基于校園私有云的軟件工程實驗實訓綜合平臺研究與實踐

曾明星,周清平,蔡國民,陳生萍,黃 云,董堅峰

(吉首大學軟件服務外包學院,湖南張家界 427000)

基于校園私有云的軟件工程實驗實訓綜合平臺研究與實踐

曾明星,周清平,蔡國民,陳生萍,黃 云,董堅峰

(吉首大學軟件服務外包學院,湖南張家界 427000)

闡述了云計算的概念、發展現狀與云計算在教學中的應用;進行了基礎設施層、平臺層、服務層的私有云架構設計,運用虛擬化技術構建了虛擬機群集,并提出了基于虛擬機群集的實驗實訓私有云服務平臺架構方案。以吉首大學為例,闡述了軟件工程云教育平臺的實施情況及主要功能。該云教育平臺不但能降低高校實驗實訓基地的建設與運行成本,而且能大力提升學生的訓練效果。

軟件工程;實驗實訓;軟件開發;私有云;虛擬化

軟件工程具有很強的實踐性、應用性,實驗實訓教學環節至關重要[1]。傳統軟件工程實驗實訓教學中存在的主要問題是:(1)實驗實訓室大多采用PC模式,每臺PC機有一套獨立的資源,缺乏共享,大量資源被浪費[2];(2)計算機硬件與軟件的更新速度快,實驗室更新設備的建設成本高;(3)實驗室使用時間集中,課后很少開放,出現資源緊張與閑置并存的情況。利用云計算技術建立軟件工程實驗實訓平臺,可使實驗室使用率提高50%以上,能耗降低40%以上,硬件投入減少30%～60%[3],還可減少運維工作量,提高學生訓練效果。

1 云計算的發展及其教育應用

云計算是一種新型的互聯網服務模式,將計算任務分布在大量計算機構成的資源池上,使用戶能夠按需獲取計算資源、存儲空間和信息服務[4]。云計算是并行處理、分布式計算和網格計算的發展,是虛擬化、效用計算、負載均衡等概念混合演進的結果[5],具有虛擬化、超大規模、高通用性、高可靠性、高伸縮性、按需服務、極其廉價等特點[4]。

云計算是繼個人計算機和互聯網變革之后的第三次IT浪潮,Google、Amazon等一些大公司引領著云計算技術的發展。2010年10月,國家發改委與工業和信息化部聯合發布《關于做好云計算服務創新發展試點示范工作的通知》,明確了國家發展云計算的總體思路和戰略布局,推進了我國云計算產業的發展。2009年,黎加厚教授提出了“云計算輔助教學”(cloud computing assisted instructions,CCAI)概念[6]。云計算走進高校,將有力支持教育教學,提高教學質量。

近年來,國內外學者對云計算的教育應用進行了許多研究,例如云計算的教育應用價值和經濟性,網絡學習資源的開放性和共享性,云計算教育的基礎設施模型和應用程序模型,云計算的安全性、可靠性和可移植性等[7-10]。國內學者關于云計算的教育應用研究主要集中于以下方面:(1)云計算輔助教學的可行性與作用;(2)遠程教育應用;(3)云教學平臺的設計;(4)云教學資源的共建共享。然而,在結合軟件工程專業的特征,運用云計算技術構建私有云實驗實訓綜合教學平臺,使學生不受時空限制進行項目訓練方面,現有研究成果較少。

2 校園私有云實驗實訓平臺架構設計

2.1 整體架構設計

根據部署方式和服務對象的不同,云計算可以分為公有云(public cloud)、私有云(private cloud)和混合云(hybrid cloud)[11]。公有云以專業服務商為建設主體,直接向外部諸多公共用戶提供服務的云,例如Google的Compute Engine和Amazon的EC2公有云平臺。除瘦客戶端以外,公有云使用者不需要任何軟硬件投資或建設,就可以得到公有云上所有相關的應用程序、服務及數據。但公有云用戶的數據和信息不在自己的數據中心上,安全性和保密性難以得到保證。私有云的IT基礎設施由某單一組織擁有或租用,形成一個小型的局域網,其信息和服務不對組織外部開放。私有云不僅能保證信息的安全、可靠、可控,而且具有應用服務不中斷、可隨需擴充、簡化管理、采購運維成本低等優點[12]。混合云則是公有云和私有云的融合,能保持獨立實體,采用標準的專業技術組合,具有數據和應用程序的可移植性。

校園私有云是學校建設并擁有云計算IT基礎設施,搭建學校內部云計算教學與管理環境,其建設主體是學校,服務對象是學校內部管理者與師生。軟件工程校園私有云實驗實訓綜合平臺主要分為3個層次(見圖1)。

