基于FusionCompute研究生科研實踐平臺的建設

黎荊妗， 向濤

(重慶大學, 計算機學院， 重慶 400044)

0 引言

近年來，研究生招生規模不斷擴大，對于研究生教育的改革也成為眾多高校不斷探索和研究的重要內容。科研水平和實踐能力是對于學術型碩士和專業型碩士能力培養的重心，人數的增多、實驗室建設規模有限、實驗設備和建設資金的緊缺、資源分布不均、利用率低下、維護工作量大等問題給目前研究生培養帶來了巨大的挑戰，無法滿足教師和學生在科研和實踐方面的現實需求，同時也不利于科研資源的整合和共享[1]。

云計算技術的高靈活性、可擴展性和高性比特征為高校的資源建設和教育教學改革提供了新的思路，近年來國內外眾多高校利用云計算輔助教學，平臺建設等方面進行了實踐和探索[2]。利用云計算來構建科研實踐平臺，可以有效地整合數據資源，使教師和學生通過互聯網按需獲得軟硬件資源，其中包括網絡資源、服務器資源、存儲資源、應用軟件資源等，從而提高資源利用率，有效解決資源分布不均，降低實驗室軟硬件購買和維護成本等問題[3]，該科研實踐平臺的建立可以推動學校在人才培養和學術研究的發展，并且為高校培養高層次研究生人才，以及高水平學術交流提供了基礎條件和重要基地。

根據以上問題和當前云計算技術，使用Fusion-Compute融合計算虛擬技術來實現研究生科研實踐平臺的建設。

1 FusionCompute介紹

FusionCompute是華為公司開發的云操作系統軟件，采用了Xen虛擬化技術以及英特爾和AMD輔助虛擬化技術[4]，主要負責硬件資源的虛擬化，以及對虛擬資源、業務資源、用戶資源的集中管理。它采用虛擬計算、虛擬存儲、虛擬網絡等技術，完成計算資源、存儲資源、網絡資源的虛擬化。同時通過統一的接口，對這些虛擬資源進行集中調度和管理，從而降低業務的運行成本，保證系統的安全性和可靠性。

FusionCompute的模塊包括計算節點代理(CNA)和虛擬資源管理(VRM)，CNA主要負責管理計算節點上的資源，VRM主要負責管理集群資源，并且提供計算、存儲、IP等服務，同時為管理人員提供統一的管理接口。FusionCompute的主要功能特性包括虛擬機熱遷移技術、靈活的虛擬機配置調整、自動負載均衡(DRS)、自動綠色節能(DPM)及分布式虛擬交換機等。

利用FusionCompute建立研究生科研實踐平臺能夠有效提高資源利用率，提升設備可靠性，并達到自動綠色節能的目的。

2 研究生科研實踐平臺的建設

我國學術碩士和專業碩士的培養都離不開團隊的深度交流和合作，尤其在目前雙一流建設的大環境下，結合現有有限資源，提高碩士培養科研實踐能力，建設合作共享的平臺，有利于研究生的培養改革，基于FusionCompute的研究生科研實踐平臺結合學院目前學科方向進行建設，目前學院設有4個學科方向：計算智能與信息安全、機器學習與跨媒體感知、智能網絡與先進計算、大數據智能與服務計算。根據現有資源和學科設置，通過FusionCompute對不同學科方向及研究領域分配平臺空間，并為每個空間設置系統管理員，通過管理員為教師和學生分配賬號，各學科方向和研究領域的老師和學生通過校園網就可遠程進行操作。在此平臺之上老師和學生根據權限獲得各類資源，并自行搭建虛擬機，配置虛擬軟硬件環境，配置虛擬網絡等操作。虛擬共享實踐平臺結構框架，如圖1所示。

(1)安裝部署：目前學院已配備3臺華為RH2288 V2服務器、1臺華為S2600T存儲，以及其余網絡設備。首先對各設備之間進行物理連接，然后在每臺服務器上安裝FusionCompute，并且為物理設備和管理節點設置IP，接下來需要在虛擬機上部署VRM(虛擬資源管理，Virtual Resourse Manage)，VRM可以部署在虛擬機或物理服務器上，這里將VRM部署在虛擬機上，直接使用FusionCompute安裝向導完成部署，并對其進行相應配置。所需物理設備及其相應配置見表1。

圖1 虛擬共享實踐平臺架構圖

表1 設備清單

(2)網絡配置：這里分別對物理設備、計算節點、管理節點進行了網絡配置，網絡拓撲結構如圖2所示。具體IP設置如表2所示。表中Server 01、Server 02、Server 03分別對應3臺物理服務器，CNA 001、CNA 002、CNA 003分別對應每臺服務器上的計算節點，管理員通過管理鏈接進入相關設備管理頁面對其進行管理。

