覃 艷*

(四川科技職工大學(xué) 信息與管理工程系，成都 610101)

云計(jì)算［1-4］是分布式處理、并行處理和網(wǎng)格計(jì)算的進(jìn)一步發(fā)展，使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)終端，將軟件和相關(guān)服務(wù)形成互聯(lián)網(wǎng)中的共享資源，并且構(gòu)建在各種標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議之上，并通過(guò)各種硬件設(shè)備可以獲取相關(guān)的服務(wù)。云計(jì)算提供了按需通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)提供軟件和應(yīng)用程序的平臺(tái)［5-6］。Google App Engine、IBM的藍(lán)云、亞馬遜彈性計(jì)算云(EC2)和微軟 Azure［7-9］都是新興的云計(jì)算平臺(tái)。將抽象的復(fù)雜性進(jìn)行隱藏、有效利用分布式資源和虛擬資源是云計(jì)算的優(yōu)勢(shì)［10］。當(dāng)前，云計(jì)算仍然被認(rèn)為處于起步階段，有許多具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題等待解決［11］。本文通過(guò)云計(jì)算開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想是平臺(tái)即服務(wù)(PaaS)，該平臺(tái)適用于真實(shí)和虛擬的云計(jì)算環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)了用戶管理、資源管理和教學(xué)資源的遠(yuǎn)程訪問(wèn)［12-13］。

在傳統(tǒng)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室，由于軟件許可證和硬件的限制，許多應(yīng)用軟件和平臺(tái)無(wú)法被學(xué)生和研究人員“隨時(shí)隨地”地訪問(wèn)［14］。云計(jì)算通過(guò)使用虛擬化技術(shù)使得在一個(gè)物理機(jī)器(Windows、Linux或其他)上的一些平臺(tái)得以開(kāi)放，以更好地和更多地為用戶提供共享資源［15］。

大多數(shù)云計(jì)算平臺(tái)由4個(gè)部分構(gòu)成:1)軟件和硬件平臺(tái)提供真實(shí)和虛擬服務(wù)器;2)資源管理節(jié)點(diǎn);3)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器;4)用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)訪問(wèn)資源。

本文通過(guò)介紹一個(gè)基于云計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源共享平臺(tái)(NTRP)，提出在高校教育中應(yīng)推進(jìn)NTRP平臺(tái)建設(shè)，并給出了該平臺(tái)的主要設(shè)計(jì)方法和特性，以及該平臺(tái)為學(xué)生和教師提供的典型應(yīng)用。

1 云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源平臺(tái)

NTRP平臺(tái)主要考慮4種類(lèi)型的資源:1)物理機(jī)器(PM):由物理計(jì)算設(shè)備形成一個(gè)數(shù)據(jù)中心，一個(gè)PM可以提供多個(gè)虛擬服務(wù)器和并由多個(gè)CPU、內(nèi)存、硬盤(pán)、網(wǎng)卡等組成。2)物理集群(PC):一個(gè)物理集群由PM結(jié)合必要的網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施組成的。3)虛擬機(jī)(VM):一個(gè)VM是一個(gè)物理機(jī)器上的通過(guò)虛擬化軟件實(shí)現(xiàn)的虛擬計(jì)算平臺(tái)，它由很多的虛擬設(shè)備(CPU、硬盤(pán)、網(wǎng)絡(luò)卡等)組成。4)虛擬集群(VC):一個(gè)VC是由VM結(jié)合必要的網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施組成的。

NTRP平臺(tái)建設(shè)中主要有4個(gè)角色:1)資源用戶(虛擬機(jī)用戶);2)策略管理員;3)域管理員;4)信息管理員。

資源用戶是指最終用戶使用該系統(tǒng)的資源(包括虛擬機(jī)和集群)。用戶可預(yù)訂VM和集群、管理虛擬機(jī)和虛擬機(jī)集群等。策略管理員、域管理員和信息管理員都是該系統(tǒng)的后臺(tái)管理員。策略管理員管理調(diào)度策略在調(diào)度域中。域管理員管理調(diào)度域在系統(tǒng)中。信息管理員管理整個(gè)系統(tǒng)的信息資源。

2 平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 NTRP的結(jié)構(gòu)體系

在NTRP系統(tǒng)中，有多個(gè)數(shù)據(jù)中心和多個(gè)調(diào)度域在其定義的域內(nèi)執(zhí)行指定的調(diào)度算法，其云計(jì)算架構(gòu)圖如圖1所示。

