“互聯網+”背景下云計算技術與應用專業實訓基地設計及構建

華　馳, 顧曉燕, 張　蓉, 李祥瑜

(1. 江蘇信息職業技術學院 教學與科研處, 江蘇 無錫　214153；2. 江蘇信息職業技術學院 物聯網工程學院,江蘇 無錫　214153； 3. 南京航空航天大學 計算機信息科學與技術學院, 江蘇 南京　210016)

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“互聯網+”背景下云計算技術與應用專業實訓基地設計及構建

華馳1,3, 顧曉燕2, 張蓉2, 李祥瑜2

(1. 江蘇信息職業技術學院 教學與科研處, 江蘇 無錫214153；2. 江蘇信息職業技術學院 物聯網工程學院,江蘇 無錫214153； 3. 南京航空航天大學 計算機信息科學與技術學院, 江蘇 南京210016)

基于云計算技術與應用專業課程基地的實踐與研究,將相關課程實驗環境的建設與云計算虛擬實驗室的搭建相結合。依托H3C設備建設云計算技術與應用專業虛擬實驗室,完成云計算課程的教學,通過校園用戶網直接訪問云服務器進入虛擬實驗室,從而保證了用戶不受時間、地域的限制,并能夠有效地利用實驗室的各種資源。

課程實訓基地； 專業實驗室； 虛擬實驗室

1　研究背景

自2006年Google首次提出云計算概念以來,云計算、云服務、虛擬化技術隨著網絡帶寬和硬件能力的不斷發展,已經日趨成熟,并成為IT行業的發展趨勢。云計算是分布式計算、并行計算、效用計算、網絡存儲、虛擬化、負載均衡等傳統計算機和網絡技術發展融合的產物[1]。

在“互聯網+”新的形態推動下,移動互聯網、云計算、大數據、物聯網等與現代制造業結合,帶來了新一輪以數字化、網絡化、智能化為核心的制造業變革[2]。

《普通高等學校高等職業教育?？?專業)目錄(2015年)》(以下簡稱《目錄》)中新增了云計算技術與應用專業,該文件是高等職業教育的基本指導性文件,是高校設置與調整高職專業、實施人才培養、組織招生、指導就業的基本依據。此次專業的調整凸顯了云計算技術與應用技術技能型人才的培養在“互聯網+”背景下的重要性。

根據賽迪的數據,在云計算人才需求中,研發類崗位占30%,一般要求本科或碩士學歷[3]。而位于產業鏈下游的技能型、應用型的信息技術人才,約占總需求的70%,從而形成產業鏈上中下游人才需求的“金字塔”狀分布態勢。這種應用型崗位不僅數量多,而且能力要求與高職匹配,在云計算所有招聘崗位中,有51%的崗位對學歷要求為大專。

根據典型云計算企業的調研數據分析,在云計算應用型崗位中,以云平臺的實施和維護兩類崗位為主。根據具體職責占比不同,崗位會有不同的稱呼,如云平臺維護工程師、規劃工程師、虛擬化工程師、云平臺交付工程師、Openstack工程師、云桌面工程師、大數據工程師等。

云計算技術在業界的實際應用通?？梢苑譃?層:基礎設施層(IAAS)聚焦在網絡、存儲、服務器等硬件及其虛擬化,IAAS層的技能是最基礎、最重要的；平臺服務層(PAAS)指以服務的形式提供的API、Hadoop組件、云安全、Openstack等組件或環境；應用服務層(SAAS)指以服務的形式提供的各種企業應用。

2　云計算技術與應用專業實訓基地建設思路

2.1核心課程設計

當前企業級云計算業務主要包括云平臺、云應用、大數據、云數據中心維護、云安全、云監控及云桌面等實操技術,具體如圖1所示。

圖1　企業級云計算業務圖

根據當前行業主要崗位技能,考慮在本專業開設云計算概論、服務器虛擬化、服務器存儲管理、Linux操作系統、信息安全管理及評估、云平臺構建與管理實訓等核心課程,通過這些平臺之間的搭配使用,達到滿足學生實習實訓,全面掌握云計算應用技能的目的。

