基于C6C IPv6 IaaS云服務平臺的交叉學科教學實踐

文/白啟峰 張洋 張錦途

在飛速發(fā)展的網(wǎng)絡信息時代，大數(shù)據(jù)已經滲透到醫(yī)學、藥學、化學、生物和物理等各個學科，很多創(chuàng)新的先進信息技術不斷促進這些領域的快速發(fā)展。為了認真貫徹和落實這項政策并推動下一代互聯(lián)網(wǎng)在高校的全面發(fā)展，在大學課堂上普及并加強IPv6知識和各學科的深度融合顯得尤為重要。基于IPv6的教學媒介是IPv6教育的基礎，但是目前高效靈活的IPv6網(wǎng)絡教學平臺并不多見。

C6C IPv6 IaaS云服務平臺

C6C IPv6 IaaS云服務平臺是賽爾網(wǎng)絡打造的新一代服務器租用產品，它基于IaaS的云服務架構，具有可彈性伸縮、管理高效、穩(wěn)定安全和低IT綜合成本等特點。該平臺可以通過網(wǎng)頁、Xshell或VNC Viewer進行連接，這種方式便于在課堂上展示IPv6的相關知識，讓學生更深入地了解基于IPv6的各種應用。具體的申請過程如下：

首先，登錄賽爾網(wǎng)絡的云服務器（http://yun.n.edu.cn）。可以根據(jù)教學需要申請基于Linux和Windows操作系統(tǒng)的云服務器。

其次，使用申請的賬戶和密碼通過瀏覽器登錄到C6C IPv6 IaaS云服務器主機的管理界面。通過管理界面可以看到申請到的主機名和IPv6地址等信息。Linux操作系統(tǒng)的服務器管理界面顯示IPv6地址有8組，每組有3或4個16進制的數(shù)字；而Windows系統(tǒng)顯示了IPv6地址的一種縮寫形式，縮寫地址2001:da8:270:2019::52對應的完整地址為：2001:0da8:0270:2019:0000:0000:0000:0052。通過該界面可以讓學生了解IPv6地址的一些特征和縮寫方式。

最后，登錄C6C IPv6 IaaS的云服務器主機。通過主機鏈接下面的“遠程鏈接”就可以登錄到對應的服務器上。若是想刷新緩存或者出現(xiàn)死機現(xiàn)象，可以通過點擊“重啟主機”的鏈接進行操作云端服務器。

基于IPv6網(wǎng)絡的藥物虛擬篩選教學平臺

圖1 IPv6網(wǎng)絡下的藥物虛擬篩選系統(tǒng)

藥物的虛擬篩選可以通過利用IPv6網(wǎng)絡上的空閑電腦進行計算，如果在課堂上講述整個流程，往往讓學生感覺抽象并難以理解其內容。一般課堂時間是45分鐘左右，微課堂只有5～8分鐘，這就需要用一個高效的教學平臺，C6C IPv6 IaaS云服務器提供了真實的IPv6網(wǎng)絡環(huán)境，在此基礎上，能快速搭建基于IPv6網(wǎng)絡的藥物虛擬篩選平臺，從而可以快捷地在課堂上演示整個藥物虛擬篩選的過程；同時，由于C6C IPv6 IaaS云服務器的操作便捷性，可以在課堂上讓學生親自體驗整個藥物虛擬篩選的流程，這樣不僅會給學生留下深刻的印象，而且也有助于老師提高講課效率。

基于IPv6的藥物虛擬篩選教學平臺需要藥物分子、蛋白靶點、IPv6的網(wǎng)絡環(huán)境和相關軟件等。藥物分子一般選自ZINC數(shù)據(jù)庫（http://zinc.docking.org），蛋白靶點一般選自PDB數(shù)據(jù)庫（http://www.rcsb.org）；C6C IPv6 IaaS平臺提供IPv6網(wǎng)絡環(huán)境；使用Apache FtpServer、MolGridCal和JPPF分別在IaaS云服務器上搭建數(shù)據(jù)傳輸中心和部署藥物的虛擬篩選。

IPv6網(wǎng)絡下的藥物虛擬篩選具體實現(xiàn)流程如圖1所示。首先，設計藥物虛擬篩選程序MolGridCal（https://github.com/MolGridCal/MolGridCal），MoGridCal是基于JPPF并行計算框架開發(fā)的程序，可以在IPv6網(wǎng)絡上部署藥物的虛擬篩選。它的基本原理是通過發(fā)送Autodock Vina的藥物虛擬篩選任務到服務器（Servers）端，控制Servers端分配任務到不同的計算節(jié)點（nodes）上，而計算節(jié)點根據(jù)Servers端傳輸過來的命令從FTP服務器上下載藥物分子進行Autodock Vina的藥物虛擬篩選，篩選好的結果再上傳到FTP指定的目錄中，這樣就完成了整個藥物大數(shù)據(jù)的虛擬篩選；除此之外，MolGridCal還可以通過設計算法進行分配藥物虛擬篩選的任務，這一點可以通過軟件Notepad++在課堂上進行修改并展示。