圖2 網絡拓撲

表2 設備IP設置

(3)系統管理：管理員通過表2中的管理鏈接進入相應設備的管理界面，這里管理賬戶包括主機操作系統賬戶、VRM操作系統賬戶的管理和FusionCompute系統賬戶。在VRM操作系統界面中可以查看虛擬機和主機狀態，以及資源配置情況，主機操作系統界面中可以對主機進行實時監控，查看主機狀態及基本信息，還提供給用戶虛擬按鍵，對其進行遠程開關機，方便用戶對相關設備或主機，虛擬機進行管理并及時排障。

3 研究生科研實踐平臺的功能及應用

3.1 平臺基礎功能

基于FusionCompute的研究生科研實踐平臺基礎功能包含：①提供基礎鏡像庫：提供不同操作系統的基礎鏡像，如Linux、Windows 8等，老師和學生可以按需選擇；②虛擬機申請：學生可以申請臨時或長期固有的虛擬機，并自行調整虛擬機的相關配置；③虛擬機克隆：對于需要多臺并行使用的虛擬機時可以先配置1臺后，通過克隆獲得多臺相同配置的虛擬機；④虛擬機在線遷移：此功能是基于FusionCompute平臺的最重要功能之一，可以保證整個平臺的穩定運行和負載均衡；⑤虛擬機管理：學生和老師能管理自己的虛擬機，同時管理員可以對平臺所有虛擬機進行管理，對比線下實驗室來講，更易維護、方便管理[5]。

3.2 應用及相關案例

基于平臺的基礎功能，將平臺應用于研究生培養環節。

(1)開放共享虛擬實踐平臺。對于研究生實踐能力的培養是研究生教育培養中的重要環節，老師通過平臺開放實踐項目，學生在此過程中通過遠程獲得實踐資源，進行實踐操作，通過權限管理，老師可以進行線上指導并共享實踐相關資源，形成虛擬化實驗室。由于線下課程時間有限，虛擬實踐平臺可以讓學生和老師不受時間和地點的限制，輕松方便地進行學習和培養。

目前學院利用該平臺在研究生教學培養中作出改革：一是在原研究生課程基礎上增加實踐部分，如算法分析與計算復雜性課程，在理論教學的同時，老師在平臺上設立相關實踐內容，學生根據線下所學理論知識，同時進行線上實踐訓練;二是增設校內專業實踐環節，并設立校內實訓基地，目前學院開設了相關實訓科目，內容包含實訓基地老師授課和自主實踐兩部分，要求學生在32學時內完成老師發布的實訓項目。目前設置的科目有數據挖掘實踐、智能家居、圖像處理與深度學習、移動平臺開發、Web內容挖掘設計與應用、基于物聯網的機器人綜合實訓等;三是學生可以通過提前預約和提交申請的方式，獲得實訓基地和平臺的使用空間，進行自主的創新創業、學術交流等活動。

(2)開放共享基礎軟硬件和科研資源庫?？蒲心芰κ茄芯可囵B的主要目標，平臺提供各學科團隊，各研究方向小組的科研資源空間，通過共享相關的實驗架構、實驗數據、深入合作交流與資源共享，降低重復的實驗部署，保存優秀的實驗成果，對于實驗中所需要的軟硬件環境，也可以按需進行配置而不必重新購買設備，降低了投資和開銷。

目前廣泛應用該平臺的有NLP(Natural Language Processing自然語言處理)、IP(Image Procession圖像處理)等多個領域的多個科研小組，如NLP的NER(Named Entity Recogniton命名實體識別)小組，該科研小組有本科生、碩士、博士、教授共20余人，在此平臺上小組建立了NER中的前沿數據集以及相關訓練模型，目前該小組已獲得多項科研成果。

(3)應對新冠肺炎疫情，實施畢業生遠程畢業課題研究。2020年突如其來的新冠肺炎疫情，對社會各行各業造成了巨大影響，也對高等教育帶來了深刻變革[6]。疫情的暴發，導致學生不能及時返校，很多畢業班學生的畢業課題數據等在實驗室無法獲得，手上沒有數據，實驗無法完成，畢業論文寫不了，這些問題給畢業生帶來了心理上的重大影響。為了能讓學生能夠如期按時畢業，完成畢業課題，學院根據情況及時提供外網訪問端口，學生在家通過VPN可以直接訪問到平臺虛擬機和數據，使同學們在家也能繼續進行畢業課題研究，最終使得本學院130余名全日制碩士畢業生按時畢業，在此也體現了特殊時期平臺的重要性，以及利用云計算技術上建設科研實踐平臺對于高校未來發展的必要性。

4 總結

本文針對目前研究生培養環節存在的問題提出了基于FusionCompute的科研實踐平臺，并完成了平臺的實現及應用。該平臺通過將傳統數據機房內主機CPU、內存、存儲設備等物理資源虛擬化為可供虛擬機使用的計算、存儲和網絡資源，從而實現科研、實踐、教學等資源整合和共享，教師和學生通過校園網按需獲得云端的計算、網絡和存儲服務，隨時隨地接入云端進行實踐、教學有效地解決了實驗室規模有限、資源缺乏及個性化服務等問題。對于不斷增長的學生人數，該平臺也可以通過增加主機數量，有效和及時地進行平臺擴展。