虛擬化技術(shù)在高職院校實踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

卜天然

(安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 蕪湖 241002)

虛擬化技術(shù)在高職院校實踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

卜天然

(安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 蕪湖 241002)

本文通過研究虛擬化技術(shù)在高職院校實踐教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，制定一套符合高職院校實踐教學(xué)需要的私有云平臺規(guī)劃方案。通過有效整合分散的軟、硬件資源，搭建統(tǒng)一的實踐教學(xué)云，通過云管理平臺、實踐教學(xué)云應(yīng)用，實現(xiàn)靈活統(tǒng)一的資源調(diào)配、系統(tǒng)部署和運維管理模式。從而大大提高資源利用率，提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)，同時減少了實訓(xùn)室管理人員瑣碎的管理事務(wù)，提高管理人員的工作效率。最終實現(xiàn)以云計算服務(wù)為中心的數(shù)字化、智慧化實踐教學(xué)平臺的建設(shè)目標(biāo)。

虛擬化技術(shù)；實踐教學(xué)；私有云

1.信息化技術(shù)在我院實踐教學(xué)中應(yīng)用現(xiàn)狀及研究背景

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010―2020年)》和《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃》中明確提出要“加快教育信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”，“充分整合現(xiàn)有資源，采用云計算技術(shù)，形成資源配置與服務(wù)的集約化發(fā)展途徑，構(gòu)建穩(wěn)定可靠、低成本的國家教育云服務(wù)模式”。這為“十三五”教育信息化發(fā)展指明了方向，通過云計算的手段全面部署教育管理信息系統(tǒng)，有助于提升教育資源公共服務(wù)平臺技術(shù)水平和服務(wù)能力，有助于提升教育治理體系和治理能力的現(xiàn)代化水平。

近年來，各高職院校均高度重視高校信息化工作，以安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例，從2012年起，學(xué)院依據(jù)數(shù)字化校園建設(shè)需求，在信息化建設(shè)方面投入資金475萬元，信息基礎(chǔ)設(shè)施初具規(guī)模。其中，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)225萬元，中心機房建設(shè)74萬元，軟件信息系統(tǒng)建設(shè)176萬元。學(xué)院目前已建成萬兆骨干校園網(wǎng)、標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)中心機房。校園網(wǎng)擁有各類服務(wù)器40臺，骨干網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備39臺，教學(xué)與辦公終端計算機近4000臺，基本建成了以信息門戶、統(tǒng)一身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)交換中心三大平臺為基礎(chǔ)的數(shù)字化校園平臺；同時，學(xué)院也高度重視實踐教學(xué)基地的建設(shè)，平均每年投入1000萬用于校內(nèi)實訓(xùn)基地的新建、改建、擴建等項目，目前學(xué)院共建有校內(nèi)實訓(xùn)室96個，覆蓋全院36個專業(yè)的實踐教學(xué)場所，經(jīng)過近幾年跨越式發(fā)展與建設(shè)，極大改善了我院實踐教學(xué)環(huán)境，校內(nèi)實踐教學(xué)條件得到進(jìn)一步提升。

隨著教育方式的快速轉(zhuǎn)變，學(xué)院各系都在大力加強實踐教學(xué)，不僅電子信息工程系、藝術(shù)設(shè)計系對信息化硬件需求不斷增強，會計系、經(jīng)濟貿(mào)易系等財經(jīng)類專業(yè)近年來也陸續(xù)采購了VBSE、用友ERP等大型虛擬仿真教學(xué)軟件，這些虛擬仿真教學(xué)軟件的部署，對提高財經(jīng)類實踐教學(xué)質(zhì)量有著巨大的推動作用；與此同時，軟件對IT基礎(chǔ)資源的需求也快速增加，以實驗實訓(xùn)中心管理全院42個通用型實訓(xùn)室(以電腦為主體的實訓(xùn)設(shè)備超60臺為計算依據(jù))為例，通過近幾年的建設(shè)，實訓(xùn)室配套有機架式服務(wù)器7臺、塔式服務(wù)器16臺，在服務(wù)器上運行的虛擬仿真教學(xué)軟件已有近20余種。實訓(xùn)室已從原先的單一臺式機逐步轉(zhuǎn)變成以服務(wù)器為主導(dǎo)、桌面式臺式機為主體的多元化實訓(xùn)室。