2.2實訓基地建設思路

考慮到上述云計算業務功能,滿足核心課程的教學需要,云計算技術與應用專業實訓基地建設主要建設思路分為4個方面。

(1) 展現云計算關鍵技術全景圖。在實驗室的小微環境中,提供了包括IAAS層(主流虛擬化平臺)、PAAS層(云操作系統、Openstack、Hadoop大數據)、SAAS層(業務應用)、云安全在內的全景圖,充分了解云計算的重要技術。

(2) 環境與企業一致,任務與崗位一致,利于快速上崗。實驗室的技術架構與企業真實生產環境一致,我們設計的實訓任務側重點與學生就業的目標崗位一致,強調IAAS層的操作技能,兼顧PAAS層和SAAS層的擴展能力,達到學、練、用一體的效果。

(3) 以標準業務流程進行項目實戰,確保學生懂知識，也懂業務。以真實的云平臺項目為原型設計,根據標準的信息服務流程設計學員角色分配、項目實施、質量規范。

(4) 多個獨立環境,自主嘗試,激發興趣。將實驗室分成多個獨立小環境,學生有充分機會進行嘗試和探索,充分激發興趣。

3　云計算技術與應用專業實訓基地總體框架

3.1實訓基地布局與邏輯拓撲設計

3.1.1架構與布局設計

云計算技術與應用專業實訓基地參考標準IDC的架構與布局進行設計,共分為兩大區域:實訓區:主要由桌面云系統、服務器和存儲等,供學生進行實訓；設備區:按照企業級標準,存放服務器等實訓設備。

3.1.2邏輯拓撲設計

由于學生實訓要多組同時進行,一個實驗室包含多個獨立的實訓平臺,不同平臺之間互不干擾。學生從物理硬件的連接到虛擬機管理均可并行,充分考慮到實驗室建成后符合如下幾個特征:

(1) 可管理性。各模塊之間通過交換機連接,可統一管理。此外,平臺還可以實現統一化、多維度的管理功能。

(2) 互通性。各硬件、虛擬機可互通,如通過虛擬桌面訪問虛擬主機上的SAAS應用。模擬企業的真實場景。

(3) 統一性。大企業平臺與小企業平臺雖然軟硬件選型不同,但采用同樣結構,可統一授課。

實訓基地邏輯拓撲的設計見圖2。

圖2　實訓基地邏輯拓撲圖

3.1.3實訓基地方案設計

根據以上,完成本云計算技術與應用專業實訓基地方案設計,共5個模塊。

(1) 云平臺模塊。部署云平臺,通過該模塊練習服務器虛擬化的安裝和管理。

(2) 桌面云模塊。部署桌面云,通過該模塊練習vmware view的安裝和管理。

(3) 云管理模塊。部署云管理系統及企業應用(含SAAS、PAAS)通過該模塊練習Openstack的安裝和管理以及企業應用的部署。

(4) 云安全模塊。部署云平臺的安全防護設備,可進行虛擬主機以及虛擬機的掃描、預警、修復的安全操作?？商岣邔W生對云平臺的安全意識。

(5) 大數據模塊。部署Hadoop,了解大數據中的數據存儲、數據挖掘、數據采集、數據分析的4層服務。

本云計算技術與應用專業實訓基地的物理拓撲如圖3所示。

3.2云平臺服務的搭建

根據上節所述云計算技術與應用專業實訓基地的布局與邏輯拓撲設計,完成其云計算平臺的用戶規劃和設計。在云平臺中,可以通過網頁登錄到云平臺的登錄界面完成三類用戶的管理,三類用戶分別為:系統管理員、教師管理員、學生用戶[4],三類用戶分別注冊或者登錄到云平臺系統,管理使用云平臺資源,各類用戶詳細服務結構如圖4所示。

3.3服務器的設備選用依據

要完成上述云平臺的搭建,離不開硬件設備的支撐,服務器的設備選用了H3C設備。之所以選用H3C設備作為這次的工具,是因為H3C設備性價比較高,并能完成本實訓基地規劃各類功能所需硬件需求。