1)用戶請(qǐng)求:用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)起一個(gè)請(qǐng)求。2)調(diào)度分配:根據(jù)用戶的身份(如地理位置等)和業(yè)務(wù)特點(diǎn)(數(shù)量和質(zhì)量需求)，超級(jí)調(diào)度中心將請(qǐng)求提交到相應(yīng)的數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心再將網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源管理平臺(tái)的相關(guān)任務(wù)提交到相應(yīng)的調(diào)度域。在調(diào)度域內(nèi)，某種調(diào)度算法被執(zhí)行并向相應(yīng)的請(qǐng)求進(jìn)行資源分配。3)調(diào)度:圖1中3、4執(zhí)行調(diào)度任務(wù)和部署資源。4)后端優(yōu)化:在圖1中5后端調(diào)度中心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源平臺(tái)的優(yōu)化，并在各種資源對(duì)應(yīng)的不同數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)上進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化，在一個(gè)數(shù)據(jù)中心中會(huì)進(jìn)行多個(gè)調(diào)度域邏輯的定義。更新設(shè)備或資源的使用狀態(tài)，對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行重新配置以備后面的服務(wù)和進(jìn)程使用。

圖1 NTRP架構(gòu)

圖2為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源平臺(tái)交互系統(tǒng)的核心模塊，主要包括:1)調(diào)度系統(tǒng)，包括超級(jí)調(diào)度中心、調(diào)度域。2)調(diào)度中心。超級(jí)調(diào)度中心負(fù)責(zé)管理調(diào)度域和調(diào)度策略，并將任務(wù)分配到相應(yīng)的特定的數(shù)據(jù)中心。調(diào)度策略管理包括策略的添加、刪除、查詢(xún)和更新;調(diào)度域管理包括調(diào)度域的創(chuàng)建、刪除、查詢(xún)、更新和優(yōu)化，任務(wù)分配模塊根據(jù)用戶請(qǐng)求的特點(diǎn)將調(diào)度任務(wù)分發(fā)到適當(dāng)?shù)恼{(diào)度域。超級(jí)調(diào)度中心從調(diào)度域接收最新的調(diào)度信息和資源動(dòng)態(tài)更新信息。3)調(diào)度域1～N。調(diào)度域是一個(gè)執(zhí)行調(diào)度算法的邏輯/功能模塊。不同的調(diào)度域可以執(zhí)行不同的調(diào)度算法，它包含一個(gè)任務(wù)隊(duì)列、一個(gè)調(diào)度算法和與之相關(guān)的資源信息。4)算法執(zhí)行模塊。調(diào)度域從調(diào)度系統(tǒng)接收任務(wù)，并把這些任務(wù)放在相應(yīng)的隊(duì)列上。算法執(zhí)行模塊按優(yōu)先級(jí)選擇任務(wù)，考慮資源的可用性、輸出調(diào)度步驟(包括創(chuàng)建虛擬機(jī)(vm)、遷移虛擬機(jī)(vm)等)。5)調(diào)度模塊，接收調(diào)度算法的輸出模塊并執(zhí)行調(diào)度任務(wù)。

圖2 NTRP核心模塊之間的交互圖

2.2 算法偽代碼

本節(jié)對(duì)調(diào)度域中的主要操作算法進(jìn)行研究，給出2種調(diào)度域中的操作算法的偽代碼。

算法1:調(diào)度域中的主要操作

算法2:超級(jí)調(diào)度中心中用戶管理的部分源節(jié)點(diǎn)操作

算法1提供了調(diào)度域中的主要業(yè)務(wù)，包括處理執(zhí)行隊(duì)列和刪除隊(duì)列、改變用戶賬戶等;算法2實(shí)現(xiàn)通過(guò)匹配用戶請(qǐng)求和調(diào)度域中的調(diào)度算法，使得超級(jí)用戶管理調(diào)度中心中的部分源代碼能接收用戶請(qǐng)求并被分發(fā)給適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)中心(調(diào)度域)。

3 平臺(tái)操作環(huán)境和實(shí)現(xiàn)

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.1 操作環(huán)境

圖3 為系統(tǒng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)超級(jí)調(diào)度中心和多個(gè)數(shù)據(jù)中心。超級(jí)調(diào)度中心可以是一個(gè)高性能的服務(wù)器，數(shù)據(jù)中心包括電腦、虛擬軟件和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它們處于同一個(gè)局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)中。創(chuàng)建虛擬平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)涉及的資源包括:Apache web服務(wù)器、MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、OpenSSH遠(yuǎn)程訪問(wèn)工具和VMWare工作站5.5。

