云實(shí)驗(yàn)室在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

盧建良，徐偉

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥）

一 引言

計(jì)算機(jī)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科。實(shí)驗(yàn)室作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要場所，在學(xué)生培養(yǎng)過程中起到至關(guān)重要的作用，因此建設(shè)一個(gè)便捷、高效、靈活、穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)機(jī)房是每所高校計(jì)算機(jī)學(xué)科都需要面對的一個(gè)問題。有些國內(nèi)高校計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)機(jī)房多采用獨(dú)立PC的配置方式，每個(gè)實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)上配置一臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)備并安裝相應(yīng)的系統(tǒng)及軟件。在信息化飛速發(fā)展的今天，這種部署方式逐漸暴露出各種弊端，已經(jīng)很難滿足如今的教學(xué)需求[1-2]。對云實(shí)驗(yàn)室在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的設(shè)計(jì)與應(yīng)用以及與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相比的優(yōu)勢[3-6]進(jìn)行了介紹。

二 當(dāng)前現(xiàn)狀及建設(shè)目標(biāo)

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心在部署云實(shí)驗(yàn)室之前，給每位進(jìn)行計(jì)算機(jī)專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)的學(xué)生提供一臺(tái)獨(dú)立的PC，機(jī)器上面預(yù)裝了與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的工具軟件，機(jī)房結(jié)構(gòu)如圖2所示。以獨(dú)立PC為載體的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室存在以下明顯的弊端。

圖1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)機(jī)房結(jié)構(gòu)圖

圖2 云實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

第一：管理維護(hù)成本高。為滿足多變的實(shí)驗(yàn)課程需求，需要經(jīng)常增減軟件配置，甚至更換操作系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)室管理人員需要逐臺(tái)進(jìn)行機(jī)械重復(fù)的操作，雖然有網(wǎng)絡(luò)同傳等同步工具，但治標(biāo)不治本，造成了極大的管理及維護(hù)負(fù)擔(dān)。

第二：資源利用率低。不同課程對計(jì)算機(jī)的配置要求差別很大。為滿足所有課程的開展，計(jì)算機(jī)的配置需要足夠好，一旦無法滿足某些課程的需求，就要對計(jì)算機(jī)進(jìn)行更新?lián)Q代，造成了資源浪費(fèi)。

第三：數(shù)據(jù)遷移難度大。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)往往存儲(chǔ)在本地硬盤，當(dāng)次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后需要學(xué)生自己將數(shù)據(jù)保存到U盤或網(wǎng)盤等存儲(chǔ)介質(zhì)中，以便繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)環(huán)境的改變經(jīng)常導(dǎo)致代碼無法正確運(yùn)行。

第四：安全風(fēng)險(xiǎn)高。獨(dú)立PC往往缺乏專業(yè)的防火墻設(shè)備，很容易受到網(wǎng)絡(luò)病毒的攻擊，此外學(xué)生上機(jī)時(shí)也可能對系統(tǒng)造成破壞，因此存在很高的網(wǎng)絡(luò)安全隱患。

為克服以上諸多弊端，選擇了采用搭建云實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案。

三 云實(shí)驗(yàn)室方案的設(shè)計(jì)

如圖2所示，云實(shí)驗(yàn)室在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上主要?jiǎng)澐譃樵平淌液头?wù)器機(jī)房兩大部分。每個(gè)云教室內(nèi)有若干臺(tái)云終端，用于顯示桌面以及與用戶交互，云終端通過千兆網(wǎng)絡(luò)連接到本地交換機(jī)，并最終通過光纖連接到服務(wù)器機(jī)房內(nèi)的服務(wù)器，所有的運(yùn)算、存儲(chǔ)和服務(wù)都是在服務(wù)器機(jī)房內(nèi)的服務(wù)器集群上完成。

每套云教室終端包含運(yùn)行Linux內(nèi)核的嵌入式終端一臺(tái)（硬件配置如表1所示），19寸VGA液晶顯示器一臺(tái)，USB接口鍵盤鼠標(biāo)一套，嵌入式終端工作時(shí)的最大功耗不超過30W。

表1 嵌入式終端參數(shù)配置

終端啟動(dòng)時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)從機(jī)房加載云桌面系統(tǒng)，并顯示在顯示器上，用戶可通過鼠標(biāo)鍵盤與遠(yuǎn)程桌面進(jìn)行交互，還可以使用U盤進(jìn)行文件拷貝。

