基于FusionCompute研究生科研實(shí)踐平臺(tái)的建設(shè)

黎荊妗， 向濤

(重慶大學(xué), 計(jì)算機(jī)學(xué)院， 重慶 400044)

0 引言

近年來，研究生招生規(guī)模不斷擴(kuò)大，對于研究生教育的改革也成為眾多高校不斷探索和研究的重要內(nèi)容。科研水平和實(shí)踐能力是對于學(xué)術(shù)型碩士和專業(yè)型碩士能力培養(yǎng)的重心，人數(shù)的增多、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)模有限、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和建設(shè)資金的緊缺、資源分布不均、利用率低下、維護(hù)工作量大等問題給目前研究生培養(yǎng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，無法滿足教師和學(xué)生在科研和實(shí)踐方面的現(xiàn)實(shí)需求，同時(shí)也不利于科研資源的整合和共享[1]。

云計(jì)算技術(shù)的高靈活性、可擴(kuò)展性和高性比特征為高校的資源建設(shè)和教育教學(xué)改革提供了新的思路，近年來國內(nèi)外眾多高校利用云計(jì)算輔助教學(xué)，平臺(tái)建設(shè)等方面進(jìn)行了實(shí)踐和探索[2]。利用云計(jì)算來構(gòu)建科研實(shí)踐平臺(tái)，可以有效地整合數(shù)據(jù)資源，使教師和學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)按需獲得軟硬件資源，其中包括網(wǎng)絡(luò)資源、服務(wù)器資源、存儲(chǔ)資源、應(yīng)用軟件資源等，從而提高資源利用率，有效解決資源分布不均，降低實(shí)驗(yàn)室軟硬件購買和維護(hù)成本等問題[3]，該科研實(shí)踐平臺(tái)的建立可以推動(dòng)學(xué)校在人才培養(yǎng)和學(xué)術(shù)研究的發(fā)展，并且為高校培養(yǎng)高層次研究生人才，以及高水平學(xué)術(shù)交流提供了基礎(chǔ)條件和重要基地。

根據(jù)以上問題和當(dāng)前云計(jì)算技術(shù)，使用Fusion-Compute融合計(jì)算虛擬技術(shù)來實(shí)現(xiàn)研究生科研實(shí)踐平臺(tái)的建設(shè)。

1 FusionCompute介紹

FusionCompute是華為公司開發(fā)的云操作系統(tǒng)軟件，采用了Xen虛擬化技術(shù)以及英特爾和AMD輔助虛擬化技術(shù)[4]，主要負(fù)責(zé)硬件資源的虛擬化，以及對虛擬資源、業(yè)務(wù)資源、用戶資源的集中管理。它采用虛擬計(jì)算、虛擬存儲(chǔ)、虛擬網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，完成計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化。同時(shí)通過統(tǒng)一的接口，對這些虛擬資源進(jìn)行集中調(diào)度和管理，從而降低業(yè)務(wù)的運(yùn)行成本，保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。

FusionCompute的模塊包括計(jì)算節(jié)點(diǎn)代理(CNA)和虛擬資源管理(VRM)，CNA主要負(fù)責(zé)管理計(jì)算節(jié)點(diǎn)上的資源，VRM主要負(fù)責(zé)管理集群資源，并且提供計(jì)算、存儲(chǔ)、IP等服務(wù)，同時(shí)為管理人員提供統(tǒng)一的管理接口。FusionCompute的主要功能特性包括虛擬機(jī)熱遷移技術(shù)、靈活的虛擬機(jī)配置調(diào)整、自動(dòng)負(fù)載均衡(DRS)、自動(dòng)綠色節(jié)能(DPM)及分布式虛擬交換機(jī)等。

利用FusionCompute建立研究生科研實(shí)踐平臺(tái)能夠有效提高資源利用率，提升設(shè)備可靠性，并達(dá)到自動(dòng)綠色節(jié)能的目的。

2 研究生科研實(shí)踐平臺(tái)的建設(shè)

我國學(xué)術(shù)碩士和專業(yè)碩士的培養(yǎng)都離不開團(tuán)隊(duì)的深度交流和合作，尤其在目前雙一流建設(shè)的大環(huán)境下，結(jié)合現(xiàn)有有限資源，提高碩士培養(yǎng)科研實(shí)踐能力，建設(shè)合作共享的平臺(tái)，有利于研究生的培養(yǎng)改革，基于FusionCompute的研究生科研實(shí)踐平臺(tái)結(jié)合學(xué)院目前學(xué)科方向進(jìn)行建設(shè)，目前學(xué)院設(shè)有4個(gè)學(xué)科方向：計(jì)算智能與信息安全、機(jī)器學(xué)習(xí)與跨媒體感知、智能網(wǎng)絡(luò)與先進(jìn)計(jì)算、大數(shù)據(jù)智能與服務(wù)計(jì)算。根據(jù)現(xiàn)有資源和學(xué)科設(shè)置，通過FusionCompute對不同學(xué)科方向及研究領(lǐng)域分配平臺(tái)空間，并為每個(gè)空間設(shè)置系統(tǒng)管理員，通過管理員為教師和學(xué)生分配賬號(hào)，各學(xué)科方向和研究領(lǐng)域的老師和學(xué)生通過校園網(wǎng)就可遠(yuǎn)程進(jìn)行操作。在此平臺(tái)之上老師和學(xué)生根據(jù)權(quán)限獲得各類資源，并自行搭建虛擬機(jī)，配置虛擬軟硬件環(huán)境，配置虛擬網(wǎng)絡(luò)等操作。虛擬共享實(shí)踐平臺(tái)結(jié)構(gòu)框架，如圖1所示。

