新工科背景下云計算技術課程教學設計

張 博 王志曉

（中國礦業大學計算機科學與技術學院，江蘇 徐州 221116）

1 引言

2016年，“新工科”概念的提出為工程人才的培養與工程教育理論的探索提供了新視角和新思路，也是為了應對新一輪科技革命和產業革命的浪潮[1]。與老工科相比，新工科更加重視學科的實用性以及各個學科之間的交叉性與綜合性，致力于提供一流的工程教育，培養多元化、創新型、復合型的卓越工程人才，促進產業轉型，提高國家的核心競爭力[2]。

云計算技術作為“新工科”建設的重點，國內多所高校已積極開設云計算技術相關課程，主要介紹云計算基本理論，分析其關鍵技術，闡述其基礎架構及各種典型的云解決方案。該課程的突出特點是內容豐富、綜合性強、學習量大、抽象性強、實踐性高，是一門較難學的課程。同時，由于該課程的開設和建設還處于初期，且云計算行業的技術更新較快，目前尚無較成熟的課程建設先例供各大高校借鑒。因此，對云計算技術課程建設展開深入研究，整改教學內容，優化教學方法，加強課程與企業以及行業之間的聯系，提高課程的實踐性和應用性，具有較強的實際意義和研究價值。

基于此，本文在總結本科計算機科學與技術專業教學實踐的基礎上，針對虛擬化技術中的計算虛擬化設計了新穎的教學方案，通過提煉教學重點、創新教學方式、發展新的教學思路。本文對新工科建設背景下，工科院校云計算技術課堂教學改革有一定的借鑒意義。

2 學情分析

本課程的授課對象為計算機科學與技術專業的大三學生。先期已學習了計算機組成原理、操作系統、數據庫原理、計算機網絡等先導課程，學生基本掌握了計算機科學相關的理論知識。同時，在這門課程的第一章『什么是云計算？』中已學習了有關云計算的基礎知識，初步了解了云計算的特點、定義和服務模式等。但虛擬化的知識點多，涉及操作系統、編譯原理、計算機網絡等多門課程，這增加了學生從整體上掌握計算虛擬化的難度。因此，本章節的講學設計將運用多種教學手段，圍繞這些重難點開展系統教學活動。

3 教學目標

基于云計算技術課程教學目標點，圍繞計算虛擬化技術相關知識點，提出本章節內容的教學目標，分為5點：

（1）能夠理解什么是虛擬化，掌握裸金屬虛擬化（I型）和宿主型虛擬化（II型）的概念及各自的特點。

（2）理解并熟練掌握CPU 虛擬化、內存虛擬化和I/O 虛擬化。

（3）熟練掌握開源和閉源的計算虛擬化解決方案，包括KVM和華為的FusionSphere。

（4）通過學習和掌握計算虛擬化技術，進一步為學習網絡虛擬化、存儲虛擬化以及OpenStack 開源云計算技術打下堅實的基礎。

4 教學重點和難點

4.1 教學重點

本章節內容眾多，是進入云計算技術的開篇內容。如何結合課程內容以及專業需求來提煉授課重點決定了最終的教學效果，也是教學目標達成的重要保證。對于計算虛擬化技術，以CPU虛擬化、內存虛擬化和I/O虛擬化為教學重點，重點講授計算虛擬化分類、CPU虛擬化方法、特權解除（Privilege deprivileging）和陷入模擬（Trap-and-Emulation）等關鍵知識點，并引導學生運用計算虛擬化理論理解KVM、Xen以及華為的FusionSphere的運行機制。

4.2 教學難點

理解什么是虛擬化，掌握虛擬化的分類。掌握大型機的經典CPU虛擬化和x86架構CPU虛擬化的三種解決方案，尤其是x86架構CPU虛擬化的關鍵問題，即如何識別特權或敏感指令。

5 教學內容和過程設計

5.1 什么是虛擬化

首先是設計課程導入環節。借鑒基于問題的學習策略（PBL）[3,4]。由于虛擬化最大的特點就是把物理機轉換為虛擬機，所以從虛擬機是如何被創建出來的問題出發，以基于內核的虛擬機（Kernel-based Virtual Machine，KVM）配置文件為例（如圖1所示），引導學生討論什么是虛擬化。