云終端支持系統(tǒng)管理員、授課教師及學(xué)生三種用戶角色登錄。系統(tǒng)管理員可通過云教室后臺(tái)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器管理、模板管理、桌面管理、終端管理、課程管理、系統(tǒng)管理、集群管理等功能。授課教師可通過教學(xué)管理軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)相關(guān)的一些內(nèi)容，如監(jiān)控學(xué)生屏幕、桌面演示、隨堂小考、收發(fā)文件、遠(yuǎn)程控制學(xué)生電腦等，可對同一網(wǎng)段內(nèi)的學(xué)生機(jī)進(jìn)行管理。云終端開機(jī)后自動(dòng)以學(xué)生賬戶登錄，運(yùn)行學(xué)生端教學(xué)管理軟件，終端操作系統(tǒng)對用戶完全透明，提供和物理PC無差別的桌面體驗(yàn)。

服務(wù)器機(jī)房依據(jù)《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50174-2008)B類標(biāo)準(zhǔn)建造，提供符合國際、國家各項(xiàng)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的可靠、高品質(zhì)的機(jī)房環(huán)境。機(jī)房內(nèi)的服務(wù)器資源構(gòu)成了服務(wù)器集群。

如圖3所示，服務(wù)器集群通過層次化的虛擬服務(wù)，首先由服務(wù)器和存儲(chǔ)陣列構(gòu)成了統(tǒng)一的虛擬化服務(wù)資源池，提供虛擬桌面、虛擬服務(wù)器、遠(yuǎn)程存儲(chǔ)等服務(wù)。上層程序在此基礎(chǔ)上通過進(jìn)一步的虛擬化，最終為用戶提供虛擬云桌面和虛擬應(yīng)用等服務(wù)。

圖3 服務(wù)器機(jī)房虛擬化架構(gòu)

圖3中，存儲(chǔ)陣列從物理上可以分為固態(tài)硬盤（SSD）和機(jī)械硬盤，固態(tài)硬盤能夠大大提升系統(tǒng)的I/O性能，保證了虛擬桌面流暢運(yùn)行以及在云終端上的高質(zhì)量顯示，機(jī)械硬盤采用RAID5陣列方式，保證了數(shù)據(jù)的安全性。

虛擬桌面服務(wù)器通過專用的虛擬化軟件按照系統(tǒng)設(shè)定的性能參數(shù)虛擬出預(yù)定數(shù)量的虛擬化機(jī)器。虛擬桌面支持多個(gè)系統(tǒng)模板，能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)定的課表，推送不同的系統(tǒng)模板到云教室的終端上。

虛擬服務(wù)器功能則能夠?yàn)楦鏖T課程提供獨(dú)立的服務(wù)器資源。計(jì)算機(jī)專業(yè)的多數(shù)課程實(shí)驗(yàn)都會(huì)用到服務(wù)器資源，但是不同課程對服務(wù)器的數(shù)量及配置要求千差萬別，為每門課程配置服務(wù)器則會(huì)造成巨大的資源浪費(fèi)。虛擬服務(wù)器技術(shù)可以在物理服務(wù)器的基礎(chǔ)上虛擬出一定數(shù)量的服務(wù)器資源，為各門課程提供個(gè)性化的服務(wù)。這種方式使得各門課程數(shù)據(jù)可以運(yùn)行在同一服務(wù)器集群上，但相互獨(dú)立不會(huì)產(chǎn)生耦合。如圖3所示，可根據(jù)課程的實(shí)際需要，為對應(yīng)的課程（如操作系統(tǒng)、編譯原理等）虛擬出獨(dú)立的Git服務(wù)器，同時(shí)為計(jì)算機(jī)組成原理課程虛擬出了FTP服務(wù)器資源。

遠(yuǎn)程存儲(chǔ)服務(wù)器主要用來存放系統(tǒng)模板和作業(yè)空間相關(guān)的數(shù)據(jù)。教師可通過作業(yè)空間發(fā)布作業(yè)。學(xué)生在任意一臺(tái)終端上都可以通過自己的賬號登錄作業(yè)空間，查看并完成作業(yè)。此外作業(yè)空間還具有云端存儲(chǔ)的功能，學(xué)生可將自己的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到作業(yè)空間，也可在任一終端登錄作業(yè)空間獲取數(shù)據(jù)，以繼續(xù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

表2給出了實(shí)際部署時(shí)虛擬桌面服務(wù)器的各項(xiàng)參數(shù)，可以看出，在同等用戶數(shù)量的情況下，配置參數(shù)高于系統(tǒng)提供商給出的推薦配置，也由此獲得了更好的虛擬機(jī)配置（如表3所示）以及良好的虛擬桌面使用體驗(yàn)。

表2 虛擬桌面服務(wù)器參數(shù)

