創新云計算平臺建設提升服務質量助力教學與科研

單子鵬 朱弘飛 鄒啟明

摘要：針對高等教育中面向教學和科研服務的云計算平臺建設，分析了其為教學和科研服務的具體需求，并通過對比不同虛擬化技術和服務模式，選定一種合適的云計算平臺基礎架構的建設方案；介紹研發不同云計算服務應用的實現方式和方法，及其對教學和科研所產生的實際推動效果，總結在建設和運維過程中發現的問題并給出解決策略；探討云計算等技術在高等教育中的應用前景。

關鍵詞：虛擬化；云計算；基礎架構；云平臺；教學科研

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）18-0053-02

一、需求分析

大學計算中心是大學的公共服務體系之一，主要負責兩大方面的工作：一是承擔全校大學生計算機類課堂教學和實踐教學任務；二是保障公共計算機機房、語言實驗室、多媒體教室等正常運維管理，涉及為數眾多的PC和各類服務器。

但是，隨著教學和科研在方式和方法上的不斷創新，計算中心的傳統服務模式面臨極大的問題和挑戰，例如：快速變化的需求、資源分散、有限的經費投入與資源浪費等方面的問題。

與一般的個人PC和普通學校機房不同，豐富的教、學和科研業務要求相對較高且易于獲取的計算環境，這就需要有高性能、更便捷、可資源復用的計算平臺提供支持。

總結實踐經驗，現在的IT教學環境主要存在如下實際問題：

1.教學場所很多，不可能都配備高性能計算機。

2.教學場所或教師配備的教學、科研用計算機，每隔三、二年就會因性能需要而更新換代，頻繁的更新不僅僅是管理和經費上的重復投入，而且不利于設備的持續性利用。

3.教學和科研中需要的軟件或系統環境往往有較高的、特別的要求，配置大量的單點計算設備環境需要重復投入。

4.計算資源的分配是固定、分散的，一定程度會造成資源浪費。

5.機房中的高性能服務器往往具有獨占性，無法做到計算資源的共享和并行操作。

6.相對封閉的操作系統，很難做到靈活機動的多任務應用。

7.遠程調用機房中的計算資源相對困難。

8.高性能計算資源無法做到多樣化復用，比如科研、教學和辦公無法做到有機統一。

為了解決以上一些面臨的實際問題，提高計算中心的服務質量，保障教學的可持續性，創新教學方式，為科研、學科競賽等量化需求等提供更便利的基礎環境，嘗試利用最新的虛擬化、云計算、WEB2.0等技術，統籌部署計算資源，優化IT基礎架構，建設面向教學和科研的教育云計算多維協作平臺（以下簡稱云平臺）。

二、基礎架構方案

1.虛擬化技術比較選型。目前技術相對成熟且得到廣泛應用的虛擬化技術有：Hyper-v、VMware、Xen、KVM等。Hper-v是微軟Windows 2008 R2附帶的虛擬化組件，在購買了足夠授權的情況下，Hyper-v（包括Hyper-v 2008 core）可以免費使用；VMware是付費的虛擬化軟件，市場化程度和認可度目前來說都是最高的；Xen和KVM都是開源免費的虛擬化軟件，Xen由于有一個先市場化后開源的發展過程，所以產品集成化程度較高，部署和管理相對規范化；KVM自Linux 2.6.20之后集成在Linux的各個主要發行版本中，是學術界的主流VMM之一，更適合對底層技術有深刻研究的使用者，尤其是Openstack技術興起以來，更是提升了KVM的關注度。

從性能上來講，在計算節點上虛擬Windows操作系統，如果都能得到廠商的支持，那么性能優化就不是問題。這幾款軟件全都能達到主系統至少80%以上的性能（磁盤，CPU，網絡，內存），Windows是微軟自身的產品，使用Hyper-v來虛擬Windows是有絕對優勢的。如果是虛擬Linux，首選Xen，Xen支持Linux的半虛擬化，可以直接使用主系統的CPU和磁盤及網絡資源，達到較少的虛擬化調度操作，可以達到非常高的性能。其次是用KVM來虛擬Linux，Linux本身支持KVM的VirtIO技術，可以實現用少量的虛擬化調度操作得到較高的系統性能。

綜合以上因素，考量到擁有成本、維護成本、學習成本和開發成本，我們選擇成熟度較高的Xen作為主要虛擬化方案，用于大規模基礎架構部署；KVM為輔助方案，配合Openstack技術開展云架構方面的研究和測試。

2.底層物理架構。首先將服務器分類集群，采用Xen或KVM技術進行虛擬化，并形成計算節點的資源池。確定池主，以便通過API接口統一任務調度，實現計算節點上的負載均衡。

為了實現統一存儲和HA高可用性，將存儲資源通過10Gb高速光通道網絡采用iSCSI方式接入計算節點。在完成虛擬化的基礎上，借助專業存儲數萬的IOPS能力，對用戶層提供IaaS類型的云主機或云桌面等云計算服務。

