基于云計算技術(shù)的計算機(jī)類實訓(xùn)室建設(shè)方案研究

王耀民

(青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息技術(shù)中心，山東 青島 266555)

采用云計算技術(shù)(包括虛擬化技術(shù)、桌面云技術(shù)等)建設(shè)計算機(jī)類實訓(xùn)室，有助于高職院校各院系統(tǒng)一建設(shè)思路，形成建設(shè)成本低、建設(shè)周期短、運維效率高、易擴(kuò)容、負(fù)載均衡、安全可靠、綠色節(jié)能的整體解決方案，創(chuàng)新實訓(xùn)室建設(shè)的模式和架構(gòu)?；诖?，院校應(yīng)當(dāng)利用云計算等技術(shù)手段，解決彈性擴(kuò)容、負(fù)載均衡、安全穩(wěn)定、虛擬機(jī)管理等技術(shù)問題[1]，對已建實訓(xùn)室進(jìn)行分析評估，將具備軟硬件條件和符合使用需求的納入基于云平臺架構(gòu)的建設(shè)方案中，把現(xiàn)有或計劃建設(shè)的各自獨立的實訓(xùn)室接入或升級到“云”上，統(tǒng)籌整體規(guī)劃，提升技術(shù)性能，促進(jìn)資源共享。云計算數(shù)據(jù)中心虛擬化資源池(計算資源池、網(wǎng)絡(luò)資源池、存儲資源池等)，則可以解決基于桌面云的實訓(xùn)室搭建、云數(shù)據(jù)中心虛擬服務(wù)器規(guī)劃、虛擬主機(jī)創(chuàng)建以及計算機(jī)類教學(xué)軟件(比如Office、Photoshop等)和軟件開發(fā)工具平臺等相關(guān)教學(xué)資源的安裝和使用問題。

一、計算機(jī)類實訓(xùn)室應(yīng)用現(xiàn)狀與問題

高職院校在計算機(jī)類實訓(xùn)室建設(shè)方面多采用傳統(tǒng)的做法，即院系根據(jù)專業(yè)需求分別提出申請，建后各自管理和運營。每當(dāng)建設(shè)任務(wù)來臨時，院校都要從頭開始設(shè)計方案，組織校內(nèi)論證，開展軟硬件招標(biāo)采購。中標(biāo)方進(jìn)校完成設(shè)備安裝、調(diào)試和試運行。由于采購設(shè)備較多，投資較大，建設(shè)周期一般較長。新建實訓(xùn)室往往以獨立、專用、有限共享為特征?？傮w上，計算機(jī)類實訓(xùn)室重復(fù)建設(shè)問題突出。院系運維技術(shù)能力不足又會導(dǎo)致實訓(xùn)室使用效率低、設(shè)備故障率高，影響實訓(xùn)教學(xué)的整體效果。

計算機(jī)類實訓(xùn)室在運維方面也存在一定的問題。在實訓(xùn)過程中經(jīng)常發(fā)生的故障，包括硬件或應(yīng)用軟件被損壞、系統(tǒng)文件或系統(tǒng)軟件被破壞導(dǎo)致系統(tǒng)無法迅速恢復(fù)，學(xué)生自帶U盤或移動硬盤插入電腦后造成電腦感染病毒死機(jī)，不僅使得實訓(xùn)課程無法順利進(jìn)行，也給實訓(xùn)室管理人員帶來運維壓力，增加了時間與材料成本。由于缺乏系統(tǒng)還原機(jī)制，學(xué)生在分組實訓(xùn)時，前一節(jié)課的實訓(xùn)數(shù)據(jù)仍保存在本地電腦磁盤上。實訓(xùn)環(huán)境不能快速恢復(fù)到初始狀態(tài)，無法為不同時段上課的學(xué)生提供良好的實訓(xùn)環(huán)境。即使通過系統(tǒng)還原能夠恢復(fù)到初始實訓(xùn)環(huán)境，頻繁的初始化也會嚴(yán)重影響實訓(xùn)教學(xué)的效率。院系計算機(jī)類實訓(xùn)室的增加和擴(kuò)容，進(jìn)一步加重了實訓(xùn)室管理人員和運維人員維修和檢測的負(fù)擔(dān)。隨著計算機(jī)軟硬件的不斷更新?lián)Q代，為了適應(yīng)實訓(xùn)教學(xué)環(huán)境的要求，實訓(xùn)室只能不斷地對每臺計算機(jī)的軟硬件進(jìn)行更新和升級，采購PC機(jī)周期的縮短增加了實訓(xùn)室建設(shè)的成本。

