教育資源云虛擬化平臺模型構建研究

李 勇，楊華芬

(曲靖師范學院 信息工程學院，云南 曲靖 655011)

教育資源云虛擬化平臺模型構建研究

李 勇，楊華芬

(曲靖師范學院 信息工程學院，云南 曲靖 655011)

國內各高校教育信息化建設仍以傳統的數字校園網平臺建設為主，這種傳統的校園網平臺建設隨著教學資源和學生人數的增加，需要不斷的增加硬件基礎設施以保障教學需求，這些硬件基礎設備中的相當一部分是重復投入的、設備利用率并不高，且資源分散、覆蓋范圍不廣、不利于共享和重復使用。為有效改善這些不良現狀，本文提出利用Hadoop開源云框架和虛擬化技術，構建教育資源云虛擬化平臺模型，在盡可能減少基礎設施投入的情況下，保障教學需求、方便用戶對軟硬件資源進行統一集中管理，提高資源的使用效率。加強這方面的研究對進一步促進教育信息化建設和民族教育事業發展具有重要參考意義。

教育資源云； 教育信息化； 云計算； 虛擬化

0 引 言

《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020年)》[1]和教育部《教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)》[2]都已明確提出以計算機技術、網絡通信技術、現代遠程教育技術等內容為核心的教育信息化建設將作為我國教育發展的戰略選擇，然而，目前國內各高校教育信息化建設仍以傳統的數字校園網平臺建設為主，這種傳統的數字校園網平臺建設隨著教學資源和學生人數的增加，需要不斷的增加硬件基礎設施以保障教學需求，不斷增加的設備投入有很大一部分是重復投入的、設備利用率并不高。如何充分利用高校校園網內現有的服務器、網絡通信設備、數據存儲設備等軟硬件基礎設施，借助開源云計算框架Hadoop和虛擬化技術內容的支持來構建和部署教育資源云虛擬化平臺，在盡量減少硬件基礎設施投入的前提下，既保障教學需求，同時又可以方便用戶對軟硬件設備資源進行統一集中管理，提高資源的使用效率，對進一步促進教育資源信息化建設和民族教育事業發展具有重要意義，并且，教育資源云虛擬化平臺構建充分利用虛擬化技術、云計算技術支撐，是未來教育信息化建設發展的方向，加強這方面的研究對促進虛擬化技術、云計算在教育信息化建設方面的應用也具有重要參考價值和發展空間。

1 平臺構建支撐技術

1.1Hadoop框架

Hadoop是由Apache基金會于2005提出并研發的一個開源分布式云計算系統框架，主要應用于并行計算、海量數據存儲、分類檢索與并行編程等領域，具有高可靠性、高可拓展性、高容錯性、高效性和低成本等優點，正因為此，它一出現就受到了Yahoo、Facebook、百度、中國移動研究院等眾多國內外大公司的青睞，紛紛基于Hadoop建立了自己的云服務平臺，以鞏固其在互聯網中地位。

Hadoop是一個項目的總稱，里面包含許多個相關項目子集，主要包含的技術內容如圖1所示[3]。

圖1 Hadoop技術棧

由圖可見，Hadoop開源框架主要包括Hadoop Common，處于Hadoop技術棧的最底層模塊，是Hadoop框架中所有其他子項目的公共支撐部分、為其他子項目提供必要的工具支持；Avro，Hadoop框架中的一個子項目，也可以作為一個獨立的子系統存在，是一個基于二進制的高性能數據傳輸中間件，支持跨平臺、跨語言的高效序列化數據存儲系統，作為一個工具常用于Hadoop其他子項目之間存儲和交換數據；MapReduce，Hadoop框架中的核心組件之一，被設計用來進行海量數據的并行編程，里面包含Map和Reduce兩個函數，由一個JobTracker和多個TaskTracker控制，其中JobTracker負責任務調度和TaskTracker管理，TaskTracker則負責任務的執行；Hadoop分布式文件系統(Hadoop Distributed File System，HDFS)，Hadoop框架中的另一核心組件，Google GFS 的開源版本，具有高度容錯性的分布式文件系統，提供海量數據的存儲、訪問，里面包含一個NameNode和多個DataNode，其中NameNode是負責文件系統管理的元數據，DataNode則是負責實際數據存儲的單元；ZooKeeper，用來配置和支持分布式調度的一組工具，主要用于保持所有節點之間的配置同步；Pig，類SQL語言，MapReduce上構建的高級查詢語言，用于簡化MapReduce的開發任務；Chukwa，數據收集和分析分布式系統，一種分布式鎖設施，類似于Google Chubby的功能，由Facebook提供；Hive，數據倉庫工具，主要完成SQL語句的查詢功能；Hbase，分布式數據庫，類似Google BigTable的分布式NoSQL列數據庫。