表3 單臺(tái)虛擬機(jī)配置

在具有56個(gè)終端的云教室A進(jìn)行實(shí)際測試，測試結(jié)果表明，CPU資源還有很大余量，內(nèi)存資源占用偏高，這是因?yàn)闉楸ＷC虛擬桌面的運(yùn)行流暢，給每個(gè)虛擬桌面分配了較大的內(nèi)存空間。虛擬桌面需要通過網(wǎng)絡(luò)將內(nèi)容推送到終端，并最終呈現(xiàn)給用戶，因此網(wǎng)絡(luò)帶寬性能也是影響使用體驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵因素。在采樣期間，56個(gè)桌面占用的最大帶寬約為50M左右，實(shí)際的帶寬需求量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于帶寬容量。

此外，為了提高設(shè)備的信息化安全水平等相關(guān)要求，在服務(wù)器機(jī)房配置了防火墻和上網(wǎng)行為管理等安全管理設(shè)備。這些設(shè)備的投入使用，對于提高整個(gè)云實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)信息安全性有顯著效果。

四 云實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的優(yōu)勢

根據(jù)云實(shí)驗(yàn)室的架構(gòu)特點(diǎn)以及實(shí)際使用體驗(yàn)，總結(jié)出云實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)優(yōu)勢如下：

第一：管理高效便捷。對每門課程所需的系統(tǒng)環(huán)境配置一個(gè)模板，當(dāng)環(huán)境要求改變時(shí)，只需修改對應(yīng)的模板即可，而不用逐臺(tái)終端進(jìn)行配置，大大提高了管理效率。

第二：資源利用率高。云實(shí)驗(yàn)室能夠根據(jù)具體課程的實(shí)際需求，虛擬出指定配置、指定數(shù)量的計(jì)算資源，并通過網(wǎng)絡(luò)加載到終端，從而提高了計(jì)算資源的利用率。此外，存儲(chǔ)資源統(tǒng)一從存儲(chǔ)服務(wù)器按需獲得，從而提高了存儲(chǔ)資源的利用率。

第三：數(shù)據(jù)遷移方便。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都存放在服務(wù)器端，學(xué)生通過賬號登錄，便可在任意一臺(tái)終端上獲取自己的數(shù)據(jù)，此外每個(gè)終端所加載的系統(tǒng)來自于同一模板，從而保證數(shù)據(jù)遷移時(shí)不會(huì)存在兼容性問題。此外，每門課程的課程資源也存放在機(jī)房內(nèi)的服務(wù)器上，支持為每門課程分配獨(dú)立的虛擬服務(wù)器，課程之間數(shù)據(jù)零耦合，課程資源數(shù)據(jù)的遷移、改動(dòng)不會(huì)對其他課程造成影響，因此學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及課程資源數(shù)據(jù)遷移都極其方便。

第四：提高機(jī)器使用年限。計(jì)算機(jī)設(shè)備更新?lián)Q代極快，當(dāng)前主流的配置，在幾年后便無法滿足需求。如使用獨(dú)立PC的話，則需要將PC全部更換，但使用云實(shí)驗(yàn)室，只需要增加服務(wù)器數(shù)量，并修改虛擬終端的配置即可，原來的服務(wù)器和云終端還可以繼續(xù)使用，從而大大延長了設(shè)備的使用年限，進(jìn)而節(jié)省了大量的設(shè)備購置費(fèi)用。

此外，云實(shí)驗(yàn)室還具備穩(wěn)定性好、安全性高、平均能耗低、配置靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的獨(dú)立PC式實(shí)驗(yàn)室相比具有明顯的優(yōu)勢。

五 結(jié)語

通過云實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和實(shí)際使用，初步實(shí)現(xiàn)了從機(jī)房環(huán)境建設(shè)向平臺(tái)資源建設(shè)轉(zhuǎn)變，并為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綇膯螜C(jī)實(shí)驗(yàn)向系統(tǒng)型實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變、評價(jià)機(jī)制從簡單統(tǒng)計(jì)機(jī)時(shí)數(shù)向提升資源利用率轉(zhuǎn)變、實(shí)驗(yàn)手段從提供上機(jī)環(huán)境（真實(shí)環(huán)境）拓展至提供虛擬服務(wù)（虛擬實(shí)驗(yàn)室）轉(zhuǎn)變、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膹膯渭凃?yàn)證和考核向研究與創(chuàng)新轉(zhuǎn)變等目標(biāo)提供了物質(zhì)保障。原來在以獨(dú)立PC為主體的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展的實(shí)驗(yàn)已全部遷移到云實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過兩個(gè)學(xué)年的運(yùn)行測試，效果良好，沒有出現(xiàn)兼容性問題。通過云實(shí)驗(yàn)室的使用一舉解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的諸多缺陷，為上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了有力保障。

隨著虛擬化技術(shù)的不斷成熟，網(wǎng)絡(luò)帶寬的快速提升，云實(shí)驗(yàn)室將改變高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及管理的傳統(tǒng)理念，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變。下一步將在豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量等方面，為促進(jìn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果提高做出新的嘗試和努力。