經管類實驗教學中心IT 基礎設施運維管理實踐

宮 宇

(東北財經大學,遼寧 大連 116025)

0 引言

用于教學環(huán)境的各類公共基礎實驗室、專業(yè)實驗室、多媒體教室、智慧教室等是教育信息化的主要場景。 快速構建滿足師生使用需求的桌面環(huán)境、根據教學場景需求快速定制安全、穩(wěn)定的運行環(huán)境是決定教育教學能否跟上時代步伐的關鍵。

東北財經大學經濟管理實驗教學示范中心為全校師生提供IaaS 基礎架構即服務,具體包括兩大服務方向:計算終端服務、數據中心服務。 計算終端服務:1 200 余臺計算終端承擔全校實驗、實訓、考試、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的上機任務。 數據中心服務:提供計算、網絡、存儲服務,為各類實驗平臺、虛擬仿真項目、業(yè)務系統(tǒng)提供基礎運行環(huán)境。 該中心通過應用模式和技術創(chuàng)新,堅持創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享的新發(fā)展理念,提升師生使用的滿意度和獲得感。 將信息技術和教學、科研、雙創(chuàng)教育深度融合,是當前教育信息化建設者最為關心的問題。 中心的實驗技術人員對IT 基礎設施的建設能力、技術融合創(chuàng)新能力、運維管理能力起到核心關鍵作用。

1 相關IT 基礎設施運維難點分析

1.1 儀器設備種類繁多、上機實驗量大

中心目前包括各類標準化和專業(yè)實驗室31 個,建筑面積4 735 平方米,提供1 200 余臺實驗室計算機,相關配套儀器設備包括:路由交換設備、防火墻、服務器、存儲、機房空調、UPS 供電設備、多媒體教學設備、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。

中心承擔實驗教學任務涵蓋全校18 個學院,33 個本科專業(yè),服務學生12 000 余名。 部分專業(yè)的普通碩士研究生、專業(yè)學位碩士研究生和博士研究生也成為中心的服務對象。 每學年平均有160 門左右的上機實驗課程在中心完成。 上萬人次師生在中心開展實驗及實訓活動。 每學年實驗課程總學時數超過12 000學時。

1.2 實驗技術人員少、運維保障工作量大

實驗技術管理部現階段由5 人組成,包括中心副主任(副處級)1 人、科長1 人、實驗技術人員3 人。 中心副主任負責實驗教學中心實驗室建設和技術運維管理工作。 科長負責全校實驗教學排課、中心的儀器設備資產管理及實驗室綜合管理系統(tǒng)及相關業(yè)務數據管理以及文件上報。 數據中心及網絡運維人員1 人,負責數據中心服務器資源及業(yè)務系統(tǒng)的基礎運維以及整個中心的網絡及視頻監(jiān)控運維,承擔4 個沙盤模擬實驗室、1 個研討實驗室、1 個專業(yè)實驗室、1 個標準化機房相關運維管理工作,管理相關計算終端數量169 臺。

實驗室設備運維管理人員1 人,負責上機考試組織實施,同時承擔實驗室和12 個標準化機房的設備運維管理,維護524 臺計算終端(包括實驗軟件安裝、硬件維修)。 實驗室安全管理人員1 人,負責實驗教學中心日常實驗室安全檢查和管理,同時承擔12 個標準化機房的設備運維管理,維護509 臺計算終端(包括實驗軟件安裝、硬件維修)。

以2020 年至2021 年一個學期上機考試為例,中心實驗技術人員承擔考前考試環(huán)境部署、考試期間的網絡及設備平穩(wěn)運行以及考后的設備恢復等工作。 已保障各類上機考試及人數統(tǒng)計如下:國家計算機等級考試共計777 人;國家統(tǒng)一法律職業(yè)資格考試共計2 430人;高校網絡教育公共基礎課全國統(tǒng)考共計700 人;高等學歷繼續(xù)教育學士學位英語考試共計1 200 人;商務外語學院上機聽力考試共計107 人;銀行崗位任職資格考試共計130 人。

1.3 IT 基礎設施運維成本高、效率低

經管類實驗教學中心師生實驗操作以軟件模擬操作為主,因此對計算終端和服務器算力資源的使用是其核心訴求。 因此,對于實驗技術人員而言,主要的運維工作是桌面及硬件、網絡及服務器相關資源的IT 基礎設施運維。

