基于私有云數據中心開展實驗教學的研究與實踐

◆阮曉龍

基于私有云數據中心開展實驗教學的研究與實踐

◆阮曉龍

在傳統計算機課程教學中計算機需求量大、資源利用率低、教學成本高，且不能夠充分滿足實驗教學需求。提出基于云計算的實驗教學模式，并給出教學用的云數據中心的建設與運維管理方案。該方案優化了計算機相關課程的管理模式和實驗教學模式，解決了目前高校計算機實驗室建設成本高、管理維護效率低、資源利用率低等問題，大大提升了實驗教學水平。關鍵詞 云計算；私有云數據中心；實驗教學

1 引言

隨著信息技術的發展和商業模式的不斷創新，云計算以其新的用戶體驗和業務模式已成為新一代信息技術變革的重要組成部分。云計算由并行計算、分布式計算和網格計算發展而來，是虛擬化、效用計算、SaaS等技術混合演進的結果。

目前各高校均在建設自己的教學資源平臺，但大都存在資源共享不足、存儲設備容量有限、運維管理水平不高等問題。基于云計算模式構筑全面共享的私有云數據中心的實驗教學平臺，可以使實驗教學開展更加靈活，實驗項目設置能夠擺脫基礎條件限制，進而提升實驗教學質量，特別是增強創新性、研究性實驗的教學效果。

2 實驗教學中的困難與問題

傳統教學模式下，實驗教學均在實驗室環境下進行，但實驗室環境存在以下幾方面的不足。

對多樣操作系統的支持不夠 大部分實驗室中的計算機所用的操作系統為Windows操作系統，缺乏對Linux、Unix操作系統的支持，使得大量實驗課程的教學內容不能展開，如Linux操作系統課程的實驗項目就無法很好地開展。

能夠為學生實驗學習提供的計算機數量有限 實驗室中設備數量固定，當同時需要多臺計算機用于某一個實驗時，實驗室通常無法提供，如MySQL集群實驗項目需要為同一學生提供多臺Linux服務器等。

實驗數據存儲受限 實驗室為了保證計算機的安全性與穩定性，一般都采用安裝硬件保護卡的方式對學生使用過的系統進行還原。這樣雖然在一定程度上保護了計算機的安全性，但是在學生進行實驗過程中，數據無法保存，打破實驗的連續性，很大程度上影響了實驗教學效果。而且在進行需要安裝的實驗項目時，由于計算機安裝了保護卡，部分軟件安裝后如果必須重啟，則無法實現。

軟件維護與更新困難，穩定性不足 計算機實驗室為滿足不同專業的實驗需求，使實驗室對設備的維護與管理變得異常困難。通常情況下，實驗室的計算機上都安裝多個操作系統以適應不同的實驗需求。同時，一個操作系統中安裝多個專業軟件，造成軟件沖突嚴重，系統反應緩慢。

實驗教學內容受限 由于實驗環境和實驗學時的限制，實驗課程的教學內容必須依據實驗室環境進行準備，內容不宜太難，擴展性不能太大，課外自主實驗也不能過多，不能夠很好地激發學生的學習興趣，也不利于學生的思維拓展，不利于開展研究性學習、探索性教學，如PBL、MOOC、翻轉課堂等。

實驗教學過程管理空白，教學質量無法很好評估 傳統的實驗教學中，實驗僅僅能夠在實驗課上進行，教師對學生的輔導局限在實驗課堂的幾十分鐘內，之后的學習過程便無法監督、了解與管理，對于學生在課下實驗中遇到的問題也無法及時解決，影響了學生自主實驗的積極性和教師對實驗的指導與評價。

3 云計算與云計算輔助教學

云計算 云計算由一系列可以動態升級和被虛擬化的資源組成，這些資源被所有云計算用戶共享，并且可以方便地通過網絡訪問，用戶無需掌握云計算的技術，只需要按照個人或團體的需要租賃云計算資源。

