì)算機(jī)安裝了多個(gè)操作系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)安裝不同的軟件，使得計(jì)算機(jī)的硬件資源較為分散，系統(tǒng)反應(yīng)緩慢。軟件安裝維護(hù)采用克隆方法，耗時(shí)較長?？寺『煤?，個(gè)別軟件還需單獨(dú)逐臺(tái)機(jī)進(jìn)行設(shè)置才可使用。因部分計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室空閑時(shí)間少，學(xué)期中需加裝某個(gè)軟件也非常困難。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)崩潰只能重新克隆系統(tǒng)，即使是一臺(tái)機(jī)，同樣需要幾個(gè)小時(shí)，不能馬上恢復(fù)。

1.5 實(shí)訓(xùn)地點(diǎn)分散

不同實(shí)訓(xùn)室安裝的軟件不同，同一臺(tái)計(jì)算機(jī)不同系統(tǒng)安裝的軟件也不同。實(shí)訓(xùn)室排課時(shí)需考慮該實(shí)訓(xùn)室安裝的軟件、使用的老師及學(xué)生，實(shí)訓(xùn)室的空閑時(shí)間，排課較為分散。學(xué)生有時(shí)上完兩節(jié)課就需要換實(shí)訓(xùn)室。教師有時(shí)上同一門課也需要更換實(shí)訓(xùn)室，適應(yīng)不同的設(shè)備。

1.6 實(shí)訓(xùn)資源向?qū)W生開放共享困難

除了完成正常教學(xué)中的實(shí)訓(xùn)外，許多學(xué)生都希望能在課余時(shí)間有更多的機(jī)會(huì)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)。但因?qū)嵱?xùn)室承擔(dān)的教學(xué)任務(wù)重，無法同時(shí)開放多個(gè)實(shí)訓(xùn)室供學(xué)生使用。如果只開放某個(gè)實(shí)訓(xùn)室供學(xué)生使用，又因不同班級不同專業(yè)的學(xué)生需要使用的軟件不一樣，難以滿足所有學(xué)生的需要。

2 云計(jì)算在構(gòu)建計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中的優(yōu)勢

隨著近年云計(jì)算的成熟發(fā)展，為計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的管理提供了新的構(gòu)建模式，使其管理更為簡便高效，更重要的是能為學(xué)生提供完善的個(gè)性化實(shí)訓(xùn)環(huán)境。

云計(jì)算通俗地說就是將服務(wù)器、存儲(chǔ)服、寬帶等所有計(jì)算資源集中起來形成一個(gè)資源池，根據(jù)用戶的需求靈活配置資源，再通過網(wǎng)絡(luò)交付給最終用戶使用[1]。云桌面運(yùn)用了云計(jì)算的這一思想，通過虛擬化技術(shù)在服務(wù)器上創(chuàng)建多個(gè)虛擬主機(jī)，用戶終端通過以太網(wǎng)連接到服務(wù)器上的虛擬主機(jī)[2-3]。所有運(yùn)算、存儲(chǔ)都在云桌面后臺(tái)(即云端)進(jìn)行，用戶通過客戶端經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送請求和獲取結(jié)果，客戶端可以是臺(tái)式PC、筆記本電腦、平板、手機(jī)等終端設(shè)備。云平臺(tái)管理員可非常便捷地在云端部署操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序等資源[4]。計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)云平臺(tái)部署架構(gòu)如圖1所示。

圖1 計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)云平臺(tái)部署架構(gòu)圖

云計(jì)算的技術(shù)特點(diǎn)可以有效改變傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室還原克隆技術(shù)所帶來的局限性，構(gòu)建基于云桌面的計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，可為學(xué)生提供更具個(gè)性化的專屬計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)環(huán)境。

2.1 可保存數(shù)據(jù)和進(jìn)行連續(xù)性實(shí)訓(xùn)，提供真實(shí)的實(shí)訓(xùn)環(huán)境

在云平臺(tái)中，學(xué)生通過客戶機(jī)使用自己的賬號(hào)、密碼登錄到屬于自己的云桌面，進(jìn)行各種實(shí)訓(xùn)，所有數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都保存在云儲(chǔ)存中，下次登錄進(jìn)去可在上次的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，有效解決了資料無法保存的問題，并提供了連續(xù)性的實(shí)訓(xùn)環(huán)境。當(dāng)需要使用不同的操作系統(tǒng)時(shí)，可為學(xué)生開設(shè)多個(gè)賬號(hào)，不同賬號(hào)進(jìn)入不同的操作系統(tǒng)，非常方便。

