校園云上高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案

許 天，文敏華，羅 萱

（上海交通大學(xué)網(wǎng)絡(luò)信息中心，上海 200240）

0 引言

近年來，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展推動了高校信息化建設(shè)與改革，越來越多的高校開展了信息化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工程，將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。傳統(tǒng)方案基于物理設(shè)備，靈活性差、安全性難以保障，需要大量的人力及時間部署環(huán)境。云計(jì)算整合計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、軟件等資源，具備按需分配、獲取迅速、訪問便捷等特點(diǎn)，簡化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源管理工作，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率［1-5］。

很多高校開展了云上教學(xué)探索，在校園云平臺上以云基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)（Infrastructure as a Service，IaaS）實(shí)現(xiàn)物理資源在云上的虛擬化分配。文獻(xiàn)［6］針對高校教學(xué)中工程學(xué)科和商學(xué)科的實(shí)驗(yàn)仿真環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)云計(jì)算科研環(huán)境，滿足計(jì)算和存儲資源擴(kuò)展要求；文獻(xiàn)［7］結(jié)合硬件建設(shè)、云平臺建設(shè)、教學(xué)資源建設(shè)和信息化系統(tǒng)建設(shè)等4 個環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)一種云平臺實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)方案；文獻(xiàn)［8］以H3C CAS 云計(jì)算平臺搭建數(shù)據(jù)中心，在此基礎(chǔ)上探索虛擬實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)和虛擬實(shí)驗(yàn)室用戶平臺實(shí)現(xiàn)；文獻(xiàn)［9］提出在高校網(wǎng)絡(luò)中心現(xiàn)有計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等硬件設(shè)施基礎(chǔ)上，使用云服務(wù)提供商應(yīng)用軟件構(gòu)建云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺，以滿足大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要；文獻(xiàn)［10］基于OpenStack 框架搭建云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺，從教師初始配置、投資效費(fèi)比、實(shí)驗(yàn)室開放、教師實(shí)驗(yàn)管理和學(xué)生準(zhǔn)備時間5 個維度對云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺效果作綜合分析。

上述相關(guān)研究中，根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)課程要求對實(shí)驗(yàn)環(huán)境定制化部署，并以資源實(shí)際利用情況為依據(jù)進(jìn)行資源配置的彈性調(diào)整很難達(dá)成。出于實(shí)驗(yàn)室信息安全考慮，一般對實(shí)驗(yàn)環(huán)境的外網(wǎng)訪問和數(shù)據(jù)存放加以限制，對用戶實(shí)驗(yàn)造成不便。2020 年上半年受新型冠狀病毒疫情影響，各大高校紛紛采用遠(yuǎn)程線上教學(xué)模式。為滿足遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)需求，筆者基于校園云平臺設(shè)計(jì)并實(shí)施了計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)支持方案。該方案在實(shí)現(xiàn)云平臺基本計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲功能基礎(chǔ)上，以自主式用戶門戶和課程對應(yīng)項(xiàng)目等設(shè)計(jì)向用戶提供更為自由和便捷的使用方式，部署監(jiān)控系統(tǒng)以便于資源池容量和資源配置的動態(tài)調(diào)整，并通過安全管控保障自由使用方式下的信息數(shù)據(jù)安全。

1 傳統(tǒng)方案

針對計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，大多數(shù)高校建立了計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室并安排管理人員為實(shí)驗(yàn)課程提供統(tǒng)一開放的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。隨著個人電腦的普及和性價比提升，越來越多學(xué)生將個人電腦用于課程實(shí)驗(yàn)。但由于計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室資源擴(kuò)展性、使用靈活性、個人電腦的軟件環(huán)境配置、網(wǎng)絡(luò)共享等問題，將個人電腦用于實(shí)驗(yàn)課程會造成諸多不便［11-16］。

1.1 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室

（1）資源擴(kuò)展。計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室一般要求在建設(shè)初期對實(shí)驗(yàn)類型和規(guī)模進(jìn)行規(guī)劃，根據(jù)規(guī)劃內(nèi)容實(shí)施室內(nèi)裝修布線、選擇計(jì)算機(jī)型號、硬件配置和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。這樣的“統(tǒng)一式”規(guī)劃容易導(dǎo)致資源擴(kuò)展性較差，部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如模型仿真對計(jì)算機(jī)硬件配置有較高要求，實(shí)驗(yàn)室難以滿足該類實(shí)驗(yàn)需求。

（2）使用限制。計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室通常以課程為單位提前預(yù)定，當(dāng)學(xué)生數(shù)量較少時會造成資源閑置，學(xué)生數(shù)量較多時會超出單個實(shí)驗(yàn)室承載能力。因此，在課程較為集中的時間段容易產(chǎn)生資源緊張或資源利用率低的情況，且可用的實(shí)驗(yàn)時間段受到較為嚴(yán)格的限制。

