基于高職學院實訓教學過程的云計算實驗環境分析與搭建

楊雨鋒

（四川信息職業技術學院信息工程系，628040）

基于高職學院實訓教學過程的云計算實驗環境分析與搭建

楊雨鋒

（四川信息職業技術學院信息工程系，628040）

本文首先針對高職學院實驗教學過程局限性分析，提出采用云計算實驗環境獲得實驗結果和可信實驗過程數據收集的改進措施。接著分析高職學院實驗環境探索方向和云計算實驗環境的整體思想和基本原理。然后對該實驗環境進行詳細功能分析，最后闡釋部署該實驗環境的軟硬件設備和部署過程。對高職學院實驗環境改善具有較強的借鑒作用。

云計算實驗環境;虛擬化技術;存儲資源

職業教育必須堅持理論與實踐相結合，要求學生“做中學”、教師“做中教”。調研發現，大部分院校、社會培訓機構都已經開始使用“虛擬化技術”來輔助計算機課程及其他相關課程的教學。也利用課程教學管理軟件來簡化教學管理過程。這樣實施帶來的局限性是只能管理信息的結果,無法實現教學過程信息化管理，而任何數據的可信來自過程。因此教學管理不僅管理結果而且要求獲得過程中形成可信的數據。為此我們采用目前前沿的云技術探索建設理論與實踐一體、學習過程、實踐過程和工作過程一體的云計算實驗環境。簡單說就是云計算技術解決教學過程建立可信數據機制+數據信息管理應用的二者高度結合和統一的平臺項目。

1 高職學院實驗環境探索方向

1.1 智能搜索系統

搜索技術是現在最新最熱的云計算技術。搜索技術的研究不僅需要依靠強大的數據計算能力、強大的網絡流量，而且還需要一套研究性的云計算基礎平臺來進行實現。

1.2 云存儲系統

隨著現在社會電子化的加快，對存儲的容量和需求呈現爆炸性的增長，如何解決網絡上面的存儲問題也是現在面臨的重大挑戰。

1.3 大規模數據挖掘系統

大規模數據處理和挖掘是現在社會普遍的研究課題，但大規模的數據一直是研究機構或者高校缺乏研究的基礎。

1.4 虛擬資源研究系統

虛擬資源的研究是云計算將來的一個重大分支。通過虛擬資源的建立，可以隨時對學校的計算資源進行整合和服務。

2 云計算實驗環境整體思想

以云計算技術為支撐點通過高校的科研和教學應用把云端資源集中整合后，通過應用服務建立和用戶之間的橋梁,并為終端用戶提供按需消費地綠色,節儉,安全,可靠的個性化計算資源、存儲資源、軟件資源，其中云計算實驗環境是私有云模式的經典應用之一。它的特點是借助學校的局域網傳輸能力，將數據的處理過程從個人計算轉移到云端的分布式集群計算環境中，極大的方便高校實驗教學過程中對計算資源的集中管理。

云計算實驗環境的基本原理是計算分布在大量的分布式計算機上，而非本地計算機或遠程服務器中，從而使校園數據中心的運行與互聯網相似。這使信息化學科教師和學生能夠將資源切換到需要的應用上，根據需求訪問計算機和存儲系統。其核心是提供基礎架構服務資源（計算資源，存儲資源，網絡資源），同時結合學校的實際教學過程，為教師和學生提供在線的實驗平臺，確保他們在云環境中擁有自己獨立的實驗環境，不受時間和地點的限制，隨時隨地獲取相應的實驗環境，極大的實驗教學的效率和效果。

