葉倫強(qiáng)

（西南民族大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心, 四川 成都 610041）

基于虛擬化的慕課(MOOCs)平臺(tái)架構(gòu)研究

葉倫強(qiáng)

（西南民族大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心, 四川 成都 610041）

慕課平臺(tái)是數(shù)字化環(huán)境下慕課建設(shè)和推廣的重要組成部分. 描述了慕課平臺(tái)目前存在的問題、慕課平臺(tái)虛擬化方案、慕課平臺(tái)虛擬化原理、慕課平臺(tái)VMware服務(wù)器組件和功能、慕課平臺(tái)VMware服務(wù)器虛擬化系統(tǒng)架構(gòu)、慕課虛擬化系統(tǒng)推薦配置、關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn), 對如何利用虛擬化對慕課平臺(tái)進(jìn)行了架構(gòu)研究.

虛擬化; Vmware; vSphere; 慕課; 架構(gòu)

MOOCs即慕課, 是大規(guī)模在線開放課程的簡稱[1]. “M”是Massive(大規(guī)模)的簡寫, 相對于一門傳統(tǒng)課程幾十或上百學(xué)生不同, 一門慕課(MOOCs)的受眾最多達(dá)16萬人; “O”是Open(開放)的簡寫, 相對于傳統(tǒng)課堂是針對學(xué)校圍墻內(nèi)的學(xué)生不同, 慕課(MOOCs)的受眾廣泛, 學(xué)校圍墻內(nèi)外的學(xué)習(xí)者皆可參與. 無論國籍、膚色和年齡,學(xué)習(xí)者只要對某門慕課感興趣, 注冊慕課平臺(tái)后便可加入慕課的學(xué)習(xí); “O”是Online(在線)的簡寫. 隨著以電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、有線電視網(wǎng)為代表的“三網(wǎng)合一”的發(fā)展、城域WIFI覆蓋、4G無線網(wǎng)絡(luò)的推進(jìn)、手機(jī)、平板等移動(dòng)終端設(shè)備的普及, 學(xué)習(xí)者使用終端設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)自主完成慕課的學(xué)習(xí)已經(jīng)越來越便捷. 大規(guī)模在線學(xué)習(xí)的慕課傳播和推廣迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇, 世界名校哈佛大學(xué)、斯坦福大學(xué)紛紛發(fā)布了慕課供全世界學(xué)習(xí)者免費(fèi)學(xué)習(xí)[2]. 在中國清華大學(xué)、北京大學(xué)與edX合作推出了慕課, 復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)與Coursera合作推出了自己的慕課[3].

慕課平臺(tái)作為慕課重要組成部分, 從誕生之日起, 就肩負(fù)著實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教育資源共享, 推動(dòng)高等教育開放, 弘揚(yáng)和傳播優(yōu)秀文明成果, 促進(jìn)學(xué)習(xí)化社會(huì)的形成, 共同服務(wù)于國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)全面進(jìn)步的責(zé)任[4]. 合理利用慕課平臺(tái)對于慕課的建設(shè)、應(yīng)用、推廣起著關(guān)鍵的作用. 慕課平臺(tái)具有學(xué)生注冊與認(rèn)證、基于微課理念的高度知識(shí)模塊化的課程視頻管理、針對知識(shí)點(diǎn)的課程測驗(yàn)、教師與學(xué)生互動(dòng)和學(xué)生與學(xué)生互動(dòng)的評價(jià)管理、基于大數(shù)據(jù)分析生成圖表和儀表盤的直觀評價(jià)等功能. 慕課平臺(tái)在慕課課程學(xué)習(xí)的教學(xué)環(huán)節(jié)中的合理運(yùn)用, 能夠免費(fèi)、高效的提高慕課課程學(xué)習(xí)的質(zhì)量. 因此, 通過慕課平臺(tái)完成課前準(zhǔn)備、課堂學(xué)習(xí)、課堂討論、課后評價(jià)、調(diào)整教學(xué)策略方面都是非常重要的.

