楊雨鋒

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，628040）

基于高職學(xué)院實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程的云計(jì)算實(shí)驗(yàn)環(huán)境分析與搭建

楊雨鋒

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，628040）

本文首先針對(duì)高職學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程局限性分析，提出采用云計(jì)算實(shí)驗(yàn)環(huán)境獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果和可信實(shí)驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)收集的改進(jìn)措施。接著分析高職學(xué)院實(shí)驗(yàn)環(huán)境探索方向和云計(jì)算實(shí)驗(yàn)環(huán)境的整體思想和基本原理。然后對(duì)該實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)功能分析，最后闡釋部署該實(shí)驗(yàn)環(huán)境的軟硬件設(shè)備和部署過(guò)程。對(duì)高職學(xué)院實(shí)驗(yàn)環(huán)境改善具有較強(qiáng)的借鑒作用。

云計(jì)算實(shí)驗(yàn)環(huán)境;虛擬化技術(shù);存儲(chǔ)資源

職業(yè)教育必須堅(jiān)持理論與實(shí)踐相結(jié)合，要求學(xué)生“做中學(xué)”、教師“做中教”。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大部分院校、社會(huì)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)都已經(jīng)開(kāi)始使用“虛擬化技術(shù)”來(lái)輔助計(jì)算機(jī)課程及其他相關(guān)課程的教學(xué)。也利用課程教學(xué)管理軟件來(lái)簡(jiǎn)化教學(xué)管理過(guò)程。這樣實(shí)施帶來(lái)的局限性是只能管理信息的結(jié)果,無(wú)法實(shí)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程信息化管理，而任何數(shù)據(jù)的可信來(lái)自過(guò)程。因此教學(xué)管理不僅管理結(jié)果而且要求獲得過(guò)程中形成可信的數(shù)據(jù)。為此我們采用目前前沿的云技術(shù)探索建設(shè)理論與實(shí)踐一體、學(xué)習(xí)過(guò)程、實(shí)踐過(guò)程和工作過(guò)程一體的云計(jì)算實(shí)驗(yàn)環(huán)境。簡(jiǎn)單說(shuō)就是云計(jì)算技術(shù)解決教學(xué)過(guò)程建立可信數(shù)據(jù)機(jī)制+數(shù)據(jù)信息管理應(yīng)用的二者高度結(jié)合和統(tǒng)一的平臺(tái)項(xiàng)目。

1 高職學(xué)院實(shí)驗(yàn)環(huán)境探索方向

1.1 智能搜索系統(tǒng)

搜索技術(shù)是現(xiàn)在最新最熱的云計(jì)算技術(shù)。搜索技術(shù)的研究不僅需要依靠強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算能力、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)流量，而且還需要一套研究性的云計(jì)算基礎(chǔ)平臺(tái)來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

1.2 云存儲(chǔ)系統(tǒng)

隨著現(xiàn)在社會(huì)電子化的加快，對(duì)存儲(chǔ)的容量和需求呈現(xiàn)爆炸性的增長(zhǎng)，如何解決網(wǎng)絡(luò)上面的存儲(chǔ)問(wèn)題也是現(xiàn)在面臨的重大挑戰(zhàn)。

1.3 大規(guī)模數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)

大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和挖掘是現(xiàn)在社會(huì)普遍的研究課題，但大規(guī)模的數(shù)據(jù)一直是研究機(jī)構(gòu)或者高校缺乏研究的基礎(chǔ)。

1.4 虛擬資源研究系統(tǒng)

虛擬資源的研究是云計(jì)算將來(lái)的一個(gè)重大分支。通過(guò)虛擬資源的建立，可以隨時(shí)對(duì)學(xué)校的計(jì)算資源進(jìn)行整合和服務(wù)。

2 云計(jì)算實(shí)驗(yàn)環(huán)境整體思想

以云計(jì)算技術(shù)為支撐點(diǎn)通過(guò)高校的科研和教學(xué)應(yīng)用把云端資源集中整合后，通過(guò)應(yīng)用服務(wù)建立和用戶(hù)之間的橋梁,并為終端用戶(hù)提供按需消費(fèi)地綠色,節(jié)儉,安全,可靠的個(gè)性化計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、軟件資源，其中云計(jì)算實(shí)驗(yàn)環(huán)境是私有云模式的經(jīng)典應(yīng)用之一。它的特點(diǎn)是借助學(xué)校的局域網(wǎng)傳輸能力，將數(shù)據(jù)的處理過(guò)程從個(gè)人計(jì)算轉(zhuǎn)移到云端的分布式集群計(jì)算環(huán)境中，極大的方便高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中對(duì)計(jì)算資源的集中管理。