云平臺(tái)建成后，還能為計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的云計(jì)算相關(guān)課程提供真實(shí)的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，不再需在虛擬機(jī)或模擬軟件中進(jìn)行，實(shí)訓(xùn)效果好。

2.2 提供個(gè)性化實(shí)訓(xùn)環(huán)境，軟件安裝簡單，系統(tǒng)修復(fù)快捷

學(xué)生使用的云桌面可由云平臺(tái)管理員為其進(jìn)行個(gè)性化定制，將其需要使用的軟件進(jìn)行匯集，學(xué)生無論何地，只要登錄到自己的云桌面，都能進(jìn)入專屬的實(shí)訓(xùn)環(huán)境。

云平臺(tái)管理員通過服務(wù)器控制中心管理成百上千的虛擬桌面，所有的軟件安裝、更新、打補(bǔ)丁都只需要更新一個(gè)“基礎(chǔ)鏡像”就可以了[5]。由原來對幾十、幾百臺(tái)電腦的管理變?yōu)閷着_(tái)服務(wù)器的管理。安裝軟件在服務(wù)器端進(jìn)行，不需占用實(shí)訓(xùn)室大片的時(shí)間。萬一學(xué)生因?yàn)檎`操作導(dǎo)致虛擬機(jī)損壞，系統(tǒng)崩潰，只需要幾分鐘重新生成一個(gè)虛擬機(jī)即可，使學(xué)生的實(shí)訓(xùn)環(huán)境得到有效保障。

2.3 實(shí)訓(xùn)地點(diǎn)不受安裝的軟件約束

學(xué)生實(shí)訓(xùn)課的安排不再受實(shí)訓(xùn)室所安裝軟件的限制，只要能連上云端的實(shí)訓(xùn)室即可。無論在哪個(gè)實(shí)訓(xùn)室上課，學(xué)生通過賬號(hào)登錄到自己的云桌面，獲取的計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)都是一樣的。

2.4 更好地為學(xué)生提供開放性實(shí)訓(xùn)資源

有了云平臺(tái)，實(shí)訓(xùn)資源開放變得十分簡單，只要為學(xué)生提供任意的云機(jī)房即可，如果校園網(wǎng)的網(wǎng)速達(dá)到要求，學(xué)生在宿舍就可用自己電腦接入獲取屬于自己的云桌面[6]。

計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)云平臺(tái)除了能有效解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室的局限性外，還有以下3個(gè)方面的優(yōu)勢。

1)資金投入。

雖然其在初建時(shí)比傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室需要的資金更多，但傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室的計(jì)算機(jī)3～4年就需更新?lián)Q代，而計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)云平臺(tái)只需要增加服務(wù)器擴(kuò)充云端資源池即可，客戶端不需要更換，如果學(xué)生自帶筆記本電腦作為客戶端，則更能節(jié)省資金[7]。

2)耗能。

云桌面實(shí)訓(xùn)室將比傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室用電量大大減少，節(jié)能很多[8]。

3)正版軟件的使用。

只需在云端的服務(wù)器上安裝正版軟件即可，無需在每臺(tái)終端計(jì)算機(jī)上安裝，大大減少了需安裝正版軟件的數(shù)量。

計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)云平臺(tái)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的比較如表1所示。

表1 計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)云平臺(tái)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的比較

3 計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)云平臺(tái)的分層改建

現(xiàn)已有眾多學(xué)校建成或正在籌建基于云桌面的計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，這是大勢所趨，但也不能急于求成，將現(xiàn)有計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)推翻全部重建，應(yīng)充分利用現(xiàn)有軟硬件資源分層逐步改建，先小范圍試點(diǎn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，再擴(kuò)大規(guī)模全校推廣，讓越來越多的學(xué)生受惠。

3.1 硬件方面

計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)云平臺(tái)硬件方面主要由云端服務(wù)器、客戶端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成[9]。