圖1 KVM虛擬機配置文件

通過討論，使學生理解虛擬化的本質，即將物理服務器邏輯化，轉變成一個文件夾或文件，其中一部分用來記錄虛擬機的配置信息，如虛擬機的名稱、CPU和內存配置，硬盤配置以及網絡配置等信息，另一部分用來保存用戶數據的磁盤文件，實現軟硬件的解耦。接著，進一步引導學生討論虛擬化帶來的特性，比如每臺物理機上同時運行多個虛擬機可以提高硬件資源利用率，降低運行成本；軟硬件的解耦使虛擬機可以不受當前物理服務器的限制，在集群范圍內實現虛擬機的在線動態遷移，進而實現高可用性、動態資源調度、容錯容災等特性。

隨后，進入對虛擬化的理論闡釋環節。課程主體內容的設計分為以下步驟：

（1）計算虛擬化的重要概念：如圖2所示，通過對比物理服務器架構和虛擬機架構，介紹物理機（Host Machine）、物理機操作系統（Host OS）、虛擬機監控器（Virtual Machine Monitor，VMM）、虛擬機（Guest Machine）和虛擬機操作系統（Guest OS）等概念。

圖2 物理架構和虛擬化架構

（2）計算虛擬化的分類：裸金屬虛擬化（I型）和宿主型虛擬化（II 型）。重點講解兩種類型虛擬化中虛擬機監控器（VMM）的作用：I 型虛擬化中VMM 專門負責將物理硬件轉換為虛擬資源提供給虛擬機操作系統使用，所以稱為裸金屬。II型虛擬化中VMM只是物理機操作系統的一個應用程序，通過調用物理機操作系統的服務獲得資源，實現CPU、內存和I/O 設備的虛擬化，所以稱為宿主型。采用該結構的虛擬化產品包括VMWare Workstation、Virtual PC等（圖3）。

圖3 計算虛擬化的分類

（3）介紹主流的I 型虛擬化產品（VMWare ESX Server、Citrix Xen Server和華為的FusionComputer）和II型虛擬化產品（VMWare Workstation、Virtual PC）架構，引導學生討論不同虛擬化產品所屬的虛擬化類型。

（4）總結I 型和II 型虛擬化的特點：分區、隔離、封裝和獨立。

5.2 CPU虛擬化

（1）CPU 虛擬化的發展史：由于CPU 虛擬化是本章的教學難點，所以本節從CPU 虛擬化的發展史入手。通過介紹IBM大型機采用的CPU虛擬化技術，引導學生回顧操作系統課程中介紹的分時操作系統原理，即將CPU切分為多個極短的時間片，通過時間片輪詢的方式，將一個CPU偽裝成多個虛擬CPU，并且讓每一個虛擬CPU看起來都在同時運行，這就是CPU虛擬化的雛形。

（2）大型機的經典CPU虛擬化方法：首先設置有關CPU虛擬化的關鍵問題，即：什么是CPU的分級保護域？什么是特權指令、普通指令和敏感指令？如果虛擬機操作系統（Guest OS）發出特權指令怎么執行？引導學生進入對CPU虛擬化的思考中，激發其學習興趣和探索精神。

隨后，進入對CPU 虛擬化的理論闡釋環節，結合此前提出的問題——虛擬機操作系統（Guest OS）發出特權指令的執行過程？介紹IBM 大型機采用的經典CPU 虛擬化方法，即特權解除（Privilege deprivileging）和陷入模擬（Trap-and-Emulation）。由于經典CPU 虛擬化方法需要結合操作系統的中斷機制，所以在講解過程中設置了與中斷機制相關的提問環節，如為什么需要中斷機制？中斷機制在CPU虛擬化中作用？等等。

（3）x86架構的CPU虛擬化問題：首先設置問題，引導學生思考大型機上使用的經典CPU 虛擬化技術能否移植到x86架構服務器上？接著，通過分析x86架構CPU采用CISC指令集與大型機CPU 采用的RISC 指令集之間的區別，分析經典CPU 虛擬化技術無法直接用于x86 架構CPU 虛擬化的原因——虛擬化漏洞問題，即CISC 指令集中19 條不屬于特權指令范圍的敏感指令無法被特權解除和陷入模擬捕獲。

