基于云計算的計算機實踐教學平臺構(gòu)建研究

陳可新

（福州職業(yè)技術(shù)學院信息技術(shù)工程系 福建省福州市 350108）

對于需要使用學校計算機實驗室設備及軟件開展實踐教學的師生，開展線上教學存在的一個較大的問題就是因為電腦性能、平臺適配、軟件或數(shù)據(jù)缺乏等因素，在學生個人電腦上搭建部分課程的實踐環(huán)境不能完全滿足課程實踐教學要求，導致部分計算機相關(guān)課程教學實踐環(huán)節(jié)難以完成或者完成的效率較低。計算機實踐教學環(huán)境因在線教學的實施面臨重要挑戰(zhàn)，如何為學生在線學習提供良好的計算機實踐教學環(huán)境已成為在線教學實施過程中各院校計算機實踐教學環(huán)境建設的重大課題。

1 院校計算機實踐環(huán)境建設的問題

當前各院校計算機實踐教學環(huán)境建設過程中存在硬件投入不斷增加、設備資源利用率低、實驗室信息化管理水平不高等問題，以下分別簡要說明。

1.1 實踐環(huán)境硬件設備疲于升級

隨著當前計算機領域軟硬件技術(shù)不斷發(fā)展，特別是近幾年新一代信息技術(shù)的廣泛應用，各院校計算機專業(yè)課程根據(jù)相關(guān)專業(yè)崗位技能需求持續(xù)更新。隨著專業(yè)課程體系的更新升級，為滿足計算機相關(guān)課程實踐教學要求，課程實踐教學對實踐設備及軟件也提出更新升級要求。同時，隨著我國各行業(yè)信息化程度不斷提升，院校中不僅計算機相關(guān)專業(yè)需要使用計算機實踐操作環(huán)境，其它許多專業(yè)，如：財會、金融、電商甚至物流、汽車等專業(yè)，在課程教學的部分環(huán)節(jié)都需要使用計算機作為專業(yè)實踐教學的環(huán)境，高等院校計算機實驗室的使用需求和頻率不斷提升，部分計算機實驗室數(shù)量不太充足的院校有時無法完全滿足這些專業(yè)課程的計算機實踐教學要求。新的計算機實驗室建設需求以及對原有實驗室設備的更新給部分高等院校的實驗室建設經(jīng)費投入造成較大壓力，對于部分經(jīng)費不太充足的高校，如何在有限的經(jīng)費條件下更好的利用原有實驗室的設備資源成為這些院校計算機實踐教學環(huán)境建設的重要因素。

1.2 計算機實踐設備資源利用率低

當前，院校計算機實驗室出于安全及管理的因素，一般僅限于在課堂教學期間對學生開放使用，學生課后自主學習因缺乏實踐環(huán)境導致學習效果受到影響，實踐環(huán)境的缺乏以及繁瑣的配置操作也一定程度上降低了學生的學習積極性和學習效率。

1.3 實踐場所信息化管理水平需要提高

圖1：基于云計算的計算機實踐教學平臺總體架構(gòu)

目前高等院校的計算機實驗室日常管理中，很多還采用手工方式進行管理和登記，這不僅讓使用實驗室的師生覺得繁瑣、低效，對于實訓場所管理而言，效果也是差強人意，不利于及時匯總統(tǒng)計實踐資源運行使用數(shù)據(jù)。當然，也有部分院校實驗室管理部門意識到上述問題，引入實驗室信息管理系統(tǒng)，一定程度上可以幫助管理人員了解實驗室使用基本情況，但是對于實驗室中實踐資源的精細化管理仍然存在缺陷，實驗室的硬軟件資源無法充分整合利用。同時，在實踐設備出現(xiàn)故障時，可能無法及時發(fā)現(xiàn)并進行調(diào)整維護，如果無法在設備出現(xiàn)故障時及時處理，將嚴重影響相關(guān)課程實踐教學的開展[1]。此外，部分計算機實驗室的設備型號和性能不同，也加大了日常實踐設備維護管理的難度。

2 基于云計算的計算機實踐教學平臺構(gòu)建

針對上面提到的當前院校計算機教學中實驗室使用和管理中存在的諸多缺問題，通過構(gòu)建一個基于云計算的計算機實踐教學平臺（以下簡稱實踐教學云平臺），可以較好的解決上述院校中計算機實驗室使用和管理中存在的相關(guān)問題。