服務(wù)器與電腦的增配改善了學(xué)院實訓(xùn)條件，解決了單一課程軟件的運行需求。但實踐教學(xué)信息化方面卻面臨著分散建設(shè)的問題：所有學(xué)生電腦均為獨立模式，教學(xué)資源與實訓(xùn)成果只能保存在原先電腦中；所有機架式服務(wù)器均分散在各個實訓(xùn)室；有的服務(wù)器常年只運行一個應(yīng)用軟件；塔式服務(wù)器除了少部分?jǐn)?shù)據(jù)庫服務(wù)器之外，其他應(yīng)用服務(wù)器的負(fù)載都較小，遠(yuǎn)沒有達(dá)到充分利用的狀態(tài)。出現(xiàn)資源緊張時各系搶著借，資源富裕時服務(wù)器斷電“睡大覺”的尷尬局面。一方面，信息化系統(tǒng)建設(shè)需求越來越多，原有的硬件已經(jīng)無法支撐更多的新業(yè)務(wù)，擴容的需求非常緊迫，而另一方面一些服務(wù)器資源并未得到有效利用，這一矛盾初顯端倪。

研究表明，分散的實訓(xùn)場所的數(shù)據(jù)中心建設(shè)會導(dǎo)致資源利用率低，重復(fù)建設(shè)，管理成本高的問題。2016年，學(xué)院網(wǎng)絡(luò)中心、實訓(xùn)中心先后實施了部分服務(wù)器、桌面計算機的虛擬化工程，初步實現(xiàn)了虛擬化技術(shù)在校內(nèi)的應(yīng)用，從運行及維護(hù)方面看，通過有效的虛擬化可以加快新的實踐教學(xué)管理軟件的運行，降低采購成本，提高業(yè)務(wù)的可靠性。

2.學(xué)院實訓(xùn)中心信息化技術(shù)的現(xiàn)狀分析與解決思路

2.1現(xiàn)狀分析

學(xué)院實訓(xùn)中心目前以7臺X86服務(wù)器為主，部署了多個信息系統(tǒng)為學(xué)院實踐教學(xué)業(yè)務(wù)提供信息化技術(shù)支撐。目前部署有數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、文件服務(wù)器等獨立服務(wù)器，運行著實踐教學(xué)應(yīng)用、機房管理、數(shù)據(jù)庫等業(yè)務(wù)。從現(xiàn)有運行數(shù)據(jù)來看，除了數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之外，其他應(yīng)用服務(wù)器的負(fù)載都較小，遠(yuǎn)沒有達(dá)到充分利用的狀態(tài)。所有業(yè)務(wù)都采用單機部署，數(shù)據(jù)存放在系統(tǒng)本地硬盤，同時數(shù)據(jù)中心的設(shè)備使用周期較長，存在較大的安全隱患。隨著實踐實踐教學(xué)業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，即將建設(shè)和管理的實訓(xùn)信息系統(tǒng)不斷增加，對實訓(xùn)中心管理部門在資源利用、系統(tǒng)部署及業(yè)務(wù)連續(xù)性方面提出了更高的要求。從學(xué)院業(yè)務(wù)運行效率，以及連續(xù)性保障等方面，對數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)架構(gòu)資源進(jìn)行升級改造勢在必行。