隨后，通過引導學生思考如何解決虛擬化漏洞問題，引出x86架構CPU虛擬化的三種解決方案——VMWare提出的全虛擬化、Xen提出的半虛擬化和硬件廠商提出的硬件輔助虛擬化。

1）全虛擬化：虛擬機監控器（VMM）通過二進制翻譯和模擬執行特權或敏感指令，解決虛擬化漏洞問題。優點：不修改虛擬機操作系統（Guest OS），虛擬機的可以執行性和兼容性強。缺點：翻譯虛擬機操作系統（Guest OS）二進制代碼，性能損耗大。

2）半虛擬化：修改虛擬機操作系統（Guest OS），使其意識到自己是被虛擬的，運行時使用超級調用（Hypercall）代替特權或敏感指令。優點：與原始系統性能相近。缺點：對于未開源的Windows系統無法實現半虛擬化。

3）硬件輔助虛擬化：全虛擬化和半虛擬化都有一個默認的前提，即物理CPU不具備虛擬化功能，無法識別敏感指令，必須通過虛擬機監控器（VMM）進行模擬。硬件輔助虛擬化解決了上述問題，實現了CPU虛擬化的革命性變革。目前主流的x86架構的CPU都支持了硬件虛擬化技術。

（4）總結：點出x86架構CPU虛擬化的關鍵問題，即如何識別特權或敏感指令。

6 教學互動和啟發引導

6.1 啟發式討論

討論1：結合1型和2型虛擬化的特點——分區、隔離、封裝和獨立，請2～3 位同學分別結合自己所學、所見舉一些實際的例子來討論。

討論2：從介紹開源的虛擬化技術基于內核的虛擬機（Kernel-based Virtual Machine，KVM）和Xen 入手，討論KVM如何實現CPU全虛擬化？為什么Xen可以同時支持全虛擬化和半虛擬化？引導學生從實際案例入手，逐步探討具體虛擬化解決方案背后所蘊含的虛擬化思想。

6.2 適時提問、溫故知新

提問1：結合前述云計算的內容，提問1～2位同學有關什么是云計算的特點，以及虛擬化和云計算的區別與聯系。

提問2：針對操作系統相關知識，提問1～2 位同學。如，什么是分時操作系統？什么是CISC 指令集？什么是RISC指令集？

7 課程內容建設

7.1 產教融合協同育人

新工科背景下，為了解決教學內容與行業需求以及前沿技術脫節的問題。我院與華為技術有限公司合作，聯合建設“智能基座”產教融合協同育人基地。將華為云計算技術引入到課程教學中，基于華為云計算基礎設施開展教學：以FusionCompute 講解計算虛擬化、以FusionStorage 講解存儲虛擬化、以FusionNetwork 講解網絡虛擬化、以FusionAccess 講解桌面云架構。通過校企合作，加快新工科建設，以產業和技術發展的最新需求推動高校人才培養改革、教學資源建設。

為了提高師資水平，我院安排課程負責人和骨干教師參加“全國高校計算機系統能力提升高級研修班”，學習華為云計算課程，并獲得全國高等學校計算機教育研究會聯合華為公司共同頒發的結業證書。

7.2 建設線上教學資源

在學習通泛雅云平臺建課。根據課程的培養目標，實現課程教學資源的上傳下載、教學任務的布置、師生在線討論答疑、學生作業提交、老師在線考核、開源項目的共享等功能（圖4）。

圖4 學習通泛雅云平臺

8 教學反思

虛擬化技術是進入云計算技術的開篇內容，是授課教師普遍認為的教學重點和難點。面對眾多知識點無所適從，學生在學習時普遍具有畏懼心理，進而對虛擬化這一部分的內容產生厭學的情緒。為了使學生能在較為輕松的學習氛圍中不斷主動汲取新知識，必須采用恰當的教學方法和豐富的授課方式。通過運用啟發式教學，以問題為導向，引導學生主動思考，逐步引出所要講授的關鍵內容和難點內容，激發學生的學習興趣，全面提升學習效果。