商用公有云上實(shí)現(xiàn)Linux系統(tǒng)管理與應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)的可行性研究

傅東亮　楊海洪　陸燕麗　謝鋒

摘要：隨著信息技術(shù)的發(fā)展，信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展得越來(lái)越快。信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展推動(dòng)了信息技能人才需求，信息技能人才需求推動(dòng)著信息技術(shù)職業(yè)教育的發(fā)展。世界范圍內(nèi)的云計(jì)算平臺(tái)和應(yīng)用建設(shè)正如火如荼地進(jìn)行。云計(jì)算產(chǎn)業(yè)越來(lái)越成熟的今天，云計(jì)算職業(yè)教育迫在眉睫。職業(yè)教育與產(chǎn)業(yè)休戚相關(guān)，職業(yè)教育如何與產(chǎn)業(yè)結(jié)合，如何在瞬息萬(wàn)變中保障職業(yè)教育的有效性，一個(gè)關(guān)鍵的做法就是將實(shí)踐教學(xué)的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)室搬到產(chǎn)業(yè)一線，實(shí)現(xiàn)貼近實(shí)戰(zhàn)的實(shí)踐環(huán)境。本文重點(diǎn)研究云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用專業(yè)（以下簡(jiǎn)稱云計(jì)算專業(yè)）Linux系統(tǒng)管理與應(yīng)用相關(guān)課程的實(shí)踐教學(xué)采用商用公有云的可行性。

關(guān)鍵字：云計(jì)算專業(yè);Linux系統(tǒng)管理;實(shí)踐教學(xué);商用公有云;可行性

一、云計(jì)算技術(shù)的行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r和趨勢(shì)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，云計(jì)算已演變成一種產(chǎn)業(yè)，逐漸成為IT基礎(chǔ)設(shè)施。根據(jù)國(guó)家前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《2020年中國(guó)云計(jì)算行業(yè)市場(chǎng)狀況及發(fā)展趨勢(shì)分析》報(bào)告：各國(guó)政府十分重視云計(jì)算行業(yè)的發(fā)展，紛紛制定國(guó)家戰(zhàn)略和行動(dòng)計(jì)劃，引導(dǎo)行業(yè)發(fā)展。2020 年我國(guó)應(yīng)用云計(jì)算的企業(yè)占比達(dá)到 66.1%，較 2019 年上升了 7.5%。隨著企業(yè)應(yīng)用的逐漸普及，我國(guó)公有云的市場(chǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)大。2020 年，我國(guó)云計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模達(dá) 1334 億元，同比增長(zhǎng) 38.6%，其中，公有云的市場(chǎng)規(guī)模已反超私有云，達(dá) 689.3 億元。未來(lái)，在數(shù)字經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的趨勢(shì)下，我國(guó)云計(jì)算行業(yè)仍將保持高速發(fā)展態(tài)勢(shì)。一方面，企業(yè)應(yīng)用云計(jì)算降本增效的效果顯著，另一方面，超6成的企業(yè)因?yàn)槭褂迷朴?jì)算提升了 IT 運(yùn)行效率。

二、高職院校云計(jì)算專業(yè)課程設(shè)置分析

云計(jì)算專業(yè)通常培養(yǎng)學(xué)生五類能力：網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及實(shí)施能力、數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用能力、操作系統(tǒng)管理能力、虛擬化能力、應(yīng)用開(kāi)發(fā)及運(yùn)維能力。其中操作系統(tǒng)管理能力是重中之重。以下為某一高職院校云計(jì)算專業(yè)課程設(shè)置案例：

基礎(chǔ)課程：計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)基礎(chǔ)、服務(wù)器操作系統(tǒng)管理

核心課程：服務(wù)器操作系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)維、操作系統(tǒng)虛擬化、資源虛擬化、桌面云虛擬應(yīng)用、云存儲(chǔ)技術(shù)、云安全技術(shù)、Java云應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、Python云應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、云基礎(chǔ)應(yīng)用開(kāi)發(fā)與維護(hù)、云計(jì)算開(kāi)發(fā)與運(yùn)維。

這些課程涉及技術(shù)都要求構(gòu)建服務(wù)器操作系統(tǒng)之上[1]。而當(dāng)前服務(wù)器操作系統(tǒng)90%運(yùn)行在Linux系統(tǒng)之上。比如Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)通常運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)為最佳。

