上海海事大學云平臺促進高校教學改革（下）

文/王玉平 王河堂 戴春葉 周開元

上海海事大學云平臺促進高校教學改革（下）

文/王玉平 王河堂 戴春葉 周開元

編者按：

本文以上海海事大學iLogistics云計算平臺為例，對基于云計算的教學科研實驗模式進行研究和探索，提出了云計算平臺的核心架構、功能，并對新模式的云平臺的優點進行探索歸納，尤其是云平臺運營過程中產生的大量數據，根據這些大數據的行為，智能分析，為教學科研實驗過程提供了反饋，從而促進教學實驗的改革。本刊對此文進行連載刊登，本期推出連載的下篇，介紹iLogistics云平臺為傳統機房模式帶來的革新，以及如何助力科研計算和翻轉課堂等方面的內容。

云計算平臺的優點

云計算平臺在高校中的使用，不僅是建設的問題，更重要的是如何運維、使用，充分發揮其作用也是一項重要的課題。基于云計算的教學實驗科研平臺為傳統機房模式帶來了革新，主要體現在以下幾個方面。

投入低、效益高

IT資產的成本包括很多方面，初期購買成本只是其中的一小部分，其它還包括整個生命周期里的管理，維護，能量消耗等方面的成本，硬件更新升級的成本。相比傳統個人桌面或者個人工作站而言，云PC在整個生命周期里的管理、維護、能量消耗等方面的成本大大降低了。云平臺在初期硬件上的投資是比較大的，但是由于傳統桌面的更新周期是7年，而服務器的更新周期可長達10年，所以硬件上的成本基本相當。然而，由于軟成本大大降低，而且軟成本在總體擁有成本（TCO）中占有非常大的比重，所以采用云平臺方案總體TCO大大減少了。就云桌面來講，根據Gartner公司的預計，云桌面的TCO相比傳統桌面可以減少40%。

軟件的使用很大意義上是在購買用戶的使用許可。通過分析軟件使用許可的使用頻率可以看出，單個軟件對于單個用戶來說，使用時間有限，但購買成本確是整個時間段。在投入同樣的軟件使用許可成本的情況下讓多達10個用戶來使用，這可以節省90%的軟件成本。

桌面云中的虛擬桌面系統的授權是按照并發數來計算，學校可以統計分析并發數量，如上海海事大學有1000個并發，總人數有25000人，這樣實際購買并發數比只有4%，成本節約立刻顯現。

數據存儲安全、可靠

在云計算平臺中，所有的數據以及運算都在服務器端進行，客戶端既可以訪問本地資源，也可以進行本地和服務器端資源的同步。師生在暫停使用時，可以斷開與服務器端的連接，相關數據均存儲于服務器端，不會出現獨占某個計算機的情況，而且師生可以在異地隨時登錄繼續訪問上次實驗的數據。為了提高數據的可用性、安全性，我們對安全等級比較高的數據進行備份，確保數據不會丟失。

資源彈性變換，充分共享資源

基于云計算虛擬技術，對資源的需求量即時增長，避免資源閑置，提高使用效率。云彈性是云計算最顯著的特點之一，所謂云彈性是指云資源可以根據用戶的需求進行動態的資源調整。這種彈性最能體現在班級教學實驗的情況下，由于不是所有師生在同一時刻并發使用計算資源，因此可以對使用情況進行預先評估，給出一個平均使用資源量，初始建設云計算平臺時可以按平均使用量的150%的比例進行構建，而在日常教學試驗中，系統會自動按需分配資源，提高資源利用率，充分共享資源。

上海海事大學的教務選課是安排在學期末和學期初，在此期間，教學實驗對IT資源的需求較少，期間，我們調整教務系統的服務器數量和占用服務器資源的配比，在不增加費用的情況下，充分利用現有資源，保障教務系統選課的正常進行。

另一個典型的案例在于GPU和CPU的使用上的優化。在多年的云平臺運維中，通過對平臺系統日志的數據分析發現，CPU和GPU集中在晚上10點和上午9點之間比較空閑，使用率較低。為此我們調整了藝術設計類軟件的使用習慣，如3DS Max、Maya，建議此類軟件的使用者白天進行設計，晚上進行渲染，可以最大化節約時間，提高效率。

實現節能減排，應用更環保

如何保護有限資源，怎么才能消耗更少的能源，這是現在各國科學家在不斷探索的問題。一般來說，每臺傳統個人計算機的功耗在 200W 左右，即使它處于空閑狀態時耗電量也至少在 100W 左右，按照每天 8 個小時，每年 240 天工作來計算，每臺計算機桌面的耗電量在 480 度左右，非常驚人。在此之外，為了冷卻這些計算機使用產生的熱量，我們還必須使用一定的空調設備，這些能量的消耗也是非常大的。

