基于云計算的MOOC交互式實驗平臺研究

鄭文娟

摘 要： 針對實踐作業(yè)在計算機科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的重要性，進(jìn)行了基于云計算的MOOC交互式實驗平臺研究。在交互式實驗過程中提出混合云架構(gòu)，支持單一機器和網(wǎng)絡(luò)機群現(xiàn)場動手實驗，并建立基于信任的訪問控制方案，實現(xiàn)自我管理的資源分配。實驗過程是在內(nèi)部私有云上執(zhí)行虛擬機鏡像，通過嵌入在Web瀏覽器的遠(yuǎn)程桌面進(jìn)行連接和訪問。通過MOOC交互式實驗平臺收集實驗數(shù)據(jù)，并對結(jié)果進(jìn)行測評，由此提高遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)和教育的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞： 云計算； MOOC； 交互式實驗平臺； 訪問控制方案

中圖分類號： TN911?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）11?0029?04

Research on MOOC interactive experiment platform based on cloud computing

ZHENG Wenjuan

（Business College of Shanxi University， Taiyuan 030031， China）

Abstract： For the importance of practical assignment in development of computer science field， the MOOC interactive experiment platform based on cloud computing is researched. The hybrid cloud architecture is put forward in the interactive experiment process to support the live hands?on experiment of single machine and network machines. An access control scheme based on trust was established to realize the resource allocation of self?management. The experimental process is that the virtual machine mirror image is carried out on the internal private cloud， which is connected and accessed through the remote desktop embedded in the Web browser. The experimental data is collected and its result is evaluated by means of the MOOC interactive experimental platform to improve the quality of distance learning and education.

Keywords： cloud computing； MOOC； interactive experiment platform； access control scheme

0 引 言

在計算機教育領(lǐng)域?qū)嵺`作業(yè)是必不可少的，所以交互式軟件實驗平臺的研究成為MOOC的發(fā)展趨勢。通過云計算模式中混合云這一軟件架構(gòu)完成實時實驗平臺的靈活配置。這些實驗平臺根據(jù)訪問請求進(jìn)行自動配置，然后終端用戶通過遠(yuǎn)程桌面、SSH和其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)連接。把這些設(shè)置嵌入到MOOC的實驗教學(xué)中，為用戶提供指導(dǎo)和基礎(chǔ)設(shè)施資源的訪問，以便于讓他們完成實驗。通過MOOC實驗平臺，不僅使學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)到了新知識，還可以讓其他人了解、評價課程的學(xué)習(xí)情況[1]。

1 基于云計算的MOOC實驗平臺

云計算技術(shù)將現(xiàn)有分散的不同形式的遠(yuǎn)程實驗資源更新為虛擬化共享資源池，從而構(gòu)成統(tǒng)一管理和調(diào)度的實驗云[2]。MOOC平臺利用云強大的存儲功能將優(yōu)秀的教育資源傳送到世界的各個角落，這是一個隱性知識顯性化的過程[3]，為了在MOOC平臺上提供實踐軟件實驗時對管理計算資源的需求，在云計算架構(gòu)中結(jié)合了公共和私有云資源 （見圖1），即混合云架構(gòu)。這一架構(gòu)的主要組件是核心，它主導(dǎo)一個Web應(yīng)用程序。用戶可以使用一個Web瀏覽器連接到它或任意網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。這個核心還負(fù)責(zé)選擇合適的硬件資源和部署實驗來執(zhí)行服務(wù)，這些服務(wù)向運行的實驗提供硬件資源。通過云構(gòu)架進(jìn)行模擬實驗，不僅提高實驗教學(xué)效果，更重要的是使一些缺乏實驗條件的學(xué)生能夠身臨其境地觀察實驗現(xiàn)象，甚至和異地的學(xué)生合作進(jìn)行實驗[4]。而實驗過程中用戶活動數(shù)據(jù)可以通過活動監(jiān)控器和虛擬機內(nèi)省來收集。這個活動數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)存儲服務(wù)中的活動日志內(nèi)，也保存了實驗的虛擬機磁盤映像和在實驗過程中生成的個人用戶數(shù)據(jù)。可見，基于云計算的MOOC平臺還為用戶提供了一個強大的實驗結(jié)果管理機制[5]。

