基于云計算的計算機類實驗教學平臺搭建與應用

楊焱超, 熊盛武, 饒文碧, 袁景凌

(武漢理工大學 計算機科學與技術學院, 湖北 武漢　430070)

?

基于云計算的計算機類實驗教學平臺搭建與應用

楊焱超, 熊盛武, 饒文碧, 袁景凌

(武漢理工大學 計算機科學與技術學院, 湖北 武漢430070)

針對武漢理工大學計算機類實驗教學中存在跨校區、教學資源分散、實驗基礎設施有限等問題,提出實驗教學云平臺框架,并闡述該框架構建過程。通過該平臺實現計算機類實驗環境快速自定義部署、高性能實驗仿真開發、實驗中心信息綜合服務支撐等功能。給出包括跨區域和跨專業計算機開放式教學、Hadoop高性能實驗平臺、開放實驗預約等方面的教學應用案例。

教學實驗云平臺； 云計算； 仿真實驗； 開放實驗管理

目前,云計算技術在教育領域越來越受到重視和廣泛運用。它不僅能動態調配虛擬資源、彈性負擔大數據的處理[1-3],還能快速部署應用、提高資源使用率、降低實驗室安裝維護工作量[4]。通過建設云計算平臺，能夠有效整合教學資源,推動教學實踐體系改革,培養學生的創新能力與實踐能力[5-11]。

1　教學實驗平臺概述

武漢理工大學計算機學院實驗中心承擔著校級計算機類公共教學實驗和本專業實驗、實訓及科研任務。由于武漢理工大學跨5個校區辦學,計算機學院也分散在2個校區,因而實驗室資源無法集中。現有的機房實驗環境固定,無法滿足學生個性化和開放式學習需求。

為此,武漢理工大學計算機學院搭建了計算機類公共實驗教學云平臺。該平臺分為資源虛擬化平臺、虛擬實驗平臺和實驗中心綜合信息服務平臺等3層架構(見圖1)。通過該云平臺，能夠靈活、快速地搭建實驗實訓教學環境,提供大規模、開放式實驗空間,滿足學生自主化學習需要。利用云存儲構建大數據中心,可以支撐海量實驗資源的集中存儲和管理。通過整合資源,實現網上、網下、移動終端等多種形式的資源共享服務,便于對教學過程進行挖掘和分析[12-15]。學生可以不受時間限制地在校內校外用智能終端設備接入,獲取IaaS(基礎設施即服務)、PaaS(平臺即服務)或SaaS(軟件即服務)云服務。

圖1　計算機類教學實驗云平臺架構

2　資源虛擬化平臺

2.1整體架構

資源虛擬化平臺是整個實驗教學平臺的核心支撐層,它具有一個功能完整、標準開放并易于集成的基于CloudStack的云計算基礎架構,通過虛擬化技術將高性能服務器集群、云存儲及網絡設備池化，再通過CloudStack云計算管理軟件，使計算、存儲和網絡資源協同工作,按需進行動態配置和拓展,實現系統高可用性與數據備份和恢復功能。

2.2規劃和部署

2.2.1總體規劃

該計算機類教學實驗平臺的用戶主要是校園網內的學生用戶,因此平臺部署為私有云模式。云平臺系統架構硬件主要由計算資源池、存儲資源池和網絡資源池組成。服務器主要由DELL R730物理服務器組成虛擬資源池,承載云平臺管理服務器和生產服務器等虛擬機運行。用100 TB磁盤陣列和萬兆光纖交換機構成后端FC-SAN(fiber channel-storage area network),用千兆企業級交換機保證管理網絡、生產網絡、存儲網絡高效運行,用硬件防火墻保證云平臺網絡安全。硬件拓撲如圖2所示。

圖2　平臺硬件規劃

2.2.2服務器規劃

CloudStack資源虛擬化平臺分為管理節點(管理服務器)和計算節點(生產服務器)。控制節點是整個云平臺的核心節點，負責資源分配、調度以及用戶管理入口，計算節點即為云平臺提供基礎資源，包括CPU、內存、網絡、存儲等，并由管理節點統一管理和調度。計算節點使用4臺服務器構建4節點集群,承載CloudStack生產環境虛機,做企業級應用服務資源池。7臺服務器構建實驗環境應用發布資源池,以桌面方式發布軟件和各種應用服務。