2.1 云計算技術(shù)簡介

2.1.1 云計算技術(shù)及其特點

云計算描述了一種基于網(wǎng)絡的新IT 服務的增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯(lián)網(wǎng)來提供動態(tài)易擴展而且經(jīng)常是虛擬化的資源。通過搭建云計算平臺，系統(tǒng)可以把計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡資源及軟件資源按需提供給需要的用戶或設備。云計算是繼個人計算機和互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)以來的第三次IT 領域的重大變革，在IT 系統(tǒng)部署中采用云計算方式不僅降低了系統(tǒng)的運營成本，還將讓人們的生活變得更加便捷。在院校計算機實驗室的使用和管理中應用云計算技術(shù)，將在降低實驗室建設成本的同時，極大提升實訓設備及軟件資源的利用率。

云計算作為一種新的互聯(lián)網(wǎng)服務方式，按其服務模式劃分，主要可以分為：基礎設施即服務（Infrastructure as a Service，IaaS）、平臺即服務（Platform as a Service，PaaS）和軟件即服務（Software as a Service，SaaS）。IaaS 基礎設施及服務主要指系統(tǒng)為用戶提供IT 系統(tǒng)運行所需的計算、存儲、網(wǎng)絡等資源，并根據(jù)用戶對資源的實際使用量或占用量進行計費的一種服務模式。PaaS 平臺及服務主要指系統(tǒng)為用戶提供基本的操作系統(tǒng)平臺或用戶軟件開發(fā)及運行所需的開發(fā)、運行和測試環(huán)境等。SaaS 軟件及服務主要指將用戶所需要的的應用系統(tǒng)部署在云平臺，用戶通過網(wǎng)絡可以隨時的訪問并獲得相關(guān)軟件系統(tǒng)的功能[2]。

2.1.2 OpenStack 簡介

OpenStack 是近年來在公共云、私有云及混合云領域廣泛使用、功能強大的開源云計算平臺。OpenStack 旨在通過一種易于實施、可大規(guī)模擴展且提供強大功能的方式，為各種不同類型的云計算基礎平臺構(gòu)建提供解決方案[3]。作為最具代表性的IaaS 開源云計算平臺之一，當前已有超過100 家企業(yè)組織（包括國內(nèi)華為、中興、浪潮等多家知名IT 企業(yè)），以及超過1000 名開發(fā)者加入OpenStack社區(qū)項目開發(fā)。

OpenStack 平臺由一系列相互關(guān)聯(lián)的組件構(gòu)成，它將計算、存儲、網(wǎng)絡等功能設計成各個服務組件，彼此之間通過松散耦合的方式組合在一起，為云計算基礎架構(gòu)平臺的搭建提供一套完整的管理方法和工具。OpenStack 平臺的核心組件服務包括：Keystone、

Glance、Nova、Neutron、Horizon、Cinder、Swift、Trove、Heat、Centimeter 等10 個核心項目，這些組件分別實現(xiàn)云平臺的身份認證、鏡像管理、資源分配、網(wǎng)絡管理、管理接口、塊存儲、對象存儲、數(shù)據(jù)庫管理、資源編排、計費監(jiān)控等功能。

2.2 基于云計算的計算機實踐教學平臺設計

基于云計算的計算機實踐教學平臺設計時，首先基于實踐環(huán)境中的服務器硬件部署云計算基礎架構(gòu)平臺，如：可以基于開源云平臺軟件Openstack 或其它成熟的云計算平臺軟件，為計算機課程實踐教學提供計算及存儲資源分配的基礎平臺，并通過對云平臺提供的API 接口進行二次開發(fā)，為高校師生個性化的計算機實踐云資源分配提供個性化服務，以下以OpenStack 為例簡要說明云計算平臺部署及API 接口的開發(fā)方法。

2.2.1 云計算基礎架構(gòu)平臺構(gòu)建思路

OpenStack 是一個分布式系統(tǒng)，在平臺部署時，可以將不同的服務組件進行分布式部署，這樣極大地提高了系統(tǒng)部署的靈活性、伸縮性和高可用性。同時用戶在使用OpenStack 搭建部署云計算平臺時，可根據(jù)需要自主選用需要的組件，而不需要安裝所有的組件。