三、云計(jì)算專業(yè)實(shí)訓(xùn)室如何構(gòu)建

傳統(tǒng)云計(jì)算專業(yè)實(shí)訓(xùn)室通常采用“搭建私有云”[2]和 “單機(jī)虛擬化”方案[3]。其做法是：

方案1：搭建私有云

過(guò)往，云計(jì)算專業(yè)實(shí)訓(xùn)室通常采購(gòu)大批量的云計(jì)算服務(wù)器設(shè)備，購(gòu)買課程相關(guān)的軟件資源、課程資源，滿足專業(yè)的基礎(chǔ)課程和核心課程的實(shí)踐教學(xué)需求。這種實(shí)訓(xùn)室建設(shè)思路比較理想化，會(huì)帶來(lái)較多問(wèn)題，比如這種實(shí)訓(xùn)室很難滿足市場(chǎng)變化的需求、課程實(shí)施較為復(fù)雜、課程環(huán)境維護(hù)困難、實(shí)訓(xùn)室投資較大等。

方案2：?jiǎn)螜C(jī)虛擬化

由于需要滿足虛擬化的需求，這種方案要求為課程班級(jí)每一學(xué)生準(zhǔn)備高端配置PC機(jī)。這些配置機(jī)器通常需要安裝要求較高的VMware、Virtual Box等虛擬化軟件。這樣才能滿足云計(jì)算所有課程的教學(xué)要求。

以上兩實(shí)訓(xùn)室方案在教學(xué)實(shí)踐中都存在一些共性問(wèn)題[4]：1.首次投資較高;2.實(shí)訓(xùn)室維護(hù)困難;3.課堂輪轉(zhuǎn)問(wèn)題較多;4.課堂效率不高;5.難以有很好的實(shí)踐考察方法;6.無(wú)法滿足異地實(shí)踐教學(xué);7.難以真實(shí)模擬云計(jì)算環(huán)境。

四、云計(jì)算專業(yè)實(shí)踐教學(xué)選擇商用公有云的優(yōu)勢(shì)

由于商用公有云的發(fā)展很快，其優(yōu)勢(shì)盡顯，作為我們的實(shí)訓(xùn)環(huán)境具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)：

投資經(jīng)濟(jì)性：相比于傳統(tǒng)云計(jì)算實(shí)訓(xùn)室方案，商用公有云方案將有效降低實(shí)訓(xùn)室建設(shè)首次投資金額。經(jīng)分析，期限10年以上的實(shí)訓(xùn)室投資成本上將節(jié)省20%以上。

維護(hù)成本性：由于公有云不涉及高配置硬件，硬件的維護(hù)成本相對(duì)較低。加之減少了維護(hù)工作量，持續(xù)維護(hù)成本將明顯減少，包含人力在內(nèi)的維護(hù)成本將節(jié)省30%以上。

輪轉(zhuǎn)優(yōu)勢(shì)性：傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室由于單臺(tái)機(jī)公用，機(jī)器環(huán)境每次課堂都需重刷，這就存在上次虛擬機(jī)課堂狀態(tài)難以在下一次課堂復(fù)現(xiàn)。商用公有云可以很好保持課堂狀態(tài)。

課堂效率性：傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)環(huán)境由于輪轉(zhuǎn)課堂原因，存在重新恢復(fù)難的問(wèn)題，這造成課堂效率不高;而商用公有云可以通過(guò)技術(shù)手段高速高效地實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的創(chuàng)建、啟動(dòng)、暫停、刪除、恢復(fù)等。

課堂考核性：對(duì)于課堂實(shí)踐任務(wù)，傳統(tǒng)方案，每個(gè)人都有不同的虛擬機(jī)，虛擬機(jī)之間相對(duì)獨(dú)立，教師無(wú)法了解每一個(gè)人虛擬化的作業(yè)狀態(tài)，難以實(shí)現(xiàn)教師對(duì)課堂的評(píng)估。而商用公有云可以通過(guò)技術(shù)手段較為簡(jiǎn)單的了解每一個(gè)人的課堂作業(yè)狀態(tài);

專業(yè)實(shí)戰(zhàn)性：傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室由于使用的都是虛擬環(huán)境，這些環(huán)境實(shí)際不是真實(shí)的云環(huán)境。而商用公有云就是企業(yè)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，商用公有云實(shí)訓(xùn)室可以很好滿足實(shí)戰(zhàn)性需求。

異地支持性：由于傳統(tǒng)物理實(shí)訓(xùn)室通常不對(duì)外開(kāi)放，實(shí)訓(xùn)環(huán)境都是內(nèi)網(wǎng)環(huán)境，異地?zé)o法使用。對(duì)于異地教學(xué)比如疫情時(shí)期的在線課堂、學(xué)徒制 等無(wú)法支持。而商用公有云具有任何時(shí)候任何地點(diǎn)都可使用的優(yōu)勢(shì)，滿足了異地實(shí)踐教學(xué)的需求。

