云架構實驗平臺的研究與設計

桂浩　楊樺　杜秋平

摘 要 為了改進傳統的教學實驗管理方式，高效利用現有資源，解決傳統教學實驗平臺環境部署復雜、安全隱患多等方面的問題，分析基于云計算的教學實驗平臺的優勢，提出建設教學實驗云平臺的全新思路，并結合學院實際給出“桌面虛擬化方案”和“服務器虛擬化”的詳細架構設計方案。通過該教學實驗平臺的設計與實施，以達到整合實驗中心及全院虛擬實驗資源的目的，既有利于提高實驗教學和實驗室管理水平，又能減少實驗中心的硬件采購成本。

關鍵詞 云計算；實驗室；教學實驗平臺

中圖分類號：TP315 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）08-0030-04

IT業正在從PC時代進入到云時代，教師的工作模式同樣發生改變，正在從在辦公室、教室、校園內部固定辦公走向隨時隨地的移動辦公，從有線的在本地辦公走向無線的在任何地點辦公，從使用本地應用的辦公走向使用遠程虛擬應用的辦公。移動安全辦公和云服務是IT業發展的又一個熱點，“校園云”的建設正是適應了社會發展的時代要求[1]。

另一方面，特別是對于高校中的計算機和軟件工程專業，對學生實踐能力的培養要求非常高，實驗課程的開設和管理至關重要。但是機房的管理、維護復雜，更新頻率高、系統穩定性差都是必須面對的問題。從管理角度來看，由于學生機房面向的學生多，科目多，學生流動性大，因此面臨很大的挑戰。而使用云平臺架構，可以在增強實驗室高管理性、高安全性的同時，搭建新一代教學平臺。

1 傳統教學實驗平臺的現狀及存在的問題

教學實驗平臺作為高校教學科研活動的重要組成部分，具有典型的多用戶、難管理、環境異構且復雜、性能需求多樣性等顯著的特點。因此，如何能夠管理好現有的教學和實驗機房軟硬件資源，達到充分高效利用、管理簡單、安全可靠、適應多種教學需求，是本文研究的重點。本文從武漢大學國際軟件學院實驗中心目前承擔的工作、工作中存在的問題、云平臺建設目標設計等角度出發，從多媒體教室的管理、實驗教學課管理、暑期實訓管理和畢業設計管理等幾個方面，進行細致的調研和分析工作。

現狀

1）多媒體教室的管理現狀。多媒體教室是日常教學活動開展的主要場所，集中安裝了多媒體教學臺，每個教室都配備了PC機、投影儀各一臺，供教學使用；每層樓都配備了無線AP，通過使用學號或工號，師生可以接入學院無線網絡，并訪問Internet。

多媒體教室的管理為日常教學活動的順利進行提供了保障，這也是學院實驗中心所承擔的管理工作中的重要環節。但是，由于設備老化、管理方式落后等原因，使得多媒體教室在管理上存在諸多問題，在一定程度上也為教學活動的進行帶來不便，亟待改進和提高。課件還是需要依靠USB存儲設備來從教室的辦公機器上拷貝到多媒體教室公用機器上。很多教師在自己家的電腦上備課或制作課件，但是因為軟件版本不同，拷貝到多媒體教室公用PC上存在不兼容等問題。USB存儲的使用給計算機病毒傳播創造了條件。

2）實驗教學課管理現狀。實驗中心基礎機房現有面積1227平方米，有八個基礎機房，共有550套設備。理論上的實驗中心最高實驗人數可達550人。各個專業、年級的實驗教學課程都在實驗中心開展。實驗教學課在本科生的培養方案中比重較大，僅2014年就開設了75門實驗教學課。因此，為實驗教學課程的開展提供良好的支撐環境、優質的管理和服務，一直是實驗中心日常工作的重中之重。