2 實時監(jiān)控用戶動態(tài)

在MOOC中，交互式問題設(shè)置成為對學(xué)生狀態(tài)進(jìn)行控制的一個重要手段[6]。因此，需要自動的方法提供作業(yè)的反饋，監(jiān)控學(xué)習(xí)進(jìn)度和評分。在InstantLab中，提出了兩個監(jiān)測技術(shù)來收集關(guān)于MOOC參與者的信息，即通過網(wǎng)絡(luò)平臺監(jiān)控活動和實驗場景監(jiān)控。

2.1 在網(wǎng)絡(luò)平臺上監(jiān)控活動

對活動的監(jiān)控也是教學(xué)和教師研究的信息來源。基于云計算的MOOC交互式實驗平臺不僅能夠記錄詳細(xì)的統(tǒng)計信息，還能對實踐作業(yè)的實驗結(jié)果進(jìn)行評估。對此，一個好的指標(biāo)就是這個學(xué)生在課程中展示的活躍度和參與程度。在MOOC中可以通過監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)平臺中的用戶活動來觀察和記錄學(xué)生活動。登錄、看視頻講座，開始、完成或異常中止軟件實驗等活動都會記錄在活動日志中，并且在之后可以用于基于信任的訪問控制。

2.2 實驗場景監(jiān)控

在MOOC虛擬機運行實驗，可以監(jiān)控用戶的活動，所以反饋不僅包括實踐作業(yè)的結(jié)果，也包括對實驗場景的監(jiān)控。這些監(jiān)控也可以作為一個指標(biāo)來限制對所提供資源的濫用。

監(jiān)控學(xué)生的軟件實驗，應(yīng)該透明、高效且可以防偽。在虛擬機管理程序的水平上實現(xiàn)了實驗場景監(jiān)控，這就是被稱為虛擬機內(nèi)省（VMI）的技術(shù)。將監(jiān)控置于管理程序內(nèi)，不需要變更實驗?zāi)０澹⑶覍τ谔摂M機執(zhí)行是透明的。同時虛擬機管理程序的隔離可以保護(hù)監(jiān)控免于篡改。管理者可以通過操縱客戶內(nèi)存和虛擬硬件狀態(tài)來生成額外的監(jiān)控事件，信息可以通過監(jiān)控虛擬機網(wǎng)絡(luò)通信和掃描它的記憶來提取。

3 安全性

在MOOC上進(jìn)行實踐作業(yè)需要保證實驗數(shù)據(jù)的完整性和安全性，于是，將云計算高效的運算處理能力和無限的存儲能力融入 MOOC交互式實驗平臺的研究中[7]。對于實驗場景的安全威脅，提出了虛擬機內(nèi)省方法作為一個緩解策略，并且通過使用一個基于信任的訪問控制方案實現(xiàn)自動資源管理。

3.1 實時軟件實驗安全

向用戶提供訪問虛擬機的權(quán)限可能會使惡意用戶濫用所提供的資源并用于其他目的，因此妨礙了實驗的完整性和安全性。將虛擬機內(nèi)省的機制作為一種解決方案來監(jiān)控實時軟件實驗以檢測是否有人濫用所提供的虛擬機。為了檢測是否有濫用行為，保留一張?zhí)摂M機實驗不允許出現(xiàn)的操作或系統(tǒng)狀態(tài)的黑名單。VMI技術(shù)用于監(jiān)控虛擬機并且檢測列入黑名單的行為或狀態(tài)。如果檢測到違反行為，系統(tǒng)首先會提醒用戶并顯示發(fā)生的違規(guī)行為。如果此違規(guī)行為持續(xù)下去，將會終止實驗并關(guān)閉相關(guān)的虛擬機。