二、采用云計算技術(shù)建設(shè)計算機(jī)類實訓(xùn)室的技術(shù)基礎(chǔ)

(一)技術(shù)支撐與實現(xiàn)原理

云計算技術(shù)是分布式計算(Distributed Computing)、并行計算(Parallel Computing)、效用計算(Utility Computing)、網(wǎng)絡(luò)存儲(Network Storage Technologies)、虛擬化(Virtualization)、負(fù)載均衡(Load Balance)、熱備份冗余(High Available)等技術(shù)融合發(fā)展的產(chǎn)物，通過網(wǎng)絡(luò)對大量分布式計算資源進(jìn)行集中管理，實現(xiàn)并行計算，并通過虛擬化技術(shù)形成資源池(如圖1所示)，為用戶提供計算資源按需配置、彈性分配、負(fù)載均衡、動態(tài)擴(kuò)展以及充分共享等服務(wù)，極大提高了IT資源的效能。

圖1 虛擬化過程示意圖

隨著個人電腦、智能手機(jī)、平板電腦、瘦客戶機(jī)等智能設(shè)備的不斷普及，移動辦公的需求越來越強(qiáng)烈。云計算技術(shù)將移動辦公業(yè)務(wù)與移動設(shè)備和云計算結(jié)合起來，形成基于虛擬化技術(shù)的桌面云平臺，業(yè)務(wù)軟件和數(shù)據(jù)存放在云數(shù)據(jù)中心，用戶通過終端設(shè)備接入云桌面就可以進(jìn)入如同傳統(tǒng)計算機(jī)一樣的操作界面。桌面云是一種基于云計算技術(shù)的服務(wù)模式，依托云計算技術(shù)與云中心虛擬化資源池創(chuàng)建虛擬機(jī)，并在虛擬機(jī)上預(yù)裝所需要的應(yīng)用軟件，用戶通過非特定設(shè)備(如臺式機(jī)、筆記本、智能手機(jī))在任何地點都可以實現(xiàn)對桌面的訪問與操作。多個操作系統(tǒng)可以共享物理服務(wù)器的硬件資源，客戶端通過遠(yuǎn)程桌面協(xié)議可以實現(xiàn)與云中心的交互?？蛻舳巳缤瑐鹘y(tǒng)計算機(jī)桌面一樣，用戶可以進(jìn)行相應(yīng)的軟件應(yīng)用操作。圖2是桌面云實現(xiàn)原理示意圖。

圖2 桌面云原理示意圖

將實訓(xùn)室中的臺式計算機(jī)更換為云客戶端TC(Thin Client)，在云數(shù)據(jù)中心創(chuàng)建足夠數(shù)量的虛擬機(jī)VM(Virtual Machine)，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)軟件、教學(xué)軟件、開發(fā)工具等安裝到云數(shù)據(jù)中心虛擬機(jī)上(可通過VM模板快速克隆)，搭建起桌面云平臺，建立師生登錄賬戶信息。師生在上實訓(xùn)課時，打開桌面云TC終端，配置了實訓(xùn)環(huán)境的虛擬主機(jī)就會自動從云中心下發(fā)到云桌面客戶端TC，師生開機(jī)登錄即可使用，如同使用普通計算機(jī)一樣?？蛻魴C(jī)與云中心服務(wù)器交互。移動終端安裝桌面云客戶端后，也可以在任何地方登錄虛擬機(jī)，實現(xiàn)和實訓(xùn)室?guī)熒綄嵱?xùn)上課。

三、采用云計算技術(shù)建設(shè)計算機(jī)類實訓(xùn)室的技術(shù)路線

對云計算中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和資源池進(jìn)行優(yōu)化，可以滿足全校桌面云實訓(xùn)室接入云的需要。優(yōu)化云計算中心的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過VMware或華為FusionCompute等云計算與虛擬化系統(tǒng)對物理資源進(jìn)行虛擬化處理，搭建虛擬服務(wù)器集群，構(gòu)建專門用于實訓(xùn)室的虛擬化資源池即計算資源池、網(wǎng)絡(luò)資源池和存儲資源池[2]；創(chuàng)建實訓(xùn)室所需要的虛擬主機(jī)(VM)，在VM上安裝配套的操作系統(tǒng)和計算機(jī)類教學(xué)軟件及開發(fā)工具等相關(guān)教學(xué)資源，并通過負(fù)載均衡、網(wǎng)格計算和并行計算等技術(shù)，實現(xiàn)服務(wù)器彈性計算、負(fù)載均衡、穩(wěn)定可靠以及虛擬機(jī)管理等功能，保證整體系統(tǒng)運行高效、穩(wěn)定。