云計(jì)算實(shí)驗(yàn)環(huán)境的基本原理是計(jì)算分布在大量的分布式計(jì)算機(jī)上，而非本地計(jì)算機(jī)或遠(yuǎn)程服務(wù)器中，從而使校園數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行與互聯(lián)網(wǎng)相似。這使信息化學(xué)科教師和學(xué)生能夠?qū)①Y源切換到需要的應(yīng)用上，根據(jù)需求訪(fǎng)問(wèn)計(jì)算機(jī)和存儲(chǔ)系統(tǒng)。其核心是提供基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)資源（計(jì)算資源，存儲(chǔ)資源，網(wǎng)絡(luò)資源），同時(shí)結(jié)合學(xué)校的實(shí)際教學(xué)過(guò)程，為教師和學(xué)生提供在線(xiàn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，確保他們?cè)谠骗h(huán)境中擁有自己獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，隨時(shí)隨地獲取相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，極大的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率和效果。

云計(jì)算實(shí)驗(yàn)環(huán)境應(yīng)該具有一下特點(diǎn)：

（1）基于瀏覽器的云開(kāi)發(fā)環(huán)境

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，其所有實(shí)驗(yàn)環(huán)境（開(kāi)發(fā)環(huán)境）都部署在云端，學(xué)員本地機(jī)器上無(wú)需安裝任何實(shí)驗(yàn)相關(guān)的軟件，只需一個(gè)我們平常上網(wǎng)使用的瀏覽器即可。

（2）每個(gè)學(xué)生擁有獨(dú)立的項(xiàng)目云存儲(chǔ)空間

學(xué)員在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所有的工作成果都由云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自動(dòng)的存儲(chǔ)在此空間并永久存儲(chǔ)歸檔。采用云存儲(chǔ)，方便切換工作環(huán)境，機(jī)器和環(huán)境的變化無(wú)需拷貝數(shù)據(jù)。

（3）可依據(jù)云實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求彈性配置硬件資源

實(shí)驗(yàn)環(huán)境基于虛擬化技術(shù)，以虛擬機(jī)的形式提供計(jì)算資源?？梢酝ㄟ^(guò)動(dòng)態(tài)的為虛擬機(jī)分配計(jì)算資源的方法完美的實(shí)現(xiàn)按需為學(xué)員分配計(jì)算資源。

3 云計(jì)算實(shí)驗(yàn)環(huán)境功能分析

云計(jì)算實(shí)驗(yàn)環(huán)境是以云計(jì)算服務(wù)為核心的實(shí)驗(yàn)基地，依據(jù)服務(wù)內(nèi)容和層次的不同，通常包括如下三種類(lèi)別：

Saas Lab：采用CloudVM平臺(tái)支持構(gòu)建云計(jì)算環(huán)境的面向教學(xué)實(shí)驗(yàn)的管理平臺(tái)。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施管理：提供物理主機(jī)的管理與監(jiān)控功能。

（2）虛擬資源管理：管理系統(tǒng)中的三個(gè)主要實(shí)體：虛擬機(jī)、鏡像模板以及虛擬機(jī)解決方案。

（3）用戶(hù)管理：系統(tǒng)管理員管理系統(tǒng)中不同權(quán)限的用戶(hù)。

（4）實(shí)驗(yàn)應(yīng)用管理：課程管理、共享資源管理、學(xué)生實(shí)驗(yàn)環(huán)境管理、學(xué)生個(gè)人資源管理等模塊幫助學(xué)生方便管理和使用不同課程的實(shí)驗(yàn)計(jì)算環(huán)境。

Paas Lab：平臺(tái)服務(wù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境提供應(yīng)用服務(wù)引擎，并行計(jì)算服務(wù)平臺(tái)，大數(shù)據(jù)處理服務(wù)引擎。

