基于VMware Vsphere的私有云SPOCs環境設計*

陳一明

(廣東石油化工學院,廣東 茂名 525000)

隨著高等教育信息化的不斷發展，各類教學平臺數量不斷增多。由于各個平臺都需配備各自的服務器，加上各部門都在進行信息化管理建設，基本每個業務都要配備服務器，使得各高校的網絡運維成本不斷增加，管理復雜度不斷提高。另外，這幾年受MOOCs理念影響，很多高校都在建設各自的MOOCs課程，這也進一步增加了學校在教育信息化方面的負擔。有些專業課程教學平臺和業務系統使用率不高，還有一些網站日常訪問量較低，處于低效運行狀態；但有些全校性課程教學平臺(如《大學計算機》等)的使用率則非常高，還有些平臺(如教務系統)平時使用較均衡，遇到學生選課和老師成績錄入等，服務器并發連接倍增，容易造成系統癱瘓從而中斷服務。而承載這些業務的服務器是相對獨立的，無法實現軟硬件資源共享[1]。

基于VMware Vsphere的私有云SPOCs環境建設，將云計算技術應用于高校教育信息化，能有效緩解高校教育信息化進程中所出現的資源利用率低和管理難度大的問題，能很好地支撐普通高校課程教學改革，解決學生學習效率低等問題。

1 私有云與SPOCs

1.1 私有云概述

云計算的核心理念是“云”的處理能力越來越高，用戶終端的處理負擔越來越低，最終用戶終端的作用只是單純地進行輸入和輸出，這樣用戶就能根據需求享受強大的云計算處理能力[2]。

云存儲是在云計算的概念上延伸和發展出來的一個分支[3]，是將存儲資源放到網絡上供存取的一種方案。目前，云技術可以概括為公共云、私有云和混合云3種。其中，公共云是基于標準云計算的一個模式，如IBM的Blue Cloud。私有云只適合用戶單獨使用，是一種比較局限的模式，局限在某一特定區域內。混合云是在公共云和私有云的基礎之上建立的，其結合了兩者的優點，公共的信息由公共云進行處理，私有的秘密信息由私有云進行保存和處理[4]。

1.2 關于SPOCs

大規模開放在線課程(Massive Open Online Courses，MOOCs)是近年興起的網絡教學模式，它沒有課程學習人數限制，改變了傳統的班級化課程模式，提供了新的課程建設思路。然而，目前多數高校沒有足夠的資源建設，另外，由于MOOCs的學生規模沒有限制，生師比過大，學生得到老師直接指導的機會少，也是制約普通高校MOOCs建設的關鍵問題。

小規模專屬在線課程(Small Private Online Courses，SPOCs)是相對于MOOCs而言的。SPOCs有2個顯著特點：1)課程規模較小，建設成本不高，學習人數有限制，滿足一定條件的申請者經過篩選才能參與課程學習，這樣能保證學習者得到老師充分的指導；2)學習者在線學習不是唯一途徑，學生和教師還可以在實體課堂進行交流，滿足學習者的不同需要。可見，SPOCs既有MOOCs的優點，也彌補了傳統課堂的不足[5]。

SPOCs不同于MOOCs，它具有對學習者篩選功能，保證學習者的共同特征；對學習人數和用戶行為等都進行嚴格的管理，保障學習者得到充分的師生交流機會；記錄學習者的學習狀態，既能跟蹤學習者的學習情況，也能保證學習評價的科學與公平。

SPOCs環境可采用3層體系結構[6]：界面層、業務層和數據層，框架結構如圖1所示。該結構有利于功能擴展與資源數據的增加，并方便維護。

圖1 SPOCs環境框架結構圖

界面層是環境的窗口，為用戶提供交互的操作界面，將用戶的操作請求提交給業務層處理，將業務層處理之后的結果返回給界面層格式化顯示。當學習者登錄后，呈現的是個性化學習界面；當教師或管理員登錄后，呈現的是后臺管理界面。

業務層是環境的核心，主要用于封裝環境的業務，負責界面層的應用請求，并對其業務進行邏輯判斷。邏輯判斷通過后，調用數據庫的內容進行數據處理，最后將結果返回給界面層。

數據層是環境的基礎，它位于環境架構的最底層，為界面層與業務層提供數據支持，實現對數據庫的存儲和訪問等操作。

作為教學平臺，SPOCs環境同樣存在系統部署復雜、建設成本高、資源利用率低以及資源調度與共享困難等瓶頸問題。

2 基于VMware VSphere的私有云SPOCs環境

2.1 相關技術

2.1.1 虛擬化技術

虛擬化技術是將1臺計算機虛擬為多臺邏輯計算機的技術。在1臺計算機上同時運行多個邏輯計算機，每個邏輯計算機可運行不同的操作系統，并且應用程序都可以在相互獨立的空間內運行而互不影響，從而顯著提高計算機的工作效率。通過虛擬化技術，機器的CPU、內存和I/O等硬件變成可以動態管理的“資源池”，按照用戶需求進行分配，從而提高資源的利用率和系統管理的靈活性。目前，流行的虛擬化軟件很多，其中，VMware 提供的虛擬化平臺是目前業界最可靠的虛擬化平臺。VMware的虛擬化支持2種不同的虛擬化架構方式：寄居架構 (Hosted Architecture)和裸金屬架構 (BareMental Architecture)。這2種架構的區別在于前者運行在操作系統上，而后者直接運行在物理硬件上，因此更加穩定、高效[7]。