將全校存量和新建計算機(jī)類實訓(xùn)室接入云平臺。調(diào)研分析院系計算機(jī)類實訓(xùn)室布局、功能、使用資源配置、網(wǎng)絡(luò)接入環(huán)境等，對具備接入云平臺條件的實訓(xùn)室進(jìn)行登記，提出改進(jìn)和完善方案，提升接入云平臺的帶寬，將其接入云平臺；將新建的實訓(xùn)室納入云計算實訓(xùn)平臺的整體拓?fù)浼軜?gòu)中，實現(xiàn)全校計算機(jī)類實訓(xùn)室逐步上“云”，提供移動端接入“云”上實訓(xùn)室，提高實訓(xùn)資源的共享和使用效益。

在云計算中心建設(shè)一套基于云計算技術(shù)的ICT(Information and Communications Technology)基礎(chǔ)設(shè)施，安裝云操作系統(tǒng)，實現(xiàn)對云資源的統(tǒng)一構(gòu)建和管理，負(fù)責(zé)構(gòu)建虛擬化計算資源池、存儲資源池和網(wǎng)絡(luò)資源池，把教學(xué)資源統(tǒng)一存放在存儲資源池中，根據(jù)各專業(yè)對計算機(jī)類實訓(xùn)室建設(shè)的需求，按需分配，從資源池中創(chuàng)建足夠的虛擬機(jī)服務(wù)器和虛擬機(jī)。將教學(xué)軟件、業(yè)務(wù)軟件和教學(xué)資源安裝到虛擬服務(wù)器和虛擬機(jī)上，通過桌面云技術(shù)，將實訓(xùn)所需要的虛擬機(jī)下發(fā)到實訓(xùn)室的TC終端，師生只需通過TC終端登錄到這些虛擬機(jī)上，就可以進(jìn)入如同傳統(tǒng)計算機(jī)一樣的操作桌面。學(xué)生通過個人電腦、智能手機(jī)、平板電腦等智能移動設(shè)備，在任何時間任何地方都可以登錄到桌面云，從而實現(xiàn)移動實訓(xùn)和學(xué)習(xí)。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 云計算中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

如果某個院系需要新建或改造存量計算機(jī)類實訓(xùn)室，硬件方面只需采購足夠師生使用的TC(也可以使用存量PC)和一臺交換機(jī)(48口)即可。將教學(xué)軟件、工具等安裝到云數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器上[3]，創(chuàng)建足夠數(shù)量(實訓(xùn)室工位數(shù))的虛擬機(jī)(VM)，通過桌面云技術(shù)，將VM下發(fā)到師生TC終端構(gòu)成桌面云。云計算中心運行穩(wěn)定，所有基于云中心的實訓(xùn)室開機(jī)即可使用。不論實訓(xùn)室在哪個院系，師生看到的都是后臺VM的運行桌面，它是通過桌面云協(xié)議實現(xiàn)云中心與客戶端交互的。

四、設(shè)備配置

根據(jù)以上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和實現(xiàn)的技術(shù)路線，基于云計算技術(shù)的實訓(xùn)室與云中心主要設(shè)備配置明細(xì)如表1、表2所示。數(shù)據(jù)中心部分按照全校云實訓(xùn)室數(shù)量不斷擴(kuò)容的需要一次性采購，其更新和升級周期較長，相對成本較低。實訓(xùn)室部分是一個實訓(xùn)室的配置，可根據(jù)院系需求增加實訓(xùn)室數(shù)量。

云計算中心根據(jù)校園網(wǎng)整體建設(shè)要求進(jìn)行設(shè)備預(yù)算和采購時，要充分考慮到資源共享和全校實訓(xùn)室大量客戶端的接入需求，要滿足較長更新和升級周期的使用性能和數(shù)量要求，適當(dāng)提升設(shè)備的性能指標(biāo)，為滿足每年可能增長的實訓(xùn)室建設(shè)軟硬件需求奠定基礎(chǔ)。院系新建計算機(jī)類實訓(xùn)室無需再獨立采購服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)安全與管理設(shè)備及相關(guān)軟件，客戶端只需采購夠用的TC即可，所需要的實訓(xùn)軟件由云計算中心統(tǒng)一安裝到新的虛擬機(jī)并下發(fā)到TC。

