馬偉良

(閩西職業(yè)技術學院 福建龍巖 364000)

教育是國家的立足之本，在競爭日益激烈的當前，教育的信息化改造是實現(xiàn)更為先進的教育手段的必經(jīng)之路，也是當前教育創(chuàng)新的一個挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的教學方式在面對新的教育環(huán)境下已經(jīng)存在越來越多的問題，多媒體教學、翻轉課堂、遠程教學等新的教學方式被越來越多的師生所接受，在這種背景下，構建一個標準化的教學平臺成為了當務之急[1-5]。云計算作為一種新興技術，徹底剝離了計算機軟件和硬件之間不可分離的關系，用戶僅僅利用一個瘦終端接入至網(wǎng)絡中就可以進行軟件操作[6-7]。這種方式能夠極大節(jié)約運行和維護的成本，提升系統(tǒng)平臺運行的安全性?；谠朴嬎愕臉藴驶虒W平臺設計，能夠提升教學管理水平，實現(xiàn)學院的全面信息化，改變傳統(tǒng)教學管理機制落后的情況。本研究提出一種可以應用于該平臺的核心算法，并以此為基礎，基于云計算技術構建出一個可以應用于實際教學管理的標準化教學平臺。

1 基于模糊控制的CRP算法優(yōu)化改進

考慮到高校教學平臺中數(shù)據(jù)處理的效率要求，因而選取CRP (Customizable Route Planning)算法來處理教學平臺中的數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)負載均衡。CRP算法能夠根據(jù)不同的用戶等級來實現(xiàn)加權資源分配，這樣可以將資源分配給對應需求更高的用戶，該算法的步驟主要有三步：第一步，收集不同權限等級用戶節(jié)點信息，動態(tài)獲取寬帶、硬盤、CPU等基本信息。第二步，標準化節(jié)點信息，將這些節(jié)點信息進行量化處理。第三步，輪詢各節(jié)點用戶列表，從空閑資源列表中選取空閑節(jié)點加入至節(jié)點隊列中。

傳統(tǒng)CRP算法最大的優(yōu)點就是可以根據(jù)不同的用戶數(shù)據(jù)需求來分配資源，但是若節(jié)點性能接近下邊緣時，則可能出現(xiàn)用戶云請求溢出的情況，導致更高等級用于云請求質量無法得到保障。基于云計算的高校教學平臺是將標準化教學平臺創(chuàng)建云服務子節(jié)點，傳統(tǒng)的CRP算法難以保障教學平臺的教學資源請求，因而考慮引入模糊化處理的思路來對CRP算法進行優(yōu)化改進，改進后的CRP算法步驟如圖1所示。

首先，對所有的節(jié)點信息進行模糊量化，設系統(tǒng)CPU的未利用率為Wc，內存的未利用率為Wm，其他未利用率用Wi表示，對節(jié)點信息的量化標準公式為：

(1)

圖1 改進CRP算法流程圖

在式(1)中，h表示影響參數(shù)的數(shù)量，C,M兩個參數(shù)的取值范圍均為[0,1]，三個未利用率的關系為：

(2)

對于不同的云計算節(jié)點而言，它們的需求差異也很大，因而需要給參數(shù)C,M賦予不同的值。在此以五量綱分法將云計算節(jié)點性能劃分為超低檔、低檔、中檔、高檔、超高檔，對應表示為LL,L,M,H,HH，由此可以得到節(jié)點性能標識的模糊集公式：

FS={LL,L,M,H,HH}

(3)

為了優(yōu)化算法性能，對模糊邊界進行定義，構建出對應的規(guī)則，只有當HH節(jié)點全部不可用時，節(jié)點列表才不可用。構建出計算節(jié)點列表如表1所示，其中R代表節(jié)點性能等級，A指的是節(jié)點性能，最后將數(shù)量較少且等級偏低的空余節(jié)點刪除。

表1 云計算節(jié)點列表及模糊邊界范圍

2 云計算技術下的標準化教學平臺設計

2.1 平臺總體設計

基于云計算環(huán)境的標準化教學平臺設計，在網(wǎng)絡環(huán)境中按照客戶層和云環(huán)境下的虛擬桌面層、管理層，為了保證這三個部分之間的安全性，需要在這三層之間設置防火墻的同時將部分端口進行關閉[8]。如此可以在實現(xiàn)網(wǎng)絡層之間的數(shù)據(jù)安全傳輸，還可以很好地將服務器保護起來，確保高校教學的數(shù)據(jù)安全。基于這個理念，該教學平臺的整體架構設計如圖2所示。