1 問題提出

慕課是大規(guī)模在線開放課程, 其在線用戶數(shù)量多、在線操作規(guī)模之大是傳統(tǒng)課程無法比擬的. 以2011年秋季斯坦福大學(xué)推出的“人工智能導(dǎo)論”慕課為例[5], 其注冊用戶超過16萬人. 這16萬用戶如果同時(shí)在線視頻學(xué)習(xí)、在線互動(dòng)討論、在線評價(jià), 后果是以往難以想象的. 迄今為止有如下幾個(gè)問題阻礙慕課平臺(tái)發(fā)展:

1)大規(guī)模用戶同時(shí)在線點(diǎn)擊課程視頻學(xué)習(xí)會(huì)造成瞬時(shí)負(fù)載過大引起“啟動(dòng)風(fēng)暴”的問題.

2)用戶無限的增加了, 為了滿足業(yè)務(wù)的需要, 是否硬件投資也要無限的增加？不斷的增加硬件投入造成對慕課服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備投資成本過大的問題.

3)慕課用戶越來越多, 服務(wù)器硬件投資越來越大, 造成功耗、能耗越來越大的問題.

4)慕課服務(wù)由眾多服務(wù)器集群組成, 有的服務(wù)器負(fù)責(zé)慕課用戶注冊、有的負(fù)責(zé)慕課用戶視頻瀏覽和學(xué)習(xí)、有的負(fù)責(zé)在線討論和評價(jià)、有的負(fù)責(zé)大數(shù)據(jù)的分析評價(jià). 在眾多服務(wù)器中有的只是在一天中的某個(gè)時(shí)段會(huì)出現(xiàn)使用高峰, 其他時(shí)候不過10%的使用率, 而其他服務(wù)器則會(huì)出現(xiàn)資源不足的問題.

5)慕課服務(wù)器由于建設(shè)的時(shí)間和周期的原因, 有些服務(wù)器服役期限超過了3年, 逐漸進(jìn)入了老化淘汰更新期, 設(shè)備故障頻發(fā)容易照成慕課業(yè)務(wù)中斷. 如何避免感染病毒、操作系統(tǒng)崩潰等災(zāi)難故障, 快速的恢復(fù)慕課的業(yè)務(wù)也是一個(gè)難題.

針對以上問題, 本文提出了基于虛擬化的慕課(MOOCs)平臺(tái)架構(gòu)研究, 利用虛擬化技術(shù)完成慕課的日常業(yè)務(wù)部署, 解決慕課服務(wù)硬件投資成本大的問題、業(yè)務(wù)資源利用率低的問題、服務(wù)器功耗大的問題、災(zāi)難恢復(fù)復(fù)雜的問題.

2 實(shí)現(xiàn)方案

虛擬化技術(shù)是當(dāng)今最熱門的技術(shù)之一, 服務(wù)器虛擬化后能夠體現(xiàn)出服務(wù)器整合、降低成本、提高資源利用率等諸多優(yōu)勢. 本慕課平臺(tái)采用VMware推出的一套虛擬化方案VMware vSphere[6], 其廣泛的應(yīng)用于服務(wù)器資源虛擬化整合、動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡、智能電源管理、在線遷移主機(jī)等領(lǐng)域, 受到了世界知名服務(wù)器廠商DELL、HP、IBM等公司的廣泛支持.

2.1 慕課平臺(tái)虛擬化原理

傳統(tǒng)慕課平臺(tái)的軟件與硬件緊密結(jié)合, 服務(wù)層由低到高由硬件、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序組成, 每臺(tái)硬件機(jī)器上對應(yīng)安裝一個(gè)操作系統(tǒng), 每個(gè)操作系統(tǒng)對應(yīng)部署一個(gè)應(yīng)用程序. 各個(gè)服務(wù)層之間緊密的相互依賴. 如圖1所示,虛擬化技術(shù)出現(xiàn)后, 包含操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的嚴(yán)密隔離的軟件容器“虛擬機(jī)”(VM)出現(xiàn)了, 一臺(tái)服務(wù)器上可以有很多虛擬機(jī)同時(shí)運(yùn)行, 每個(gè)虛擬機(jī)都是完全隔離和獨(dú)立. 虛擬化軟件層可將虛擬機(jī)與主機(jī)分離開來, 根據(jù)需要為每個(gè)虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)分配計(jì)算資源[7]. 經(jīng)過虛擬化后的慕課平臺(tái)服務(wù)器在不更改操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的前提下, 借助虛擬出來的硬件完成以前的業(yè)務(wù), 軟件與硬件相互獨(dú)立, 每臺(tái)機(jī)器運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī), 部署運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用.