2.2解決思路

云計算的出現(xiàn)和演變是從1990年代開始的，它經(jīng)歷了網(wǎng)格計算、效用計算、軟件即服務(wù)(SaaS)等幾個階段。我們可以這樣定義云計算：云計算是一種計算模式，在這種模式中，應(yīng)用、數(shù)據(jù)和IT資源以服務(wù)的方式通過網(wǎng)絡(luò)提供給用戶使用。云計算也是一種基礎(chǔ)架構(gòu)管理的方法論，大量的計算資源組成IT資源池，用于動態(tài)創(chuàng)建高度虛擬化的資源提供用戶使用。綜上所述，云計算是一種能夠降低IT復(fù)雜性的新方法，它將按需提供的自助管理虛擬基礎(chǔ)架構(gòu)匯集成高效池，以服務(wù)的形式提供計算，目前來看，云計算就是能夠?qū)崿F(xiàn)前述要求的主要技術(shù)體現(xiàn)。

在這種環(huán)境下，基于云計算的虛擬化技術(shù)就體現(xiàn)了整合優(yōu)勢。應(yīng)用在IT的不同層面，從邏輯層到物理層抽象出來意味著邏輯組件會得到更一致的管理。從各方面來看，均對實訓(xùn)室平臺性能有較大提升。

(1)從安全監(jiān)督來看，虛擬化技術(shù)提升了X86服務(wù)器的可靠性、可用性，從基礎(chǔ)架構(gòu)層面獲得了原先單機系統(tǒng)無法想像的功能，大大提高了業(yè)務(wù)連續(xù)性的級別，降低了故障率、減少了系統(tǒng)宕機的時間。

(2)從服務(wù)器的角度來看，虛擬化技術(shù)讓每臺設(shè)備都能托管多種操作系統(tǒng)，最大化了利用率，降低了服務(wù)器數(shù)量。

(3)從存儲的角度來看，虛擬化技術(shù)可網(wǎng)絡(luò)化、整合磁盤設(shè)備，并讓多個服務(wù)器共享磁盤設(shè)備，從而提高了利用率。

(4)從應(yīng)用的角度來看，虛擬化技術(shù)將應(yīng)用計算從用戶設(shè)備中分離出來，并在數(shù)據(jù)中心對應(yīng)用及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，通過集中化技術(shù)改善了管理和系統(tǒng)安全性。

通過現(xiàn)狀分析和技術(shù)需求分析，采用對實訓(xùn)中心所有X86架構(gòu)服務(wù)器進(jìn)行虛擬化遷移整合，建設(shè)數(shù)據(jù)中心計算存儲超融合資源池的解決方案。下圖1是虛擬化整合之后的IT架構(gòu)，可以看出來，原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并沒有改變，避免了資源重復(fù)建設(shè)。

圖1 實訓(xùn)云平臺架構(gòu)拓?fù)鋱D

3.實踐教學(xué)云平臺的構(gòu)建

基于目前實踐教學(xué)環(huán)境中服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)和安全現(xiàn)狀和未來學(xué)院實踐教學(xué)業(yè)務(wù)發(fā)展目標(biāo)規(guī)劃設(shè)計了云平臺邏輯架構(gòu)。平臺包含實訓(xùn)云平臺基礎(chǔ)資源架構(gòu)、實訓(xùn)資源管理平臺、桌面云及數(shù)據(jù)安全管理平臺等五個子模塊。通過服務(wù)器虛擬化(SDC)、存儲虛擬化(SDS)和網(wǎng)絡(luò)虛擬化(SDN)技術(shù)構(gòu)建軟件定義的數(shù)據(jù)中心(SDDC)，實現(xiàn)對學(xué)院實訓(xùn)環(huán)境的資源支持，再結(jié)合實訓(xùn)云平臺資源管理平臺和實訓(xùn)桌面云接入平臺實現(xiàn)實訓(xùn)資源管理及按照教學(xué)需要自動化交付實訓(xùn)應(yīng)用環(huán)境，滿足不同師生對實訓(xùn)應(yīng)用場景的個性化要求，實現(xiàn)實踐教學(xué)信息系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)“統(tǒng)一規(guī)劃”、“統(tǒng)一部署”、“統(tǒng)一投資”和“統(tǒng)一管理”。實踐教學(xué)云平臺整體業(yè)務(wù)邏輯架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 私有云邏輯架構(gòu)圖