H3C CAS虛擬化管理系統融合了計算、網絡、存儲資源的虛擬化,形成彈性的數據中心資源池,實現資源的自動化調度,更好地為上層應用服務[5]。通過虛擬化后,虛擬機之間為完全隔離狀態,具有獨立CPU、內存、磁盤I/O、網絡I/O,即任何一個虛擬機發生故障時,同一物理機上的其他虛擬機不受其影響,每個虛擬機具有獨立的用戶管理權限,可安裝獨立操作系統,不同虛擬機間操作系統可以異構[6]。

4　云計算技術與應用專業實訓基地設計

4.1云平臺虛擬實驗室布局設計

根據虛擬實驗室的可管理性、互通性、統一性的特點,為了模擬企業的真實場景,云平臺虛擬實驗室的設計采用服務器集群式布局設計,三維布局如圖5所示,俯視構建如圖6所示,用戶可在普通PC機使用Web網頁登錄,集中訪問,提高對用戶的可控性,顛覆傳統電子授課的方法。

圖3　實驗基地物理拓撲圖

圖4　云平臺用戶服務結構圖

圖5　云平臺虛擬實驗室正面設計

圖6　云平臺虛擬實驗室俯視設計

4.2云平臺業務流程分析

在本設計中,云平臺用戶主要有系統管理員、組織管理員、最終用戶[7],3類用戶分級化管理模式,每類用戶所給予的使命不同,云業務流程如圖7所示。

在上圖中,云業務流程主要分為7個步驟：按照業務流程完成的先后順序分為物理資源整合與資源池化，云資源申請，云資源申請審核通過、組織創建與云資源分配，組織策略分配與虛擬機模板管理，云服務申請、云服務申請審核通過、虛擬資源分配，使用虛擬資源等[8]。

4.3云業務功能設計

云業務功能設計主要分為以下7個部分:

(1) 物力資源整合與資源池化。系統管理員可搭建整個云平臺服務器,在系統管理添加組織操作員添加組織添加用戶分組增加組織用戶；劃分服務器的資源,劃分不同種類用戶的權限,管理服務器的資源調度以及安全防護。

(2) 云資源申請。組織管理員可以向系統管理員申請云平臺服務器中的云資源的使用權,來支配給最終用戶。

(3) 云資源申請審核通過組織創建與云資源分配。系統管理員接收到組織管理員的云資源申請,可通過云平臺網頁同意或者拒絕分配云資源給組織管理員。

(4) 組織策略分配與虛擬機模板管理。組織管理員可以通過云平臺服務器中的組織策略分配和創建虛擬機模板,為用戶申請使用虛擬機來快速分配給用戶使用和為不同的用戶要求來分配不同的策略。統一管理最終用戶的使用。

(5) 云服務申請。最終用戶可以不受時間和地點的約束,通過Web網頁訪問云平臺服務器,注冊用戶賬號,向組織管理員申請云資源。

(6) 云服務申請審核通過、虛擬資源分配。云服務申請審核通過,組織管理員分配虛擬機給最終用戶使用。

(7) 使用虛擬資源。最終用戶申請通過,并且組織管理員分配云資源給最終的用戶后,最終用戶就可以不受時間和地理位置的限制使用云資源。

5　云計算技術與應用專業實訓基地建設

5.1云計算平臺的系統流程設計

云平臺系統的業務流程,從用戶注冊和登錄開始,不同用戶登錄到云平臺將享有不同的資源和權限,管理員用戶注冊或登錄云平臺系統,將享有用戶管理、實驗項目管理和虛擬機分配的權限；教師用戶注冊或登錄云平臺系統可以進行組織管理員申請和管理學生機的權限；學生用戶注冊或登錄云平臺系統可以享受虛擬機申請、虛擬機使用、網絡設備配置和信息瀏覽權限。云平臺系統的資源分配及用戶管理模塊,系統管理員可以進行云資源的分配和用戶的創建以及用戶的管理及用戶的刪除操作。

3類用戶分級化管理模式,相互具有聯系,一環扣一環的管理模式,實現云平臺系統的管理和使用。

5.2用戶登錄和使用

用戶通過登錄H3C CAS系統的登錄界面登錄到云平臺[9],也可以在H3C CAS系統登錄界面進行用戶的注冊。登錄后的顯示界面主要包括了“云資源”“云服務”和“系統管理”三大功能[10]。