作者：阮曉龍，河南中醫藥大學網絡信息中心講師，研究方向為計算機網絡、計算機軟件、Web技術（450008）。

圖1 云數據中心拓撲

經過近幾年的快速發展，目前云計算技術基本可以概括為公共云、私有云和混合云三種。公共云是由第三方供應商提供給用戶使用的云，一般均可通過Internet使用。私有云就是單位或團體自身購買服務器和存儲、自行構建機房的數據中心建設模式。混合云是公有云和私有云兩種服務相結合的一種云計算模式，既有一定的安全性，又有一定的可擴展性。

筆者使用的云計算模式即為私有云，原因如下：

1）完全自主可控，便于開展多樣的實驗教學；

2）僅供內部使用，提高了學生在學習過程中使用云數據中心的安全性；

3）網絡性能高，基于校園網的萬兆主干網絡，使得云主機的使用更加流暢，方便開展實驗教學；

4）能夠實現全體系的運維管理和監控，便于監控學生的學習過程和了解教學效果。

云計算輔助教學 云計算在教學方面的應用正逐步成為研究的熱點，使用云計算技術結合具體教學環境，充分發揮出云計算輔助教學的優勢，在實現優化教學效果的同時節省硬件資源，提高資源利用率，降低教學成本。在高校的計算機實驗教學中，云計算有著顯著的優勢，具體如下。

1）提升實驗教學環境質量。云計算提供一系列可被虛擬化的資源，如計算、存儲、平臺和服務等，這些資源支持用戶共享，方便網絡訪問，滿足了實驗教學中設備多樣性、操作系統多樣性、軟件多樣性的需求，有利于為實驗教學提供良好的實驗環境。

2）降低實驗教學成本。云計算中對客戶端的計算機配置要求較低，教師和學生可以以極低的成本按需獲取云服務，有助于減少實驗教學中人力、物力、財力的投入。

3）推動教學改革。云計算的教學模式是一種新的教學模式，突破了時間與空間的限制。在該模式下，實驗教學的方法、模式也會有所不同。基于云計算的實驗教學環境將充分發揮出云計算輔助教學的特點，推動教學改革與教學模式的創新。

4 面向教學的私有云數據中心

云數據中心建設

1）總體架構。筆者構建的面向教學的云數據中心主要由8臺虛擬化服務器、2臺磁盤陣列、2臺FC-SAN交換機、2臺以太網交換機組成。其中，8臺虛擬化服務器通過FC卡分別接在2臺FC-SAN交換機上，實現存儲網絡的雙鏈路負載；2臺磁盤陣列到2臺FC-SAN交換機之間，也進行多鏈路負載，保障業務的高可用性和高性能。云數據中心拓撲如圖1所示。

私有云數據中心主要借助VMware vSphere實現服務器的虛擬化，其中包含1個云數據中心、2個虛擬化集群、4個邏輯網絡、4個邏輯存儲單元。

2）服務器地址規劃。8臺虛擬化服務器的地址規劃如表1所示。

3）集群劃分。2個虛擬化集群如表2所示。

4）存儲劃分。4個邏輯存儲單元劃分如表3所示。

劃分原則如下：

①讓學生數據單獨存放在SAN-2存儲區域，以避免學生的不安全操作對業務數據產生沖擊；

表1 虛擬化服務器硬件信息

表2 集群劃分

表3 網絡存儲劃分

表4 網絡劃分

表5 云集群分組劃分

②科研等數據存放在SAN-1上，能夠更好地為科研工作提供支撐，讓科研等業務的存儲與教學數據存儲分離，提高安全性；

③為了管理方便，給學生團隊設置管理權限，只能夠訪問虛擬主機設備和對應存儲單元，以避免學生訪問科研數據，保障科研數據的安全；

4）網絡劃分。劃分4個網絡，分別為：10.10.1.0/24，10.10.2.0/24，10.10.3.0/24，10.10.4.0/24。其中，10. 10.1.0/24、10.10.2.0/24網段用于獨立的物理服務器，進行服務器等設備管理；10.10.3.0/24、10.10.4.0/24網段用于云集群上的虛擬主機，具體如表4所示。