1.2虛擬化技術

虛擬化技術(virtualization technology)最早出現在1965年IBM7044計算機中，其后在20世紀70年代的System 370系列中逐漸流行，通過虛擬化的方式將一臺物理計算機虛擬化成幾臺獨立運行的客戶機，各客戶機共享IBM7044大型服務器的硬件資源。虛擬化技術是一種支持硬件虛擬化、平臺虛擬化、軟件虛擬化，可以很方便地對現有計算機軟硬件實體資源進行配置、管理、共享、復用、并且在其中引入了資源池概念的資源管理技術，主要依靠在計算機軟、硬件層之間引入的中間虛擬層來對整個計算機系統中的所有軟、硬件資源進行統一化管理，為用戶提供彼此獨立隔離的計算機系統環境，可以為用戶很好的屏蔽各種不同硬件平臺之間的動態性、分布性和異構性[4]。

目前，比較常見的虛擬化技術有VmWare ESX、RedHat KVM、Citrix XenServer，考慮實際應用的情況和篇幅的限制，主要介紹VmWare ESX技術，基于VmWare ESX虛擬化技術的架構如圖2所示。

圖2中所示將基于VmWare ESX的虛擬化架構模型分為硬件基礎層、虛擬化層、虛擬化應用層3層，各層的主要內容如下：

(1) 硬件基礎層。可以包含一臺或多臺計算機服務器，以及服務器上的CPU、Memory、disk、Adapter等計算機硬件資源，主要為上層虛擬化提供物理硬件基礎。

(2) 虛擬化層。基于VmWare ESX虛擬化架構模型中的核心層，主要完成物理硬件設備的虛擬化操作，方便用戶高效使用計算機系統中的硬件設備資源，進行資源的合理調配、管理與維護。通過該層的硬件設備虛擬化操作之后，形成一些結構上獨立的邏輯虛擬主機，用戶可以根據需要個性化定制所需要的系統環境、開發平臺、應用軟件。虛擬化層包括的內容主要有VMware Esxi、VMware vCenter、vSphere Client，其中VMware Esxi為VMware 公司研發的一款服務器版linux操作系統、用于部署Esxi宿主服務器；VMware vCenter為整個虛擬化架構模型的控制管理中心，用于對所有Esxi宿主服務器、以及宿主服務器上的資源進行統一配置、集中管理；vSphere Client虛擬化管理組件，為用戶登陸vCenter控制管理中心、或者直接登陸宿主服務器提供友好的可視化視圖。除此之外，虛擬化層包含的內容還有存儲、數據容災備份與恢復、虛擬網絡、資源負載平衡、容錯與安全技術等，由于篇幅所限，在此就不做介紹。

圖2 基于VmWare ESX的虛擬化架構模型

(3) 虛擬化應用層。直接面向用戶提供應用支持，可以是虛擬化產生的虛擬主機，虛擬化產生的各虛擬主機與底層硬件平臺無關，支持各種主流操作系統、開發服務環境、軟件應用服務，構成獨立自主的計算機系統；也可以是采用vApp應用服務封裝的方式向用戶提供個性化應用打包服務，用戶可以快捷方便的獲取、遷移、部署服務，所有這些虛擬化應用服務可以通過虛擬桌面、服務控制臺、虛擬終端等形式展示給用戶，用戶使用起來操作簡單、快捷，不需要額外掌握復雜的專業基礎。