Iaas Lab：以服務(wù)的形式提供虛擬硬件資源，如虛擬主機(jī)/存儲(chǔ)/網(wǎng)絡(luò)/安全等資源。用于無(wú)需購(gòu)買(mǎi)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備，只需通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)租賃即可搭建自己的應(yīng)用系統(tǒng)。核心技術(shù)是利用服務(wù)器集群技術(shù)，將大量低成本的PC服務(wù)器有機(jī)的組織成一個(gè)整體，再利用虛擬化技術(shù)按需將計(jì)算、存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)資源按需交付給應(yīng)用使用。云計(jì)算平臺(tái)中，彈性資源計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施軟件用于管理虛擬化計(jì)算資源，云存儲(chǔ)系統(tǒng)用于管理存儲(chǔ)資源，從而為上層應(yīng)用提供低成本、高可靠的計(jì)算和存儲(chǔ)資源。

平臺(tái)業(yè)務(wù)架構(gòu)如下：

云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的業(yè)務(wù)角色有學(xué)員、教師。教師負(fù)責(zé)教學(xué)、課程的發(fā)布及用戶(hù)管理。學(xué)員負(fù)責(zé)完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

教學(xué)服務(wù)功能介紹

對(duì)于院校教學(xué)管理者，可以詳細(xì)了解作業(yè)完成情況，測(cè)試結(jié)果分布，授課的反饋，可以了解課程設(shè)計(jì)情況，大綱，作業(yè)，練習(xí)，評(píng)測(cè)，實(shí)踐可以了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況，實(shí)踐環(huán)節(jié)，理論環(huán)節(jié)。對(duì)于一線(xiàn)教師，可以協(xié)助教師完成備課、授課工作； 系統(tǒng)自動(dòng)管理課后作業(yè)的發(fā)放、收取、評(píng)分工作； 系統(tǒng)自動(dòng)完成期中和期末考試的執(zhí)行和評(píng)分工作； 為教師提供學(xué)生學(xué)習(xí)情況分析報(bào)告；

對(duì)于學(xué)生，可以準(zhǔn)確記錄自己的學(xué)習(xí)實(shí)踐內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)，練習(xí)，作業(yè)?？梢詼?zhǔn)確查看自己歷史的學(xué)習(xí)成績(jī)報(bào)告?？梢詤⑴c教學(xué)的互動(dòng)討論,提問(wèn)，答疑。進(jìn)行課程的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)；幫助學(xué)生總結(jié)學(xué)習(xí)過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)和不足，及時(shí)做到互助互學(xué)

對(duì)企業(yè)可以全面的了解學(xué)生在校期間主要課程的學(xué)習(xí)情況，可以有效避免用人企業(yè)僅通過(guò)一份簡(jiǎn)歷、一次考試來(lái)招聘員工的片面性。

4 云計(jì)算環(huán)境部署

云計(jì)算實(shí)驗(yàn)環(huán)境核心架構(gòu)支撐包括兩個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)和兩套應(yīng)用系統(tǒng)。分別是云管理平臺(tái)和云存儲(chǔ)平臺(tái)，CloudLab應(yīng)用系統(tǒng)與CloudVM應(yīng)用系統(tǒng)。

云管理和存儲(chǔ)平臺(tái)：其基礎(chǔ)是構(gòu)建于分布式集群計(jì)算環(huán)境和存儲(chǔ)為基礎(chǔ)設(shè)施之上，通過(guò)云管理平臺(tái)為用戶(hù)提供服務(wù)器虛擬化、應(yīng)用虛擬化、桌面虛擬化的云資源池。還可以在云資源池之上進(jìn)行云計(jì)算項(xiàng)目研究和應(yīng)用。

云管理平臺(tái)主要是提供一個(gè)通用的、高性能、穩(wěn)定、實(shí)用的虛擬化系統(tǒng)軟件，有效地支撐虛擬化應(yīng)用的開(kāi)發(fā)、部署、運(yùn)行管理和維護(hù)，支持實(shí)現(xiàn)資源共享、協(xié)同工作、應(yīng)用集成功能。

云搜索和大數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：主要是由Hadoop系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，在Hadoop系統(tǒng)上面，可以開(kāi)發(fā)出大規(guī)模的數(shù)據(jù)搜索應(yīng)用系統(tǒng)。