1.3.1 傳統(tǒng)實驗室機房PC 運維模式

目前,大部分實驗室機房PC 運維管理方式依然是多分區(qū)+保護還原卡+網絡同傳模式。 多分區(qū)是指教學分區(qū)、考試分區(qū)和共享數據分區(qū)。 數據分區(qū)的作用是保存系統(tǒng)基礎鏡像和各類實驗教學軟件以備使用和維護。 多個教學和考試分區(qū)劃分的目的是解決不同實驗、考試所需要的系統(tǒng)環(huán)境和實驗軟件的兼容性,保護還原卡使系統(tǒng)免受病毒、文件誤操作等影響。 網絡同傳實現實驗室局域網內桌面系統(tǒng)數據同傳。 由于實驗室的物理PC 桌面環(huán)境部署是以實驗室為單位進行VLAN 劃分從而網絡同傳,考慮到不同樓層的實驗室PC 設備的采購批次及型號的不同,當需要對教學和考試環(huán)境進行桌面環(huán)境的大規(guī)模部署時,實際上需要到每個實驗室現場進行重復性工作。 這導致運維人員在系統(tǒng)部署、軟件安裝、設備的日常巡檢時消耗了大量的時間和精力。

1.3.2 基于物理服務器架構的傳統(tǒng)數據中心運維模式

學校實驗教學中心自2008 年陸續(xù)購置了25 臺聯(lián)想萬全物理服務器,用于支撐全校30 多個實驗教學系統(tǒng)的運行。 中心目前承擔運行的各類業(yè)務主要包括創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、實驗教學、國家級虛擬仿真項目建設、創(chuàng)業(yè)大賽、上機考試服務器需求。 隨著實驗、實踐、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等各類系統(tǒng)對算力需求的逐年攀升,原有的服務器資源在保證舊有業(yè)務系統(tǒng)的運行之外,已無法支撐新的業(yè)務系統(tǒng)的部署和運行。 由于服務器的物理隔離,運維管理人員無法實現物理服務器的批量、集中、統(tǒng)一管理,無法實現算力資源的統(tǒng)一調度。 一個新應用的上線運行之前,一般需要經過預算、采購、系統(tǒng)安裝、調試、測試和上線等幾個階段。 在服務器上架之后系統(tǒng)部署之前,工作人員需要部署raid 陣列、安裝操作系統(tǒng)、配置相應的安全防護策略等若干步驟。 由于數據中心本身物理空間、電力的限制,實現一個應用對應一個物理服務器這種“煙囪式”創(chuàng)建,勢必造成空間、能源、運維的巨大損耗,在網絡安全和等級保護要求背景下,僅以傳統(tǒng)物理服務器進行管理的傳統(tǒng)運維模式,無法實現業(yè)務系統(tǒng)與安全防護及審計設備的精確匹配。

2 廠商方案調研、技術創(chuàng)新、DIY 自主實驗提升運維價值

2.1 IDV 桌面云技術方案提升運維效率、減輕運維壓力

針對傳統(tǒng)實驗室PC 運維的痛點,解決PC 的集中統(tǒng)一管理、桌面集中統(tǒng)一運維的需求,本研究決定采用桌面云技術方案。 2019 年,本研究調研了不同廠商的桌面云技術方案項目。 由于傳統(tǒng)的VDI 桌面云技術方案對網絡依賴性強,對3D、外設兼容性等方面都存在不足,結合中心實際需求,為滿足教學、考試以及提高運維效率的需求,學校采用銳捷的IDV 架構桌面云實驗室機房方案。 IDV 技術方案由云管服務器、WEB 云管平臺、基礎網絡架構及IDV 終端組成,具有“集中管理、分布式計算”特征。 云管服務器負責桌面鏡像資源的創(chuàng)建、軟件安裝、鏡像下發(fā)功能、IDV 終端策略管理,IDV 終端采用X86 架構,底層運行虛擬化技術充分利用本地計算資源,減輕網絡和服務器依賴性,即使網絡中斷、服務器宕機,IDV 終端依舊可以離線運行。 目前,部署的262 點位的IDV 終端,分布在6 個實驗室標準化機房,已保證各類日常教學和各類考試的高效穩(wěn)定運行。 一名運維人員即可通過云管平臺實現對6 個實驗室的262 臺IDV 終端及桌面資源的集中統(tǒng)一運維管理。

2.2 Citrix 桌面云技術方案與學習平臺結合實現技術融合創(chuàng)新

Citrix XenDesktop[1]較早推出的VDI 架構桌面產品,產品線及解決方案相對完整、成熟,具有低帶寬場景的桌面協(xié)議,能夠覆蓋多數應用場景交付,控制和管理平面的開放和可擴展性強,方便與業(yè)務平臺整合應用,側重于線上桌面資源的交付使用。 其核心優(yōu)勢是桌面交付與終端設備的解綁功能,借助Citrix netscaler安全網關實現桌面云資源的跨網交付以及物理機資源的云端發(fā)布功能,學生無需到實驗室本地即可遠程訪問實驗室計算資源。

基于疫情形勢下實驗實訓、教學的需求,實驗教學中心技術運維團隊提出實驗桌面云化解決方案,桌面云在線實驗平臺依托學校白果云教學平臺為應用入口,師生以自助方式申請和使用桌面云資源,即實驗桌面云服務(eDaaS)的創(chuàng)新應用,如圖1 所示。