云計算實驗環境應該具有一下特點：

（1）基于瀏覽器的云開發環境

學生在實驗的時候，其所有實驗環境（開發環境）都部署在云端，學員本地機器上無需安裝任何實驗相關的軟件，只需一個我們平常上網使用的瀏覽器即可。

（2）每個學生擁有獨立的項目云存儲空間

學員在實驗過程中所有的工作成果都由云實驗平臺自動的存儲在此空間并永久存儲歸檔。采用云存儲，方便切換工作環境，機器和環境的變化無需拷貝數據。

（3）可依據云實驗環境要求彈性配置硬件資源

實驗環境基于虛擬化技術，以虛擬機的形式提供計算資源。可以通過動態的為虛擬機分配計算資源的方法完美的實現按需為學員分配計算資源。

3 云計算實驗環境功能分析

云計算實驗環境是以云計算服務為核心的實驗基地，依據服務內容和層次的不同，通常包括如下三種類別：

Saas Lab：采用CloudVM平臺支持構建云計算環境的面向教學實驗的管理平臺。

（1）基礎設施管理：提供物理主機的管理與監控功能。

（2）虛擬資源管理：管理系統中的三個主要實體：虛擬機、鏡像模板以及虛擬機解決方案。

（3）用戶管理：系統管理員管理系統中不同權限的用戶。

（4）實驗應用管理：課程管理、共享資源管理、學生實驗環境管理、學生個人資源管理等模塊幫助學生方便管理和使用不同課程的實驗計算環境。

Paas Lab：平臺服務實驗環境提供應用服務引擎，并行計算服務平臺，大數據處理服務引擎。

Iaas Lab：以服務的形式提供虛擬硬件資源，如虛擬主機/存儲/網絡/安全等資源。用于無需購買服務器、網絡設備、存儲設備，只需通過互聯網租賃即可搭建自己的應用系統。核心技術是利用服務器集群技術，將大量低成本的PC服務器有機的組織成一個整體，再利用虛擬化技術按需將計算、存儲與網絡資源按需交付給應用使用。云計算平臺中，彈性資源計算基礎設施軟件用于管理虛擬化計算資源，云存儲系統用于管理存儲資源，從而為上層應用提供低成本、高可靠的計算和存儲資源。

平臺業務架構如下：

云實驗平臺的業務角色有學員、教師。教師負責教學、課程的發布及用戶管理。學員負責完成實驗項目。

教學服務功能介紹

對于院校教學管理者，可以詳細了解作業完成情況，測試結果分布，授課的反饋，可以了解課程設計情況，大綱，作業，練習，評測，實踐可以了解學生學習情況，實踐環節，理論環節。對于一線教師，可以協助教師完成備課、授課工作； 系統自動管理課后作業的發放、收取、評分工作； 系統自動完成期中和期末考試的執行和評分工作； 為教師提供學生學習情況分析報告；

對于學生，可以準確記錄自己的學習實踐內容，實驗，練習，作業。可以準確查看自己歷史的學習成績報告。可以參與教學的互動討論,提問，答疑。進行課程的預習和復習；幫助學生總結學習過程中的優勢和不足，及時做到互助互學

對企業可以全面的了解學生在校期間主要課程的學習情況，可以有效避免用人企業僅通過一份簡歷、一次考試來招聘員工的片面性。

4 云計算環境部署

云計算實驗環境核心架構支撐包括兩個系統平臺和兩套應用系統。分別是云管理平臺和云存儲平臺，CloudLab應用系統與CloudVM應用系統。

云管理和存儲平臺：其基礎是構建于分布式集群計算環境和存儲為基礎設施之上，通過云管理平臺為用戶提供服務器虛擬化、應用虛擬化、桌面虛擬化的云資源池。還可以在云資源池之上進行云計算項目研究和應用。

云管理平臺主要是提供一個通用的、高性能、穩定、實用的虛擬化系統軟件，有效地支撐虛擬化應用的開發、部署、運行管理和維護，支持實現資源共享、協同工作、應用集成功能。

云搜索和大數據處理實驗平臺：主要是由Hadoop系統開發，在Hadoop系統上面，可以開發出大規模的數據搜索應用系統。

云存儲系統：是一套針對多媒體存儲設計的存儲系統軟件，安裝在一組通用的X86服務器上，形成一套擴展性強、性能優異的存儲系統，對上層應用快捷方便地處理大規模數據提供存儲系統支撐，其目標是“存得住、讀得出、用得好”。

存得住：支持存儲容量達到幾P甚至幾十P，有效管理文件數量達到幾億甚至幾十億個。

讀得出：能夠提供幾十GB至上百GB的聚合數據讀寫帶寬，具有極高的并發I/O性能，支持高效率的文件創建和查詢。

用得好：通用X86服務器作為存儲對象，方便在線擴容替換，減少系統復雜性，提供統一文件系統映像和標準POSIX接口，所有應用服務可以看到相同的視圖，可以訪問所有的文件，通過軟件技術提高整體系統的可靠性和數據可靠性。

云存儲系統的主要特點包括：

高性能：根據虛擬化應用的不同特點，在卷管理策略上將虛擬化存儲分為三種，并采取不同的讀寫策略。使得不僅能利用機群存儲可靠，高吞吐率的優勢，又能利用本地磁盤低延遲的特點，優化虛擬主機的性能。而且，盡可能優化本地緩存策略，極大化的降低了對后端存儲節點的負載。