但是，由于計算機技術發展速度快、軟硬件更新頻繁，實驗中心正在使用的PC機中還有大量2007年左右采購的機器。實驗中心目前的管理模式也比較落后，日常的管理工作主要局限于實驗室機房的開門和鎖門、實驗室機房日常使用情況的登記記錄、課程所需軟件或操作系統的安裝和維護、PC和網絡設備的維護。

3）暑期實訓管理和畢業設計管理現狀。學院注重學生實踐能力的培養，因此設計并開展了第三學期暑期實訓環節，引入知名軟件公司、軟件開發培訓機構，以實際軟件開發項目為案例，以最新最熱門的軟件開發技術為基礎，由經驗豐富的軟件開發工程師帶領本科學生，開展為期2～4周的集中項目開發訓練。本科畢業設計，按照學校和學院的規定，學生可以選擇教師或企業的課題作為自己畢業設計的選題。通常，選擇企業選題的學生需要由實驗中心統一安排畢業設計項目的場所和開發設備。畢業設計為期3～4月，在實驗中心安排的機房中以分組的形式完成。

學生分組完成項目，需要安裝集成開發環境、數據庫DBMS、SVN代碼服務器、文檔服務器（用于存放各類項目設計與開發文檔）、ftp服務器（用于共享各類文件）等，但由于實驗中心并沒有設置專門的服務器，因此學生在分組之后必須單獨自行搭建這些平臺。再則，重復搭建浪費大量的計算和存儲資源，也不便于進行集中式管理。

存在的問題

1）資源利用率不高。由于各計算機實驗室的使用率不一樣，出現這樣的情況，有的計算機實驗室使用率很低，基本上處于閑置狀態，極大地浪費了資源。

2）環境部署不便，重復工作量大。為了滿足日益變化的教學需求，必須常常重新搭建計算機實驗室環境；另外，每學期初根據不同的課程安排，都需要重裝各計算機實驗室的軟件，使得計算機實驗室的維護量大、工作煩雜。

3）潛在的安全問題多。計算機實驗室的機器在使用過程中往往會出現原有系統被人為地進行有意無意的破壞的情況。另外，計算機實驗室也常常會因為ARP攻擊、病毒入侵等原因而頻繁癱瘓。如果計算機實驗室的安全得不到保障，就會影響實驗教學的正常進行。

2 教學實驗云平臺的優勢

基于私有云架構的教學實驗平臺，在服務器虛擬化技術的基礎上，可以提供三個層次的云計算服務（IaaS、PaaS和SaaS），正好可以滿足在教學實驗中對不同硬件、不同操作系統和平臺、不同軟件應用的需求。同時，基于云架構的教學實驗平臺是彈性的，當某門實驗課程需要增加或減少資源的時候，系統會自動從公共資源緩沖池中機動地分配足夠的資源保證供給，或回收相應的資源，以確保其他課程或項目可能出現的需求[2]。endprint

教學實驗云平臺的基礎架構 實驗中心下屬各機房通過學院內部有線、無線接入，連接至云計算中心，而云計算中心主要提供軟件服務Saas（以應用軟件形式提供的服務）、平臺服務PAAS（以各種DB、中間件等方式提供的基礎性服務）、基礎設施服務IAAS（以虛擬機為載體的存儲、計算等資源）、虛擬化資源（計算池、存儲池和網絡池等）、物理資源池（物理網絡、存儲設備、服務器等）。在這種分層的云平臺基礎架構中，由于所有的軟硬件、存儲設備、服務器、計算資源、服務、設備的使用管理都由云計算中心動態地統一調配與管理，因此，用戶無需進行任何數據的維護或是獲取[3]。

教學實驗云平臺管理上的優勢

1）安全可靠。在開展實驗教學活動時，用瘦客戶端取代傳統PC作為客戶端，所有的計算資源、軟件資源全部位于服務器集群中，可以實現軟硬件、各種應用程序的集中管控，客戶端零維護。所有安全維護工作均在云實驗中心的云端進行，所有的電腦都是安全云的組成部分，對病毒進行統一防控，對外網訪問進行統一監管。同時，云平臺支持高可用性（HA），在實現負載均衡的同時，還可以在出現服務器故障時實現透明的遷移。這些特征都使得教學實驗平臺具有更高的安全性、可靠性[4]。

