蘭州交通大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)實驗教學(xué)示范中心 馮 凱

信息技術(shù)中我們經(jīng)?？吹交蛱岬礁鞣N“云”，諸如云計算、云平臺、云技術(shù)、云閱讀、云搜索等等。在很多拓?fù)鋱D中為了表現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)，常常用一團(tuán)云來代表。那么到底什么是“云”哪？云實際上就是我們經(jīng)常說到的網(wǎng)絡(luò)，隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，我們接觸到的數(shù)據(jù)和信息量大量的增多，僅靠單個的計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理已難以滿足實際的需求，于是dcr人們考慮到利用網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和服務(wù)，這就是產(chǎn)生“云”概念的背景?！霸啤彼且环N比喻說法，隨著發(fā)展它表示互聯(lián)網(wǎng)和底層基礎(chǔ)設(shè)施的一種抽象。是分布式計算技術(shù)的一種。

1.云計算

（1）互聯(lián)網(wǎng)是基礎(chǔ)設(shè)施，云計算是公共服務(wù)。云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計算方式，通過這種服務(wù)方式，可以對軟硬件資源集中進(jìn)行管理，通過共享資源和信息，按用戶需求，以虛擬化的方式為用戶提供服務(wù)。云計算由于是動態(tài)可擴(kuò)展的，而且是以虛擬化的形式提供資源，它就能提供無限的存儲和計算能力。

（2）云計算從資源的類別上來看，它分為三種，也就是SaaS，PaaS和IaaS， SaaS(Software as a Service)主要將應(yīng)用程序作為服務(wù)提供給客戶，PaaS(Platform as a Service)主要是將一個開發(fā)平臺或者說系統(tǒng)平臺作為服務(wù)提供給用戶。IaaS(Infrastructure as a Service)主要是將虛擬機(jī)或者其他基礎(chǔ)設(shè)施資源(cpu、存儲器、網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器等)作為服務(wù)提供給用戶，這種服務(wù)模型也即所謂的SPI模型。是云計算最典型的三種服務(wù)模式， 從技術(shù)和運維角度來看，“云計算”是指一種技術(shù)架構(gòu)，主要包含了虛擬化技術(shù)、自動化部署、分布式計算、分布式存儲等技術(shù)，這個技術(shù)架構(gòu)的優(yōu)點是可以對外表現(xiàn)出非常優(yōu)秀的并行計算性能、規(guī)模伸縮性和健壯性。

（3）云計算的類型：公有云、私有云、混合云。

2.私有云

私有云計算（Private Clouds）也是一種云計算，主要是指企業(yè)自身可以完全控制的云計算方式。本文要討論的是關(guān)于教育方面的私有云平臺。把它稱為私有云教育平臺。它是由搭載了云平臺服務(wù)器端軟件的云服務(wù)器、搭載了云平臺客戶端軟件的云電腦以及一系列網(wǎng)絡(luò)部件所組成。它的主要特點：

2.1 創(chuàng)新模式。私有云平臺服務(wù)于教育領(lǐng)域，來源于傳統(tǒng)的教育模式同時又突破了傳統(tǒng)的教育模式。集教學(xué)管理、學(xué)習(xí)交流、信息共享為一體，使教育主體的各方面元素，如教師、學(xué)生、教學(xué)管理人員突破原有的時空限制，在一個虛擬的平臺上進(jìn)行教學(xué)活動。實現(xiàn)了一種新的教學(xué)模式。

2.2 整合、分配及擴(kuò)充資源、提高效率。通過按需分配資源和對資源使用情況進(jìn)行精確監(jiān)控和量化，能夠節(jié)省投資、提高硬件系統(tǒng)的利用率、降低管理和運維成本、節(jié)約能耗，對資金節(jié)約和計劃的有效性都非常有意義。

2.3 發(fā)揮各自優(yōu)勢。私有云平臺架構(gòu)的設(shè)計與教育資源的緊密結(jié)合，實現(xiàn)多種教學(xué)開發(fā)和應(yīng)用。

2.4 私有云平臺可以提供集中的網(wǎng)絡(luò)管理和運行維護(hù)服務(wù)。

2.5 搭建私有云平臺可以提高低配置或老舊計算機(jī)的綜合性能，使其達(dá)到現(xiàn)有流行速度的效果。

3.實驗中心的私有云與大數(shù)據(jù)實訓(xùn)平臺是如何構(gòu)建的？

3.1 現(xiàn)狀

實驗中心現(xiàn)有計算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)實驗室、軟件技術(shù)基礎(chǔ)實驗室、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實驗室、單片機(jī)技術(shù)實驗室、虛擬仿真實驗室等。