圖1 校園私有云實驗實訓平臺整體架構圖

(1)基礎設施服務層(IaaS)。IaaS包括物理資源層和虛擬化資源池層。物理資源層由計算機、網絡設備、通信設備等構成,虛擬化資源池層是通過運用虛擬化技術將這些設備虛擬成為一個大的資源池,建立多臺邏輯上獨立的虛擬計算機,為學校師生提供虛擬化的計算資源、通信資源、存儲資源、網絡資源等服務。師生不需管理或控制任何云計算物理基礎設施,能夠自行部署和運行操作系統和應用程序。虛擬化資源池層是關鍵,它提供了云計算架構動態分配、管理計算資源的能力。

(2)軟件在線開發平臺服務層(PaaS)。PaaS的實質就是IaaS附加的一個用于指定應用的定制軟件棧。PaaS所針對的直接客戶是軟件系統開發人員,為軟件項目開發與教學虛擬資源的建設提供環境。它通過分布式計算環境和分布式存貯環境,把學校的IT基礎架構資源作為應用平臺和開發環境等平臺級產品,以Web服務的方式提供給師生,包括系統開發所需要的開發語言與工具及管理環境、Web應用平臺、海量數據庫應用平臺、海量存儲應用平臺、分析計算平臺等。校園私有云軟件工程實驗實訓平臺層主要采用Java和Microsoft.Net等技術體系,部署在Linux和Windows虛擬平臺上,提供端到端的開發環境和編程實驗實訓服務,免去師生對開發環境的配置和維護工作,提高軟件開發效率。

(3)實驗實訓資源應用服務層(SaaS)。SaaS是師生與云計算服務體系的接口。在PaaS之上進行桌面應用系統的部署,使用云計算技術構建統一的虛擬桌面,實現硬件和軟件的統一規劃、統一管理和統一維護。SaaS將某些特定應用軟件功能封裝成服務,直接為師生提供開發文檔生成、軟件檢測、視頻資源播放、項目管理、作品展示、在線交流、學生和教師管理、教學管理、校企合作、翻轉課堂、虛擬實驗等應用服務。師生、管理者、運維人員可以通過使用PC機和平板電腦、3G手機或其他移動終端設備等瘦客戶端訪問“云”端,接受云計算各層次提供的服務。

2.2 虛擬機群集設計

虛擬化技術是校園私有云實驗實訓平臺實現的核心技術。虛擬化是指計算機元件在虛擬的基礎上而不是真實的基礎上運行,可以擴大硬件的容量,簡化軟件的重新配置過程。虛擬化是對物理實體進行的抽象,這個抽象可以不斷疊加,即虛擬化也可以對抽象的再次抽象。云計算是層層虛擬的疊加[13],但最底端必須是計算機、網絡設施、I/O設備等實體資源,將其整理合并成虛擬的資源池,可消除物理資源的異構性,便于更好地管理和分配各種資源。

云計算中的虛擬化是一個抽象層概念,主要將實體的硬件與操作管理系統分開,進而提供動態的資源配置與高效的資源利用。虛擬化技術一般包括虛擬整合、虛擬拆分和虛擬遷移3方面技術。虛擬整合是將云平臺中異構的物理資源整合成一個虛擬的資源池,方便對資源的管理和分配;虛擬拆分是將每臺服務器拆分為多個獨立的虛擬機;虛擬遷移是幫助云平臺進行負載均衡和節約運行成本。當今用于構建虛擬機系統的虛擬化技術有很多,如VMware公司的ESX Server、Workstation[14],開源Xen、KVM、Hyper-V等。

VMware公司的VI3(VMware Infrastructure 3)是基于X86的企業級服務器虛擬化軟件,它由ESX Server、Virtual Center、Consolidated Backup 3個產品組成,是校園網中型數據中心虛擬化應用的最佳軟件平臺[15]。ESX Server是虛擬化的基礎平臺,它將CPU、內存、存儲器、網卡和一些I/O設備抽象到多個相對獨立的虛擬機中,在這些抽象的設備上可以運行不同的操作系統和應用程序。運行在裸機上的虛擬監視器無須主機操作系統,可將硬件的全部功能虛擬化,供上面的宿主操作系統使用。Virtual Center是對系統虛擬架構進行集中管理控制的產品,具有對虛擬機架構進行配置、監控及優化的功能,管理每臺ESX Server及虛擬機。Consolidated Backup能使虛擬機通過一個集中化的代理服務器進行備份。