2 教育資源云虛擬化平臺模型

云計算是在分布式并行計算、網格計算、虛擬化等技術發展的基礎上綜合演變發展出來的一項具有劃時代意義的IT創新技術，能夠為用戶提供大規模計算、海量數據處理、軟件應用、平臺應用等服務。云計算時代的教育信息化是指學校、教育從業者使用云計算提供的服務來輔助教學，學習用戶、學生則使用云計算提供的服務來獲取學習資源、幫助自身完成知識的積累和學習過程。傳統的教學信息化主要是通過校園網、精品課程、重點課程網絡、遠程教育平臺等形式來完成的，這種方式系統之間、平臺之間、網絡之間、用戶終端之間都存在較大差異、兼容性不夠好，不利于教育教學資源集中管理、共享與使用。基于Hadoop開源云框架構和虛擬化技術建立教育資源云虛擬化平臺可以很好的為用戶屏蔽下層硬件、系統平臺、校園網絡等之間的差異，使用所有能夠接入互聯網的用戶都可以通過互聯網輕松獲取自己所需要的軟硬件資源，真正做到教育信息化、面向全民用戶、服務全民用戶，為用戶提供按需推送的教育資源云服務。

2.1教育資源云虛擬化平臺分層模型

結合校園網建設環境、教育資源的特點，再根據Hadoop框架和虛擬化技術內容對云計算服務的支持，教育資源云虛擬化平臺構建采用分布式、分層結構模型，自下而上依次分為基礎設施層、虛擬服務層、應用環境層、應用服務層、用戶接口層共5層，其分層模型如表1所示。

表1 教育資源云虛擬化平臺分層模型

表1所示上下層之間相互依賴、下層基礎為上層構建提供支撐服務，水平上各層彼此獨立、與平臺無關、相互之間彼此兼容，共同構建成完整的教育資源云虛擬化平臺，各層所包含的主要內容和功能服務如下：

(1) 基礎設施層。由多臺高性能HP服務器、Cisco網絡通信設備為構建云計算中心提供所需的計算器、存儲器、網絡通信設備等硬件資源；

(2) 虛擬服務層。在物理基礎設施的基礎上，利用Esxi、VMware vCenter、vSphere Client等工具構建虛擬化平臺，按需為用戶提供虛擬計算機、服務器、網絡、存儲空間、桌面應用環境、底層物理硬件設備管理等服務；

(3) 應用環境層。在基礎設施層、虛擬服務層的基礎上，借助Hadoop開源框架構的技術內容，為技術開發人員提供云應用開發環境和公用API接口，以減輕開發人員的系統管理操作任務。

(4) 應用服務層。提供教育教學相關的應用軟件、教學平臺、基于云的虛擬計算環境和基于云的虛擬實驗室，完成教學資源的上傳下載、存儲共享、檢索管理，以及平臺監測、數據安全、系統管理、計費管理等應用服務；

(5) 用戶接口層。為用戶訪問云平臺提供訪問接口，用戶訪問云平臺的接口可以是遠程桌面、云門戶網站、單點登錄(SSO)系統等。

2.2教育資源云虛擬化平臺部署

教育資源云虛擬化平臺的主要硬件環境為4臺DELL PowerEdge 2900服務器，以下內容涉及的服務器硬件環境均為DELL PowerEdge 2900服務器，其詳細部署結構如圖3所示。

圖3 民族教育資源云平臺部署結構

由圖可知，教育資源云虛擬化平臺包括校園網、物理硬件資源池、虛擬客戶機、虛擬應用服務器集群、虛擬hadoop服務器集群、校園網用戶、Internet互聯網、云門戶及互聯網用戶幾部分組成。主要內容如下：

(1) 校園網。由3臺Cisco 2960S-24TS-S二層交換機完成校園網接入層功能、1臺Cisco 3560V-24TS-S三層交換完成核心層功能、1臺Cisco PIX-515E-U防火墻完成對互聯網用戶不安全訪問行為的過濾功能，校園網環境主要保障網內所有設備之間的高速通信、Internet互聯網接入，并監控來自互聯網用戶的訪問請求、拒絕不良訪問行為。