2.2.3存儲規劃

主存儲采用FC-SAN集中存儲網絡架構,直接通過HBA光纖通道，為集群中的計算節點以共享存儲的方式提供資源(云平臺所有服務器通過光纖交換機直連到后端光纖磁盤陣列中)。二級存儲位于管理節點上,存儲云平臺的虛擬機、快照、系統安裝鏡像文件,以網絡文件系統共享方式為計算節點提供服務。由于資源虛擬化平臺中的虛擬機實質是相關配置文件,將這些虛擬機文件存儲在后端SAN存儲陣列中,從而云平臺中任何一臺虛擬機單點故障都可以實現業務不中斷地切換到另一臺虛擬機(virtual machine, VM)中,能有效實現數據遷移,保證數據中心的高可用性。

2.2.4網絡規劃

整套網絡需4個網段,分別為管理網絡、Public/Float網、存儲網和實例專網(即租戶內部網絡)。其中Public/Float網絡提供對外服務，由校園網絡統一管理。在管理和生產服務器上配備2塊主機總線適配卡(host bus adapter，HBA)，接入存儲網絡。每臺服務器配有4端口以太網卡，其中1端口接入管理網絡，1端口接入實例專網，另2個端口綁定，作為二級存儲的模板存儲通道。

2.2.5接入模式

管理員通過資源虛擬化平臺Web管理界面進行集中管理和部署。終端用戶可通過校園網虛擬桌面,基于B/S瀏覽器和客戶端程序訪問云平臺,也可在校園網外通過VPN加密隧道協議連入云平臺。接入設備支持平板電腦、瘦客戶端、手機等可連入網絡的智能設備。

2.3資源虛擬化平臺功能

資源虛擬化平臺的主要功能包括:用戶權限管理、底層虛擬資源以虛擬機形式管理、按需分配資源以及自動化管理等。

自動化管理功能包括自動部署和自動開通服務。按照管理員設置的服務策略,云平臺的用戶可在線提交虛擬機申請,選擇通過模板或者鏡像文件創建虛擬機并設置好計算方案；云平臺根據用戶申請的資源和特點自動開通服務功能并告知用戶。用戶可利用快照功能和鏡像管理對虛擬機進行保存和恢復,包括操作系統、運行和開發環境、應用和數據等。平臺對運行性能，如處理器資源、內存和存儲等資源進行監控和管理，以圖形和圖表方式呈現。并自動生成日志記錄,滿足計算機類實驗實訓的高性能、可擴展、便于維護和安全需求。

3　虛擬實驗平臺

虛擬實驗平臺統一管理IaaS資源虛擬化平臺的虛擬資源池,管理員或教師調用IaaS底層資源為教學實驗提供整套虛擬主機、配套操作系統、管理工具、實驗環境等,將傳統固定機房遷移到云端,快速部署實驗環境,統一管理學生的虛擬實驗空間,而無需考慮課程所需的操作系統軟件和機房實驗環境的差異。

3.1平臺特點

虛擬化技術提供了高性能的應用服務器和實驗環境虛擬機,可以按需獲取資源進行仿真實驗,高性能的數據中心也便于資源的整合。利用基礎設施與應用環境的協同構建,將硬件、操作系統與應用分離,按不同課程在后臺創建不同的虛擬實驗資源池,部署課程或者實訓環境并統一發布。這樣實驗室機房可以一機多用,方便快速部署環境,虛擬機資源從IaaS虛擬資源池中按需配置,可以方便地創建、銷毀和遠程啟用。

平臺的特點主要是:

(1) 按需分配實驗空間。與傳統機房的還原卡模式不同,在虛擬實驗平臺中,實驗室PC機只是一個顯示設備,虛擬機作為學生的虛擬實驗空間。學生個人實驗環境和數據都會予以保留。這對開放性課程和貫穿學期/學年的連續性課程非常適用。