基于VI3建立的虛擬機群集如圖2所示。首先,將異構的物理資源層整合成一個虛擬的資源池,資源池由IaaS群集、PaaS群集、SaaS群集3層構成;然后,分別在IaaS、PaaS、SaaS層上利用ESX Sever建立多個虛擬基礎平臺;最后,在每個虛擬基礎平臺上建立多臺學生專用虛擬機,利用Virtual Center集中管理群集中的所有ESX Server與虛擬機。各種應用軟件與管理軟件資源存在于虛擬機中,并將各虛擬機文件存儲在外部實體存儲設備中,通過Consolidated Backup實現對虛擬機文件的集中備份,并且支持虛擬機的自動遷移。當虛擬機損壞或物理服務器損壞時,相關的虛擬機能夠自動遷移到其他服務器上并自動啟動,可以防止資源的丟失。

VI3虛擬化技術不但可以實現零宕機時間的遷移、災難備份和業務恢復,實現操作系統級別之間的隔離,使各種應用互不干擾,而且可以動態調整虛擬機的資源分配,實現快速、合理的業務調度,提高服務器資源利用率,減少投資和運行成本。

圖2 基于VI3架構的虛擬機群集

基于虛擬機集群的校園私有云實驗實訓平臺架構如圖3所示。虛擬機基礎平臺直接構建于物理資源層之上,也可以分布于校園私有云的各層次之中,在基礎平臺上運行多臺虛擬機。分布式數據庫、實時數據庫為基礎設施層與云服務平臺層直接提供支持。學生用個人專屬虛擬機賬號通過校園網登錄虛擬桌面池,可以完成軟件開發項目訓練全過程。教師通過云服務平臺可以對學生項目訓練的全過程進行管理。

圖3 基于虛擬機群集的實驗實訓云服務平臺架構

3 軟件工程實踐教育中心云教育平臺的功能

吉首大學于2014年4月建成了中央支持地方高校發展實驗室專項“吉首大學軟件工程實踐教育中心云教育平臺”。該平臺是典型的校園私有云實驗實訓平臺,新投入的基礎設施主要有24臺高性能服務器、160 TB高速存儲設備、基礎校園網、WiFi網絡教室,并整合原軟件工程綜合實驗室的資源,總投資達1 000萬元。對新增加的高性能服務器和原實驗室服務器進行分組,每組分別接入匯聚交換機;教室、辦公室部署了無線AP;所有匯聚交換機、高性能管理服務器、無線AP均與核心交換機直接連接。高性能管理服務器負責管理和監控其他所有服務器,并負責與終端設備的交互。校園網與云教育平臺之間部署硬件防火墻,以提高云教育平臺的安全性。云教育平臺虛擬機群集共生成1 200臺并發學生專屬虛擬云實驗機,能同時滿足1 200個軟件工程專業學生的實驗實訓要求。

3.1 實驗實訓室功能

當軟件工程專業學生規模不超過1 200人時,每個學生都可以分配到一個專屬虛擬云實驗機賬號。學生可以在校園網覆蓋的任何地方使用PC機、筆記本、移動終端、瘦客戶機作為虛擬機終端登錄云教育平臺完成實驗實訓。這種實驗實訓方式的優勢是:

(1)延伸了傳統實驗室的空間范圍;

(2)學生始終使用專屬自己的虛擬云實驗機賬號,能保證實驗過程的連續性,節省重新部署實驗環境的時間;

(3)實驗室建設成本低,拓展容易,例如一個40 m2的云計算中心實驗室能替代約3 000 m2的傳統軟件工程實驗室;

(4)當學生規模增大時,可以通過增加服務器、網絡通信設備等,進行計算資源的重新劃分與聚合、服務透明封裝及虛擬機動態遷移,快速擴大實驗室規模;

(5)對終端設備的要求低,減少了更新終端設備的壓力,使設備的利用率提高。

3.2 軟件開發功能

軟件開發功能是云教育平臺的核心功能。軟件工程專業學生的基礎課程實驗與實訓、專業技能實訓、企業實訓、綜合實戰等各環節都離不開軟件項目開發訓練。軟件工程專業實訓是學生通過直接參與軟件項目開發,提高實踐能力與職業素質的訓練過程[16]。吉首大學軟件工程云教育平臺部署了基礎訓練開發、Java軟件開發、嵌入式軟件開發、移動互聯軟件開發等軟件開發環境與工具,能實現項目規劃、需求分析、系統設計、代碼編寫、軟件測試等軟件項目開發的全過程,每一個過程都能通過平臺輸出相應的項目文檔和實現師生互動。教師還可以通過平臺對學生軟件項目開發的全過程進行管理。