相比以前學生機、教師機均采用傳統PC機的方式，在底層硬件上安裝操作系統，所有數據均保存在本地磁盤中。實驗中心的工作人員需要負責維護與管理所有的PC機，客戶端維護、防病毒、防惡意軟件任務艱巨；有時候，為確保安全不得不犧牲很多方便性，系統使用復雜。

2）方便快捷。隨時隨地，使用任意終端，只要輸入教師或學生個人的賬號，就可以訪問分配給指定用戶的虛擬應用或者桌面，實現桌面隨處用、應用隨處用、數據隨處用，真正做到每個學生、教師都有一個屬于自己的云端虛擬機，每門課程都有專用的云端服務器。

3）操作簡單。所有計算資源、存儲資源，均根據教師、學生、實驗課程的需要，采取集中式、動態地進行調度分配和管理。其中，分配給教師和學生的虛擬機由其自行安裝和維護，實驗課程所需的虛擬機由教師在學期開始時申請資源，創建模板并對其進行維護。也就是說，實驗中心工作人員的主要工作是對資源的申請按照管理流程進行審批，對各類資源的使用劃分周期和時間段，對各類資源的使用進行監管和回收，而無需時刻了解掌握實驗中心的所有硬件設備與軟件系統是否運行正常。換句話說，實驗中心機房及軟硬件的管理和維護工作，將從一項煩瑣而復雜的工作轉變為有計劃的、有重點的調度和監管活動。而云計算和虛擬化技術則為這一點提供了保障。

4）經濟性保障。客戶端硬件無需每3～5年就更新換代，避免了持續的、巨大的資金投入。云平臺建立在服務器虛擬化的基礎之上，所有計算和存儲資源池化管理，按需取用、彈性調度。另外，可以統一更新客戶端硬件平臺，同時技術上也可以最大限度利用原有PC客戶端作為過渡[5]。

3 教學實驗云平臺的設計方案

根據前面對各種工作現狀和需求的分析、學院云平臺的建設目標和思路，以及前期進行的院內問卷調查，實驗中心制訂“桌面虛擬化方案”和“服務器虛擬化”架構設計方案。

桌面虛擬化方案 為了支持集中管理和滿足用戶個性化定制的實驗教學需求，提供個性化Windows桌面，必須通過任何網絡，安全地將桌面系統交付到任何終端設備。學院決定采用基于虛擬機的集中VDI桌面虛擬化方案，如圖1所示。圖1所示的是無狀態的一對多VDI方案，這種架構是Citrix桌面虛擬化推薦的最佳方案。

所謂基于虛擬機的集中管理式桌面，實質是傳統意義上、狹義的桌面虛擬化VDI，把Windows XP/Vista/7各種操作系統的桌面運行在后臺服務器上，比如采用服務器虛擬化技術對一臺物理服務器進行資源池化，可以在云端支持60個Windows同時運行，然后再通過ICA協議把它們傳輸到60個不同的用戶終端設備上，操作系統實際上運行在數據中心。

又可以將桌面虛擬化場景細分為兩種方式：有狀態和無狀態。現將這兩種不同方式及其分別適用的實驗教學場景進行對比。

1）有狀態表示的是用戶和云端虛擬機之間存在一對一綁定的關系，所以用戶對虛擬桌面所進行的任何修改都會保存在虛擬機中。

2）無狀態則是指從同一個磁盤鏡像中復制并啟動多個用戶虛擬機的副本，而這些虛擬機則始終保持只讀的狀態，所以用戶對這種虛擬桌面所做的任何修改將會在注銷后消失，虛擬機運行時資源將自動回收。

3）使用有狀態方式，用戶通常擁有更大的自主權限，但管理上相對復雜，存儲資源占用上相對較大；而無狀態方式，用戶則不能對操作系統進行修改，權限受控，但一對多的理念使管理簡單，同時不會占用大量的存儲資源。