云存儲(chǔ)系統(tǒng)：是一套針對(duì)多媒體存儲(chǔ)設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件，安裝在一組通用的X86服務(wù)器上，形成一套擴(kuò)展性強(qiáng)、性能優(yōu)異的存儲(chǔ)系統(tǒng)，對(duì)上層應(yīng)用快捷方便地處理大規(guī)模數(shù)據(jù)提供存儲(chǔ)系統(tǒng)支撐，其目標(biāo)是“存得住、讀得出、用得好”。

存得?。褐С执鎯?chǔ)容量達(dá)到幾P甚至幾十P，有效管理文件數(shù)量達(dá)到幾億甚至幾十億個(gè)。

讀得出：能夠提供幾十GB至上百GB的聚合數(shù)據(jù)讀寫(xiě)帶寬，具有極高的并發(fā)I/O性能，支持高效率的文件創(chuàng)建和查詢(xún)。

用得好：通用X86服務(wù)器作為存儲(chǔ)對(duì)象，方便在線(xiàn)擴(kuò)容替換，減少系統(tǒng)復(fù)雜性，提供統(tǒng)一文件系統(tǒng)映像和標(biāo)準(zhǔn)POSIX接口，所有應(yīng)用服務(wù)可以看到相同的視圖，可以訪(fǎng)問(wèn)所有的文件，通過(guò)軟件技術(shù)提高整體系統(tǒng)的可靠性和數(shù)據(jù)可靠性。

云存儲(chǔ)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)包括：

高性能：根據(jù)虛擬化應(yīng)用的不同特點(diǎn)，在卷管理策略上將虛擬化存儲(chǔ)分為三種，并采取不同的讀寫(xiě)策略。使得不僅能利用機(jī)群存儲(chǔ)可靠，高吞吐率的優(yōu)勢(shì)，又能利用本地磁盤(pán)低延遲的特點(diǎn)，優(yōu)化虛擬主機(jī)的性能。而且，盡可能優(yōu)化本地緩存策略，極大化的降低了對(duì)后端存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載。

高可擴(kuò)展的彈性架構(gòu)：云存儲(chǔ)系統(tǒng)在容量，性能和可管理性三個(gè)維度上具有線(xiàn)性擴(kuò)展能力。 在需求增加時(shí)，簡(jiǎn)單的增加存儲(chǔ)設(shè)備以獲得容量及性能的線(xiàn)性增長(zhǎng)。系統(tǒng)構(gòu)架和軟件設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)的管理復(fù)雜度也同樣線(xiàn)性擴(kuò)展，不會(huì)因?yàn)楣?jié)點(diǎn)增多而急劇增長(zhǎng)。

低成本：相對(duì)于傳統(tǒng)企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)設(shè)備，不需要昂貴的專(zhuān)用硬件設(shè)備。也不需要昂貴的存儲(chǔ)管理軟件及服務(wù)。存儲(chǔ)系統(tǒng)采用廉價(jià)的通用服務(wù)器，桌面級(jí)SATA/SAS磁盤(pán)與普通以太網(wǎng)絡(luò)等硬件設(shè)備，成本優(yōu)勢(shì)明顯。

高可靠/高可用：采用靈活高效的數(shù)據(jù)復(fù)制以及智能的數(shù)據(jù)分布策略來(lái)保證數(shù)據(jù)可靠性和可用性。如將文件復(fù)制多個(gè)副本，分別存放在不同機(jī)架的不同服務(wù)器之上，保證用戶(hù)的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。同時(shí)，支持自動(dòng)恢復(fù)，保證用戶(hù)的數(shù)據(jù)完好無(wú)損。 支持多種接口：提供Linux和Windows本地文件系統(tǒng)接口及NFS/ CIFS接口，二進(jìn)制兼容現(xiàn)有應(yīng)用程序。

云計(jì)算實(shí)驗(yàn)環(huán)境功能要要實(shí)現(xiàn)需提供相關(guān)軟硬件資源。硬件資源包括計(jì)算服務(wù)器、存儲(chǔ)服務(wù)器（8盤(pán)位）、瘦客戶(hù)機(jī)、個(gè)人pc機(jī)。軟件資源包括平臺(tái)軟件，分布式文件系統(tǒng)存儲(chǔ)軟件，平臺(tái)應(yīng)用軟件，云機(jī)房平臺(tái)管理軟件，用于“云+端”管理系統(tǒng)軟件，云課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用軟件。