3.3 資源服務功能

資源服務功能是軟件工程專業云教育平臺的重要功能。實驗實訓教學資源主要有:軟件開發環境,企業實際軟件項目庫、案例庫,實訓教材,軟件開發的基礎理論資料,軟件開發專用技術資料,重點、難點講解資料及相關文檔、模版等。其中,軟件開發環境主要指進行軟件開發的各種技術和軟件工具,還包括相關的幫助文檔、開發文檔。軟件開發環境應該符合IT業界使用的主流技術和開發工具。

吉首大學與中軟國際等多家知名軟件企業合作,構建了“5R”(Real Training Projects、Real Project Role、Real Job Process、Real Working Condition、Real Work Pressure)沉浸式實踐教學資源體系,通過智能終端按需使用多機集群、動態按需分配資源池中部署的實踐教學系統以及真實的項目庫、案例庫、電子教材、電子課件、微課視頻、實訓資料、優秀學生作品和優秀畢業設計等,能實現實踐教學平臺與資源、教學團隊和學生創新實踐活動的高度整合與共享。

3.4 保障功能

云教育平臺具有教學管理、學生管理、教師管理、項目管理、校企合作等保障功能。

教學管理主要是指實驗教學日常管理,如安排實驗實訓課程,發布教學大綱,教學計劃的執行與調整,實驗實訓成績管理,實訓過程的資料存檔等。

學生管理主要包括對學生實驗實訓信息、請假、考勤與學習態度等的檢查與管理。

教師管理主要是指檢查考核教師的實驗教學情況,如對教師出勤、教師指導、監控實驗實訓的全過程、教學效果及學生對教師的評價等。

項目管理是教師對學生開發訓練項目的全過程進行監控、階段評價與指導,學生將各階段的開發文檔與軟件產品經項目管理文檔輸出子模塊與作品展示子模塊進行輸出與展示,教師及時檢查每一開發訓練過程的項目文檔。項目管理子模塊附加站內論壇,便于師生交流,并及時解決學生的疑問。

通過云計算校企合作交流平臺,加強了校企間的溝通,明確雙方的職責與權限,提高了實驗實訓質量。

3.5 其他功能

云教育平臺還具有翻轉課堂、虛擬實驗、ACM平臺等功能。翻轉課堂功能主要包括課前教師上傳視頻、學生在線觀看視頻、學生在線訓練與檢測、自動統計與反饋、課內問題研討、軟件開發訓練過程輸出、師生交流等功能。虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現實(VR)等技術,在云平臺上營造軟件企業“5R”真實工作環境,實驗效果等價于甚至優于企業的真實環境。ACM平臺具有試題庫、在線訓練、用戶排名、競賽等功能。

4 結束語

吉首大學軟件工程實踐教育中心云教育平臺由學校自建IT基礎設施與局域網,運用虛擬化技術,構建了IaaS、PaaS、SaaS私有云服務體系,生成學生專屬虛擬云實驗機并進行虛擬化統一調度與集中管理。該平臺既具有傳統軟件工程實驗實訓室功能,又具有軟件在線開發訓練的功能;既能為學生提供方便快捷的“云”資源服務,又具有多項管理、保障與輔助功能。私有云平臺改善了學校實驗實訓條件,創新了教育教學模式,不但提高了資源利用率,降低了學校實驗室的投資與運行成本,而且提高了教學效率。隨著技術與條件的不斷成熟,可進一步建設混合云或公有云教育平臺,實現區域教育資源的共享共建。

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Research and practice on experimental training integrated platform of software engineering based on campus private cloud

Zeng Mingxing,Zhou Qingping,Cai Guomin,Chen Shengping,Huang Yun,Dong Jianfeng
(School of Software and Service Outsourcing,Jishou University,Zhangjiajie 427000,China)

First,this paper demonstrates the concept,current situation and application of cloud computing in education.Then,the private cloud stratified architecture is designed from infrastructure layer,platform layer and service layer,and the virtualization technology is used to build the virtual fleet set,and the plan of private cloud service platform architecture is put forward based on virtual fleet set training.At last,this paper expounds on the implementation of cloud education platform and its main function as an example for software engineering of Jishou University.This platform can not only reduce the cost of construction and operation for experimental practice base,but also enhance the students’training effect.

software engineering;experimental training;software developing;private cloud;virtualization

G42-057

A

1002-4956(2015)4-0161-05

2014-09-16修改日期：2015-01-16

2014年湖南省普通高等學校教學改革研究項目(湘教通〔2014〕247號);2014年吉首大學教學改革重點研究項目(2014JSUJGA08);2013年湖南省普通高校教學改革研究項目(湘教通〔2013〕223號);2014湖南省教育規劃課題(XJK014QXX005)

曾明星(1970—),男,湖南新化,碩士,副教授,主要研究方向為現代教育技術與教學改革.