基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的虛擬化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建

陳新　楊子天

摘 要：針對(duì)計(jì)算機(jī)編程類(lèi)課程建立網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不僅可供計(jì)算機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)借鑒，也可廣泛應(yīng)用于理工類(lèi)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)實(shí)踐中。在網(wǎng)絡(luò)迅速普及的時(shí)代，基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的教學(xué)研究將具有更加重要的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；虛擬化；實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

一、概述

計(jì)算機(jī)編程類(lèi)課程是理工類(lèi)專(zhuān)業(yè)的典型課程，具有實(shí)驗(yàn)要求高、環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)。基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已在國(guó)外高水平大學(xué)的理工科教學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好的效果，其必將成為國(guó)內(nèi)大學(xué)理工科課程教學(xué)改革的探索方向。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)可以為學(xué)生提供一種全新的學(xué)習(xí)模式，滿(mǎn)足學(xué)生隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)的需求。在國(guó)外，網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)正處在快速發(fā)展的階段，以MOOC為代表的大型開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)課程已從北美洲、歐洲傳播到亞洲、南美洲、非洲及大洋洲。國(guó)外一些高校借助虛擬化及云技術(shù)也搭建了自己的計(jì)算機(jī)科研實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如Grid5000、PlanetLab及DAS-4等。通過(guò)平臺(tái)搭建，教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源的提供和使用方式發(fā)生了巨大的變化，形成了橫跨多個(gè)資源節(jié)點(diǎn)、對(duì)用戶(hù)透明的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

二、當(dāng)前存在的問(wèn)題

國(guó)內(nèi)高校目前的計(jì)算機(jī)類(lèi)編程實(shí)驗(yàn)大多還是以單機(jī)操作為主，許多高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)的組織、實(shí)施、質(zhì)量管理過(guò)程中存在很多不盡人意的問(wèn)題，影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利進(jìn)行。

另外，實(shí)驗(yàn)環(huán)境不同，編譯結(jié)果也是千差萬(wàn)別。實(shí)驗(yàn)報(bào)告大多是紙質(zhì)手寫(xiě)，學(xué)生把大量精力浪費(fèi)在抄寫(xiě)代碼的過(guò)程中。此種形式也給教師審核帶來(lái)很大不便，使其無(wú)法把精力全部放在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上。

三、虛擬化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的整體方案將部署在VMware vSphere平臺(tái)上，其中包含以下三大方案：

1.MOOC教學(xué)板塊。

在線(xiàn)上播放課件，以網(wǎng)絡(luò)為依托，應(yīng)用多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)多媒體教學(xué)信息的收集、傳輸、處理和共享實(shí)現(xiàn)教育教學(xué)目標(biāo)。如可以將課堂視頻、課外習(xí)題、課堂講義等資源傳輸?shù)浇K端供學(xué)生自主選擇，自主學(xué)習(xí)。

2.基于Docker容器技術(shù)的在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

所使用的環(huán)境結(jié)構(gòu)基于Docker容器技術(shù)，它不同于傳統(tǒng)的使用環(huán)境，用戶(hù)的所有操作僅限于最上層的操作界面。此外，不同用戶(hù)共享除用戶(hù)層以外的其他層，類(lèi)似應(yīng)用于沙盒和還原中的技術(shù)，不同實(shí)驗(yàn)會(huì)有不同的材料層。

3.Online Judge在線(xiàn)評(píng)測(cè)。

Online Judge采用模塊化分層設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊之間相互高度解耦，并相互隔離，保證其可用性及安全性。操作系統(tǒng)選用Linux操作系統(tǒng)，Web部分采用普通Web方案。判題部分是整個(gè)Online Judge網(wǎng)站的核心所在。把判題部分單獨(dú)抽出來(lái)組成一類(lèi)服務(wù)，便于隨時(shí)通過(guò)增加判題節(jié)點(diǎn)加快判題的速度。Web端發(fā)送判題的請(qǐng)求給RabbitMQ等消息隊(duì)列，每一個(gè)判題節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)worker，這樣可以增加判題節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。判題核心就是編譯、運(yùn)行用戶(hù)提交的代碼程序，通過(guò)設(shè)置時(shí)間、內(nèi)存等限制，對(duì)ptrace進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行限制，解決安全性問(wèn)題。

四、安全性問(wèn)題

1.時(shí)間、資源的限制。

使用rlimit控制內(nèi)存，方便在運(yùn)行結(jié)束后獲得內(nèi)存使用情況的數(shù)據(jù)。使用rlimit進(jìn)行CPU時(shí)間控制，但其只能控制CPU時(shí)間，不能控制實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，所以需要額外添加alarm進(jìn)行實(shí)際時(shí)間的限制。文件句柄同樣通過(guò)rlimit實(shí)現(xiàn)，以保證程序不要打開(kāi)太多文件。如果可行的話(huà)，最好還是使用stdio然后管道重定向，完全禁止程序的文件IO操作。

2.訪(fǎng)問(wèn)控制。

通過(guò)chroot建立一個(gè)jail，將程序限制在指定目錄中運(yùn)行。由于是比賽程序，使用的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)很有限，所以直接靜態(tài)編譯。

3.權(quán)限控制。

監(jiān)控程序使用root權(quán)限運(yùn)行，完成必要準(zhǔn)備后fork并切換為受限用戶(hù)運(yùn)行程序。

4.系統(tǒng)調(diào)用控制。

監(jiān)控所有的系統(tǒng)調(diào)用，運(yùn)用白名單+計(jì)數(shù)器過(guò)濾。

五、結(jié)論

本文研究了當(dāng)前編程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式存在的不足，以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，探究了新的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的教學(xué)模式和方法，構(gòu)建了一個(gè)以實(shí)踐性教學(xué)思想為指導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，為教學(xué)提供了資源性支持、交互性支持和管理性支持，為學(xué)生學(xué)習(xí)提供良好的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，同時(shí)也可以幫助教師搭建學(xué)習(xí)環(huán)境，指導(dǎo)學(xué)習(xí)過(guò)程，監(jiān)控學(xué)習(xí)狀態(tài)，了解教學(xué)反饋和開(kāi)展教學(xué)評(píng)價(jià)。

參考文獻(xiàn)：

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