高可擴展的彈性架構：云存儲系統在容量，性能和可管理性三個維度上具有線性擴展能力。 在需求增加時，簡單的增加存儲設備以獲得容量及性能的線性增長。系統構架和軟件設計使得系統的管理復雜度也同樣線性擴展，不會因為節點增多而急劇增長。

低成本：相對于傳統企業級存儲設備，不需要昂貴的專用硬件設備。也不需要昂貴的存儲管理軟件及服務。存儲系統采用廉價的通用服務器，桌面級SATA/SAS磁盤與普通以太網絡等硬件設備，成本優勢明顯。

高可靠/高可用：采用靈活高效的數據復制以及智能的數據分布策略來保證數據可靠性和可用性。如將文件復制多個副本，分別存放在不同機架的不同服務器之上，保證用戶的數據不會丟失。同時，支持自動恢復，保證用戶的數據完好無損。 支持多種接口：提供Linux和Windows本地文件系統接口及NFS/ CIFS接口，二進制兼容現有應用程序。

云計算實驗環境功能要要實現需提供相關軟硬件資源。硬件資源包括計算服務器、存儲服務器（8盤位）、瘦客戶機、個人pc機。軟件資源包括平臺軟件，分布式文件系統存儲軟件，平臺應用軟件，云機房平臺管理軟件，用于“云+端”管理系統軟件，云課程實驗教學應用軟件。

部署過程如下：

（1）通過招投標采購相應軟硬件實驗設備。

（2）硬件安裝與調試。

（3）服務器部署與調試

（4）操作系統與基礎配置

（5）網絡配置。

（6）軟件部署階段

（7）虛擬化與存儲軟件部署

（8）教學管理軟件部署

（9）聯調與測試。

5 結束語

部署基于高職學院實訓教學過程的云計算實驗環境需要全面理解云計算相關理論知識，還需要開發出平臺和機房管理軟件，具有比較強的技術特點。在實施過程中最好和企業聯合完成。同時該實驗環境與現行實驗環境相比具有比較突出的優點，對高職教育實驗室建設、課程建設具有很好的支撐作用。對同類性質高校也具有較強的交流、借鑒的作用。

[1] 陳康 鄭緯民.云計算:系統實例與研究現狀.軟件學報,2009,05

[2] 陳全 鄧倩妮.云計算及其關鍵技術.計算機應用,2009,09

[3] 羅軍舟 金嘉暉.云計算:體系架構與關鍵技術.通信學報,2011,07

[4] 劉正偉 文中領.云計算和云數據管理技術.計算機研究與發展,2012,21

[5] 葉可江 吳朝暉.虛擬化云計算平臺的能耗管理.軟計算機學報,2012,06

楊雨鋒，男，四川信息職業技術學院講師。主要研究方向為高校網絡專業建設、課程建設。

4.3 實驗結果分析

4.3.1 改進的遞歸神經網絡參數設置

本文算法實現過程中，選取前9周的黑客攻擊數據作為訓練樣本，第10周的網絡安全態勢值作為預測樣本，每一個樣本都以7天為一個周期，因此改進的遞歸神經網絡的輸入層擁有7個神經元，表示輸入向量S∈R1×7；網絡輸出為一個神經元，表示輸出向量Y∈R1×1。依據前一周的網絡安全態勢預測未來一天的網絡安全態勢值。

4.3.2 實驗結果分析

本文算法經過嚴格的訓練之后，基于改進的遞歸神經網絡預測第10周的網絡攻擊數據的態勢，也即是使用的數據預測的網絡安全態勢，使用的數據預測 的網絡安全態勢，以此類推，一直到預測的網絡安全態勢。經過對實驗結果數據進行分析，本文算法運行的網絡安全態勢結果與實際值一致，并且具有較小的誤差。為了能夠充分突出本文算法的優勢，與文獻中基于KNN-SVM的網絡安全態勢預測相比，本文算法也具有較好的準確性。

參考文獻

陳秀真[1];鄭慶華[1];管曉宏[1,2];林晨光[1].層次化網絡安全威脅態勢量化評估方法.軟件學報.2006.885-897

The experimental environment analysis and calculation and set up practice teaching process in Higher Vocational College Based on the cloud

Yang Yufeng
(Sichuan Information Technology College Information Engineering Department，628040)

This paper firstly according to the process of experiment teaching in Higher Vocational College limitation analysis,proposes to use cloud computing to obtain experimental environment improvement measures of data collection experiment results and credible experimental process.Then analysis of vocational college experimental environment and explore the overall thought and basic principle of direction and cloud computing experiment environment.Has a strong reference for higher vocational college to improve the experimental environment.

Cloud computing experiment environment;Virtualization Technology;Storage resources