圖1 白果云+桌面云一體化界面

相比較桌面云原生的資源分配方式,自助申請與使用桌面云可以最大化利用桌面云資源,實現了實驗資源的在線查看、預約、取消、使用,促進了實驗課程信息與教學活動的無縫聯(lián)動。

2.3 自主實驗完成虛擬化數據中心的構建,降低IT 采購成本投入

通過服務器虛擬化技術實現數據中心從傳統(tǒng)物理架構向虛擬化數據中心的改造[2],實現數據中心的綠色、高效、便捷、統(tǒng)一管理。 本研究通過自主實驗方式驗證服務器虛擬化解決方案的可行性、適應性,綜合考量IT 成本投入,合理利用學校經費。 通過自主實驗,本研究實現核心技術自主掌控,并將實驗測試結果得出的最優(yōu)方案應用到實際生產環(huán)境。

2.3.1 實驗環(huán)境測試階段

自主實驗搭建、升級、改造方案。 本研究利用中心現有3 臺HP 臺式機進行vmware 虛擬化集群測試,將每臺HP 臺式計算機的內存擴容至64 GB,擴充存儲為1T SSD 緩存+1T HDD 兩塊硬盤。 本研究添加兩塊萬兆網卡,測試VSAN 方案與非VSAN 方案的IO 性能差異,以及滿足vSphere 不同版本的功能需求。

通過測試得出的結論,實驗軟件的核心性能需求是存儲的IO 性能,VSAN 方案的IO 性能對服務器的CPU、內存、網絡容量要求較高,即整體IT 購置成本過高,放棄VSAN 方案,采用基于開源iSCSI 軟方案實現vSphere 的共享存儲。 同時,采用vSphere 的簡化版可以滿足計算、網絡、存儲資源的集中統(tǒng)一管理以及算力資源的動態(tài)調整,符合經管類實驗教學中心的使用需求。 高級版功能利用率低,會造成IT 購置成本高。

2.3.2 生產環(huán)境應用階段

以存儲、內存最小化方案采購配置相同的3 臺DELLR740 服務器用于計算機節(jié)點,通過自行采購內存和擴容存儲,降低服務器初期購置成本,利舊RD450 服務器作為iSCSI 共享存儲,升級其存儲性能和容量。 擴容本地存儲至10.4 T,共享存儲3.8 T,利用二手服務器配件自主搭建2U 超微服務器作為NAS 存儲服務器,存儲容量15.7 T,用于日常虛擬機備份。 計算節(jié)點、存儲節(jié)點通過萬兆交換機互聯(lián),構建虛擬化集群,如圖2 所示。

自主搭建方案是以符合中心實際需求和滿足未來5 年發(fā)展需要的最優(yōu)方案,實現IT 成本投入最小,核心技術自主可控。 目前,已部署的30 多個實驗教學系統(tǒng)和其他業(yè)務系統(tǒng)已在虛擬化平臺穩(wěn)定運行1 年多時間,完全替代25 臺物理服務器算力和存儲資源,在降低能耗、空間、提升運維管理效率的同時,滿足中心的各類信息系統(tǒng)對算力和存儲資源的使用需求,相關計算節(jié)點和存儲節(jié)點配置如表1 所示。

表1 計算與存儲資源規(guī)劃

3 實驗技術隊伍團隊建設及制度保障

在實驗技術隊伍的自身建設上,中心劃撥經費預算支持實驗技術人員通過多種方式和渠道(購置儀器設備DIY 自主實驗、參加會議、廠商方案調研、專業(yè)培訓、購買專業(yè)書籍和期刊)提升各自的專業(yè)技能,將所學技能用于與教育教學的深度融合,實現核心技術自主可控、應用創(chuàng)新。 中心發(fā)揮技術團隊優(yōu)勢,相互配合協(xié)作,以各自的專業(yè)技能,助力信息化運維管理水平提升的同時,積累科研成果,實現自身的職業(yè)發(fā)展和職稱晉級[3-5]。

核心技術自主、自強,外圍性和基礎性工作外包,是運維效率提升的重要保障。 在學校目前實行的專業(yè)技術崗位招聘機制下,雖然實驗技術人員從崗位技能到數量得到實質性改善,但是經管類實驗教學中心的儀器設備種類眾多,導致基礎性和保障性運維工作量大,從而制約了實驗教學技術支持與服務工作的質量保障。 建議學校建立專職技術工勤人員外聘和技術服務外包的賬務機制和制度機制解決技術工作高質量發(fā)展與人員需求數量缺口的矛盾。

4 結語

實驗教學中心的IT 基礎設施運維保障能力,是直接決定實驗教學能否順利開展的關鍵,而通過廠商方案調研、自主實驗、技術應用融合創(chuàng)新等多種方式實現實驗教學IT 基礎設施成本投入最小化,應用服務師生最大化,才是實驗技術人員的核心價值所在。