其次，配置計算節(jié)點（nodes）。在nodes的配置文件里，添加連接Servers端的IPv6地址，如果在有安全防護的內網(wǎng)里面，可以選擇11111端口進行連接，為了提高安全級別，也可以選擇使用SSL安全證書在11443端口進行連接；同時在nodes端可以選擇利用空閑資源的模式，即當敲擊鼠標和鍵盤時，此時nodes端會認為系統(tǒng)處于繁忙狀態(tài)，停止藥物虛擬篩選的任務，當nodes端沒有任何操作，到達設定的空閑時間閾值，nodes端又會重新啟動停止的任務，這樣就可以達到充分利用電腦空閑資源的目的。此外，nodes端存放了蛋白質受體靶點和Autodock Vina程序等，當Server端傳來任務指令時，計算節(jié)點啟動Java虛擬機建立一個線程，線程啟動Autodock Vina進行藥物的虛擬篩選，完成的篩選結果根據(jù)程序指令再傳輸?shù)紽tpServer端指定的目錄中。

最后，配置Servers端。在Servers端運行程序監(jiān)聽11111和11443端口，11111端口用于監(jiān)聽一般計算節(jié)點的連接，1 1443端口用于監(jiān)聽SSL安全證書的計算節(jié)點連接，Servers端既可以接收來自MolGridCal的任務，也可以接收到nodes端的連接消息，不同的Servers端可以相互連接互不影響。另外在Servers端提供了 manual、autotuned、proportional和nodethreads四種分配任務的算法。如果把大量的虛擬篩選任務同時分配到nodes端，會占據(jù)nodes端的大量內存，為了盡可能減輕nodes端的負擔，選擇manual算法進行藥物虛擬篩選的任務分配，每次只分配一個任務到單個node端中，計算完畢后再進行分配，這樣就可以根據(jù)nodes端的計算能力動態(tài)分配虛擬篩選任務。

由于C6C IPv6 IaaS云服務平臺可以提供固定的Servers地址和相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡環(huán)境，所以組建的藥物虛擬篩選系統(tǒng)不僅穩(wěn)定而且具有很好的教學示范效果。

交叉學科教學演示

圖2 C6C IPv6 IaaS云服務平臺上交叉學科教學演示

藥物虛擬篩選的教學平臺涉及到IPv6網(wǎng)絡、醫(yī)藥、生命科學、物理和化學等多個學科。要想把這些內容全部在大學課堂中形象地展示出來，需要很完善的演示平臺。據(jù)測試，將藥物虛擬篩選的程序組件部署到C6C IPv6 IaaS云服務平臺上，如圖2所示，只需要四個步驟就可以形象地演示整個藥物虛擬篩選的流程：啟動FtpServer、運行Servers端進行監(jiān)聽、nodes端進行連接和MolGridCal進行藥物的虛擬篩選；通過Web網(wǎng)頁打開IaaS云服務器到最終的藥物虛擬篩選演示可以控制在8分鐘以內，這樣不僅可以形象地給學生展示基于IPv6網(wǎng)絡的藥物虛擬篩選流程，而且大大提高了大學課堂教學的效率。FtpServer端、Servers端、nodes端、MolGridCal都是使用Java程序完成的，有良好的跨平臺性質，任何一個程序組件都可以部署到Windows或Linux的系統(tǒng)平臺上，這樣就可以在大學課堂上給學生講解軟件跨平臺的相關知識和應用；除此之外，本系統(tǒng)的藥物虛擬篩選是基于分子對接的技術，分子對接的基本原理是鎖-鑰模型，如圖3所示。蛋白質相當于鎖，藥物分子相當于鑰匙，形象地說，能把“鎖”打開的“鑰匙”就是結合效果較好的藥物分子；同時分子對接技術涉及到打分函數(shù)和構象搜索算法，打分函數(shù)涉及到物理化學和數(shù)學擬合方面的知識，構象搜索包含信息學中的求解旅行商（TSP）問題和化學方面的知識；所以，結合部署在C6C IPv6 IaaS云服務平臺上的藥物虛擬篩選系統(tǒng)，可以在課堂上高效、形象地講述IPv6、最優(yōu)算法、醫(yī)藥、物理和化學等相關知識。

圖3 蛋白靶點-小分子鎖鑰模型

在國家大力推動IPv6部署的背景下，在具體的教學實踐中我們發(fā)現(xiàn)C6C IPv6 IaaS云服務平臺不僅可以應用于交叉學科的教學，而且還可以高效地展示整個分布式網(wǎng)絡的藥物虛擬篩選流程，從而大大地節(jié)約課堂時間。