(2) 靈活的訪問模式。采用Web、B/S模式和遠程桌面方式登錄虛擬實驗平臺。無論在哪個校區或校外,通過PC機、手機等智能設備均可訪問自己的實驗空間和個人云盤,便于自主學習。

(3) 配套教學資源和過程跟蹤功能。集成計算機類精品課程資源庫和在線課堂,如Java和C語言在線學習平臺包括課程實踐、電子書和在線測試庫、項目實訓庫、最佳實踐案例庫等,并設置互動討論區,教師能對學生實驗的過程進行有效跟蹤。

3.2平臺功能

在IaaS云計算平臺下,獨立主機變為虛擬機,從虛擬資源池中獲取所需的計算、網絡和存儲資源,以達到企業級服務和虛擬實驗環境的性能要求。通過在底層資源上加載操作系統、開發環境及相應組件、搭建虛擬實驗平臺,可進行實驗仿真和項目開發。

目前已經部署的教學和應用有:

(1) 教學實驗資源庫平臺。主要提供計算機類課程資源庫,目前有C語言、數據結構、Java相關的電子書,工程實踐實訓和案例庫等。學生可登錄該平臺進行在線學習。

(2) 專業實驗平臺。提供基礎課程和部分個性化實驗環境的管理部署和分發。已部署了Java程序設計、數據結構基礎、國際化教育等課程實驗環境。學生通過Web或者客戶端方式訪問自己的虛擬實驗課程空間及個人數據中心,進行在線實驗課程學習和仿真。

(3) 高性能Hadoop實驗平臺。負擔大數據處理,支撐高性能實驗仿真和開發。

(4) 實訓實踐平臺。部署企業級實訓環境,用于進行企業級項目開發和實訓。目前已集成中軟國際、華為實訓項目及軟件測試項目。

(5) 創新與學科競賽平臺。為學生課外自主創新和參加學科競賽提供實驗環境,如ACM競賽、Android開發自主創新項目等。

4　信息綜合服務平臺

實驗中心綜合信息服務平臺承載著教學實驗的信息發布、資源共享、互動交流等服務功能。該平臺以武漢理工大學計算機實驗教學示范中心門戶網站的形式發布SaaS層次的云服務。主要的功能如下:

(1) 中心介紹:包括實驗中心的簡介及規劃；

(2) 教學實驗:教學理念改革思路、教學體系與教學方法、開設的課程及實驗安排、考試信息等；

(3) 信息平臺:開放實驗室預約平臺、虛擬實驗平臺、ACM在線競賽、在線答疑等信息集成、實驗過程管理；

(4) 教學資源:計算機類教學實驗資源庫匯總,包括教學案例、實驗工具、教學視頻精品課程等；

(5) 創新團隊:創新成果及師資隊伍建設；

(6) 組織機制:規章管理制度、運行體制建設；

(7) 設備環境:實驗室及設備配置管理；

(8) 通知公告:新聞公告及通知。

5　應用案例

5.1個性化實驗課教學

計算機數據結構實驗課是面向全校本科生的計算機公選課,每學期至少有180人選修該課程。因為跨校區公共實驗課程時間難以統一、物理機房和實驗資源有限,一般是讓學生課后進行實驗練習。在個性化實驗開設之前,學生主要靠自己課下練習,教師不能對學生實驗的過程進行有效跟蹤,例如做了哪些實驗項目、做了多長時間、實驗報告提交情況等,難以保證數據與教學的可持續性。

通過開展個性化開放式實驗教學,為每個學生創建了一個數據結構虛擬實驗空間,該虛擬空間內部署了數據結構課程的實驗環境:VC6.0、數據庫軟件、壓縮軟件及Office等常用軟件。學生可隨時隨地使用智能設備訪問自己賬戶下的實驗教學桌面,并根據課程進度在線進行仿真實驗。虛擬實驗空間集成了教學案例資源庫和課程資源庫,學生可以對照視頻和指導書進行仿真實驗,教師可實時看到學生已做哪些實驗項目,每個實驗項目用時和作業完成情況,對實驗過程進行跟蹤。平臺互動討論區可以方便學生提問和答疑,還集成了在線提交作業和在線練習,方便一站式實驗教學。

