基于云計算的開放式實踐平臺研究與設計

李坤　蔣莉莉

摘要：針對當前計算機教學實踐中存在的缺乏合適的實踐平臺、實踐環(huán)境，實踐時間和地點受到限制等突出性問題，文章介紹利用云計算和虛擬化技術，結(jié)合需求設計一個開放式實踐平臺。該平臺通過整合學院資源，同時利用瘦客戶端技術，極大地擴充了學生參與實踐的機會，有效地促進了學生實踐能力的提高。

關鍵詞：云計算；虛擬化；IaaS；資源池；瘦客戶端技術

文章編號：1672-5913（2013）07-0021-03

中圖分類號：G642

教育部實施的“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”明確提出要強化培養(yǎng)學生的工程能力和創(chuàng)新能力。如何在保證課堂教學質(zhì)量的同時，讓學生的實踐能力得到提高是當前學校教育面臨的關鍵問題。然而在實際中，學生參與實踐往往受到諸多條件限制，具體表現(xiàn)在：①缺乏合適的實踐平臺，專業(yè)教學和實踐資源零散分布；②實踐條件很難滿足需要，實驗室硬件設備無法提供高性能計算、不支持特定操作系統(tǒng)等環(huán)境配置信息；③參與實踐的時間和地點受到實驗室管理制度的限制，無法為學生提供全天候管理和服務，無法實現(xiàn)完全開放。

隨著虛擬化和云計算技術的發(fā)展，通過構建專業(yè)實踐平臺，提升學院的實踐教學水平成為可能。實踐平臺借助先進的云計算技術，整合學院信息技術教育資源，構建實踐環(huán)境資源池，根據(jù)課程創(chuàng)新實驗需求，提供開放式實踐環(huán)境預約與部署；同時利用瘦客戶端技術，將學生實踐地點從實驗室擴展到有網(wǎng)絡連接的教室、宿舍、家庭等，實踐時間也從實驗室工作時段擴展至7×24（一周7天，每天24小時），讓學生有充分的機會參與實踐。

1 云計算與虛擬化技術

云計算是一種能夠降低IT復雜性的新方法，它將按需提供自助管理虛擬基礎架構匯集成高效資源池，以服務的形式提供計算能力。云計算將資源管理方法由分散的硬件更改為虛擬化共享資源池，共享資源包括服務器、存儲和網(wǎng)絡。通過虛擬化所有IT資源，可以提高資源利用率和針對高優(yōu)先級應用程序進行動態(tài)資源分配。這些共享資源池可以抽象為邏輯構造塊，包括存儲、網(wǎng)絡和服務器單元等，從而有效創(chuàng)建虛擬數(shù)據(jù)中心。

虛擬化技術是通往云計算的必由之路。虛擬化技術通過直接在計算機硬件上面嵌入一個精簡的軟件層，建立多個虛擬操作系統(tǒng)并且可以同時運行在單臺物理機上或服務器集群上，彼此之間共享硬件資源，通過服務器整合、自動化負載均衡、計劃內(nèi)零宕機、高可用性來優(yōu)化IT基礎架構。

通過虛擬化技術構建的云計算平臺，允許以托管服務的形式交付豐富的個性化虛擬桌面。將虛擬桌面整合到數(shù)據(jù)中心的服務器中，構建桌面云環(huán)境，實現(xiàn)操作系統(tǒng)、應用系統(tǒng)和用戶數(shù)據(jù)的獨立管理，從而使最終用戶能夠通過各種網(wǎng)絡條件獲得靈活的高性能桌面體驗。

2 平臺設計方案

2.1平臺框架設計

根據(jù)云計算平臺提供的服務類型，可以將云計算服務分為3類：基礎設施即服務（Infrastructure as a Service，IaaS）是以服務的形式提供虛擬硬件資源，由底層硬件或虛擬機資源所構建；平臺即服務（Platform as a Service，PaaS）是構建在云基礎設施上，用來提供應用服務引擎，如應用編程接口、公用基礎服務等；軟件即服務（Software as a Service，SaaS）是基于云平臺開發(fā)的各類應用服務，允許用戶定制與創(chuàng)建面向具體應用的服務，實現(xiàn)用戶個性化的服務整合和信息聚合。

結(jié)合云計算服務的類型和實踐平臺的功能需求，采用模塊化、分層的設計理念，將平臺劃分為3個層次：終端應用層、虛擬中間層、基礎設施層，形成云環(huán)境下的開放式實踐平臺總體架構，如圖1所示。

1）基礎設施層位于平臺底層，由網(wǎng)絡設備、服務器以及存儲等基礎設備組成。在硬件資源層的基礎上，通過虛擬化技術建設虛擬化資源池，為物理資源的統(tǒng)一適配提供堅實基礎。通過虛擬化技術實現(xiàn)對資源的池化管理，便于資源動態(tài)分配，充分體現(xiàn)彈性可伸縮的特點，同時保證系統(tǒng)的高可用性。

2）虛擬中間層是基于基礎設施層構建的。在虛擬化及物理資源池上通過各種操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、中間件的部署，搭建各種實踐應用、創(chuàng)新計劃應用及測試環(huán)境等，該層主要包括虛擬桌面池和實踐資源池。