現(xiàn)有大部分設(shè)備是5年前購置，許多設(shè)備已處于老化狀態(tài)，在綜合布線系統(tǒng)部分、主干網(wǎng)線主要以千兆雙絞線為主?，F(xiàn)有一臺華為企業(yè)級路由器、一臺華為全千兆高性能核心交換機(jī)及數(shù)十臺二層千兆交換機(jī)。實驗室PC機(jī)為聯(lián)想啟天M7300,配置較低，網(wǎng)卡為千兆網(wǎng)卡。

教學(xué)實驗內(nèi)容主要面向校內(nèi)計算機(jī)、通訊、電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、交通、土木、地理信息等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生、完成校內(nèi)百分之80的計算機(jī)實驗教學(xué)工作量。工作量（包括軟硬件更新、系統(tǒng)維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)安全等）繁重。設(shè)備使用的頻率高且個性化要求復(fù)雜多樣。

3.2 平臺的構(gòu)建

這里的平臺指私有云與大數(shù)據(jù)實訓(xùn)平臺?！肮び破涫?必先利其器”，經(jīng)過前期的考察及充分的論證，實驗中心的實驗情況符合采用私有云(云計算的一種)平臺模式進(jìn)行教學(xué)，不需要對原有設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模的改造。舊有的設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)布線系統(tǒng)馬上就可以啟用。只需對網(wǎng)管、運維人員和教師進(jìn)行課前培訓(xùn)。

中心選用了上海睿亞訓(xùn)軟件技術(shù)服務(wù)有限公司的教育云平臺。硬件部分由一臺華三路由器、一臺華三交換機(jī)及四臺高性能服務(wù)器組成，其中一臺為云博實踐教育平臺，其他三臺為采用分布式存儲技術(shù)管理的存儲服務(wù)器、在其中一節(jié)點上安裝有集中式虛擬桌面管理系統(tǒng)。并發(fā)數(shù)為150個用戶在線使用。留有擴(kuò)容空間，在這個基礎(chǔ)上可以增加新的節(jié)點。教育平臺與中心原有網(wǎng)絡(luò)平臺平行并入校園網(wǎng)。

在軟件部分，系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺全部采用Liunix操作系統(tǒng)，管理系統(tǒng)包括兩大系統(tǒng)：YunBo實踐教學(xué)管理系統(tǒng)（客戶端），集中式虛擬桌面管理系統(tǒng)。

3.3 平臺實現(xiàn)機(jī)制

一個統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)架構(gòu)對一項技術(shù)的發(fā)展是非常重要的，云計算現(xiàn)存的情況是還沒有一個統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，我們現(xiàn)在看到的比較常見的技術(shù)架構(gòu)可以分為四層：顯示層、中間層、基礎(chǔ)設(shè)施層、管理層。

實驗中心的私有云教育平臺技術(shù)架構(gòu)也基本遵從了這一結(jié)構(gòu)。以原有的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)資源作為基礎(chǔ)設(shè)施層，以視頻教學(xué)、在線作業(yè)及考試等為顯示層，以VDI桌面虛擬化解決方案為基礎(chǔ)，采用開源KVM虛擬機(jī)， KVM作為Linux內(nèi)核中的一個可裝載模塊，它支持的物理設(shè)備也即是Linux所支持的物理設(shè)備，構(gòu)建平臺的中間層（虛擬桌面云），以實踐教學(xué)系統(tǒng)為管理層，組成教育云平臺。

3.3.1 虛擬桌面云

虛擬桌面云是云計算的一個具體應(yīng)用實例，虛擬桌面云利用云計算技術(shù)在中心內(nèi)搭建一個服務(wù)器集群，通過創(chuàng)建多個虛擬機(jī)來提供遠(yuǎn)程虛擬桌面；以“虛擬機(jī)”和“虛擬桌面”的形式向用戶提供所需的計算、存儲和應(yīng)用程序等個性化內(nèi)容，主要管理部分有：系統(tǒng)狀態(tài)統(tǒng)計、用戶管理、模板管理、存儲管理、虛擬機(jī)管理等。

系統(tǒng)狀態(tài)統(tǒng)計負(fù)責(zé)對資源使用情況進(jìn)行精確監(jiān)控和量化，實時反映出資源的運行狀態(tài)。

用戶管理負(fù)責(zé)對用戶進(jìn)行身份認(rèn)證、訪問授權(quán)。

模板管理就是根據(jù)需求來配置一臺虛擬機(jī)的硬件參數(shù)，在創(chuàng)建建虛擬機(jī)的時候，虛擬機(jī)的配置要和模板是一樣的，只要選那個模板就可以了。