通過開展個性化實驗,實現了網絡環境下的實驗課程、實驗項目的365天不間斷開放,滿足學生自主化、開放式學習需要,提高了教學質量和學生的課程實踐能力。

目前所支撐的部分課程包括:

(1) 計算機基礎:數據結構基礎實驗、面向對象與多線程獨立實驗；

(2) 國際化本科生教育:數據庫系統原理、高級語言設計、計算機基礎、C語言設計、編譯原理、Linux操作系統；

(3) 計算機專業實驗:Java語言綜合程序設計、軟件測試實訓、數據挖掘、Hadoop大數據。

5.2Hadoop大數據虛擬實驗平臺

Hadoop是大數據處理最重要的開源分布式平臺之一,已被很多大型網站(如亞馬遜、Facebook和Yahoo等)采用。武漢理工大學計算機科學與技術學院雖然開設了大數據的相關課程,但是因實驗機房數量有限,很難部署Hadoop分布式環境,一般都是由學生在自己的電腦上搭建Hadoop單機模式和偽分布模式環境。偽分布模式就是在單節點上同時啟動namenode、datanode、jobtracker、tasktraker、secondary namenode等5個進程,模擬分布式運行的各個節點,但無法搭建由多個各司其職的節點構成的正常的完全分布模式的Hadoop集群。

為了便于學生更好地理解Hadoop系統的模塊構成,進行數據分析和挖掘算法的研究及優化,依托計算機類實驗教學云平臺,創建了Hadoop課程實驗云項目,可按需申請5臺虛擬機搭建Hadoop實驗平臺。每個虛擬機的物理配置為:內存64 GB,CPU為雙核,20 GB外部存儲和60 GB系統盤存儲空間。該部署既便于集中管理、自動化部署和彈性擴展,也為以后對大數據的研究提供了一個研究和開發平臺。

目前Hadoop大數據平臺已用于項目開發、處理大數據并行計算、調試運行分布式程序以及實驗教學。已有一些學生基于該平臺完成kddcup的推薦算法競賽。實驗數據來自于KDD Cup Track1中的騰訊微博數據集,整個數據集共3.8 GB,利用Hadoop框架運行分布式程序。平臺已經處理了50 GB的數據量。師生普遍反映該Hadoop大數據虛擬實驗平臺性能穩定、處理速度快、訪問便捷且易于管理。

5.3開放實驗室預約

實驗室開放包括2個層次。一層是虛擬實驗室的開放,學生在網上提交虛擬實驗預約申請,管理員按需分配虛擬實驗空間賬號；另一層是物理空間開放,實驗室在課余、周末和假期開放,方便創新競賽小組和項目團隊預約實驗室,進行競賽培訓輔導和實驗開發。

全校師生可在信息綜合服務平臺門戶網站一站式預約開放實驗室。管理員對開放的實驗資源進行管理,包括實驗資源、開放周期、開放時段、開放座位及支持的項目等信息,并對預約實驗進行審核。學生根據開放實驗資源和開放時間等信息,填寫要預約的實驗室和實驗起止時間、實驗項目名稱、指導教師,提交預約申請。教師對學生申請進行審核。預約成功后可自動獲得相關實驗資源。預約申請流程如圖3所示。

圖3　開放實驗室申請流程

通過開放式實驗預約,支撐起部分實驗課程、項目的課外開放。學生可以在課下繼續進行仿真實驗和個性化實驗,滿足自主化學習的需要。實驗室開放不僅提高了設備利用率,也調動起學生學習的主動性、促進實驗教師投入實驗教學的研究與改革,形成雙向互動式教學良性循環[16]。目前學生在ACM競賽、自主創新大賽等競賽中均取得了較好成績。