采用云平臺以后，每個瘦客戶端的電量消耗在 8～15W 左右，而一臺服務器耗電約400W左右，平均支撐20個瘦客戶端，核算后每個云PC耗能是原來傳統個人桌面的 20%，所產生的熱量也大大減少了。

云計算平臺在運行中會產生大量數據，用于對師生的教學實驗科研進行評估。也可以從操作過程、操作時間來評估師生的行為，從而對教學進行反哺，便于教師充分了解學生，因材施教，也掌握知識傳授接受的程度。

使用方式改變，突破時空限制

有了持續在線的云平臺，師生可以突破時空限制，可以在寢室、校園內、互聯網上在任何時間訪問云平臺。對于傳統的實驗室，需要合理安排場次，師生在規定的時間內到達指定的實驗室才可以進行實驗，而有了云平臺，則可以通過互聯網在任意地方任意時間訪問實驗，也可以暫停或繼續實驗，而不受地域和其他師生使用的影響。

除了時空限制，用戶還可以通過自帶設備，譬如便攜式計算機、手機、Pad等移動終端連接云平臺，尤其是通過移動設備，可以不在固定的場所實時跟蹤實驗進展情況。

減少IT資源管理人員工作量

在使用傳統桌面的整體成本中，管理維護成本在其整個生命周期中占很大的一部分，管理成本包括操作系統安裝配置、升級和修復的成本，以及硬件安裝配置、升級和維修的成本，數據備份、恢復的成本，各種應用程序安裝配置、升級、維修的成本。在傳統桌面應用中，這些工作基本上都需要在每個桌面上做一次，工作量非常大。對于那些需要頻繁替換，更新桌面的行業來說，工作量就更大了。

在云平臺中，管理是集中化的，管理員通過控制中心管理成百上千的虛擬桌面，所有的更新，打補丁都只需要更新一個“基礎鏡像”就可以了。管理員可以根據課程的不同配置幾個基礎的鏡像，然后不同的課程的師生可以分別連接到這些不同的基礎鏡像，而且我們要做任何修改，只需要在這幾個基礎鏡像上進行就可以了，大大節約了管理成本。

所有軟件資源相當于書籍借閱

在云平臺集中管理的模式中，所有的IT資源都是以類似于圖書資源的形式出借，師生可以申請、續借、歸還該資源，而某個資源的數量卻不像圖書那么受限，僅僅受制于版權和云平臺基礎架構的計算能力。

在該模式下，IT資源使用也具有有效期，在到期后，師生可以申請延期繼續使用該項資源。若有效期到了，則對該資源進行銷毀釋放。在IT資源未到期時，師生也可以主動申請銷毀資源。從而充分發揮云計算平臺基礎架構的能力，提高IT資源的效能。

以數據分析評估師生使用效果

云計算平臺在運行中會產生大量數據，用于對師生的教學實驗科研進行評估。也可以從操作過程、操作時間來評估師生的行為，從而對教學進行反哺，便于教師充分了解學生，因材施教，也掌握知識傳授接受的程度。此外，根據學生的操作行為分析，可以分析相關課程的難易點，準確掌握學生的實驗進度，從而對教學實驗大綱進行修訂。

云平臺助力科研計算

iLogistics云計算平臺對于科學研究最大的貢獻在于其計算能力和存儲能力。傳統的科研小組自購服務器存儲，小組內部人員需要學習如何部署協作IT資源，但是不同人員對于計算架構的掌握程度不同，配置出的架構是否合理亦不確定，容易造成資源浪費。為此我們為科研團隊提供了各類模板，科研團隊也可以向我們提出自定義模板，由他們自定義或者我們來定制。

自助化申請服務

通過iLogistics云計算平臺的自助化服務界面，用戶可以自助申請計算資源，調整CPU、內存和存儲資源配置，平臺運維方在1到2個工作日內根據情況進行審批。待審核通過后，申請用戶就可以申請資源了。得利于基礎架構對多機器的藍圖的支持，平臺可以允許用戶申請類似Hadoop集群的資源。

安全隔離

借助于網絡虛擬化的技術，所有的資源都是機器或集群間完全隔離，互相不能訪問。這樣即使用戶不修改密碼，也不會造成數據泄露、入侵等安全問題。

租賃機制

根據不同的服務申請，定制了不同的默認租賃期限。譬如科研短期計算服務，其租賃期限為1個月，而對于網站類服務器，則租賃期限為5年。租賃期結束之前，系統會自動提示用戶注意期限，如果需要延期服務，則可以申請延期。通過這種策略，可以減少資源的浪費，也可以提醒用戶資源是有限的。

云平臺助力翻轉課堂

在iLogistics云平臺中，主要通過桌面云來助力翻轉課堂。桌面云系統需要一個終端通過網絡連接使用戶獲得與傳統的桌面系統和應用程序一樣的用戶體驗，并且這種用戶體驗并不局限于特定的操作系統和應用程序。