五、云計(jì)算專業(yè)實(shí)踐教學(xué)采用商用公有云的技術(shù)可行性

由于云計(jì)算專業(yè)課程大多與Linux系統(tǒng)有關(guān)，本文以商用公有云上構(gòu)建Linux實(shí)踐教學(xué)環(huán)境為例來(lái)考證技術(shù)可行性。商用公有云實(shí)現(xiàn)云計(jì)算Linux相關(guān)課程教學(xué)可以采用單臺(tái)或多臺(tái)云主機(jī)方式實(shí)現(xiàn)。對(duì)于多臺(tái)云主機(jī)方案，由于其難以解決傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室環(huán)境的全部問(wèn)題，本研究重點(diǎn)討論單臺(tái)云主機(jī)方案。

單臺(tái)云服務(wù)器技術(shù)實(shí)現(xiàn)，具體方案描述如下：1.購(gòu)買高配置ECS云服務(wù)器，配置可為32核vCPU、64GB內(nèi)存。2.安裝Docker-ce支持軟件。3.拉取Linux鏡像（比如CentOS7），運(yùn)行后安裝成具有VIM、WGET、CURL、SSH功能的CentOS Docker; 將該Docker鏡像化成一個(gè)Base版本的云計(jì)算實(shí)踐教學(xué)鏡像。4.基于Base版的鏡像，運(yùn)行60個(gè)該鏡像的Docker，運(yùn)行時(shí)將這些Docker的22號(hào)端口映射成ECS云服務(wù)器的對(duì)外端口。

基于以上方案，可以很好地解決傳統(tǒng)云計(jì)算實(shí)訓(xùn)室的缺陷，支持公有云實(shí)訓(xùn)室的優(yōu)勢(shì)，原因在于每個(gè)CentOS Docker都在ECS服務(wù)的管理之下，學(xué)生無(wú)法增刪改虛擬機(jī)。本文的作者及團(tuán)隊(duì)具有長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，性能可行性驗(yàn)證如下：

ECS初始化TOP資源狀態(tài)如圖1：

運(yùn)行單臺(tái)Base Docker后的TOP資源狀態(tài)如圖2：

圖2說(shuō)明：運(yùn)行命令是docker run -d --name centos7-base-1 --privileged=true -p 10001：22 -h centos7-ssh-1 mybasecentos-ssh：7 /usr/sbin/init;

執(zhí)行61次以上類似命令，TOP資源狀態(tài)如圖3：

為了驗(yàn)證單臺(tái)ECS主機(jī)并發(fā)運(yùn)行極限應(yīng)用的性能，制作一個(gè)對(duì)系統(tǒng)性能要求最高的應(yīng)用zabbix-server docker作為驗(yàn)證鏡像，執(zhí)行命令：docker run -d --name centos7-zabbix-1 --privileged=true -p 10001：22 -p20001：80 -h centos7-zabbix-1 myzabbix? /usr/sbin/init; 即可啟動(dòng)一個(gè)zabbix-server的容器虛擬機(jī)。圖4為啟動(dòng)61臺(tái)zabbix-server容器虛擬機(jī)的TOP資源狀態(tài)：

虛擬出61個(gè)容器虛擬機(jī)后，進(jìn)行容器虛擬機(jī)登錄驗(yàn)證。驗(yàn)證單臺(tái)虛擬機(jī)登錄情況如圖5。

圖5說(shuō)明：本圖中，ECS服務(wù)器（即圖中的8.134.37.146）登錄正常，CentOS Docker01＼Docker10＼Docker61（即圖中的8.134.37.146（01）、8.134.37.146（10）、8.134.37.146（61））登錄正常，證明在單臺(tái)高配ECS服務(wù)器下可以使用Docker技術(shù)實(shí)現(xiàn)61臺(tái)虛擬機(jī)的創(chuàng)建和使用。

總結(jié)：以上過(guò)程證明單臺(tái)高配ECS主機(jī)可以虛擬出61臺(tái)Linux實(shí)踐教學(xué)虛擬機(jī)，技術(shù)和功能上完全可行，具有技術(shù)可行性。

六、云計(jì)算專業(yè)實(shí)踐教學(xué)采用商用公有云的經(jīng)濟(jì)可行性

在技術(shù)可行性研究中，我們采用的32核64G內(nèi)存配置。從資源使用來(lái)看，即使是在61臺(tái)虛擬機(jī)中運(yùn)行zabbix-server這樣的復(fù)雜應(yīng)用，系統(tǒng)在CPU和內(nèi)存使用上也毫無(wú)壓力。ID（CPU空閑）在90%以上，內(nèi)存使用僅占16%。依此，實(shí)現(xiàn)1個(gè)班級(jí)的虛擬機(jī)完全可以在16核32G內(nèi)存配置下進(jìn)行。