(2) 物理硬件資源池。基于4臺DELL PowerEdge 2900進行虛擬化架構，將4臺物理服務器上的CPU、內存、硬盤存儲空間、網絡適配器進行統一集中管理、生成虛擬硬件“資源池”，根據需要對“資源池”中的硬件資源進行重新分配，提供構建虛擬客戶機、虛擬應用服務器集群、虛擬hadoop服務器集群部署與實施所需的硬件支撐。

(3) 虛擬客戶機。為校園網用戶提供虛擬桌面應用、個人計算機應用。

(4) 虛擬應用服務器集群。包括云門戶Web服務器、用戶文件管理FTP服務器、平臺數據庫服務器、平臺安全保障堡壘主機服務器。

(5) 虛擬hadoop服務器集群。包含1個NameNode服務器，用于文件數據的分割、存儲以及DataNode的監控；1個SecondayNameNode服務器，與NameNode通信、作為NameNode的備用服務器；1個JobTracker服務器，負責計算任務的分解與匯總，以及TaskTracker服務器的運行監控；2個可同時作為TaskTracker節點和DataNode節點的從服務器，分別用來運行map與reduce函數、完成數據計算任務，實際教育資源數據塊的存儲。

(6) Internet互聯網。為外部互聯網用戶訪問云平臺中的資源提供網絡通信環境，同時保證云平臺可以及時獲取到來自互聯網上的最新教育資源。

(7) 云門戶。提供服務接口，方便互聯網用戶登出云平臺，獲取平臺中的資源、共享用戶已有的資源。

(8) 校園網用戶、互聯網用戶。可以分別通過虛擬客戶終端、云門戶來使用平臺中的硬件基礎服務、軟件應用環境服務、信息化資源服務等。

3 應用與性能分析

3.1應用對比分析

目前，國內各高校教育資源信息化建設的形式主要是依靠校園網通信環境建設數據存儲與共享中心、精品課程、重點課程教學資源庫、遠程現代化教育平臺等數字校園網平臺，依靠數字校園網平臺來推進教育資源信息化建設的方式，隨著教育資源和學生人數規模的不斷增加，要求的硬件基礎設施投入也要不斷增加，然而，數字校園網平臺中的許多應用對硬件設備的要求和利用率并不高，如單個精品課程或重點課程教學資源網站對Web服務器、數據庫服務器等的硬件要求并不高，但是因為精品課程或重點課程建設數量的增多，卻仍需要不斷的增加或更新硬件設備服務器，這勢必造成設備重復投入、使用率低等問題。構建教育資源云虛擬化平臺，運用虛擬化技術對硬件設備資源池中的資源進行統一集中管理、重新分配利用，可以在盡量減少硬件設備投入的基礎上，充分利用現有硬件設備資源來保障教學資源信息化建設的需求，與傳統數字校園網平臺建設相比較具有較多優勢，兩者詳細比較結果如表2所示。

由表中分析可知，相對傳統的數字校園網平臺來講，基于云計算和虛擬化技術構建教育資源云虛擬化平臺對教育資源信息化建設的促進作用優勢明顯，然而近5年來的研究成果表明，基于云計算和虛擬化技術在其他各行業中的應用研究成果豐碩，而在教育資源信息化建設、構建教育資源云方面的應用研究成果則十分少，因此，進一步加強這方面的研究具有廣闊的應用前景和發展空間，對促進教育資源信息化建設、均衡協調全民教育發展也具有重要的參考價值。以“虛擬化”“云計算”“教育資源信息化”“教育資源云”為主題，在中國全文期刊數據庫中檢索2010～2014年期間發表在SCI來源期刊、EI來源期刊、核心期刊、CSSCI上的文獻統計結果如表3所示。