圖1 慕課平臺(tái)VMware服務(wù)器虛擬化原理Fig.1 Virtualization principles of MOOCs platform VMware server

2.2 慕課平臺(tái)VMware服務(wù)器組件和功能

本慕課平臺(tái)采用VMware推出的一套虛擬化方案VMware vSphere, 其包括接口層、管理層、虛擬化層、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)等部分[8]. 圖2所示為慕課平臺(tái)VMware vSphere組件和功能.

接口層包括vSphere Client、vSphere Web Client等組件, 主要負(fù)責(zé)用戶與vCenter Server的連接與接入工作.

虛擬化層由架構(gòu)服務(wù)層和應(yīng)用服務(wù)層兩部分組成. 架構(gòu)服務(wù)層由有慕課平臺(tái)私有云組成, 包括服務(wù)器的CPU、HP的EVA存儲(chǔ)、FC交換機(jī)和IP網(wǎng)絡(luò)組成. 該層為虛擬化提供基礎(chǔ)的硬件條件, 為虛擬資源池提供硬件資源. 應(yīng)用服務(wù)層由應(yīng)用軟件服務(wù)組成, 保證了虛擬機(jī)軟件服務(wù)的可用性、安全性和擴(kuò)展性. 該層主要由虛擬機(jī)軟件VMware ESX和ESXi服務(wù)器來完成, VMware vSphere 5.5版本基于ESXi虛擬化管理程序體系結(jié)構(gòu), 它是不依賴操作系統(tǒng)構(gòu)建的精簡虛擬化管理程序, 而ESX 體系結(jié)構(gòu)是早期的控制臺(tái)操作系統(tǒng), 目前已被新版本的ESXi虛擬化管理程序體系結(jié)構(gòu)所替代.

管理層的核心是VMware vCenter Server, 它是整個(gè)vSphere架構(gòu)的核心控制臺(tái), 實(shí)現(xiàn)對VMware ESX和ESXi服務(wù)器的集中式的管理, 配置、置備和管理虛擬化信息環(huán)境, 提供訪問控制、性能監(jiān)控和警報(bào)管理等數(shù)據(jù)中心服務(wù). 在慕課平臺(tái)的日常維護(hù)中很多高級(jí)功能必須由vSphere Client或者Web Client登陸vCenter Server的管理界面操作來完成, 例如vMotion(虛擬機(jī)在線遷移),vDRS(動(dòng)態(tài)分配和平衡計(jì)算容量),HA(虛擬機(jī)故障重啟)等功能.

服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)等部分為VMware虛擬化提供基礎(chǔ)硬件架構(gòu)所需要的數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的硬件條件. 服務(wù)器的CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化成多個(gè)虛擬主機(jī), 通過VMware ESX和vCenter Server的有效管理和調(diào)度, 集合不同的硬件資源形成統(tǒng)一的邏輯資源池,提供多個(gè)應(yīng)用同時(shí)運(yùn)行, 極大的提高資源的利用率.

圖2 慕課平臺(tái)VMware vSphere組件和功能Fig.2 Components and functions of the MOOCs platform VMware vSphere server

2.3 慕課平臺(tái)VMware服務(wù)器虛擬化系統(tǒng)架構(gòu)

如圖3所示是慕課平臺(tái)VMware服務(wù)器架構(gòu). 慕課平臺(tái)VMware服務(wù)器虛擬化系統(tǒng)由Virtual Center管理服務(wù)器、VM(Virtual Manufacturing是虛擬主機(jī)的簡稱)、ESX/ESXi(vSphere的兩種體系架構(gòu))、VI客戶端(vSphere Client)、Web瀏覽器、圖形終端、FC交換機(jī)(光纖交換機(jī))、IP網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器群、 FC存儲(chǔ)陣列(光纖存儲(chǔ)陣列)、iSCSI(Internet小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口)存儲(chǔ)陣列、NAS(網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)器)存儲(chǔ)陣列、備份服務(wù)器組成[9].