云數據中心管理 在建設完成私有云數據中心之后，并不意味著它就能夠應用于教學，還需要提供與教學相關的各類服務以及管理制度和信息歸檔。

1）為了方便管理，對私有云上的IP地址進行分組劃分，每組都用于實驗教學的不同方面，如表5所示。

2）云集群上虛擬機的創建與使用也有相應的使用流程與管理規范，具體如下所示。

①需要使用虛擬機時，首先需要按照規范填寫《信息技術開放科研創新平臺科研服務云服務器虛擬主機管理登記表》，然后由管理員進行審批。《信息技術開放科研創新平臺科研服務云服務器虛擬主機管理登記表》如圖2所示。

②審批通過之后，管理員需嚴格根據登記表內容創建虛擬機，以此填寫虛擬機名稱，選擇虛擬機所在組、所屬集群、目標存儲、網絡，指定磁盤 大小。

3）為了虛擬主機的方便管理，在虛擬主機命名方面也有相關的規范，如圖3所示：①代表組名稱（不加組中間橫杠線）；②設備使用IP，如有多個IP只寫一個；③設備用途，寫英文名稱；④操作系統類型、版本。

圖2 虛擬主機管理登記表

圖3 虛擬主機命名規范

4）在私有云應用于教學之后，會產生各種各樣的業務，為了各類業務的方便管理，應對這些業務進行統計和信息歸檔，包括物理服務器統計與信息歸檔、Web服務器統計與信息歸檔、數據庫服務統計與信息歸檔、網站統計與信息歸檔、文件傳輸統計與信息歸檔、域名記錄與解析服務統計與信息歸檔。

以Linux服務器技術課程的實驗教學為例，開展教學應用實踐方法如下：

①制作教學用的虛擬主機模板，為虛擬主機開啟SNMP服務，安裝自主研發的數據庫管理與性能分析工具“MySQL Smart Tools”，并安裝一些其他探針；

②為每位學生開設一臺Linux虛擬主機，將賬戶、SSH管理權限提供給學生，學生在使用虛擬主機學習的同時，還可通過“MySQL Smart Tools”查看本機的運行狀態；

③使用運維管理保障系統，通過QS-NSM對所有學生虛擬主機進行監控，同時使用探針收集學生的學習情況；

④做好防火墻等安全配置，僅允許學生在校內訪問SSH，提高安全性；

⑤使用OSSIM分析系統，通過NetFlow，對學生虛擬主機的運行情況進行實時監控，發現故障、風險等問題及時響應。

云數據中心運維 為了更好地服務于教學，建設一支以學生為主體的運維管理團隊對云平臺進行日常運行管理和維護，保障業務的高可用性。

在具體的運維實踐中，筆者和運維團隊采用商業和開源監控軟件相結合，如QS-NSM、QS-WSM、ZBBIX、Nagios、Cacti、SmokePing、Observium等，建立運維管理分析平臺，其主要組成部分如下。

1）網絡與服務器監控分析系統：對云數據中心的交換機等網絡設備實施流量和網絡監控，對服務器和云主機實施性能分析，不斷優化，提升業務質量。

2）應用系統與軟件監控分析系統：對云數據中心的網站、數據庫服務、域名解析等服務的狀態進行監控與業務分析，為業務的性能優化提供有效的解決方案。

3）云服務器性能測量分析系統：實現對云數據中心網絡設備的實時監控和網絡流量分析，自動發現網絡設備，幫助運維人員準確掌握網絡動態流向。

云數據中心安全 為了保障云數據中心的安全，需要對整個云數據中心建立完整的安全保障體系，主要的技術安全措施包括：

1）云數據中心中服務器地址都采用私有地址，降低被外來人員攻擊的可能性；

2）通過在云數據中心邊界架設防火墻，并設置防火墻規則，只對指定的服務端口對外開放，保障云數據中心的安全；

3）通過開源軟件OSSIM建設安全分析系統，實現Net Flow分析，及時發現并修復云數據中心存在的漏洞，增強云數據中心的安全性。

5 私有云數據中心在實驗教學中的應用

實驗教學實踐 在2013級信息管理與信息系統專業Linux操作系統課程實驗教學中，充分挖掘云計算的資源與服務，整合現有的Linux資源和服務，為學生創建2套虛擬主機模板、135臺云主機，支撐學生日常實驗研究，使學生不再拘泥于課堂的學習，激發學生學習興趣，并得到學生的廣泛好評。