為了驗(yàn)證使用商用公有云進(jìn)行云計(jì)算專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的經(jīng)濟(jì)可行性，可以網(wǎng)上詢價(jià)最權(quán)威最貴的阿里云。

圖6為阿里云單臺(tái) 16核、32G內(nèi)存ECS服務(wù)器的5年報(bào)價(jià)，其價(jià)格為7.3491萬(wàn)元。

從詢價(jià)可知，我們?cè)诠性铺摂M出一個(gè)Linux實(shí)訓(xùn)室，5年最低僅需7.3491萬(wàn)元的費(fèi)用。實(shí)際上這是該配置費(fèi)用最高值，因?yàn)楦鶕?jù)阿里云的市場(chǎng)政策，購(gòu)買越多越便宜，而且可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)縮放資源，對(duì)于用于教學(xué)的ECS主機(jī)，我們還可以在寒暑假內(nèi)收縮資源，減少成本。經(jīng)測(cè)算，一個(gè)公有云虛擬Linux實(shí)訓(xùn)室10年費(fèi)用不超過(guò)14萬(wàn)，相比一個(gè)物理的Linux實(shí)訓(xùn)室10年費(fèi)用至少低20%。

總結(jié)：在實(shí)訓(xùn)室建設(shè)和維護(hù)成本來(lái)看，公有云上實(shí)現(xiàn)云計(jì)算Linux實(shí)踐教學(xué)具有經(jīng)濟(jì)可行性。

七、云計(jì)算專業(yè)實(shí)踐教學(xué)采用商用公有云的教學(xué)模式可行性

寒暑假：每個(gè)學(xué)期末，云主機(jī)管理老師可以清除過(guò)往班級(jí)的鏡像和Docker。為了減少寒暑假期間云主機(jī)的費(fèi)用消耗，可實(shí)用商用公有云環(huán)境的自由收縮功能，在寒暑假期間收縮服務(wù)器的配置，以降低服務(wù)器費(fèi)用。在開(kāi)學(xué)時(shí)恢復(fù)服務(wù)器的高配置，以滿足學(xué)期教學(xué)需求。

學(xué)期：學(xué)期開(kāi)始后，云主機(jī)管理老師需要了解云主機(jī)支持的課程和班級(jí)。每個(gè)班級(jí)每門課程為一組實(shí)踐環(huán)境。管理教師可開(kāi)始新年級(jí)新班級(jí)的虛擬機(jī)創(chuàng)建和運(yùn)行工作。這些創(chuàng)建和運(yùn)行都可運(yùn)行既定腳本，操作簡(jiǎn)單。

課堂：每堂課的任老師只需要啟動(dòng)自己課程班級(jí)所有學(xué)生的虛擬機(jī)，在云服務(wù)器公共目錄下上傳實(shí)踐資源，比如安裝包和任務(wù)手冊(cè)，便可開(kāi)始課堂實(shí)踐教學(xué)。課后停止本課堂學(xué)生的所有虛擬機(jī)（也就保存了該虛擬機(jī)的狀態(tài)）。

總結(jié)：基于技術(shù)可行性，按寒暑假、學(xué)期、課堂 三個(gè)階段的模式開(kāi)展工作，完全具有模式可行性。

八、結(jié)束語(yǔ)

商用公有云在云計(jì)算實(shí)踐教學(xué)環(huán)境上具有很多傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)，比如成本優(yōu)勢(shì)、課堂有效性優(yōu)勢(shì)、實(shí)戰(zhàn)性優(yōu)勢(shì)、任務(wù)驗(yàn)證優(yōu)勢(shì)、異地教學(xué)優(yōu)勢(shì)等。很多傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室的缺陷，比如輪轉(zhuǎn)課堂時(shí)課堂的虛擬機(jī)經(jīng)常被破壞、環(huán)境不穩(wěn)定等在公有云的實(shí)踐環(huán)境完全得到解決。公有云服務(wù)器已被證明在技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和教學(xué)模式上可以作為云計(jì)算專業(yè)Linux課程實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)環(huán)境。

作者單位：傅東亮? ? 楊海洪? ? 陸燕麗? ? 謝鋒? ? 廣州松田職業(yè)學(xué)院

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 祝旭.云計(jì)算技術(shù)與應(yīng)用課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J].中國(guó)新通信，2018，20（05）.

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