3.2 平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)與多個(gè)數(shù)據(jù)中心相連以便后臺(tái)管理員管理調(diào)度域接口和數(shù)據(jù)中心。每個(gè)調(diào)度域都有唯一的編號(hào)，如表1所示。調(diào)度域管理員輸入相關(guān)信息(包括調(diào)度中心IP域數(shù)量、類(lèi)型和算法)后點(diǎn)擊“提交”，該調(diào)度域?qū)⑼ㄟ^(guò)相應(yīng)的IP連接到調(diào)度中心。調(diào)度域中的超級(jí)調(diào)度中心的界面將顯示所有信息，包括調(diào)度策略、算法和連接狀態(tài)等。

表1 超級(jí)調(diào)度中心調(diào)度域的管理

由表2可知，調(diào)度域2連接到超級(jí)調(diào)度中心的類(lèi)型是高性能的。超級(jí)調(diào)度中心在收到用戶的請(qǐng)求后，將它們發(fā)送到可以請(qǐng)求相關(guān)類(lèi)型的連接調(diào)度域之后，通過(guò)調(diào)度域算法的執(zhí)行為用戶分配虛擬機(jī)或集群。分配結(jié)果通過(guò)超級(jí)調(diào)度中心發(fā)送到最終用戶。表2和表3顯示數(shù)據(jù)中心和機(jī)器的所有可能名單。超級(jí)調(diào)度中心可以管理上面提到的所有設(shè)施，如調(diào)度域、數(shù)據(jù)中心和相關(guān)機(jī)器(進(jìn)行添加、刪除和更新等操作)。

表2 數(shù)據(jù)中心列表

表3 機(jī)器列表

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了一個(gè)虛擬的基礎(chǔ)設(shè)施資源共享的云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源管理平臺(tái)。該平臺(tái)有很好的可擴(kuò)展性，可以提高網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的共享和利用。仍有一些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究:對(duì)開(kāi)發(fā)的平臺(tái)進(jìn)行績(jī)效評(píng)估;發(fā)展更多的調(diào)度策略和算法，提供不同的調(diào)度算法的典型性能指標(biāo);在分布式環(huán)境中進(jìn)行負(fù)載和壓力測(cè)試等。在未來(lái)，我們將對(duì)框架進(jìn)行擴(kuò)展，使其包括軟件和硬件平臺(tái)的鏡像、負(fù)載平衡和資源的自動(dòng)配置，以便系統(tǒng)可以應(yīng)用在大規(guī)模、分布式環(huán)境。

［1］邢麗刃，徐博.基于云計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源平臺(tái)建設(shè)研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào):理學(xué)版，2012(S1):166-168.

［2］王威達(dá).基于云計(jì)算的教學(xué)資源平臺(tái)建設(shè)研究［J］.軟件導(dǎo)刊:教育技術(shù)，2012(9):55-56.

［3］馬欽，趙新光，陳洪.基于云計(jì)算的移動(dòng)智能網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)優(yōu)化［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012(S1):349-353.

［4］劉越.云計(jì)算綜述與移動(dòng)云計(jì)算的應(yīng)用研究［J］.信息通信技術(shù)，2010(2):16-22.

［5］王玉芬，郭曉娟.云計(jì)算對(duì)高校教學(xué)資源影響解析［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010(5):118-120.

［6］張向陽(yáng).基于云計(jì)算的教學(xué)資源平臺(tái)構(gòu)架與應(yīng)用功能研究［J］.煤炭技術(shù)，2012，31(1):239-241.

［7］VAQUERO L M.EduCloud:PaaS versus iaaS cloud usage for an advanced computer science course［J］.IEEE Transactions on Education，2011，54(4):590-598.

［8］TIAN W，SUN X，JIANG Y，elta.CRESS_A platform of infrastructure resource sharing for educational cloud computing ［J］. China Communications，2013(9):43-52.

［9］LIU C.School-based teaching resources integration in the elearning platform［J］.IERI Procedia，2012:247-252.

［10］王慶波.云計(jì)算實(shí)踐之道:戰(zhàn)略藍(lán)圖與技術(shù)架構(gòu)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

［11］周瑜龍.基于云計(jì)算的大學(xué)教學(xué)資源整合模型優(yōu)化研究［J］.科技通報(bào)，2013(7):209-211.

［12］王晶，方偉，陳靜怡，等.云計(jì)算環(huán)境下的自適應(yīng)資源管理技術(shù)綜述［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2012(6):35-40.

［13］張熔，杜楊，郭俊文.基于云計(jì)算的工商辦公自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012(S1):202-204.

［14］HOLAGER S，STEFAN W.Requirements engineering for cloud computing［J］.Journal of Communication and Computer，2011，8(9):707-715.

［15］王慧.Privacy-Preserving Data Sharing in Cloud Computing［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào):英文版，2010(3):401-404.