圖2 基于云計算的標準化教學平臺整體架構設計

該教學平臺的設計，需要將高校中的所有軟件和硬件資源組合利用起來，從而搭建一個能夠順利實現(xiàn)云計算的平臺環(huán)境。根據(jù)需要，可以將系統(tǒng)分為網(wǎng)絡、存儲和服務器三個部分，虛擬桌面可以使用X86系列。系統(tǒng)的軟件主要包括了虛擬桌面的監(jiān)控軟件、配置管理軟件、備份軟件、恢復軟件以及虛擬化套件等，如此能夠滿足教學平臺的存儲、資源分配等各項功能。

云環(huán)境下的虛擬桌面平臺功能如圖3所示，系統(tǒng)通過各個接口將各類組件整合在一起，將所有的原子操作組合成為成套的業(yè)務動作，最后在用戶界面中展現(xiàn)給管理員和用戶。在系統(tǒng)的運行過程中，用戶及管理人員會經(jīng)過身份認證進入到系統(tǒng)平臺中，實現(xiàn)對授權資源的監(jiān)控及操作。管理人員能夠利用虛擬桌面實現(xiàn)對云教學資源的管理，對這些教學資源進行復制、上傳、變更、刪除等操作。虛擬桌面也會對運行的教學平臺進行實時的監(jiān)督，保證虛擬服務器能夠保持一個正常工作運行的狀態(tài)。

圖3 系統(tǒng)功能設計

基于云計算技術的標準化教學系統(tǒng)平臺安全管理，要保證系統(tǒng)平臺中所有項目的安全性，確保所有項目是隔離開的，但是又不能夠影響用戶對系統(tǒng)各項資源的申請、訪問，能夠保證一個暢通的訪問渠道。用戶的登錄是通過Web界面實現(xiàn)的，教學系統(tǒng)的所有安全管理也是通過虛擬機的訪問來完成。

2.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

云計算環(huán)境下，需要構建虛擬桌面來實現(xiàn)云環(huán)境下的教學平臺的各項功能，其中非常重要的是資源池的創(chuàng)建[9]。虛擬桌面管理系統(tǒng)首先會提出獲取虛擬桌面的需求，在生成ID組信息后虛擬桌面管理中心會對該請求進行回應。桌面池創(chuàng)建請求發(fā)送到管理中心后，虛擬桌面管理中心將消息發(fā)送到虛擬機管理中心，然后返回虛擬ID到管理中心，最后返回Web管理界面，用戶創(chuàng)建桌面虛擬池進行桌面申請的流程如圖4所示。

圖4 用戶虛擬桌面申請流程

用戶要進入到云計算平臺中，第一步要登錄虛擬桌面系統(tǒng)，根據(jù)自己的賬號密碼登錄到系統(tǒng)中，通過虛擬桌面系統(tǒng)鑒權。通過認證的虛擬桌面系統(tǒng)客戶端對客戶端的申請訪問的申請需求進行判斷，若虛擬桌面平臺判斷自己不能夠滿足申請需求，就自行安裝相關插件，如果滿足就返回用戶的認證鑒權信息，最后將登陸桌面請求發(fā)送到虛擬系統(tǒng)。

系統(tǒng)的頁面信息具體包含如下七個：地區(qū)信息表、大樓信息表、系部信息表、工作性指標、資源池信息表、城市信息表、用戶信息表。云計算環(huán)境下的虛擬教學平臺將云計算網(wǎng)絡劃分為核心部分和出口部分兩個部分。云計算教學平臺的網(wǎng)絡采取的是雙核心設計方案，需要將核心網(wǎng)作為網(wǎng)絡鏈接基礎，為了保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全，在核心交換機之間以特殊協(xié)議進行雙方的備份。為了能夠滿足學校后續(xù)的網(wǎng)絡升級，因而在核心層和匯聚層之間選取千兆以上的設備，由此實現(xiàn)教學平臺能夠平滑過渡至骨干網(wǎng)。在骨干網(wǎng)絡層設計的時候，需要充分考慮冗余設計，要利用云技術實現(xiàn)核心交換機間的高速鏈接，因而需要滿足如下三個需求：(1)要能夠對業(yè)務類型QOS進行良好控制；(2)保證雙出口間可以靈活切換以保證云計算網(wǎng)絡的安全；(3)要求網(wǎng)絡出口設備能夠支持策略路由。