（3）軟件環(huán)境。實(shí)驗(yàn)課程一般涉及到多種軟件，要求實(shí)驗(yàn)室管理員或?qū)嶒?yàn)教師在實(shí)驗(yàn)室多臺計(jì)算機(jī)上安裝，工作量大且耗時長，而后期的軟件版本更新同樣需要投入人力及時間維護(hù)［17-18］。

（4）管理維護(hù)。實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)向多名用戶開放，為保護(hù)個人數(shù)據(jù)隱私，通常會在使用后還原計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)硬盤，對用戶作業(yè)連續(xù)性造成影響。因此，很多用戶會利用移動存儲設(shè)備或網(wǎng)盤導(dǎo)入導(dǎo)出作業(yè)，由于計(jì)算機(jī)之間通常采用內(nèi)部局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這種方式容易造成病毒在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)傳播。

1.2 個人電腦

（1）軟件環(huán)境。相對于計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室需要為每臺物理計(jì)算機(jī)安裝軟件，由學(xué)生在自己的個人電腦上進(jìn)行軟件安裝可減少實(shí)驗(yàn)室管理員或課程助教工作。但由于個人電腦硬件型號配置、驅(qū)動程序、預(yù)裝插件等存在較大差異，經(jīng)常出現(xiàn)在某臺個人電腦上正常安裝運(yùn)行的軟件在其它個人電腦上無法安裝或運(yùn)行失敗的情況，這類問題增加了個人電腦用于計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)的難度。

（2）網(wǎng)絡(luò)連接。部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如多媒體、網(wǎng)絡(luò)通信分析模擬等要求實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的計(jì)算機(jī)處于同一局域網(wǎng)內(nèi)。個人電腦由于本地防火墻、校園網(wǎng)的安全設(shè)置等不支持這些功能。

2 校園云方案

2.1 方案概覽

校園云上計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境架構(gòu)如圖1 所示。云平臺基于虛擬化、軟件定義網(wǎng)絡(luò)等核心技術(shù)，對底層計(jì)算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源聚合統(tǒng)一管理，根據(jù)需求從資源池中分配相應(yīng)資源，集成鏡像、數(shù)據(jù)庫等服務(wù)模塊提高平臺定制化能力及數(shù)據(jù)管理分析能力。

圖1 云平臺計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境結(jié)構(gòu)

云平臺后端調(diào)用API 為前端提供服務(wù)，向授課教師和課程助教等對底層架構(gòu)不熟悉的用戶提供桌面化Web 界面服務(wù)窗口，實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置及資源管理可在界面上執(zhí)行，降低普通用戶在云平臺操作的復(fù)雜性。在云平臺管理上，設(shè)置性能監(jiān)控和安全檢測模塊，加強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的管控調(diào)整，滿足用戶硬件配置、網(wǎng)絡(luò)訪問需求。

2.2 基礎(chǔ)功能

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境所需要的硬件如計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源，由云基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)提供。每門課程的學(xué)生數(shù)量和資源需求量不同，云計(jì)算的虛擬化特色可將資源池中的資源分割，提供多種硬件配置模板（flavor），根據(jù)不同課程進(jìn)行資源合理分配?，F(xiàn)有資源的彈性伸縮可應(yīng)對實(shí)驗(yàn)課程在不同階段產(chǎn)生資源配置變動的需求。對于閑置的計(jì)算資源可通過云主機(jī)“擱置”功能暫時釋放，提高資源利用率［19-21］。

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室和個人電腦由于采用物理設(shè)備，硬件故障會造成服務(wù)不可用甚至數(shù)據(jù)丟失。云平臺采用高可用性設(shè)計(jì)，云主機(jī)在所在宿主機(jī)故障時自動遷移至其它宿主機(jī)重新啟動，保障業(yè)務(wù)連續(xù)性。存儲池設(shè)定三副本冗余方案，保證單塊硬盤故障不會影響用戶數(shù)據(jù)。由于單臺云主機(jī)對應(yīng)到學(xué)生或?qū)嶒?yàn)小組，不設(shè)置每次使用后還原數(shù)據(jù)盤策略，避免了實(shí)驗(yàn)后遺忘數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移造成的不便。

在云平臺服務(wù)（Platform as a Service，PaaS）層面，實(shí)驗(yàn)環(huán)境所需要的標(biāo)準(zhǔn)組件如操作系統(tǒng)、程序庫、運(yùn)行環(huán)境等以鏡像服務(wù)的方式提供給用戶，用戶在此基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容增加定制化組件。實(shí)驗(yàn)課程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)如課程項(xiàng)目、資源使用、資源利用、用戶操作日志等保存在數(shù)據(jù)庫中，利用這些數(shù)據(jù)對實(shí)驗(yàn)教學(xué)狀態(tài)、進(jìn)展和質(zhì)量進(jìn)行評價。