VI客戶端(vSphere Client)、Web瀏覽器、圖形終端作為接入層的用戶接入端, 完成允許通過命令行終端、圖形化界面連接到vCenter Serve服務(wù)器進(jìn)行管理, 完成ESXi服務(wù)器的集中式的管理, 配置、置備和管理虛擬化信息環(huán)境.

服務(wù)器群通過光纖交換機(jī)或者IP網(wǎng)絡(luò)連接到共享存儲(chǔ)FC存儲(chǔ)陣列(光纖存儲(chǔ)陣列)、iSCSI(Internet小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口)存儲(chǔ)陣列、NAS(網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)器)存儲(chǔ)陣列, 這樣便完成了慕課平臺(tái)的私有云的搭建[10].

這個(gè)搭建好的慕課平臺(tái)的私有云將CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)資源虛擬成一個(gè)個(gè)VM虛擬機(jī), 安裝到ESXi服務(wù)器組中, 通過vCenter Server的有效管理和調(diào)度, 集合不同的硬件資源形成統(tǒng)一的邏輯資源池,提供慕課平臺(tái)注冊、視頻學(xué)習(xí)、課堂討論、數(shù)據(jù)分析等不同應(yīng)用同時(shí)運(yùn)行, 極大的提高資源的利用率.

由于服務(wù)器服役期限超過了3年, 逐漸進(jìn)入了老化淘汰更新期, 設(shè)備故障頻發(fā)容易照成慕課服務(wù)中斷. 備份服務(wù)器作為日常服務(wù)器的備用服務(wù)器在災(zāi)難恢復(fù)和容災(zāi)備份方面起著很重要的作用. 在避免感染病毒、操作系統(tǒng)崩潰等災(zāi)難故障, 快速恢復(fù)慕課的業(yè)務(wù)方面, 備用服務(wù)器通過VMware vSphere的HA功能 (High Availability)將宕機(jī)造成影響的虛擬機(jī)馬上在備用服務(wù)器上重新啟動(dòng), FT(Fault Tolerance)功能立即激活輔助副本虛擬機(jī)立刻提供連續(xù)可用的服務(wù).

圖3 慕課平臺(tái)VMware服務(wù)器架構(gòu)Fig.3 Architecture of the MOOCs platform VMware server

2.4 慕課虛擬化系統(tǒng)推薦配置

慕課虛擬化系統(tǒng)推薦服務(wù)器配置如下:

服務(wù)器: Dell R900, IBM x3650, HP DL 580以上.

存儲(chǔ): HP EVA 4400(Max88TB, 2 SP, 4G cache)

FC交換機(jī): Brocade 300 SAN Switch(8/16/24 ports, 192Gbps bindwidth,4/8G port speed)

虛擬軟件: VMware vSphere 5.5 Enterprise(HA、vMotion、FT、VCB、DRS、DPS等)VMware vCenter Server standard(vCenter Orchestrator、web access等)

3 關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

慕課平臺(tái)建設(shè)周期長, 部分服務(wù)器才上馬部署另一部分服務(wù)器已經(jīng)超過了3年服役期開始老化淘汰中, 服務(wù)器硬件保修服務(wù)到期, 其上運(yùn)行業(yè)務(wù)不能與新款服務(wù)器硬件相兼容. 一旦其中一臺(tái)慕課服務(wù)器硬件出現(xiàn)故障,修復(fù)將變得異常困難. 如何應(yīng)對服務(wù)器升級(jí)帶來的問題？如何面對服務(wù)器出現(xiàn)故障影響慕課訪問的問題？如何面對感染病毒、操作系統(tǒng)崩潰等災(zāi)難故障造成的慕課快速恢復(fù)業(yè)務(wù)的問題？這些問題都是相當(dāng)重要和關(guān)鍵的問題. 基于虛擬化平臺(tái)下的慕課平臺(tái)架構(gòu)中的vMotion(Live motion)、HA(High Availability)、FT(Fault Tolerance)功能[11]很好的解決了這些問題.

