基于校園私有云的高校經(jīng)管實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建與研究

孫力　郭立

摘要：為了改進(jìn)傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)管理方式，高效利用現(xiàn)有資源，解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)環(huán)境部署復(fù)雜、資源利用率低等方面的問題，分析基于校園私有云的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，提出建設(shè)經(jīng)管實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺(tái)的新模式，并結(jié)合學(xué)院實(shí)際給出“服務(wù)器虛擬化”的詳細(xì)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。通過該教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)施，以達(dá)到整合實(shí)驗(yàn)中心及全院虛擬實(shí)驗(yàn)資源的目的，既有利于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室管理水平，又減少了硬件采購成本。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算;私有云;虛擬化;實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）03-0069-03

0 引言

互聯(lián)網(wǎng)已進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代——“云時(shí)代”。云計(jì)算的核心思想是將大量用網(wǎng)絡(luò)連接的計(jì)算資源集中起來形成一個(gè)計(jì)算資源池，通過統(tǒng)一管理和調(diào)度給用戶提供優(yōu)質(zhì)的按需服務(wù)。校園私有云就是基于云計(jì)算技術(shù)的校園信息化工程，使用云計(jì)算和云存儲(chǔ)技術(shù)來搭建的教學(xué)資源共享平臺(tái)，為學(xué)校管理者和老師提供優(yōu)質(zhì)教育教學(xué)資源，為學(xué)生提供便捷的學(xué)習(xí)環(huán)境。

近些年來經(jīng)管類專業(yè)擴(kuò)招迅猛，隨之而來的就是國內(nèi)高校經(jīng)管類實(shí)驗(yàn)室建設(shè)突飛猛進(jìn)。從最開始的建設(shè)機(jī)房，學(xué)習(xí)軟件，慢慢的擴(kuò)展到ERP沙盤經(jīng)營、商科仿真實(shí)訓(xùn)等內(nèi)容，實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地及資源需求也越來越大。目前，國內(nèi)高校的經(jīng)管類實(shí)驗(yàn)室在運(yùn)行中普遍存在著以下問題：

（1）實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本高、應(yīng)用低效。經(jīng)管類實(shí)驗(yàn)室普遍按學(xué)科分類設(shè)置，使得實(shí)驗(yàn)室功能單一、管理分散，造成設(shè)備重復(fù)購置，利用率低下。

（2）實(shí)驗(yàn)室開放受時(shí)間與地點(diǎn)的限制。實(shí)驗(yàn)室地點(diǎn)及開放時(shí)間固定，無法達(dá)到開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。

（3）實(shí)驗(yàn)環(huán)境部署不便，重復(fù)工作量大。為了滿足日常教學(xué)的需求，需要經(jīng)常更新實(shí)驗(yàn)室的軟、硬件，使得維護(hù)量增大。

（4）實(shí)驗(yàn)室存在安全隱患。實(shí)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)設(shè)備在使用過程中往往會(huì)因?yàn)锳RP攻擊、病毒入侵等原因而頻繁癱瘓，影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的正常進(jìn)行。

（5）實(shí)驗(yàn)室對(duì)外開放力度不夠。實(shí)驗(yàn)室普遍對(duì)外開放力度不夠，為企業(yè)與社會(huì)服務(wù)的能力有待提升。

1 信息化技術(shù)在學(xué)院經(jīng)管實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

教育與信息化的結(jié)合帶動(dòng)了現(xiàn)代教育的發(fā)展，我國于2010年7月頒布了《國家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）》，明確提出“建立開放靈活的教育資源公共服務(wù)平臺(tái)，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)教育資源普及共享”的指導(dǎo)方針。2012年3月教育部印發(fā)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2010-2020）》，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了“實(shí)施優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源建設(shè)是推進(jìn)教育信息化的基礎(chǔ)工程和關(guān)鍵環(huán)節(jié)”，其中明確提出了“建設(shè)教育云資源平臺(tái)。”