3.整體系統設計。完成底層基礎物理架構建設后，在云計算業務中間層之上，就需要研發第三層面向用戶的應用系統，以應對不同的教學和科研需求。由于計算節點采用了池化方案，因此可以在業務層有針對性地調度不同資源池，讓不同的業務實現池化隔離，提高了多系統的單一安全性，使得風險在業務池內可控。同時，為保證數據存儲的安全性，通過在統一存儲上針對不同的業務層建立不同卷和LUN，來實現數據在存儲層上的安全隔離。

池化計算節點方案的選擇有利于異構體系管理、業務區分的同時，更方便于業務變化后的資源調整，使得有限的計算資源可以合理調配、有效利用。基于此的數據中心應用層的管理可以滿足更大層次上的縮放性需求，從而更便捷地解決高教問題的識別和操作。

4.云平臺應用系統開發方案。如上所述，云平臺采用開源技術做底層計算資源虛擬化，搭配大容量高速存儲做數據中心，提供云端資源IT資源池，底層資源管理與配置采用中間層。以此為基礎進行基于B/S結構的云平臺應用系統開發。

云平臺應用系統的設計思想是基于開源軟件，以最小成本實現業務需求。應用系統的運行環境選擇Linux系列開源操作系統如CentOS、MySql數據庫，其他功能如Web service也是基于此理念進行選擇。

整體框架采用LAMP與MVC技術相結合，采用多種編程語言。前臺UI界面更多地使用了HTML5、JS等技術，增強交互和適應性；后臺服務主要采用JSP、PHP等技術實現。

三、云平臺系統實現

針對不同的業務需求，目前我們已經嘗試開發了以下幾種教育云計算多維協作平臺，并成功部署了穩定的生產環境，提供了持續的服務。

1.服務中長期教學和科研的自助申請云計算平臺——教育云平臺。教育云平臺是以IT云資源、教師、學生為主要的管理對象，在互聯網上按指定流程自動向特定目標服務對象提供可控計算資源的云管理系統。教育云平臺包含授權全生命周期流程管理模塊、云主機資源授權和配置模塊、平臺資源監控模塊、云主機自助管理模塊、平臺使用記錄統計分析模塊，以及提供輔助功能的云盤模塊、服務公告協助模塊、技術論壇模塊、校內域名自定義模塊等。

教育云平臺2014年10月份上線運行至今，訪問人次上萬，使用各類型云主機數千臺次，平均在線云主機數百臺。

教育云平臺的建設極大地縮短了用戶與資源距離，提升了計算資源的獲取速度，對教學、科研等提供了很好的支持，獲得了廣大教師和同學們的一致好評。

2.服務短期應用的預約體驗云計算平臺。為配合計算機課程中云計算部分、網站建設與部署發布等授課內容，讓更多的同學短時體驗、應用典型的云計算服務——云主機，又建設了基于教育云平臺的云計算IaaS體驗平臺（excloud.hoc.ccshu.net）。

云計算IaaS體驗平臺采用了與教育云平臺同一個基礎物理架構和系統設計方法。同時利用云計算資源高度自由調配的特性，單獨劃定云計算資源池提供服務，保證了業務的有效區分。

云計算IaaS體驗平臺配置了豐富的系統模板，如WinXP、Win7、Win8、Win10、Win2003、Win2008、

Win2012、Ubuntu、CentOS、Debian等操作系統，同時配置了模擬機房環境的機房上機系統，讓同學們可以遠程機房上機，免除了機房排隊、關鍵時刻人滿為患等現實困擾。在為同學們在校內便捷、快速短時體驗、使用云主機的同時，也為教學實踐提供了一個很好的短時應用平臺。

3.特色服務云計算平臺。在教育云平臺同一個基礎架構下，我們還開發了各種特色服務平臺。比如為每年舉辦一次的計算機應用能力大賽開發的競賽云平臺，服務競賽項目百余個，服務隊員數百名；為第八屆中國大學生計算機設計大賽上海賽區提供的國賽云平臺，服務競賽項目300余個，服務隊員1200余名。云計算成功應用在了競賽資源平臺的提供上，方便了競賽隊員，方便了專家評審，更有利于數據的積累和后續分析展示。云計算應用到競賽活動的創新亮點，得到專家和競賽者的普遍認同。

為評測更多的虛擬化和云計算技術，我們利用部分計算資源開發了基于KVM、Openstack的自由云平臺，以方便用戶對不同云計算技術進行學習和比較，同時為進一步的開發積累技術資源。

四、應用展望

在積累云計算平臺建設經驗的基礎上，我們正在規劃研發更多的面向教學和科研的云計算應用，比如建設基于云計算的創新虛擬實驗室，建設服務于普通話測試的普測云平臺，服務于教學互動的教學在線云平臺，服務于支持GPU虛擬化共享的高性能云計算實驗室等，努力讓云計算技術真正走進教學，走進科研，走進服務，讓教學和科研等對計算資源的需求擺脫時空的限制，從而為提高教學服務質量做出最好保障。

五、總結

云計算技術的應用和發展使得教學工具、教學環境、教學方法上得以創新性提高，進而為高校教學質量的穩步提升提供更好的技術和資源保障。