2.3 服務(wù)窗口

云平臺集成統(tǒng)一身份認(rèn)證，用戶以校內(nèi)統(tǒng)一身份認(rèn)證賬號或通過審批的注冊用戶賬號登陸云平臺控制臺門戶進(jìn)行自主式操作，如圖2 所示。每門實(shí)驗(yàn)課程對應(yīng)一個單獨(dú)的課程項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)教師可以加入到自己所在的課程項(xiàng)目下，對項(xiàng)目中的資源進(jìn)行配置調(diào)整和使用時間上的管理，各個課程項(xiàng)目間相互平行。為防止資源濫用，對每個課程項(xiàng)目可使用的資源總量采用配額限制，資源配額的擴(kuò)展需要發(fā)送工單并由云平臺管理員審批，并通過資源定價和計(jì)費(fèi)計(jì)量來控制資源的使用。

圖2 云平臺門戶界面

云平臺以云軟件服務(wù)（Software as a Service，SaaS）為部分已經(jīng)購入授權(quán)或開源的學(xué)科通用型軟件提供模板式部署，由模板創(chuàng)建的云主機(jī)預(yù)置對應(yīng)軟件的安裝，實(shí)驗(yàn)課程中需要使用到的其它軟件可在該基礎(chǔ)上增量安裝。首次完成了云主機(jī)部署后，可將云主機(jī)作為模板制作鏡像，對其它云主機(jī)統(tǒng)一、批量、自動化創(chuàng)建。針對工程學(xué)科實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中多種軟件的協(xié)同實(shí)驗(yàn)需求，云平臺的軟件模板和鏡像服務(wù)簡化了在軟件安裝和實(shí)驗(yàn)環(huán)境準(zhǔn)備中的復(fù)雜流程。

完成實(shí)驗(yàn)環(huán)境準(zhǔn)備后，實(shí)驗(yàn)教師將云主機(jī)的外網(wǎng)訪問方式、用戶名和密碼分配給學(xué)生，學(xué)生遠(yuǎn)程連接云主機(jī)登錄操作，并在本地客戶端或校內(nèi)超算平臺與云主機(jī)互傳數(shù)據(jù)或映射磁盤，無需接入移動存儲設(shè)備或使用網(wǎng)盤進(jìn)行數(shù)據(jù)搬遷工作。課程項(xiàng)目內(nèi)可將多臺云主機(jī)劃分至一個或多個內(nèi)網(wǎng)，便于實(shí)驗(yàn)小組內(nèi)文件共享和小組間相互隔離。

2.4 平臺管理

為保障校園云上計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的穩(wěn)定運(yùn)行，本文基于Zabbix 和Grafana 設(shè)計(jì)了監(jiān)控可視化模塊，云平臺運(yùn)維人員根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的資源負(fù)載情況做出資源池容量大小調(diào)整。課程項(xiàng)目下資源如CPU、內(nèi)存、磁盤IOPS、磁盤吞吐量、網(wǎng)絡(luò)流量的使用趨勢對教師可見，以便對實(shí)驗(yàn)進(jìn)展客觀分析，做出資源配置的動態(tài)調(diào)整。圖3 以云平臺CPU 分配量為例展示云平臺資源監(jiān)控，圖4 以云主機(jī)CPU 負(fù)載為例展示云主機(jī)參數(shù)監(jiān)控。

圖3 云平臺CPU 分配量監(jiān)控

圖4 云主機(jī)CPU 負(fù)載監(jiān)控

課程項(xiàng)目下設(shè)置安全組，默認(rèn)的安全組策略僅允許常用端口的訪問，降低受到網(wǎng)絡(luò)攻擊的可能性。此外，云平臺設(shè)置安全檢測模塊，以云主機(jī)為單位進(jìn)行自動化的周期性安全檢測，對存在的安全隱患如弱口令、軟件漏洞、非法進(jìn)程等信息通過郵件通知實(shí)驗(yàn)老師。

3 運(yùn)行成效

2020 年春季學(xué)期共有13 門實(shí)驗(yàn)課程在上海交通大學(xué)云平臺上開展。服務(wù)學(xué)生500 余名，累計(jì)使用到云主機(jī)551 臺，如圖5 所示。CPU 計(jì)算資源1750 核，存儲資源33.40 TB。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，單個學(xué)生的實(shí)驗(yàn)環(huán)境部署平均時間少于5 分鐘。

圖5 春季學(xué)期教學(xué)云主機(jī)數(shù)量變化

4 結(jié)語

針對高校傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案中存在的問題，本文提出校園云上的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，并就當(dāng)前相關(guān)研究中出現(xiàn)的難點(diǎn)如云計(jì)算實(shí)驗(yàn)環(huán)境定制化部署、資源動態(tài)調(diào)整、平衡使用便捷和數(shù)據(jù)安全的關(guān)系等作出優(yōu)化設(shè)計(jì)，旨在提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率與質(zhì)量。同時，隨著高校信息化教學(xué)的發(fā)展，如何在校園云上提供更豐富的教學(xué)支持方案，如實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理、實(shí)驗(yàn)報告一鍵式提交等，并與現(xiàn)有的云上實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案相整合，實(shí)現(xiàn)更為自動化和一體式的云上教學(xué)支持體系，將是下一步的研究方向。