3.2 公共網(wǎng)絡(luò)平臺的資源管理

在虛擬機大規(guī)模地運行軟件實驗是一個資源密集型的任務(wù)。因此，一個對實驗資源訪問權(quán)限細(xì)致的資源管理方案就是非常必要的，以便于將可用資源分配給諸多用戶。方案應(yīng)該滿足以下特點：

（1） 自我管理。MOOC課程通常有大量的操作員不知道的用戶。由于缺乏關(guān)于用戶和管理費用的知識，手動分配用戶權(quán)限是不實際的。因此，應(yīng)該具備自動分配訪問權(quán)限的功能。

（2） 濫用預(yù)防。對意外活動和濫用所提供的資源應(yīng)該進(jìn)行檢測并阻止。為了實現(xiàn)這樣一個資源管理方案，使用基于信任的訪問控制來控制實驗資源的訪問。

3.3 基于信任的訪問控制

基于信任的訪問控制（TBAC）是一個動態(tài)的訪問控制方案，它建立在聲譽和信任的概念之上，聲譽信息描述了位于某個系統(tǒng)中的某個行為者。基于這些信息，分配給行為者的信任水平表示行為者在未來表現(xiàn)出期望的方式的主觀信心。可以使用數(shù)值刻度值來表示信任水平，比如數(shù)值越大表明信心越強。信任水平可以根據(jù)一個行為者關(guān)于自己過去的行為或聲譽信息的經(jīng)驗計算，這些信息則是可以從集中式系統(tǒng)或系統(tǒng)中其他行為者獲得。

TBAC就像是傳統(tǒng)的訪問控制模型的動態(tài)擴展，可以使用訪問特定資源要求的最低水平的信任級別來指定安全策略中的訪問規(guī)則。訪問請求被授予給信任級別大于或等于指定的最小的信任水平的行為者，否則就會拒絕訪問。

3.3.1 系統(tǒng)概述

基于信任的訪問控制機制的目的是管理用戶訪問MOOC系統(tǒng)有限的實驗資源的權(quán)限。為了構(gòu)建這些信任級別，MOOC系統(tǒng)就不能依賴用戶的外部資源。為使TBAC方案自動運行，通過MOOC平臺中用戶的行為來計算其信任水平。因此惟一的要求就是在系統(tǒng)中識別到用戶，可通過OpenID登錄達(dá)到這一目的，見圖2。

圖2顯示，活動監(jiān)視器負(fù)責(zé)收集課程平臺上的用戶活動 （如開始/異常終止/完成實驗和課程）。關(guān)于用戶活動的數(shù)據(jù)存儲在活動日志中。當(dāng)出現(xiàn)訪問一個實驗資源請求時，這一請求被傳遞給TBAC引擎。該組件可以根據(jù)用戶活動日志中以前的行為來計算其信任級別。如果計算產(chǎn)生的信任水平滿足實驗的要求則同意訪問，反之拒絕訪問。

3.3.2 MOOC實驗平臺的性質(zhì)

MOOC系統(tǒng)信任水平的計算可以利用一種結(jié)構(gòu)化課程的性質(zhì)，在線實踐課程通常從很容易理解的入門課程開始。隨著教學(xué)內(nèi)容的提高，實際實驗的資源需求也不斷提升。由于高需求的實驗是資源密集型的，因而只有技能熟練的學(xué)生才能夠訪問。因此，進(jìn)行了4個不同階段的實驗，見圖3，這些在課程中都需要完成。

3.3.3 信任級別

利用這些階段采用交錯的方法計算信任級別，進(jìn)入一個新的階段，見圖3，要求用戶達(dá)到前一個階段所需的信任水平。系統(tǒng)中這些水平使用數(shù)字表示，其中，每一個注冊在線課程平臺用戶的初始信任水平為每個階段可以達(dá)到的信任水平和下一階段需要達(dá)到的信任水平見表1。

這個方案確保了先進(jìn)的、專業(yè)的資源密集型實驗只能由合適的、有需求的用戶使用。這個方案確保用戶在每個階段課程的努力都是必需的，以利于進(jìn)行更高級別的實驗。使用這種方案可以防止非熟練用戶在入門階段完成無數(shù)瑣碎的實驗，以跳過這一階段到達(dá)高級階段的課程。