近些年來，我院高度重視信息化建設(shè)工作，從2011年起，學(xué)院依據(jù)數(shù)字化校園建設(shè)需要，遵循“采用新興技術(shù)、整合現(xiàn)有資源、構(gòu)建集約化信息平臺(tái)”的原則，在信息化改造方面投入資金近500萬，大大提升了學(xué)院信息化水平。學(xué)院目前已建成萬兆高速骨干校園網(wǎng)絡(luò)，校園網(wǎng)接入教學(xué)與辦公用計(jì)算機(jī)近3500臺(tái)、服務(wù)器40余臺(tái)。與此同時(shí)我院作為一所經(jīng)管類專業(yè)為主的學(xué)校長(zhǎng)期以來一直高度重視經(jīng)管類實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，2008年建成經(jīng)濟(jì)管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心并逐步開展經(jīng)管類實(shí)驗(yàn)教學(xué)與改革工作。2013年我院經(jīng)濟(jì)管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心被評(píng)為甘肅省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，中心現(xiàn)擁有各類實(shí)驗(yàn)室面積3600平米，各類實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件20余套，建有金融綜合實(shí)驗(yàn)室、國際貿(mào)易綜合實(shí)驗(yàn)室、ERP沙盤模擬實(shí)驗(yàn)室、工商管理綜合實(shí)驗(yàn)室、會(huì)計(jì)電算化實(shí)驗(yàn)室、會(huì)計(jì)多功能仿真實(shí)驗(yàn)室、電子商務(wù)綜合實(shí)驗(yàn)室及商科綜合仿真實(shí)訓(xùn)中心。

服務(wù)器、計(jì)算機(jī)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的增加大大改善了學(xué)院經(jīng)管類專業(yè)的實(shí)訓(xùn)條件，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也慢慢由軟件的學(xué)習(xí)慢慢擴(kuò)展到企業(yè)綜合仿真和虛擬社會(huì)等內(nèi)容。但傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)信息化建設(shè)面臨的最大問題就是分散，所有實(shí)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)均為獨(dú)立模式，教學(xué)資源與實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能保存在本地硬盤;所有服務(wù)器均分散在各個(gè)實(shí)驗(yàn)室，每臺(tái)服務(wù)器只安裝一兩個(gè)實(shí)驗(yàn)軟件，遠(yuǎn)沒有達(dá)到充分利用的狀態(tài)，常常出現(xiàn)有課時(shí)服務(wù)器資源不夠用，沒課時(shí)服務(wù)器斷電“睡大覺”的尷尬局面。這種分散的建設(shè)模式使得我院信息化實(shí)驗(yàn)資源出現(xiàn)了利用率低，重復(fù)建設(shè)以及管理成本居高不下的問題。2017年，學(xué)院信息中心聯(lián)合經(jīng)濟(jì)管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心先后實(shí)施了部分服務(wù)器及桌面計(jì)算機(jī)的虛擬化工作，通過虛擬化技術(shù)的應(yīng)用不但加快了新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的運(yùn)行，提高了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的可靠性，而且還使得我院實(shí)驗(yàn)設(shè)備的采購成本大大降低。

2 基于私有云的經(jīng)管實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建

為了改進(jìn)傳統(tǒng)的經(jīng)管類實(shí)驗(yàn)管理方式，高效利用實(shí)驗(yàn)資源，解決傳統(tǒng)經(jīng)管類實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)環(huán)境部署復(fù)雜、安全隱患多等方面的問題，本文提出建設(shè)基于校園私有云下的經(jīng)管類實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的全新思路，并結(jié)合“虛擬化”技術(shù)，構(gòu)建具有資源集中、共享、動(dòng)態(tài)配置等優(yōu)勢(shì)的經(jīng)管類實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，希望有效解決高校經(jīng)管類實(shí)驗(yàn)室資源利用率低、管理困難等問題，達(dá)到整合實(shí)驗(yàn)資源的目的，讓實(shí)驗(yàn)資源更好地為教學(xué)工作服務(wù)。

2.1 校園私有云整體架構(gòu)

校園私有云是將云基礎(chǔ)設(shè)施與軟硬件資源建立在學(xué)校內(nèi)部，其服務(wù)對(duì)象僅限于校內(nèi)老師和學(xué)生。校園私有云支持動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)底層基礎(chǔ)架構(gòu)與業(yè)務(wù)的分離，使各種資源得到統(tǒng)一規(guī)劃與分配。學(xué)院各部門無需單獨(dú)采購硬件設(shè)備，只需要根據(jù)自身的需求申請(qǐng)“云資源”，然后在云平臺(tái)上實(shí)施自己的業(yè)務(wù)與應(yīng)用，而底層資源的采購、維護(hù)及監(jiān)控等問題拋給信息中心即可，校園私有云平臺(tái)整體架構(gòu)如圖1所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)資源虛擬化