4）有狀態的方式適合于為教師和學生提供可獨立、持續使用的計算環境，比如用于教師科研或學生實訓；而無狀態的方式，更加適合于針對某門實驗課程，比如操作系統原理，由實驗主講教師制作統一的實驗模板機，學生在實驗課上獨立使用。

服務器虛擬化方案 為了對虛擬池化資源實施集中式管理和監控，實現自動化并簡化資源調配，同時更好地解決傳統單一物理服務器部署應用方式所造成的弊端，學院采用VMware虛擬架構軟件的服務器虛擬架構整合解決方案，如圖2所示。在整個架構中搭建兩個網絡，一個作為生產網絡（根據實際應用可以劃分多個VLAN），另外一個作為虛擬中心管理網絡和虛擬機動態遷移VMotion網絡。另外根據實際的網絡環境，結合實際生產環境中的要求，將網卡分別設置在不同的網段上。

使用18臺高性能服務器作為VMWareESXi虛擬服務器，另外兩臺服務器作為管理服務器。利用VMWareVMotion功能，使得服務器在ESXi虛擬服務器硬件環境出現問題的情況下，能夠自動遷移到另一臺ESXi虛擬服務器上運行，不會因為硬件環境出現的問題而導致應用服務停止運作，保證業務連續性。endprint

使用VMWare High Availability功能在整個虛擬化 IT環境中提供高可用性，而沒有傳統群集解決方案的成本或復雜性。VMWare HA可為在虛擬機中運行的任何應用程序提供經濟高效的高可用性解決方案，而不需要考慮其應用操作系統設置或應用系統基礎硬件配置。VMWare HA不需要專門的備用硬件和附加軟件支持。

同時，VMWare系統提供VMWare HA、VMWareVMotion、VMWare DRS的系統資源高可用與自動資源調節能力，可自動平衡應用間對CPU、內存的資源分配，保證應用系統維持在最佳運行狀態。VMWare高可用特性可徹底保證用戶關鍵性應用系統不間斷運行。若實施VMWare高可用架構，要求虛擬化應用系統必須接入存儲區域以作數據存儲共享設置。

VMWarevCenter服務器以虛擬機的形式部署在ESXi上，管理整個虛擬化數據中心系統，配合企業級備份軟件（安裝Networker軟件的服務器也以虛擬機器部署）實現高效的虛擬機系統和數據的備份，構建數據中心的重復數據消除功能，對數據進行備份、歸檔。

在存儲方面，采用統一存儲系統，具有保障企業級業務持續性的多種特性，包括熱插拔冗余硬件，熱備份硬盤，多路徑故障切換、快照、克隆，本地/遠程鏡像和非破壞性固件升級等。

4 結語

本文針對傳統教學實驗平臺的現狀和存在的問題進行全面剖析，并分析基于云計算的教學實驗平臺的優勢，給出教學實驗云平臺的構建思路及設計方案。云計算的出現，打破了傳統的實驗條件和環境的壁壘，為高校提供了超級的虛擬實驗環境（類似甚至超過國內外一流大學的配置），讓更多高校的科研人才包括學生能夠加入到復雜的實驗和科研中去。云計算將是未來教育信息化發展的必然趨勢，一定會在高校教學、科研和信息服務中發揮著愈加重要的作用。

參考文獻

[1]孔燚.云計算在高校計算機實驗室建設管理中的應用[J].中國教育技術裝備，2013（12）.

[2]張娟.基于云計算的教學實驗平臺的構建[J].計算機光盤軟件與應用，2012（12）.

[3]黃健.基于云計算的高校機房管理方法實踐[J].電腦編程技巧與維護，2012（14）.

[4]閆格.基于云計算架構的高校實驗室設計與實施[J].漳州師范學院學報：自然科學版，2011（3）.

[5]宋蕾.虛擬技術在高校計算機機房實驗室中的應用[J].實驗室研究與探索，2013（6）.endprint