圖4 慕課平臺(tái)VMware服務(wù)器故障恢復(fù)Fig.4 Fault recovery of the MOOCs platform VMware server

如圖4所示, 正常情況下服務(wù)器1、服務(wù)器2、服務(wù)器3通過VMware ESXI服務(wù)將CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)資源提供給資源池供多個(gè)虛擬主機(jī)VM調(diào)用資源. 服務(wù)器1上運(yùn)行的是VM1、VM2、VM3, 服務(wù)器2上運(yùn)行的VM4,服務(wù)器3上運(yùn)行的是VM5、VM6、VM7, 如果服務(wù)器2老化了, 新的服務(wù)器要部署的話可以通過VMware VMotion可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)器群的虛擬機(jī)的動(dòng)態(tài)遷移, 而服務(wù)不中斷. 服務(wù)器2停機(jī)進(jìn)行維護(hù)時(shí), 該服務(wù)器2上運(yùn)行的虛擬機(jī)VM4可以動(dòng)態(tài)地遷移到服務(wù)器1或者服務(wù)器3上, 遷移過程對業(yè)務(wù)的中斷極短(數(shù)秒內(nèi))甚至感覺不到業(yè)務(wù)中斷. 如果服務(wù)器2出現(xiàn)故障, 通過VMware vSphere的HA功能 (High Availability)快速的將宕機(jī)的虛擬機(jī)VM4業(yè)務(wù)馬上轉(zhuǎn)移到服務(wù)器1或者服務(wù)器3中啟用. 在服務(wù)器2正常的情況下, 可以通過VMware vSphere的FT(Fault Tolerance)功能, 將服務(wù)器2上的虛擬機(jī)VM4生成一個(gè)輔助副本虛擬機(jī), 當(dāng)服務(wù)器2故障后, 立即激活輔助副本虛擬機(jī)立刻提供連續(xù)可用的服務(wù). 這樣以上三種情況都能通過VMware vSphere虛擬化方案中的高級(jí)功能得圓滿的解決.

4 小結(jié)

相對傳統(tǒng)的慕課平臺(tái)的架構(gòu), 在數(shù)字化環(huán)境下利用VMware vSphere虛擬化方案完成慕課平臺(tái)的架構(gòu)建設(shè)、部署于管理, 將虛擬化和慕課平臺(tái)有效的結(jié)合, 極大的整合了慕課平臺(tái)服務(wù)器的資源、有效的負(fù)載均衡提高資源的利用率、智能電源管理降低能耗, 而VMware vSphere虛擬化vMotion、HA、FT高級(jí)功能圓滿的解決服務(wù)器升級(jí)帶來的問題、災(zāi)難故障造成的慕課快速恢復(fù)業(yè)務(wù)的問題和服務(wù)器容災(zāi)備份的問題, 極大的提高了慕課平臺(tái)的資源的有效性、可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性.

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The research of the MOOCs platform based on virtualization

YE Lun-qiang
(Modern Educational Technology Center, Southwest University for Nationalities, Chengdu 610041, P.R.C.)

The MOOCs platform is a very important part in the MOOCs under the digitalized environment. This paper shows the existing problems in the MOOCs, virtualization solution, virtualization principles, components and functions of the MOOCs platform VMware server, the architecture of the MOOCs platform VMware server, recommended configuration of the MOOCs platform VMware server, the crucial technology and its realization, and how to utilize the virtualization to research the architecture for the MOOCs.

virtualization; VMware,vSphere; MOOCs; architecture

G434

A

1003-4271(2014)04-0553-06

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.04.16

2014-06-03

葉倫強(qiáng)(1981-), 男, 漢族, 四川成都人, 實(shí)驗(yàn)師, 碩士; 研究方向：現(xiàn)代教育技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、軟件工程.

2014年度西南民族大學(xué)教改項(xiàng)目《MOOCs（慕課）的建設(shè)推廣與應(yīng)用研究》; 2014年度西南民族大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(14NZYQN48).