表1 云計算中心主要設(shè)備配置(一次性采購)

表2 云計算中心主要設(shè)備配置(一次性采購)

五、實施效果

基于云計算技術(shù)的學(xué)校計算機(jī)實訓(xùn)室的建設(shè)方案，利用云計算技術(shù)、虛擬化技術(shù)、桌面云技術(shù)、移動互聯(lián)技術(shù)[4]，是實訓(xùn)室建設(shè)的新思路和新模式。這一方案減少了軟硬件采購的種類和數(shù)量，降低了投資、施工、人力和運維等方面的成本。

院系新建實訓(xùn)室無需再獨立采購服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件等成本較高的軟硬件設(shè)備。瘦客戶機(jī)(TC)價格是普通PC價格的30%左右。同時，云中心服務(wù)器上的軟件是有版權(quán)授權(quán)的，瘦客戶機(jī)作為客戶端不需要購買和安裝任何軟件，節(jié)約了軟件的許可費用，使實訓(xùn)室整體減少55%以上的設(shè)備和軟件采購費用。[2]云中心只需升級一套虛擬機(jī)模板即可解決同類實訓(xùn)室所有計算機(jī)的系統(tǒng)升級問題。盡管云中心一次性建設(shè)需要較大的投資，但從長遠(yuǎn)和全校整體建設(shè)規(guī)模分析，新方案更具成本優(yōu)勢。同時，由于采購設(shè)備和軟件的數(shù)量、種類大大減少，實訓(xùn)室占用空間減小，建設(shè)周期縮短。瘦客戶機(jī)是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下工作的，其運行的程序、數(shù)據(jù)都集中在服務(wù)器端。在此工作模式下，整個系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、管理、維護(hù)及升級都由云中心管理員團(tuán)隊在服務(wù)器端集中統(tǒng)一實現(xiàn)，客戶端僅需要配備少量的運維人員進(jìn)行設(shè)備硬件檢查、登記與維護(hù)，不需要在客戶端進(jìn)行應(yīng)用軟件的安裝或升級。云中心系統(tǒng)管理員可以隨時控制整個網(wǎng)絡(luò)，快速完成信息系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、升級和維護(hù)工作，大大節(jié)省了信息系統(tǒng)的部署時間，降低了人力資源費用和管理成本，運維效率提升9倍。[2]

瘦客戶機(jī)采用集成化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，一般不配置軟驅(qū)、光驅(qū)、硬盤等易損部件，從而減少了病毒產(chǎn)生的來源，提高了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。瘦客戶機(jī)的本地系統(tǒng)軟件采用嵌入式技術(shù)設(shè)計，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，其故障率較之PC大大降低。傳統(tǒng)實訓(xùn)室使用過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)存儲在教師或?qū)W生的PC端。PC或網(wǎng)絡(luò)遭到病毒攻擊，會造成實訓(xùn)數(shù)據(jù)的丟失。采用云計算架構(gòu)模式，云中心提供更安全的數(shù)據(jù)存儲空間，師生實訓(xùn)數(shù)據(jù)存儲在云中心存儲資源池中，既保障了數(shù)據(jù)的安全，又提供了充足的存儲空間。[5]傳統(tǒng)實訓(xùn)室配置的臺式電腦功耗一般為200W—250W，TC瘦客戶機(jī)采用無風(fēng)扇和低功耗設(shè)計，一般運行功率只有20W—25W，可以很大程度地降低實訓(xùn)室的噪聲與能源消耗。新建實訓(xùn)室省去了服務(wù)器、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)安全等高功率設(shè)備，硬件設(shè)備數(shù)量比起傳統(tǒng)實訓(xùn)室大大減少，整體能耗降低約80%[2]，實現(xiàn)了綠色節(jié)能。

圍繞高職院校計算機(jī)類實訓(xùn)室建設(shè)問題，本文提出了一套基于云計算技術(shù)和虛擬化架構(gòu)的整體解決方案，相較于傳統(tǒng)實訓(xùn)室建設(shè)模式具有多項優(yōu)勢，為校內(nèi)實訓(xùn)室建設(shè)模式的改革與創(chuàng)新提供了新的思路。為保證基于云平臺的實訓(xùn)室建設(shè)、使用與管理的順利實施，院校還要加強(qiáng)對院系實訓(xùn)室建設(shè)與管理人員的云計算技術(shù)培訓(xùn)，提升他們運用云計算技術(shù)進(jìn)行規(guī)劃、建設(shè)和管理云上實訓(xùn)室的能力。