開放實驗室預約服務以智能化的實驗室管理為保障,同時集成了門禁、監控、溫控、消防等智能化實驗室管理手段,提高了實驗管理人員的工作效率。

6　結語

在當前信息技術與高校教學深度融合的背景下,云平臺在教育領域得到日益廣泛的運用。整合資源,構建先進、高效、實用的實驗教學平臺成為高校信息化發展趨勢。武漢理工大學計算機科學與技術學院搭建了一個集教學、科研為一體的計算機類公共教學實驗云平臺,提供從IaaS到SaaS不同層次的云服務。該平臺有效地解決了跨校區、個性化課程教學的問題,可以靈活響應教學實踐需求,滿足學生在線學習和自主學習需要,有助于培養學生良好的科研、工程技術素養和創新與實踐能力,同時對推進開放實驗室教學模式和實踐教學體系改革、整合教學資源、提高教學和科研工作效率具有深遠的意義。

References)

[1] 教育部.教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)[EB/OL].(2012-03-29)[2016-04-05].http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s5892/201203/133322.html.

[2] 陳昌興.高校實驗室信息化的云計算策略與方法[J].實驗技術與管理,2014,31(1):221-224.

[3] 程克非,羅江華,蘭文富.云計算基礎教程[M].北京:人民郵電出版社,2012.

[4] 袁東維.云計算對高校計算機實驗室管理的影響[J].知識經濟,2014(7):85.

[5] 李凡,何嘉,柳岸.云桌面在高校計算機類課程實驗教學中的應用[J].計算機教育,2013(24):108-111.

[6] 周世杰,吉家成,王華.虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J].計算機教育,2015(9):5-11.

[7] 曾明星,周清平,蔡國民,等.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[J].實驗技術與管理,2015,32(4):161-165.

[8] 王峰,黃剛.基于云平臺的計算機實驗教學中心建設[J].實驗技術與管理,2014,31(12):121-123.

[9] 姚占雷,許鑫葉,德磊.云計算架構下經管類實驗教學環境搭建與應用實踐[J].現代教育技術,2013,23(7):111-116.

[10] 李茜.基于Hadoop的高性能GIS云計算平臺研究[J].南方國土資源,2015(12):26-28.

[11] 張宏莉,史建燾,翟健宏.基于云環境的計算機實驗教學平臺[J].智能計算機與應用,2015,5(3):33-36.

[12] 彭長宇,代顯華,劉曉琴.基于云平臺的公共實踐教學平臺建設[J].實驗技術與管理,2015，32(4):193-196.

[13] National Institute of Standards and Technology. The NIST Definition of Cloud Computing[EB/OL].[2016-04-05].http://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/SP/nistspecialpublication800-145.pdf.

[14] 馬騰.基于CloudStack的私有云平臺研究[J].軟件導刊,2015(4):11-13.

[15] 吳常清,王慧敏,薛濤.基于CloudStack的私有云平臺的構建與實現[J].西安工程大學學報,2014,28(2):220-224.

[16] 高云鵬,騰召勝.開放實驗室與學科競賽平臺相結合的創新人才培養模式[J].實驗技術與管理,2012,29(4):360-362.

Construction and application of computer teaching experimental platform based on cloud computing

Yang Yanchao, Xiong Shengwu, Rao Wenbi, Yuan Jingling

(College of Computer Science and Technology,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

To solve the problems of the teaching and experimental in Wuhan University of Technology,such as decentralization in teaching resources,limitation in experimental infrastructure and high cost in laboratory management and maintenance, this article presents a framework of teaching and experimental cloud-computing platform in Wuhan University of Technology,and introduces the process of constructing the framework. The platform has the functions such as fast custom deployed computer experiment environment,high performance simulation and development,and supports in information integrated service. Finally,some teaching cases including the trans-campus and trans-disciplinary computer opening teaching,Hadoop high performance experimental platform and open laboratory appointment will be given.

teaching experimental cloud platform; cloud computing; simulation experiment; open experimental management

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.037

2016-04-15

湖北省教育廳人才培養模式綜合改革項目(2015128,2014117)；湖北省教育廳實驗與實踐教學改革項目(2015134)

楊焱超(1983—),女,吉林四平,碩士,實驗員,主要研究方向為人工智能

熊盛武(1966—),男,湖北咸寧,博士,教授,主要研究方向為人工智能、車聯網與智能交通、數據挖掘與機器學習.

G642

A

1002-4956(2016)10-0147-05