(1)安裝部署：目前學(xué)院已配備3臺(tái)華為RH2288 V2服務(wù)器、1臺(tái)華為S2600T存儲(chǔ)，以及其余網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。首先對各設(shè)備之間進(jìn)行物理連接，然后在每臺(tái)服務(wù)器上安裝FusionCompute，并且為物理設(shè)備和管理節(jié)點(diǎn)設(shè)置IP，接下來需要在虛擬機(jī)上部署VRM(虛擬資源管理，Virtual Resourse Manage)，VRM可以部署在虛擬機(jī)或物理服務(wù)器上，這里將VRM部署在虛擬機(jī)上，直接使用FusionCompute安裝向?qū)瓿刹渴?，并對其進(jìn)行相應(yīng)配置。所需物理設(shè)備及其相應(yīng)配置見表1。

圖1 虛擬共享實(shí)踐平臺(tái)架構(gòu)圖

表1 設(shè)備清單

(2)網(wǎng)絡(luò)配置：這里分別對物理設(shè)備、計(jì)算節(jié)點(diǎn)、管理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)配置，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。具體IP設(shè)置如表2所示。表中Server 01、Server 02、Server 03分別對應(yīng)3臺(tái)物理服務(wù)器，CNA 001、CNA 002、CNA 003分別對應(yīng)每臺(tái)服務(wù)器上的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，管理員通過管理鏈接進(jìn)入相關(guān)設(shè)備管理頁面對其進(jìn)行管理。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

表2 設(shè)備IP設(shè)置

(3)系統(tǒng)管理：管理員通過表2中的管理鏈接進(jìn)入相應(yīng)設(shè)備的管理界面，這里管理賬戶包括主機(jī)操作系統(tǒng)賬戶、VRM操作系統(tǒng)賬戶的管理和FusionCompute系統(tǒng)賬戶。在VRM操作系統(tǒng)界面中可以查看虛擬機(jī)和主機(jī)狀態(tài)，以及資源配置情況，主機(jī)操作系統(tǒng)界面中可以對主機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，查看主機(jī)狀態(tài)及基本信息，還提供給用戶虛擬按鍵，對其進(jìn)行遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)，方便用戶對相關(guān)設(shè)備或主機(jī)，虛擬機(jī)進(jìn)行管理并及時(shí)排障。

3 研究生科研實(shí)踐平臺(tái)的功能及應(yīng)用

3.1 平臺(tái)基礎(chǔ)功能

基于FusionCompute的研究生科研實(shí)踐平臺(tái)基礎(chǔ)功能包含：①提供基礎(chǔ)鏡像庫：提供不同操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)鏡像，如Linux、Windows 8等，老師和學(xué)生可以按需選擇；②虛擬機(jī)申請：學(xué)生可以申請臨時(shí)或長期固有的虛擬機(jī)，并自行調(diào)整虛擬機(jī)的相關(guān)配置；③虛擬機(jī)克隆：對于需要多臺(tái)并行使用的虛擬機(jī)時(shí)可以先配置1臺(tái)后，通過克隆獲得多臺(tái)相同配置的虛擬機(jī)；④虛擬機(jī)在線遷移：此功能是基于FusionCompute平臺(tái)的最重要功能之一，可以保證整個(gè)平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行和負(fù)載均衡；⑤虛擬機(jī)管理：學(xué)生和老師能管理自己的虛擬機(jī)，同時(shí)管理員可以對平臺(tái)所有虛擬機(jī)進(jìn)行管理，對比線下實(shí)驗(yàn)室來講，更易維護(hù)、方便管理[5]。

3.2 應(yīng)用及相關(guān)案例

基于平臺(tái)的基礎(chǔ)功能，將平臺(tái)應(yīng)用于研究生培養(yǎng)環(huán)節(jié)。

(1)開放共享虛擬實(shí)踐平臺(tái)。對于研究生實(shí)踐能力的培養(yǎng)是研究生教育培養(yǎng)中的重要環(huán)節(jié)，老師通過平臺(tái)開放實(shí)踐項(xiàng)目，學(xué)生在此過程中通過遠(yuǎn)程獲得實(shí)踐資源，進(jìn)行實(shí)踐操作，通過權(quán)限管理，老師可以進(jìn)行線上指導(dǎo)并共享實(shí)踐相關(guān)資源，形成虛擬化實(shí)驗(yàn)室。由于線下課程時(shí)間有限，虛擬實(shí)踐平臺(tái)可以讓學(xué)生和老師不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，輕松方便地進(jìn)行學(xué)習(xí)和培養(yǎng)。