然而，桌面云在高校中的使用并不成功，通過幾大廠商的案例可以看出，桌面云基本是在學院層面或者二級部門部署，使用范圍比較局限，功能比較單一，主要用于考試和實驗，而用于實地教學的比較少。為了避免雷聲大雨點小的尷尬，能夠在校級層面應用桌面云，我們對桌面云的技術關鍵點進行了詳細測試與分析。

目前流行的桌面云系統主要包括客戶端、網絡接入、系統管理端、GPU和服務存儲端5個部分。我們分別對這幾部分進行了詳細的考量測試。

客戶端包括專用的瘦客戶端和自帶的移動設備。普通瘦客戶端，內嵌了獨立的嵌入式操作系統，可以通過多種協議連接到運行在遠程服務器端的虛擬桌面。瘦客戶端的硬件配置可以不足以作為一個單獨的終端來支持桌面系統的本地運行，而只需要具有與遠程服務器通信和輸入輸出的能力。在我們的智慧教室中，瘦客戶端并不置備，而是由學生自帶設備接入（BYOD）。

網絡接入

桌面云系統的用戶可以通過有線或者無線網絡來連接局域或者廣域網絡，連接的方式可以是普通連接，也可以是安全連接。基于瘦客戶端的工作方式，在桌面云系統的網絡中需要傳遞的僅僅是鼠標、鍵盤點擊和屏幕刷新的數據。瘦客戶端將用戶的輸入傳給服務器的同時負責接收和呈現服務器傳回的輸出。在數據傳輸中，從服務器回傳的屏幕數據是主要內容，尤其是在視頻播放和高屏幕分辨率的情況下。在1920×1080屏幕分辨率下測試了幾個桌面云使用場景，帶寬需求參見表1。由此可見，在校內有線網的情況下，各種場景都適用。但是通過無線網絡接入，則面臨著并發數量的問題，通過調優和實驗，在某個教室內，無線只能承載50個并發訪問才能保障視頻播放正常。

表1

系統管理端

系統管理端是為管理員提供桌面管理的能力。為了簡化管理和提高效率，iLogistics云計算平臺采用虛擬化系統自身的管理功能，僅在用戶是否可以訪問某個桌面云時做了策略管理，并與學校的教務系統進行對接。系統在課程上課之前固定時間內自動提早準備桌面。針對每個桌面云的主鏡像則由運維團隊根據課程需求或者業務需求，預先設置操作系統類型、內存大小、處理器數量、網卡數量和硬盤容量，并安裝好操作系統和各類軟件。在操作系統和軟件需要升級時，運維團隊統一進行該操作并推送鏡像。

服務存儲端

服務存儲端由多臺服務器和存儲設備組成，在為用戶存儲數據的同時還為用戶的虛擬桌面提供操作系統和應用軟件。由于桌面云是在服務器上并發訪問存儲資源，因此對于IOPS要求非常高。為此我們測試了幾類集中存儲SAN和分布式存儲vSAN，通過IOMeter來測算IOPS，最終vSAN在此方面勝出，且vSAN的授權已經包含在桌面云授權中，實際測算下來，其總成本低于傳統集中存儲。

在iLogistics云計算平臺中，使用vSAN作為桌面云的存儲，使用傳統SAN作為用戶數據的存儲設備，同時針對SAN做了關鍵數據的備份。

桌面云對于服務器的壓力還集中在CPU方面，如圖1所示，不同的場景對于服務器CPU的負載需求不盡相同。為此，在重構iLogistics云計算平臺時，盡量選用性能較高的CPU。

圖1 CPU和GPU測試

GPU

沒有GPU的情況下，系統所用的顯示適配器功能是由CPU模擬的。經過測試，CPU模擬會給服務器額外造成30%的壓力，且顯示效果降低。為此，為每個桌面都分配了vGPU，從而提高顯示效果并減輕服務器壓力，提高單臺服務器承載桌面并發數。此外，對于Photoshop、3DS Max等設計類軟件，存在GPU會給軟件體驗帶來顯著提高的現象，尤其是3DS Max類軟件，沒有GPU無法正常運行。

云計算平臺中，上海海事大學選用了同種型號的GPU卡，便于卡的共享，并且充分考慮資源的集約利用。普通桌面對于GPU卡的要求較低，而藝術設計類用戶要求較高，我們為不同類用戶啟用了不同的GPU Profile，并盡量平均分布在多臺服務器中，從而最大化發揮GPU卡的效能，提高藝術設計類的效果。

智慧教室

上海海事大學智慧教室的建設主要面向翻轉課堂，內部采用無線網絡訪問的模式，學生自帶便攜式計算機，教室內有活動門板。教師授課時，門板收縮掉；分組討論時，活動門板展開，大房間分隔成多個封閉的小房間便于小組討論。這種布局深受師生歡迎，教學效果良好。

（責編：陶春）

（作者單位為上海海事大學）