表2 教育資源云虛擬化平臺與傳統數字校園網平臺比較

表3 近5年來相關研究成果統計

3.2性能對比分析

選取其中的一臺硬件服務器，安裝Windows Server 2003系統環境，直接在其上部署Web、數據庫、FTP應用服務；然后，使用開源分布式服務器監測軟件Zabbix[5]，分析其一周內CPU、內存的運行性能，結果如圖4所示。選取另一臺硬件服務器，采用VMware Esxi6.0進行虛擬化架構，利用其虛擬出3臺主機，然后在虛擬主機上做同樣的3種應用服務部署，性能監測結果如圖5所示。

從圖4中可以看出，直接部署3種應用服務時CPU、內存性能使用率分別約為5%、48.5%，浪費了大量保貴的CPU、內存資源；而從圖5中可以看出，虛擬化部署3種應用服務時CPU、內存性能使用率分別約為15%、75.5%，相比來講，CPU使用率提升了3倍、內存使用率提升了56%。究其原因，因為進行虛擬化架構后，同一臺物理硬件服務器除了可以部署同樣的3種應用服務外，還可以更加靈活、個性化的為不同用戶提供諸如遠程桌面應用、虛擬開發環境等其他服務，從而其資源得到了充分利用。并且進一步的監測結果表明，虛擬化架構后服務器在硬盤存儲空間的利用率、存儲速率、網絡適配器的讀寫速率等性能方面都有所提升，由于篇幅所限，這里就不再依次截圖作結果分析說明。

(a)CPU

(b)內存圖4 直接部署3種應用服務時CPU、內存使用率

(a)CPU

(b)內存圖5 虛擬化部署3種應用服務時CPU、內存使用率

4 結 語

云計算、虛擬化技術近年來在國內的應用十分廣泛、研究成果日益豐碩，然而，其在教育信息化建設、教育資源云構建方面的研究則十分少，本文提出利用高校現有高性能服務器的硬件支持，基于虛擬化架構來構建教育資源云平臺，可以在盡量減少硬件設備投入的前提下，充分利用現有資源保障教學需求、方便用戶對資源的使用和管理、提高設備資源的利用率。文中對開源云計算框架hadoop、虛擬化技術進行了簡要介紹，在此基礎上，詳細的介紹了教育資源云虛擬化平臺的分層模型、部署結構，對比分析了其與傳統數字校園網平臺建設的應用、虛擬化架構后硬件服務器主要設備性能使用率。然而，文中并沒有對云平臺資源搜索與發現機制、存儲與共享管理策略、云門戶開發等內容進行介紹，這將是今后很長一段時間的努力方向，進一步加強這方面的研究對促進云計算、虛擬化技術在教育信息化建設、教育資源共享方面具有重要的參考意義。

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[2] 中華人民共和國教育部.《教育信息化十年發展規劃》(2011-2020年)[DB/OL].http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3342/201203/133322.html, 2012-12-20.

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ResearchontheConstructionofPlatformModelforEducationalResourceCloudVirtualization

LIYong，YANGHuafen

(School of Information Engineering, Qujing Normal University, Qujing 655011, Yunnan, China)

The education informatization construction in domestic various universities is still based on the traditional digital campus network.With the increase of teaching resources and students, the construction with the traditional digital campus network platform needs to constantly increase the hardware infrastructure to meet the teaching demand.But, a large part of these hardware infrastructure is repeated, and the utilization rate is not high, resources disperse, coverage is narrow, cannot be sharing and reusing.In order to change these phenomena, this paper proposes to use Hadoop open source cloud framework and virtualization technology, and to build an educational resource cloud virtualization platform model.Under the reduction of infrastructure investment, the target of platform model is to guarantee the teaching needs, facilitate users to integrally manage hardware and software resources, so as to improve the use efficiency of resources.Therefore, it is meaningful to strengthen the research in this field.It will further promote the construction of education information systems and the development of national education.

education resource cloud; educational informationization; cloud computing; virtualization

G 484

A

1006-7167(2017)10-0135-05

2016-12-26

云南省自然科學基金(粒子群優化方法研究，2013FZ114)

李 勇(1984-)，男，江西新余人，碩士，講師，主要研究方向為計算機網絡、算法設計與分析。Tel.：15911455832；E-mail：qjsfxyly@163.com