目前學(xué)院利用該平臺(tái)在研究生教學(xué)培養(yǎng)中作出改革：一是在原研究生課程基礎(chǔ)上增加實(shí)踐部分，如算法分析與計(jì)算復(fù)雜性課程，在理論教學(xué)的同時(shí)，老師在平臺(tái)上設(shè)立相關(guān)實(shí)踐內(nèi)容，學(xué)生根據(jù)線下所學(xué)理論知識(shí)，同時(shí)進(jìn)行線上實(shí)踐訓(xùn)練;二是增設(shè)校內(nèi)專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，并設(shè)立校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地，目前學(xué)院開設(shè)了相關(guān)實(shí)訓(xùn)科目，內(nèi)容包含實(shí)訓(xùn)基地老師授課和自主實(shí)踐兩部分，要求學(xué)生在32學(xué)時(shí)內(nèi)完成老師發(fā)布的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。目前設(shè)置的科目有數(shù)據(jù)挖掘?qū)嵺`、智能家居、圖像處理與深度學(xué)習(xí)、移動(dòng)平臺(tái)開發(fā)、Web內(nèi)容挖掘設(shè)計(jì)與應(yīng)用、基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)等;三是學(xué)生可以通過提前預(yù)約和提交申請的方式，獲得實(shí)訓(xùn)基地和平臺(tái)的使用空間，進(jìn)行自主的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、學(xué)術(shù)交流等活動(dòng)。

(2)開放共享基礎(chǔ)軟硬件和科研資源庫?？蒲心芰κ茄芯可囵B(yǎng)的主要目標(biāo)，平臺(tái)提供各學(xué)科團(tuán)隊(duì)，各研究方向小組的科研資源空間，通過共享相關(guān)的實(shí)驗(yàn)架構(gòu)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、深入合作交流與資源共享，降低重復(fù)的實(shí)驗(yàn)部署，保存優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)成果，對于實(shí)驗(yàn)中所需要的軟硬件環(huán)境，也可以按需進(jìn)行配置而不必重新購買設(shè)備，降低了投資和開銷。

目前廣泛應(yīng)用該平臺(tái)的有NLP(Natural Language Processing自然語言處理)、IP(Image Procession圖像處理)等多個(gè)領(lǐng)域的多個(gè)科研小組，如NLP的NER(Named Entity Recogniton命名實(shí)體識(shí)別)小組，該科研小組有本科生、碩士、博士、教授共20余人，在此平臺(tái)上小組建立了NER中的前沿?cái)?shù)據(jù)集以及相關(guān)訓(xùn)練模型，目前該小組已獲得多項(xiàng)科研成果。

(3)應(yīng)對新冠肺炎疫情，實(shí)施畢業(yè)生遠(yuǎn)程畢業(yè)課題研究。2020年突如其來的新冠肺炎疫情，對社會(huì)各行各業(yè)造成了巨大影響，也對高等教育帶來了深刻變革[6]。疫情的暴發(fā)，導(dǎo)致學(xué)生不能及時(shí)返校，很多畢業(yè)班學(xué)生的畢業(yè)課題數(shù)據(jù)等在實(shí)驗(yàn)室無法獲得，手上沒有數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)無法完成，畢業(yè)論文寫不了，這些問題給畢業(yè)生帶來了心理上的重大影響。為了能讓學(xué)生能夠如期按時(shí)畢業(yè)，完成畢業(yè)課題，學(xué)院根據(jù)情況及時(shí)提供外網(wǎng)訪問端口，學(xué)生在家通過VPN可以直接訪問到平臺(tái)虛擬機(jī)和數(shù)據(jù)，使同學(xué)們在家也能繼續(xù)進(jìn)行畢業(yè)課題研究，最終使得本學(xué)院130余名全日制碩士畢業(yè)生按時(shí)畢業(yè)，在此也體現(xiàn)了特殊時(shí)期平臺(tái)的重要性，以及利用云計(jì)算技術(shù)上建設(shè)科研實(shí)踐平臺(tái)對于高校未來發(fā)展的必要性。

4 總結(jié)

本文針對目前研究生培養(yǎng)環(huán)節(jié)存在的問題提出了基于FusionCompute的科研實(shí)踐平臺(tái)，并完成了平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用。該平臺(tái)通過將傳統(tǒng)數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)主機(jī)CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)設(shè)備等物理資源虛擬化為可供虛擬機(jī)使用的計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源，從而實(shí)現(xiàn)科研、實(shí)踐、教學(xué)等資源整合和共享，教師和學(xué)生通過校園網(wǎng)按需獲得云端的計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)服務(wù)，隨時(shí)隨地接入云端進(jìn)行實(shí)踐、教學(xué)有效地解決了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模有限、資源缺乏及個(gè)性化服務(wù)等問題。對于不斷增長的學(xué)生人數(shù)，該平臺(tái)也可以通過增加主機(jī)數(shù)量，有效和及時(shí)地進(jìn)行平臺(tái)擴(kuò)展。