1)云端服務(wù)器。

服務(wù)器需新購，可通過多臺(tái)高性能服務(wù)器搭建云端資源池，保證同時(shí)接入一定數(shù)量的客戶端使用。之后可不斷添加服務(wù)器，擴(kuò)充資源池，以支持更多的客戶端。

2)客戶端設(shè)備。

對現(xiàn)有計(jì)算機(jī)進(jìn)行分類規(guī)劃，在充分利用硬件資源的基礎(chǔ)上完成客戶端的配備。

①新的高配置計(jì)算機(jī)的使用。

新的高配置計(jì)算機(jī)不使用云端資源，讓其充分發(fā)揮自身的硬件優(yōu)勢，用于運(yùn)行大型軟件，突顯其性能。因?yàn)榇笮蛙浖枰倪\(yùn)算資源和存儲(chǔ)資源都比較大，云計(jì)算的資源是通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?，大量的?shù)據(jù)傳遞會(huì)遇到網(wǎng)絡(luò)傳輸瓶頸問題。

②舊的低配計(jì)算機(jī)的使用。

計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)云平臺(tái)對客戶端設(shè)備的硬件要求極低，只要能開機(jī)進(jìn)入操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)或云終端盒子即可。對于大部分使用了3年以上的低配電腦，可挑選硬件完好，運(yùn)行穩(wěn)定的作為客戶端接入。

③云終端盒子的使用。

舊的低配計(jì)算機(jī)中經(jīng)常出現(xiàn)藍(lán)屏、黑屏、死機(jī)等硬件故障的，基本沒有維修價(jià)值，可保留顯示器(一般顯示器的使用壽命比電腦主機(jī)長)，加購云終端盒子作為客戶端接入，云終端盒子價(jià)格比普通計(jì)算機(jī)要便宜很多，而且生命周期長。

④學(xué)生自備計(jì)算機(jī)的使用。

提供網(wǎng)絡(luò)接口，學(xué)生自備計(jì)算機(jī)作為客戶端使用。因?yàn)橛?jì)算機(jī)硬件更新?lián)Q代快，不斷地購買新計(jì)算機(jī)對學(xué)院財(cái)政支出是一大壓力?，F(xiàn)大學(xué)生一般都有自配筆記本電腦，可自帶作為客戶端接入云端獲取軟件實(shí)訓(xùn)環(huán)境。

3)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)云平臺(tái)受網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量影響較大[10]。云平臺(tái)可先在局域網(wǎng)中使用，將局域網(wǎng)建成千兆網(wǎng)絡(luò)，使用高性能的千兆交換機(jī)，高質(zhì)量的雙絞線連通，客戶端使用千兆網(wǎng)卡接入。同時(shí)加強(qiáng)校園網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，為計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)云平臺(tái)在校園內(nèi)的廣泛應(yīng)用發(fā)展提供網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

3.2 軟件方面

高配計(jì)算機(jī)主要用于安裝大型的軟件。云平臺(tái)通過虛擬化技術(shù)生成大量的虛擬機(jī)供低配計(jì)算機(jī)及其他客戶端接入使用[11]。因?qū)W院專業(yè)眾多，每個(gè)專業(yè)實(shí)訓(xùn)需使用的軟件各不相同，可根據(jù)每個(gè)專業(yè)對軟件的需求創(chuàng)建各專業(yè)虛擬機(jī)鏡像模板，然后根據(jù)使用的專業(yè)學(xué)生數(shù)批量生成虛擬機(jī)，學(xué)生使用個(gè)人賬號(hào)即可登錄到對應(yīng)的虛擬機(jī)獲取計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)資源。學(xué)生可自行在系統(tǒng)里加裝軟件，進(jìn)行各種個(gè)性化的設(shè)置，大膽地進(jìn)行各種配置、甚至破壞性實(shí)訓(xùn)，系統(tǒng)崩潰后只需在云平臺(tái)中花幾分鐘的時(shí)間，根據(jù)鏡像模板重新生成一臺(tái)虛擬機(jī)即可。因每個(gè)賬戶只能對應(yīng)一個(gè)虛擬機(jī)系統(tǒng)，如果學(xué)生實(shí)訓(xùn)需使用多個(gè)不同操作系統(tǒng)，可為其創(chuàng)建多個(gè)賬戶。