3.3.4 信任計算

為計算用戶在一個困難階段的信任水平，需要記錄來自于當(dāng)前階段關(guān)于完成的作業(yè)和實驗的信息。假設(shè)在系統(tǒng)中一個用戶的兩個參數(shù)被做了記錄，每一個完成的任務(wù)由系統(tǒng)評估并且獲得一定的學(xué)分。如用戶在一個階段積累的學(xué)分總數(shù)是階段期間可以達(dá)到的最大數(shù)量的學(xué)分是第二個記錄的參數(shù)是用戶花費在實驗資源上面的時間，預(yù)期完成實驗的時間是用戶所需的時間是假設(shè)每個階段可用的最小信任級別是利用這些信息，可得信任水平為：

這種信任可以確保及時完成任務(wù)并評估實驗結(jié)果。為防止超過可達(dá)到的最高信任水平值，是封頂?shù)淖畲笏健?/p>

4 將硬件加速器嵌入到云基礎(chǔ)設(shè)施

當(dāng)今硬件加速器的尖端技術(shù)在當(dāng)前抽象化服務(wù)中很少體現(xiàn)，因為它只能通過操作軟件在裸機上運行來發(fā)揮作用。延伸服務(wù)抽象化和提升虛擬化技術(shù)對于資源的集成和配置是必需的。在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)公開課的背景下，為了使用加速器技術(shù)提供實踐學(xué)習(xí)經(jīng)驗，不僅需要平衡高性能云的額外成本和對于學(xué)生預(yù)期的學(xué)習(xí)價值，而且還需整合廣泛使用的加速器的公共云產(chǎn)品和托管在一個私有云的更多的外來加速器板。如果能確保每個加速器只有一個學(xué)生，就可以為他們提供硬件加速器的專有訪問權(quán)限。盡管這將保證學(xué)生獲取最好的編程經(jīng)驗，但是這也需要限制學(xué)生的數(shù)量或動態(tài)增加加速器的數(shù)量，這依靠云產(chǎn)品并導(dǎo)致額外的成本。另一個問題是，當(dāng)沒有任何云主機提供所需的加速器，但是在實驗室只是少數(shù)可用。這個極端會使大量的學(xué)生訪問很少量的加速器（最壞的情況下每個加速器有數(shù)百名學(xué)生訪問）。這樣的場景將會超出虛擬化和整合的可行性。惟一的選擇是針對加速器使用一個工作隊列和排隊任務(wù)提交。因為一次只會執(zhí)行一份工作，導(dǎo)致的執(zhí)行性能和忠誠度會非常逼真。另一方面，用戶體驗將變得相當(dāng)有限，特別是因為調(diào)試成為一個問題。有種技術(shù)改善用戶體驗和MOOC網(wǎng)絡(luò)公開課的性能，在這樣的MOOC實驗教學(xué)中很多學(xué)生可以進(jìn)行單一獨特的物理實驗。這種技術(shù)是從實驗的實際執(zhí)行中分離學(xué)生實驗代碼。代碼可以在虛擬機上進(jìn)行編譯，這類虛擬機不需要訪問實際實驗硬件，從而在程序開發(fā)中形成快速反饋循環(huán)。

從云的角度來說，最有趣的部分介于兩者之間：每個加速器有相當(dāng)數(shù)量的學(xué)生，并且可以提供。在這些情況下，云計算的虛擬化技術(shù)提供了一種允許多個用戶同時在相同的物理硬件上工作而不互相干擾的方式。

通過云計算實現(xiàn)了用戶信任計算和自動評測功能，既可以達(dá)到傳統(tǒng)實踐教學(xué)模式的效果，又適用于MOOC交互模式的教學(xué)[8]。