存儲管理負(fù)責(zé)對不同類型的存儲設(shè)備統(tǒng)一管理，融合，分配、鏡像遷移等。

進(jìn)行負(fù)載均衡存儲。

虛擬機(jī)管理負(fù)責(zé)虛擬機(jī)的創(chuàng)建、連接以及向用戶分配虛擬機(jī)。之前需要創(chuàng)建模板。在生成虛擬機(jī)過程中，以Web方式調(diào)用模板。虛擬機(jī)管理，屏蔽了硬件層自身的差異和復(fù)雜度，呈現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)化、可靈活擴(kuò)展和收縮、彈性的虛擬化資源池。

虛擬桌面云平臺的種類：公有池、私有池。

公有池主要指根據(jù)對學(xué)生學(xué)習(xí)、實驗的要求，配置建立的虛擬機(jī)平臺，這個平臺對每個學(xué)生來說是一對一的，同時又是完全虛擬化的。這個公有池不受場地、資金的限制，而是根據(jù)用戶實際需求建立。公有池簡單的可以理解為傳統(tǒng)的機(jī)房。

私有池是指針對每個教師建立的、虛擬的授課平臺。私有池里可以含有此教師的多門課程平臺。

3.3.2 實踐教學(xué)系統(tǒng)

實踐教學(xué)平臺，也叫自適應(yīng)教學(xué)平臺（客戶端），它以友好的方式展現(xiàn)教學(xué)相關(guān)人員所需的教學(xué)內(nèi)容和服務(wù)體驗。優(yōu)化教與學(xué)、實現(xiàn)教與學(xué)全面互動，充分共享資源池。利用這一平臺，讓學(xué)生提前主動學(xué)習(xí)，提高預(yù)習(xí)效果；以學(xué)定教，教學(xué)更顯有效性。

一個教學(xué)任務(wù)，它包含一些基本的元素，諸如教師、學(xué)生、教學(xué)資源、虛擬機(jī)等，所有的工作都是以課程為主軸，根據(jù)教務(wù)處下發(fā)的教學(xué)課程，通過系統(tǒng)平臺將這些元素有機(jī)地結(jié)合到一起，構(gòu)成一個完整的教學(xué)云平臺。平臺可以實現(xiàn)備課、下發(fā)作業(yè)、作業(yè)提交、檢查、評估、測驗等教學(xué)任務(wù)。

它的具體特點有：

3.3.2.1 教師與學(xué)生可以通過教學(xué)平臺實現(xiàn)相互互動。

3.3.2.2 通過創(chuàng)建課程，將課程與上課的學(xué)生進(jìn)行綁定，將課程與桌面進(jìn)行綁定后再將虛擬機(jī)分配給學(xué)生，實現(xiàn)學(xué)生在虛擬的環(huán)境下，完成課程內(nèi)容。

3.3.2.3 實現(xiàn)各種教學(xué)資源上傳平臺，支持教師自身資源上傳，滿足學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課堂實訓(xùn)、課后總結(jié)的要求。

3.3.2.4 平臺采用任務(wù)驅(qū)動教學(xué)案例模式，以知識點貫穿教學(xué)案例的編排。

3.3.2.5 采用“學(xué)習(xí)導(dǎo)向圖”學(xué)習(xí)方式，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，總體把控學(xué)習(xí)流程。

3.3.2.6 實現(xiàn)備課、作業(yè)布置、作業(yè)提交、檢查、評估等全無紙化系統(tǒng)管理。

3.3.2.7 體系化平臺管理，可與項目管理軟件、考試系統(tǒng)、測試工具等專業(yè)引擎作無縫鏈接。

3.3.2.8 借助云桌面技術(shù)，可根據(jù)課程內(nèi)容向用戶提供不同類型的實踐環(huán)境(Windows+Linux），實現(xiàn)單用戶、跨課程、多桌面。

3.3.3 推送桌面

通過云端方式向每個使用者推送桌面，使得每個使用者都有了一臺屬于自己的電腦，數(shù)據(jù)及環(huán)境都在服務(wù)器端，便于個人數(shù)據(jù)存儲和應(yīng)用。同時結(jié)合服務(wù)端的安全策略，使得整體使用環(huán)境的安全性以及運維便利性大大提高。

3.4 平臺的特色

3.4.1 采用云計算技術(shù)平臺后，可以根據(jù)用戶的需求，規(guī)劃上機(jī)實訓(xùn)的環(huán)境。

3.4.2 用VDI技術(shù)解決地理信息等專業(yè)軟件的教學(xué)實驗。實現(xiàn)了大型軟件ArcGis在VDI中的安裝運行。

3.4.3 優(yōu)化教與學(xué)、實現(xiàn)教與學(xué)全面互動，充分共享資源池，支持教師自身資源上傳共享。

3.4.4 實現(xiàn)備課、作業(yè)布置、作業(yè)提交、檢查、考試、評估等全無紙化系統(tǒng)管理。

3.5 平臺的技術(shù)架構(gòu)圖（見圖1）

圖1

3.6 平臺的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖（見圖2）

圖2中虛線部分為教育云平臺網(wǎng)路結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D，其他部分為原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.7 數(shù)據(jù)流向