用戶通過申請虛擬機來獲取云平臺虛擬機的使用權限,管理員需要創建好虛擬機,劃分虛擬機網絡,之后交由用戶使用，用戶可以通過H3C CAS系統登錄界面登錄,使用已經申請好的虛擬機。

整個用戶登錄和使用過程在云計算系統的運作下完成。

6　結語

圍繞基于云計算技術與應用專業課程實踐教學需求的學習和研究,將專業核心課程實驗環境的搭建與云計算虛擬實驗基地的建構相結合,經試運行,實訓基地不僅符合云計算技術與應用核心課程項目式教學需要[11],基于實訓基地構建過程,鍛煉了師生的工程實踐能力[12],達到了實驗基地規劃和建設的預期目標。

References)

[1] 羅曉麗. 基于云計算的遙感影像存儲組織模型研究[D]. 河南大學,2013.

[2] 嚴霄鳳,張德馨.大數據研究[J]. 計算機技術與發展,2013,4(32):4.

[3] 黃志球. 云計算環境下隱私需求的描述與檢測方法[J].計算機研究與發展,2015,52(4):879-888.

[4] 華馳,畢海峰,王輝,等.基于太陽能光伏組件監測的物聯網專業綜合實驗研究[J].實驗技術與管理,2014,31(2):135-139.

[5] 黎建輝,楊風雷,崔建業,等.全球食品安全信息監控與分析云平臺架構研究[J].計算機應用研究,2014,31(8):2361-2366.

[6] 楊洪山,章民融,孫平.云數據中心分布式監控架構研究與平臺設計[J]. 計算機應用與軟件,2015,32(7):51-55.

[7] 華馳,姜彬,王輝.一種可聯網的在線農業環境監測系統的設計與實現[J]. 江蘇農業科學,2014,42(4):345-349.

[8] 焦合軍,張璟,李軍懷,等.協同設計中基于混合 Petri 網的云工作流表示模型[J].應用科學學報,2014,32(6):646-646.

[9] 蘇命峰. 云計算環境下高校數據中心的虛擬化研究與實現[D].湖南大學,2015.

[10] 唐登龍,李繼云.個性化服裝設計協同云平臺的設計與實現[J].計算機應用與軟件,2014,31(4):85-88.

[11] 蔡劍華,郭杰榮,王先春,等.校企合作中項目式教學在傳感器與檢測技術課程教學里的應用[J]. 大學教育,2015(11):125-126.

[12] 呂小艷,文衍宣. 地方高校工科學生工程實踐能力培養對策研究[J].實驗技術與管理,2016,33(1):13-16.

Design and establishment of cloud computing technology and professional training base under background of “Internet +”

Hua Chi1，3, Gu Xiaoyan2, Zhang Rong2, Li Xiangyu2

(1. Teaching and Research Department,Jiangsu Information Professional Technology Institute,Wuxi 214153,China；2. Engineering College of Internet Things,Jiangsu Information Professional Technology Institute,Wuxi 214153,China; 3. College of Computer Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)

Based on the practice and research of cloud computing technology and professional training base,the experimental environment for the related courses is established with cloud computing virtual laboratory. Relying on H3C equipment,a cloud computing technology and professional virtual laboratory is set up,a Cloud Computing course is designed,and direct access to the cloud server for the virtual laboratory through the campus network is completed,thus ensuring the effective use of the laboratory resources regardless of time and geographical constraints.

curriculum practical training base；professional laboratory; virtual laboratory

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.059

實習基地建設

2016-03-08修改日期：2016-06-01

江蘇高校哲學社會科學研究基金資助項目(2014SJB351)；江蘇省高等職業院校國內高級訪問學者計劃資助項目(2016GRFX025)；江蘇高校品牌專業建設工程資助項目(PPZY2015C239)；江蘇省教育科學“十二五”規劃2015年度課題(D/2015/03/092)

華馳(1979—),男,江蘇興化,碩士,副教授,主要從事軟件技術、計算機網絡技術研究及計算機教學.

E-mail：8573748@qq.com

TP393

A

1002-4956(2016)9-0223-06