3 系統(tǒng)仿真分析

3.1 仿真環(huán)境設置

為了驗證云計算環(huán)境下的標準化教學平臺各項性能，通過對核心算法和系統(tǒng)功能的仿真測試，分析此次設計的教學平臺的可用性。該標準化教學平臺的核心組件是VM XenCenter Server，作為整個教學平臺的調度中心，能夠根據(jù)需要將應用配置、OS等組成完整服務器。服務器啟動后，就可以不需要經(jīng)過本地磁盤，直接通過VDisk引導啟動。在服務端中劃分出部分空間作為虛擬磁盤，用以儲存桌面資源，對各種賬號信息匹配對應的密碼進行賬號管理。在賬號信息設置完成后，需要將其映射至客戶端電腦上，最后構建虛擬桌面模板。

每一個虛擬桌面都會占用一部分的網(wǎng)絡及服務器資源，測試客戶端配置為8 G內存，能夠支持10個左右的虛擬桌面流暢運行。由于此次設計的軟件平臺存在一定的限制，因而最多也只能夠生成10個虛擬桌面。系統(tǒng)所使用的硬件配置如表2中所示。

表2 云計算環(huán)境下的標準化教學平臺硬件配置

3.2 系統(tǒng)性能仿真分析

對比分析系統(tǒng)所使用核心算法的效率，選取100個并發(fā)客戶量，其對比分析的結果如圖5所示。

用戶并發(fā)數(shù)/人圖5 改進RCP算法的運行效率對比分析

通過圖5可以看出，改進后的RCP算法相對于傳統(tǒng)的RCP算法，其運行效率更高，相同用戶并發(fā)數(shù)時，其耗時更短。隨著用戶并發(fā)數(shù)量的增加，RCP算法及改進后的RCP算法所需耗時都會逐漸增加，在10～100的用戶并發(fā)數(shù)量下，相較于傳統(tǒng)RCP算法，改進后RCP算法效率最高提升了21.88%，當用戶并發(fā)數(shù)量為100時，改進后的RCP算法效率提升了16.48%。

進一步驗證分配不同節(jié)點數(shù)量下，改進RCP算法和傳統(tǒng)RCP算法的運行效率，其對比分析結果如圖6所示。

節(jié)點分配數(shù)量/個圖6 不同節(jié)點分配數(shù)量下的算法運行效率對比分析

通過圖6可以看出，在分配不同云服務節(jié)點下的兩種算法中，改進RCP算法運行效率更高，耗時更短，運行效率有顯著提升，在云服務環(huán)境下有著更大的優(yōu)勢。具體分析可以看出，當分配的云節(jié)點數(shù)量達到100時，改進后的RCP算法相較于傳統(tǒng)RCP算法提升了30.60%。

3.3 系統(tǒng)功能測試

為了驗證該系統(tǒng)的各項功能能夠順利實現(xiàn)，通過已經(jīng)配置的系統(tǒng)和用戶賬號進行該系統(tǒng)的功能測試，主要測試的功能有用戶登錄、桌面統(tǒng)一管理、病毒防護、用戶漫游配置、教學軟件測試，測試結果如表3所示。

表3 系統(tǒng)主要功能測試

通過系統(tǒng)功能測試可以看出，該系統(tǒng)的各項功能都能夠順利實現(xiàn)，在系統(tǒng)運行時，也會出現(xiàn)一些隱藏的BUG，例如學生的重復惡意登錄，會增加并發(fā)用戶數(shù)量而導致系統(tǒng)崩潰等，對此可以考慮后續(xù)設計為單IP只能申請一個的限制。

4 結論

為了解決不同用戶對于系統(tǒng)資源需求可能產(chǎn)生的沖突，引入CRP算法來實現(xiàn)資源任務派發(fā)的最優(yōu)控制，解決用戶優(yōu)先等級沖突的問題。通過仿真分析也可以看出，引入模糊控制改進的CRP算法有著更好的運行效率，在相同用戶并發(fā)數(shù)量和云節(jié)點數(shù)量的情況下，改進后的CRP算法性能更為優(yōu)異。而基于該核心算法的標準化教學平臺各項功能能夠順利實現(xiàn)，可以滿足院校的教學使用要求。但是該系統(tǒng)還存在一定的不足，在面對訪問用戶過多的時候可能會存在系統(tǒng)崩潰的情況，其安全性能也需要進一步提升。