虛擬化是實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的前提條件之一，虛擬化環(huán)節(jié)的目的是將服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)整合為若干可動(dòng)態(tài)分配的資源池，用戶在獲得某種應(yīng)用功能的同時(shí)，也獲得了實(shí)現(xiàn)這種功能所必需的而且被優(yōu)化的資源，“功能”加“資源”聚合為服務(wù)的形式來提供。

服務(wù)器虛擬化通常有兩種典型架構(gòu)，分別為寄居架構(gòu)和裸金屬架構(gòu)。寄居架構(gòu)就是在操作系統(tǒng)之上安裝和運(yùn)行虛擬化程序，依賴于主機(jī)操作系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的支持和物理資源的管理。裸金屬架構(gòu)就是直接在硬件上面安裝虛擬化軟件，再在其上安裝操作系統(tǒng)和應(yīng)用，依賴虛擬層內(nèi)核和服務(wù)器控制臺(tái)進(jìn)行管理。

學(xué)院服務(wù)器虛擬化選用了主流的VMware虛擬化技術(shù)，首先采購了配置相同的6臺(tái)X86服務(wù)器并安裝上了VMware ESXI Server，搭建出經(jīng)管類實(shí)驗(yàn)服務(wù)器集群，使用VMware vSphere Client對(duì)ESXI主機(jī)進(jìn)行管理維護(hù)。通過對(duì)服務(wù)器進(jìn)行虛擬化，一臺(tái)服務(wù)器被虛擬出多個(gè)虛擬機(jī)，每個(gè)虛擬機(jī)可安裝一套不同的實(shí)驗(yàn)用教學(xué)軟件。

為了充分發(fā)揮VMware下DRS、HA、vMotion等功能，讓虛擬機(jī)能夠游離于服務(wù)器群集下的不同ESXI主機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)最終應(yīng)用負(fù)載均衡和系統(tǒng)維護(hù)計(jì)劃，我們?cè)O(shè)計(jì)了FC SAN和iSCSI兩種存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于讀寫I/O要求高的部分應(yīng)用部署到了FC SAN存儲(chǔ)設(shè)備上，其余的應(yīng)用都部署到了iSCSI存儲(chǔ)上。存儲(chǔ)虛擬化后，每個(gè)虛擬機(jī)的文件系統(tǒng)都可以創(chuàng)建在共享的存儲(chǔ)陣列上。

通過對(duì)服務(wù)器進(jìn)行虛擬化，大大減少了學(xué)院經(jīng)管實(shí)驗(yàn)中心日常開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)所需服務(wù)器的數(shù)量。采用存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)系統(tǒng)的集中、統(tǒng)一、方便的管理。將數(shù)據(jù)保存在虛擬存儲(chǔ)設(shè)備中可通過快照、鏡像、復(fù)制等服務(wù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)軟件的快速遷移。虛擬服務(wù)器及虛擬存儲(chǔ)資源均可根據(jù)需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)擴(kuò)展和配置，運(yùn)用虛擬化技術(shù)可達(dá)到資源的充分利用。

2.3 PaaS（平臺(tái)即服務(wù)）構(gòu)建

從技術(shù)角度來講，云計(jì)算可以分為四層：HaaS（硬件即服務(wù)）、IaaS（基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）、PaaS（平臺(tái)即服務(wù)）和SaaS（軟件即服務(wù)）。

本文所研究的服務(wù)于高校經(jīng)管實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的校園私有云平臺(tái)，主要以IaaS和PaaS為主，提供PaaS服務(wù)。學(xué)生進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)所需的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、實(shí)驗(yàn)軟件價(jià)格昂貴，而且部署這些應(yīng)用需要花大量的時(shí)間。平臺(tái)除了將物理資源通過虛擬化共享給實(shí)驗(yàn)用戶外，還為實(shí)驗(yàn)用戶提供具備實(shí)驗(yàn)所需的運(yùn)行和管理環(huán)境的平臺(tái)層服務(wù)。平臺(tái)通過VMware vCenter Server可將常用的虛擬機(jī)及其實(shí)驗(yàn)軟件環(huán)境導(dǎo)出為模板，在需要時(shí)將模板導(dǎo)入即可將進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的軟硬件環(huán)境提供給用戶使用。

該平臺(tái)所具備的服務(wù)功能如圖2所示，平臺(tái)層的基礎(chǔ)部分是操作系統(tǒng)，平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)用戶提供的操作系統(tǒng)有：Linux、Windows Server 2003、Windows Server 2008;提供的數(shù)據(jù)庫有SQL Server、MySQL、 Oracle;在應(yīng)用服務(wù)方面，提供了各種經(jīng)管類實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件及常用辦公軟件。