3.3 實(shí)施方面

1)試行階段。

考慮到云平臺(tái)還處于發(fā)展階段，其廣泛應(yīng)用還需逐步實(shí)現(xiàn)?？上荣徺I一定量的云計(jì)算服務(wù)器創(chuàng)建云資源池，先將低配電腦作為客戶端接入，獲取云桌面。高配電腦繼續(xù)沿用現(xiàn)有模式，等高配電腦已逐漸陳舊后，可增加云服務(wù)器，將原高配電腦作為客戶端加入云平臺(tái)。

2)擴(kuò)展階段。

云平臺(tái)進(jìn)行穩(wěn)定后，可大力推行學(xué)生自帶筆記本電腦進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，減少計(jì)算機(jī)的購買，這將是以后發(fā)展的趨勢。雖現(xiàn)學(xué)生已普遍擁有自己的計(jì)算機(jī)，但不能直接用于課程實(shí)訓(xùn)，因?yàn)殡y以解決軟件環(huán)境的搭建問題。學(xué)生自帶的電腦硬件配置不一樣，安裝的操作系統(tǒng)不一樣，操作系統(tǒng)的版本也不一樣，與課程實(shí)訓(xùn)所需的軟件可能不兼容，無法安裝。有些專業(yè)課程需要使用多個(gè)不同的操作系統(tǒng)，如LINUX，WIN SERVER等，學(xué)生自帶電腦難以同時(shí)安裝多個(gè)操作系統(tǒng)?，F(xiàn)機(jī)房的電腦都是采用批量克隆的方法安裝系統(tǒng)及軟件的，云平臺(tái)是根據(jù)模板批量生成虛擬機(jī)的，批量操作都比較快捷。而學(xué)生的筆記本電腦只能每臺(tái)單獨(dú)安裝系統(tǒng)、驅(qū)程、軟件，耗時(shí)非常長。在進(jìn)行一些配置性實(shí)訓(xùn)時(shí)容易引起系統(tǒng)崩潰，崩潰后重裝修復(fù)也較困難。大一和非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生計(jì)算機(jī)操作水平不高，如果課程實(shí)操軟件都需自己安裝完成會(huì)出現(xiàn)很多困難，由實(shí)訓(xùn)教師代為安裝，因人數(shù)眾多，也無法滿足要求。云平臺(tái)的應(yīng)用使這些問題都迎刃而解，無論學(xué)生自帶的筆記本電腦裝的是什么系統(tǒng)，只要通過瀏覽器或客戶端軟件，輸入賬號(hào)密碼就可以直接獲取到實(shí)訓(xùn)所需的系統(tǒng)和軟件。

建設(shè)初期服務(wù)器集群的資源有限，可只限于實(shí)訓(xùn)室局域網(wǎng)中提供接入端口。等服務(wù)器集群不斷擴(kuò)充有足夠的資源，校園網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施完善，網(wǎng)絡(luò)速度和穩(wěn)定性提升后，可在校園網(wǎng)內(nèi)提供接入端口。這樣學(xué)生無論在實(shí)訓(xùn)室、圖書館、宿舍等校園中任何地方，都可隨時(shí)接入云桌面獲取自己專屬的計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。

3)運(yùn)維管理。

計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)云平臺(tái)的應(yīng)用，由對每臺(tái)計(jì)算機(jī)的維護(hù)變成了對云端服務(wù)器集群的維護(hù)，一旦服務(wù)器出問題影響非常大，所以要做好穩(wěn)壓、災(zāi)備，以及防病毒、防攻擊等安全工作[12]。計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)云平臺(tái)的運(yùn)維技術(shù)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)平臺(tái)的技術(shù)完全不一樣，需要實(shí)訓(xùn)室管理員努力學(xué)習(xí)新技術(shù)，維護(hù)好整個(gè)云平臺(tái)，讓其最大程度地發(fā)揮其優(yōu)勢。

3 結(jié)束語

計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)云平臺(tái)以其技術(shù)優(yōu)勢，很好地解決了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的局限性，可為學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的、個(gè)性化的專屬計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)環(huán)境。雖各校還處于摸索階段，但只要分層有序地推廣并不斷完善，它將成為智慧校園的重要組成部分，為學(xué)生提供一流的計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)環(huán)境。