5 用例：InstantLab

InstantLab是模擬的MOOC交互式實驗平臺，通過實驗，還得出了一個針對InstantLab的TBAC方案的仿真結(jié)果，見圖4。

5.1 InstantLab的實現(xiàn)

通過不斷的探索研究得知，進(jìn)行這些實驗所需的基礎(chǔ)設(shè)施是一個不斷變化的目標(biāo)。一方面，必須適當(dāng)?shù)鼐S護(hù)和更新硬件；另一方面，不得不處理不斷增加的各種平臺版本。為了解決這些問題，將這些實驗遷移到云。InstantLab是在云中進(jìn)行操作系統(tǒng)實驗的方法，比如擴展帶有新系統(tǒng)調(diào)用的內(nèi)核，這緩解了全體教師和學(xué)生維護(hù)硬件設(shè)備、版本多樣化和配置的開銷。

目前InstantLab的架構(gòu)基于OpenNebula軟件棧，見圖4，其核心組件是一個Web應(yīng)用程序，通過它用戶可以進(jìn)行實例化實驗并運行。這些實驗的運行實例可以通過一個終端連接進(jìn)行訪問和控制，這一終端連接建立在用戶Web瀏覽器中，可以使用一個代理服務(wù)來促進(jìn)遠(yuǎn)程桌面訪問。

5.2 用于InstantLab的基于信任的訪問控制

為了幫助InstantLab受到更多用戶的歡迎，分析了一個基于信任的訪問控制方案的適用范圍，以確保將實驗資源分配給需要的用戶。執(zhí)行TBAC系統(tǒng)時，平臺運營商面臨的挑戰(zhàn)是預(yù)測所選的策略的影響。與傳統(tǒng)的訪問控制相比，TBAC方案是一個用戶請求的啟發(fā)式的分類。由于采用限制訪問的主要動機是進(jìn)一步限制實驗資源消耗，TBAC方案的批準(zhǔn)率就是最重要的參數(shù)，允許進(jìn)入的學(xué)生越多，就會消耗越多的計算資源。目標(biāo)是達(dá)到用戶總數(shù)40%的許可進(jìn)入比例，只有這些用戶可以獲準(zhǔn)使用先進(jìn)的、有專業(yè)水平的實驗資源。

為預(yù)測在InstantLab中采用TBAC方案的影響，使用一個基于主體的仿真方法：通過過去使用InstantLab的經(jīng)驗來識別用戶模式，這些代表不同的平臺用戶類型和技能水平。實施這些用戶使用模式來模擬仿真代理的用戶策略。在仿真過程中，代理們可以選擇不同的實驗，這些實驗分為不同階段。實驗成敗取決于代理的技術(shù)水平，并且只能嘗試有限的次數(shù)。

仿真使用repast7仿真套件建立，并作為一個離散事件仿真。在固定的時間步驟中，代理們會選擇和嘗試一個實驗。仿真一直運行，直到所有代理已經(jīng)耗盡可用的實驗，結(jié)果如圖5所示。如果總用戶為100%，20%的用戶達(dá)到高級階段，22%達(dá)到專業(yè)的階段。總共有42%的用戶群體達(dá)到高級和專業(yè)階段，這是一個令人滿意的結(jié)果，有助于在一個開放的InstantLab版本內(nèi)嘗試基于信任的訪問控制方案。

6 結(jié) 論

云計算服務(wù)把良好的硬件設(shè)備給用戶共享，優(yōu)質(zhì)的軟件資源給用戶使用[9]，基于云計算的MOOC交互式實驗平臺使高校軟件實踐課程的教學(xué)質(zhì)量具有前所未有的開放性和透明性[10]。研究過程中提出以虛擬機內(nèi)省作為檢測和防止濫用提供資源的方式，并解決訪問控制和資源分配的問題。這些信息可以用來確定用戶的學(xué)習(xí)行為和學(xué)習(xí)進(jìn)展，即基于信任分?jǐn)?shù)給用戶分配資源。將InstantLab用于MOOC交互式實驗平臺的教學(xué)，成功地展示了基于Web瀏覽器的遠(yuǎn)程桌面訪問技術(shù)，為終端用戶的實驗教學(xué)提供服務(wù)。

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