虛擬桌面池：平臺一方面面向全校信息技術公共基礎教學和專業(yè)實踐教學，通過批量構建統(tǒng)一桌面進行實踐，目前提供有信息技術基礎實踐桌面、C語言上機實踐桌面、軟件工程綜合實踐桌面等；另一方面面向大學生科技創(chuàng)新和學術科研，已經(jīng)運行的有ACM大賽、高性能計算、圖形圖像處理等專用桌面。此外，平臺還提供定制服務，用戶可以根據(jù)實際需求，在當前桌面資源不能滿足應用的情況下，進行環(huán)境定制。

實踐資源池：提供實踐資源整合與共享，根據(jù)學院學科實踐特點整合實踐資源形成實踐項目、實踐計劃、實踐資料、成功案例等資源列表，基于平臺提供實踐計劃安排、實踐活動提醒等共享信息，提供電子白板、網(wǎng)絡會議、即時通訊工具等方式進行實踐信息交流。

3）終端應用層面向最終用戶。利用瘦客戶端技術，提供多種接入方式，允許移動終端、筆記本、臺式機等設備無縫接入，將固定的實踐環(huán)境虛擬化為移動的、開放的實時服務平臺。

2.2開放式實踐環(huán)境定制

實踐平臺預先按照基本需求，提供滿足通用條件的實踐環(huán)境虛擬桌面，用戶可以根據(jù)具體的實踐要求或科研需求，在通用實踐環(huán)境不能滿足的情況下，填寫實踐環(huán)境定制申請，由系統(tǒng)管理員審核后進行實踐環(huán)境的設置與發(fā)布。對于學生用戶提交的定制申請，還需要先經(jīng)過科研導師或任課教師的審核，從而確保實踐環(huán)境定制申請的嚴肅性和合法性。具體的定制審批流程如圖2所示。

2.3虛擬桌面池設計

虛擬桌面池是滿足開放式實踐平臺環(huán)境定制功能的虛擬機資源池，根據(jù)用戶特點和分類進行虛擬資源的預先劃分和設定。根據(jù)實踐平臺用戶規(guī)劃和用戶對桌面的需求不同，針對不同用戶組設計出不同的虛擬桌面池。對于虛擬桌面池中的資源，一方面按需分配經(jīng)過優(yōu)化的計算資源，實現(xiàn)彈性資源管理，最大限度滿足用戶需求；另一方面借助瘦客戶端技術，用戶可以方便接入平臺，實現(xiàn)學生實踐不再受實驗室地點和時間的限制，有效擴充學生參與實踐的機會。

1）特定桌面。特定桌面是指允許進行遠程訪問的單個虛擬機。此類桌面更多地面向科研需求，對虛擬機資源有較高的性能或安全要求，主要適用于那些需要惟一專用桌面的用戶，也適用于使用單個主機需由多名用戶在不同時間訪問應用程序的情形。已經(jīng)建立的圖形圖像處理虛擬桌面和高性能計算桌面屬于此類。

2）手動桌面池。手動桌面池是指系統(tǒng)管理員手動構建的虛擬機池，為用戶分配一個保留會話所有文檔、應用程序和設置的專用桌面。此類桌面是在用戶首次鏈接時以靜態(tài)方式分配的，稍后可用于所有后續(xù)會話。該類桌面池大致分為以下兩種：

固定桌面池：針對實踐平臺的固定用戶組，每個用戶都分配了一個特定的桌面，并在每次登錄時返回同一個虛擬桌面。用戶可以個性化定制桌面、安裝應用程序和存儲數(shù)據(jù)。主要用于研究生科研和大學生創(chuàng)新實驗，平臺提供的ACM大賽虛擬桌面屬于此類。

流動桌面池：針對實踐平臺的流動用戶組，在每次使用虛擬機后可選擇性地刪除并重新創(chuàng)建虛擬機，從而形成高度可控的環(huán)境。浮動分配桌面就像一個計算機實驗室，其中的每個桌面都加載了必要的應用程序，而且所有桌面都能訪問所需的數(shù)據(jù)。該類桌面目前主要有信息技術基礎實踐桌面和C語言上機實踐桌面。

3 結(jié)語

基于云計算的開放式實踐平臺經(jīng)過校企共建，目前已經(jīng)在中國石油大學信息技術公共教學和專業(yè)實踐中發(fā)揮了重要作用，實現(xiàn)了信息技術教學資源的全面開放式管理，在保障基本實驗教學任務之外，將優(yōu)質(zhì)的實踐資源提供給課外實驗、科技創(chuàng)新和科學研究，達到了人盡其才、物盡其用的高效運行模式。平臺實施后學生的各項科技活動取得了豐碩成果，目前獲得國家級大學生科技競賽獎項24項，省部級獎勵103項，獲批國家級大學生創(chuàng)新實驗計劃12項；同時學生動手能力和綜合應用能力大幅提高，畢業(yè)生受到用人單位的一致好評。

（編輯：郭田珍）