部署過(guò)程如下：

（1）通過(guò)招投標(biāo)采購(gòu)相應(yīng)軟硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

（2）硬件安裝與調(diào)試。

（3）服務(wù)器部署與調(diào)試

（4）操作系統(tǒng)與基礎(chǔ)配置

（5）網(wǎng)絡(luò)配置。

（6）軟件部署階段

（7）虛擬化與存儲(chǔ)軟件部署

（8）教學(xué)管理軟件部署

（9）聯(lián)調(diào)與測(cè)試。

5 結(jié)束語(yǔ)

部署基于高職學(xué)院實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程的云計(jì)算實(shí)驗(yàn)環(huán)境需要全面理解云計(jì)算相關(guān)理論知識(shí)，還需要開(kāi)發(fā)出平臺(tái)和機(jī)房管理軟件，具有比較強(qiáng)的技術(shù)特點(diǎn)。在實(shí)施過(guò)程中最好和企業(yè)聯(lián)合完成。同時(shí)該實(shí)驗(yàn)環(huán)境與現(xiàn)行實(shí)驗(yàn)環(huán)境相比具有比較突出的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)高職教育實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、課程建設(shè)具有很好的支撐作用。對(duì)同類(lèi)性質(zhì)高校也具有較強(qiáng)的交流、借鑒的作用。

[1] 陳康 鄭緯民.云計(jì)算:系統(tǒng)實(shí)例與研究現(xiàn)狀.軟件學(xué)報(bào),2009,05

[2] 陳全 鄧倩妮.云計(jì)算及其關(guān)鍵技術(shù).計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2009,09

[3] 羅軍舟 金嘉暉.云計(jì)算:體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù).通信學(xué)報(bào),2011,07

[4] 劉正偉 文中領(lǐng).云計(jì)算和云數(shù)據(jù)管理技術(shù).計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2012,21

[5] 葉可江 吳朝暉.虛擬化云計(jì)算平臺(tái)的能耗管理.軟計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2012,06

楊雨鋒，男，四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。主要研究方向?yàn)楦咝＞W(wǎng)絡(luò)專(zhuān)業(yè)建設(shè)、課程建設(shè)。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.3.1 改進(jìn)的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置

本文算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，選取前9周的黑客攻擊數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，第10周的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)值作為預(yù)測(cè)樣本，每一個(gè)樣本都以7天為一個(gè)周期，因此改進(jìn)的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層擁有7個(gè)神經(jīng)元，表示輸入向量S∈R1×7；網(wǎng)絡(luò)輸出為一個(gè)神經(jīng)元，表示輸出向量Y∈R1×1。依據(jù)前一周的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)未來(lái)一天的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)值。

4.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文算法經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的訓(xùn)練之后，基于改進(jìn)的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)第10周的網(wǎng)絡(luò)攻擊數(shù)據(jù)的態(tài)勢(shì)，也即是使用的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)，使用的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè) 的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)，以此類(lèi)推，一直到預(yù)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)。經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，本文算法運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)結(jié)果與實(shí)際值一致，并且具有較小的誤差。為了能夠充分突出本文算法的優(yōu)勢(shì)，與文獻(xiàn)中基于KNN-SVM的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)相比，本文算法也具有較好的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

陳秀真[1];鄭慶華[1];管曉宏[1,2];林晨光[1].層次化網(wǎng)絡(luò)安全威脅態(tài)勢(shì)量化評(píng)估方法.軟件學(xué)報(bào).2006.885-897

The experimental environment analysis and calculation and set up practice teaching process in Higher Vocational College Based on the cloud

Yang Yufeng
(Sichuan Information Technology College Information Engineering Department，628040)

This paper firstly according to the process of experiment teaching in Higher Vocational College limitation analysis,proposes to use cloud computing to obtain experimental environment improvement measures of data collection experiment results and credible experimental process.Then analysis of vocational college experimental environment and explore the overall thought and basic principle of direction and cloud computing experiment environment.Has a strong reference for higher vocational college to improve the experimental environment.

Cloud computing experiment environment;Virtualization Technology;Storage resources