2.1.2 開源云計算平臺

開源云計算平臺(Hadoop)具有分布式和開源的特點，其構成元素很多，Hadoop由2個關鍵的核心部分組成，分別為HDFS和Map Reduce。

面向海量數據密集型的分布式文件系統(Hadoop Distributed File System，HDFS)，具有可擴展性和應用性。HDFS可以在廉價的計算機設備上運行，但是它的容錯能力十分強大，為用戶提供的服務性能較高。

HDFS可以為應用程序提供高吞吐量的數據訪問和海量數據存儲。HDFS由1個元數據節點(NameNode)和若干數據節點(DataNode)組成。其中，元數據節點作為主服務器，管理文件系統的命名空間和客戶端對文件系統的訪問操作；存儲在HDFS中的文件被分成若干個Block，這些塊被復制到系統中的不同數據節點中，數據節點管理和存儲這些塊Block，提供定位塊Block的服務，定時向元數據節點發送其存儲的Block列表。塊的大小和復制的塊數量在新建文件時可由 Client決定，默認值為 64 MB。

2.1.3 私有云SPOCs環境

私有云SPOCs環境是利用虛擬化、云存儲及云計算技術來建設SPOCs環境，實現教學與資源共享的私有云服務系統。私有云服務系統基本原理如圖2所示[8]。

圖2 私有云服務系統基本原理圖

2.2 設計方案

1)利用開源云平臺構建私有云SPOCs環境基礎架構。在虛擬環境中，配置單點登錄服務器，提供“一站式服務”，便于教學資源共享；同時，減少無謂的頻繁登錄，減輕用戶對多組用戶名及密碼的記憶負擔，簡化用戶使用過程，提升用戶體驗。

2)在虛擬機集群中，部署基于HDFS的云計算平臺，增強平臺擴展性，有效整合零碎資源，延長舊設備使用壽命，極大地提高設備使用率；集中管理各項資源，拓寬資源共享渠道；同時，利用私有云業務調度和網絡管理技術，提高系統整體負載能力，使設備性能得到更好地發揮。

3)通過私有云自身的節點管理、存儲管理及容錯技術，實現穩定可靠的資源管理。

4)利用云計算與中間件技術，打造能支持臺式機、筆記本、平板計算機、手機和云計算虛擬終端等多類型終端的高兼容課程平臺；同時，提供移動二維碼和移動App等無線接入方式，提升課程的可移動學習性。

5)提高平臺開放性與兼容性，使平臺能更好地支持語音和影像互動功能，使學員在開放和互動的環境中形成良好的學習體驗。

基于VMware Vsphere的私有云SPOCs環境框架如圖3所示。

圖3 基于VMware Vsphere的私有云SPOCs環境框架圖

3 結語

基于VMware Vsphere的私有云SPOCs環境建設有如下特點：1)可以減少物理服務器的數量，提高資源的利用率，降低硬件成本與運維成本，提升系統的安全性與可靠性；2)系統的擴展性好，用戶可在設備允許的范圍內，按需創建虛擬主機；3)對各虛擬主機的維護簡便，只需在VMware Vsphere Client管理端進行即可。私有云SPOCs環境非常適合普通高校教育信息化建設，不僅緩解了普通高校資源投入不足的問題，也為普通高校教學改革和課程建設等提供了必要的技術與環境支撐。

[1] 郭廣豐.高校私有云數據中心建設研究[J].陰山學刊,2014(3):55-58.

[2] 陳一明.云存儲技術及其應用研究[J].電子測試,2014(4):151-152.

[3] 徐迪威.云計算關鍵技術探究[J].現代計算機,2010(7):41-43.

[4] 王新鵬,賈國芳.私有云在教學資源平臺建設中的應用研究[J].廣東技術師范學院學報，2014(3):32-37.

[5] 陳曉丹,李思明,張君雁.基于 SPOCs模式的“UML建模工具”課程改革[J].教育與教學研究,2014(11):73-76.

[6] 溫小勇,孔利華,焦中明.基于社會化語義網的虛擬學習社區的構建研究[J].現代教育技術,2012(10):97-101.

[7] 胡寅,呂浩勇.基于VMware Vsphere的云計算實驗平臺構建[J].電腦知識與技術，2014(11)：7647-7649.

[8] 徐迅,李萬樂,駱漢賓，等.建筑企業BIM 私有云平臺中心建設與實施[J].土木工程與管理學報，2014(2):84-90.

*廣東省教育科學“十二五”規劃研究項目(13JXN052)

廣東省質量工程項目(2012258)