在私有云平臺路由器上劃分兩個子網(wǎng)VLAN202、VLAN1。四個云服務(wù)器在子網(wǎng)VLAN202，私有云平臺路由器與私有云平臺交換機(jī)、核心交換機(jī)相連的端口在子網(wǎng)VLAN1。這樣，在云平臺上的數(shù)據(jù)的流向是：

虛擬機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換通過私有云平臺交換機(jī)完成。

虛擬機(jī)與公網(wǎng)間數(shù)據(jù)交換通過私有云平臺交換機(jī)、核心交換機(jī)、核心路由器與外網(wǎng)交換數(shù)據(jù)。

虛擬機(jī)與校園網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)交換通過子網(wǎng)VLAN202、校園網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

虛擬機(jī)與內(nèi)網(wǎng)用戶（中心用戶）數(shù)據(jù)交換通過私有云平臺交換機(jī)、核心交換機(jī)、接入層交換機(jī)完成數(shù)據(jù)交換。

圖2

3.8 大數(shù)據(jù)實訓(xùn)平臺的建設(shè)

3.8.1 私有云基礎(chǔ)桌面平臺

采用VDI桌面虛擬化解決方案和KVM虛擬機(jī)技術(shù)相結(jié)合，靈活部署計算與分布存儲，實現(xiàn)私有云基礎(chǔ)桌面環(huán)境建設(shè)，為整個系統(tǒng)平臺提供基礎(chǔ)服務(wù)支持。

3.8.2 教學(xué)與實訓(xùn)的私有云平臺（客戶端）

為教學(xué)過程提供完整的教學(xué)支撐。用戶通過客戶端設(shè)備（瘦客戶機(jī)或是家用PC）的瘦客戶計算協(xié)議與虛擬桌面進(jìn)行連接。為每個用戶提供完全個性化的，與物理桌面很難區(qū)別的虛擬桌面。

3.8.3 數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)專業(yè)工程實踐教學(xué)與實訓(xùn)資源

建立數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)專業(yè)工程實踐教學(xué)與實訓(xùn)資源，包括大數(shù)據(jù)原理與應(yīng)用，大數(shù)據(jù)理論與實踐，大數(shù)據(jù)項目案例等資源。平臺可支撐包括課件、實驗手冊、教學(xué)視頻、教師參考答案、學(xué)生答案模板、實驗素材下載，多媒體播放等多種教學(xué)資源。

4.私有云及大數(shù)據(jù)實訓(xùn)平臺的應(yīng)用

教師可根據(jù)教務(wù)處下發(fā)的教學(xué)計劃，提交所授課程內(nèi)容和學(xué)生名單，系統(tǒng)管理員根據(jù)以上內(nèi)容，建立相應(yīng)的策略。

4.1 借助用戶賬號管理功能建立教師和學(xué)生名單。

4.2 將一部分成熟的、已公開的、多年在教學(xué)崗位上向?qū)W生傳授的教學(xué)資源存放到平臺上，進(jìn)行共享。對于一部分還在不斷進(jìn)行完善的、需要充實的教學(xué)資源可以放到個人的資源目錄下?？晒_，可不公開。

4.3 創(chuàng)建實驗課實驗?zāi)０濉?/p>

4.4 通過已創(chuàng)建的模板建立桌面池。

4.5 創(chuàng)建實驗的“課程管理”，教師可根據(jù)“課程管理”建立本學(xué)期的實驗內(nèi)容，對與本課程相關(guān)的學(xué)生進(jìn)行實驗等。

4.6 教師和學(xué)生借助各自的賬號登陸實踐教學(xué)平臺（學(xué)寶），在平臺上有爭對每個學(xué)生實驗的環(huán)境（虛擬機(jī)），有實驗內(nèi)容，有課程考試，供學(xué)生完成相關(guān)的實訓(xùn)。

實驗中，私有云平臺為授課教師提供了多種技術(shù)手段和工具，幫助教師更好的完成實驗內(nèi)容。

5.結(jié)論

私有云與大數(shù)據(jù)實訓(xùn)平臺為教師和學(xué)生提供了一種新的實驗平臺，相比傳統(tǒng)的實驗?zāi)Ｊ剑@種創(chuàng)新模式，擴(kuò)充了資源、提高了效率、方便了管理。

需要完善的部分：

5.1 如何讓教師、學(xué)生更快地接受這種新的教學(xué)模式

5.2 加快資料的更新、建立上傳資料評估、審核制度。

5.3 完善精品課程示范平臺。