2.2.2 基于云計算的計算機實踐教學平臺架構(gòu)設計

基于云計算的院校計算機實踐教學平臺的總體架構(gòu)包含三個層次，包括：物理設備及軟件資源層、云計算資源管理層和實踐教學云平臺應用層，平臺總體架構(gòu)如圖1 所示。

（1）物理設備及軟件資源層。本層次包含校園教學云平臺運行所需服務器集群、大容量存儲設備、高速網(wǎng)絡設備以及開展相關(guān)課程實踐教學所需的軟件及數(shù)據(jù)資源，該層將為為校園教學云平臺的運行提供計算、存儲、網(wǎng)絡、軟件（含數(shù)據(jù)）等資源支撐。

（2）云計算資源管理層。本層次通過在實驗室服務器集群等硬件設備上部署OpenStack 云計算平臺，實現(xiàn)實驗室硬軟件及存儲資源的虛擬化及池化管理，為用戶訪問云平臺上各項資源提供接口，同時為上層用戶提供API 編程接口服務實現(xiàn)平臺上計算、存儲等資源分配管理的二次開發(fā)。

（3）實踐教學云平臺應用層。本層次為校園用戶的云實踐資源分配使用提供使用和管理界面，允許用戶通過校園網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，以多種方式訪問校園教學云平臺，管理和使用課程教學所需的云實踐資源。應用系統(tǒng)主要包括應用系統(tǒng)用戶注冊和登錄管理模塊、教學云平臺管理員用戶的系統(tǒng)運維管理模塊、教師用戶的云實踐資源管理模塊以及學生用戶的操作使用模塊等。

2.3 基于云計算的計算機實踐教學平臺開發(fā)

作為一個基于Web 的云平臺應用系統(tǒng)，計算機實踐教學云平臺的用戶注冊登錄及系統(tǒng)運維管理等模塊的開發(fā)與常規(guī)的Web 應用系統(tǒng)并無太大的差別。以下以平臺云主機實例創(chuàng)建為例說明云平臺應用系統(tǒng)的開發(fā)方法。

2.3.1 云平臺用戶身份驗證

OpenStack 為用戶提供功能強大的API 編程接口，只要在應用程序開發(fā)中導入程序所需API 接口的相關(guān)功能模塊，如用戶在云平臺的身份認證需要導入Openstack 的Keystone 相關(guān)模塊，并調(diào)用Keystone 認證模塊的API 接口實現(xiàn)身份認證，代碼如下所示：

2.3.2 創(chuàng)建云平臺主機實例

云平臺主機實例是用戶獲得平臺實踐資源的關(guān)鍵，用戶通過系統(tǒng)身份認證后，可以根據(jù)其平臺權(quán)限及需要創(chuàng)建云主機實例。云主機創(chuàng)建成功后，用戶可登錄云主機實例完成課程的相關(guān)實踐操作，用戶創(chuàng)建云主機實例的基本流程如圖2 所示。

系統(tǒng)調(diào)用API 接口獲取實例創(chuàng)建所需資源的代碼如下，此處以cirros 鏡像為例。

系統(tǒng)調(diào)用API 接口方法創(chuàng)建實例，以及獲取并更新實例創(chuàng)建狀態(tài)的代碼如下：

執(zhí)行上述代碼將可以在系統(tǒng)界面中看到云主機實例創(chuàng)建后的狀態(tài)信息，如實例創(chuàng)建成功，用戶可以通過連接工具登錄到云主機實例，在云主機執(zhí)行相關(guān)操作就如同在本地計算機中完成操作一樣。相對于學生自行配置課程實踐環(huán)境存在的硬件軟件等諸多問題，通過云平臺可快速獲得課程實踐環(huán)境及相關(guān)資源，極大提升計算機課程實踐教學的效率。

3 結(jié)語

當前，各高等院校信息化管理不斷推進，智慧校園建設也方興未艾，基于云計算的高校計算機云實踐教學服務平臺的應用，以其更低的建設成本、更高的實驗室設備利用率、更靈活的實踐資源訪問方式、以及更完備的課程實踐教學數(shù)據(jù)支撐，必將與當前社會生活各領域中云計算技術(shù)的廣泛應用一樣，成為未來高校計算機實踐教學環(huán)境建設的主流方向。云計算正以其不受時間、空間限制的使用便利性，和高度可伸縮的彈性機制為高校師生提供高效的計算機實踐教學資源服務，也為高校實驗室信息化和智能化建設提升提供了強有力的支持。