2.4 平臺(tái)工作流程設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)用戶開展實(shí)驗(yàn)前需要提交實(shí)驗(yàn)申請(qǐng)，申請(qǐng)內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)所需要的實(shí)驗(yàn)軟件、CPU資源、內(nèi)存資源、硬盤資源及實(shí)驗(yàn)資源的使用時(shí)間等。

信息中心作為管理部門在審核申請(qǐng)后為實(shí)驗(yàn)用戶分配所需的實(shí)驗(yàn)資源，管理員使用VMware vCenter Server創(chuàng)建虛擬機(jī)，并分配CPU、內(nèi)存、硬盤等相關(guān)資源，與此同時(shí)管理員也可通過將常用的虛擬機(jī)模板導(dǎo)入快速完成實(shí)驗(yàn)用戶需要的實(shí)驗(yàn)環(huán)境的配置。實(shí)驗(yàn)資源分配后，實(shí)驗(yàn)用戶通過網(wǎng)絡(luò)就可使用這些資源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用戶實(shí)驗(yàn)的時(shí)間、地點(diǎn)不受限制。與此同時(shí)管理員可以實(shí)時(shí)對(duì)資源使用情況進(jìn)行監(jiān)控，動(dòng)態(tài)的為實(shí)驗(yàn)用戶增加相應(yīng)的資源。如果服務(wù)器在實(shí)驗(yàn)過程中突然出現(xiàn)故障，還可以進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)遷移，最大化地降低故障對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)間結(jié)束后，管理員會(huì)將實(shí)驗(yàn)資源回收并分配給其他實(shí)驗(yàn)用戶，平臺(tái)工作流程如圖3所示。

3 應(yīng)用效果分析

經(jīng)過試用云架構(gòu)下的經(jīng)管實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)比現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）降低了經(jīng)管類實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)成本、提高了實(shí)驗(yàn)用軟硬件的利用率，校內(nèi)的各個(gè)實(shí)驗(yàn)軟件無需單獨(dú)配備高性能的服務(wù)器和存儲(chǔ)，師生需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)向云平臺(tái)申請(qǐng)資源即可，大大提高了資源的利用率。

（2）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)部署簡(jiǎn)便，可大大簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)環(huán)境的部署流程，減少實(shí)驗(yàn)所需的準(zhǔn)備時(shí)間。與此同時(shí)還可減少實(shí)驗(yàn)室的管理人員，降低學(xué)校的人力成本和管理成本。

（3）實(shí)驗(yàn)時(shí)間不受實(shí)驗(yàn)室時(shí)間及實(shí)驗(yàn)室地點(diǎn)的限制，只要是在申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)資源的使用期限內(nèi)，實(shí)驗(yàn)用戶可以通過校園網(wǎng)在任何時(shí)間及地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（4）可以實(shí)現(xiàn)整合高校實(shí)驗(yàn)資源，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)開放性的目的，在提升開放性的基礎(chǔ)上逐步釋放高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，充分體現(xiàn)高校的社會(huì)服務(wù)價(jià)值。

（5）響應(yīng)政府提倡的“節(jié)約型社會(huì)”、“節(jié)能減排”等理念，降低設(shè)備采購量，解決現(xiàn)階段存在的高耗能、高成本、低效率問題。

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Construction and Research of Experimental Teaching Platform of University Economic Management Based on Campus Private Cloud

SUN Li1， GUO Li2

（1.Longqiao College of Lanzhou University of Finance And Economics，Lanzhou Gansu 730101;

2.Lanzhou modern vocational College，Lanzhou Gansu? 730050）

Abstract：In order to improve the traditional teaching experiment management mode， efficiently utilize the existing resources， solve the problems existing in the traditional experimental teaching， such as complex deployment of the platform environment and low resource utilization， we analyze the advantages of the experimental teaching platform based on the campus private cloud， A new mode of building a management experiment teaching cloud platform is proposed， and a detailed architecture design of "server virtualization" is made in combination with the actual situation of the college. Through the design and implementation of the teaching experiment platform， the effect of integrating the experimental center and the virtual experimental resources of the whole college has been achieved， which not only helps to improve the experimental teaching and laboratory management level， but also reduces the cost of hardware procurement.

Key words：cloud computing;private cloud;virtualization;experimental platform