實驗教學模式探索 基于云計算可以在任何時間、任何地點進行網絡訪問的特點，創建管理科學與工程學科課程群，教師可將實驗課程中的教學文檔、電子教案、課件、實驗指導書等內容以文章的方式發布，供學生瀏覽與下載，方便學生隨時了解實驗教學的方式與進度，達到學習資源與學習工具的按需使用。如此使實驗教學模式從單純的實驗課程教學擴充為課前知識準備、課堂實驗教學、課后自主實驗的模式，擴展實驗教學的寬度與廣度。

基于云計算的實驗教學資源共享 基于云計算資源獲取途徑廣泛、收集整理方便快捷的優勢，建設資源共享平臺，師生共同努力，不斷充實、動態更新教學資源，實現資源的共享和優化應用。同時，挖掘云計算在效率和節約資源方面的潛力，依靠高校教育資源共享機制，擴展教學資源的覆蓋面。總體上，教學資源已經由傳統的教材擴充到豐富的網絡資源，可利用的教學資源種類繁多，可更有效地支持實踐教學活動。

6 存在的問題與下一步計劃

目前基于私有云開展實驗教學仍然存在一些問題，主要有以下幾點。

1）師資力量相對薄弱。盡管云數據中心設施比較完善，但能夠熟練使用云平臺進行教學的教師相對較少。

2）云平臺資源利用不夠充分。除了課堂教學、科研項目需求之外，很少有學生申請虛擬主機進行自主實驗研究與學習。

3）私有云數據中心仍存在許多安全問題，且對于發生的故障和問題尚不能夠快速發現和解決。

針對以上問題，今后在以下方面進行改進。

1）加強師資隊伍的建設。通過內部學習交流提高教師的教學能力，并通過多種方式的教研活動，幫助更多的教師能夠平滑使用云技術平臺開展教學活動。

2）鼓勵學生申請云主機，積極開展課外自主實驗，加強學生對互聯網、云計算、虛擬化的體會，為走入社會、走向工作崗位奠定更好的基礎。

3）建設更為全面的云數據中心安全保障系統。建設防火墻和業務映射與代理機制、云數據中心的安全保障體制，提升業務安全性和可靠性。

4）建設云數據中心性能分析系統。通過建設VMware vRealize Operations Insight，實現性能管理、容量優化和實時日志分析；建設云數據中心的智能預測分析，利用結構化和非結構化數據來主動避免故障發生和提高解決故障的效率；實現包括操作系統、物理服務器、存儲和網絡連接硬件在內的管理和分析。

7 結語

云計算的出現，不僅解決了當前實驗教學中存在的問題，還為實驗教學提供了新的可能。本文提出基于私有云數據中心開展實驗教學的研究和實踐，并系統論述了云數據中心在建設方案、管理模式、制度流程建設和運維保障等方面的工作。云計算技術的應用不僅降低了實驗教學成本，也提高了教學質量，激發了學生的學習興趣，對于教學質量的提升和教學內涵的深化，具有積極的意義。

［1］吳捷.基于私有云的計算機類課程教學模式的創新與實踐研究［J］.電腦知識與技術，2015（16）：153-154.

［2］李滿玲.基于私有云的計算機課程教學模式的改革［J］.牡丹教育學院學報，2013（6）：148-149.

［3］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：自然科學，2014，35（3）：32-37.

［4］王路明.從傳統計算機輔助教學到云計算輔助教學的發展研究［J］.民營科技，2011（1）：63.

Research and Practice of Experiment Teaching based on Private Cloud Data Center

RUAN XiaoLong

In the traditional computer course teaching， the demand of the computer is big， the utilization rate of resources is low， the teaching cost is high， and cannot fully meet the needs of experimental teaching. This paper puts forward the experimental teaching mode based on the cloud computing， and gives the construction of the cloud data center and the operation and maintenance management program. The scheme optimized computer related courses of management mode and experimental teaching mode， solve the current high cost of college computer laboratory construction， management and maintenance efficiency， low resource utilization rate is low，greatly enhance the level of experimental teaching.

cloud computing； private cloud data center； experimental teaching

G642.0

B

1671-489X（2016）18-0124-05

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.18.124