根據(jù)邏輯架構(gòu)圖，可以將實踐教學(xué)云平臺分為以下幾個核心業(yè)務(wù)模塊：

(1)實踐教學(xué)云資源平臺

通過軟件定義的計算、軟件定義的存儲、軟件定義的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行資源抽象整合，形成虛擬化資源池，為實訓(xùn)課程資源、教育教學(xué)應(yīng)用資源、實訓(xùn)終端桌面云資源提供基礎(chǔ)設(shè)施支撐服務(wù)，滿足實踐教學(xué)對底層資源的動態(tài)、靈活、可靠、可擴展等要求。

(2)教學(xué)、實訓(xùn)資源管理平臺

構(gòu)建實訓(xùn)資源管理平臺，將學(xué)院各類實訓(xùn)課程進(jìn)行集中統(tǒng)一構(gòu)建、部署、分發(fā)、使用、回收管理，對傳統(tǒng)的實訓(xùn)模式進(jìn)行創(chuàng)新，利用云計算自服務(wù)能力，滿足不同課程環(huán)境的云計算服務(wù)化交付。利用實訓(xùn)云平臺構(gòu)建在線教學(xué)、MOOC、精品課程等教學(xué)應(yīng)用資源，滿足日常教學(xué)需求。

(3)桌面云及數(shù)據(jù)安全管理平臺

通過桌面云管理平臺對桌面云用戶權(quán)限、應(yīng)用類型、實訓(xùn)課程內(nèi)容及實訓(xùn)手冊進(jìn)行管理，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化實訓(xùn)云桌面接入環(huán)境，簡化機房管理員終端運維管理的同時，可以實現(xiàn)通用實訓(xùn)軟件的快速部署及應(yīng)用軟件的切換。

(4)教學(xué)/實訓(xùn)云資源管理及自動化引擎

資源管理及自動化引擎負(fù)責(zé)實訓(xùn)課程資源分配、課程支撐環(huán)境組建、課程間隔離管理等功能，教師可手動或自動部署課程為學(xué)生提供實驗環(huán)境；自動化引擎實現(xiàn)課程的自動化創(chuàng)建及回收管理，最大化實訓(xùn)資源的復(fù)用率。

(5)教學(xué)/實訓(xùn)云平臺服務(wù)門戶

學(xué)生可以利用實訓(xùn)服務(wù)門戶自助申請、使用實訓(xùn)資源，通過服務(wù)門戶與云計算資源平臺進(jìn)行服務(wù)交互。

4.大規(guī)模并發(fā)計算在虛擬化技術(shù)中的實現(xiàn)

虛擬化技術(shù)的引進(jìn)，帶來了虛擬網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)絡(luò)虛擬化)的概念。在虛擬化平臺層面，將會衍生出一個虛擬交換層。虛擬機(應(yīng)用)與系統(tǒng)外的數(shù)據(jù)交互，都是通過虛擬交換層(虛擬交換機)來實現(xiàn)的，網(wǎng)絡(luò)管理的終端設(shè)備是虛擬網(wǎng)卡，物理網(wǎng)卡僅僅作為一個數(shù)據(jù)通道存在，沒有管理意義。

對于虛擬化平臺的網(wǎng)絡(luò)管理，需要單獨建設(shè)虛擬化管理網(wǎng)，作用是對虛擬化環(huán)境的統(tǒng)一管理，并且單獨便于計算資源流動時不會對生產(chǎn)網(wǎng)造成影響。下圖3是虛擬化平臺的網(wǎng)絡(luò)連接示意圖。

圖3 網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

在進(jìn)行大規(guī)模并行計算方面，云平臺下的應(yīng)用作為客戶端發(fā)出計算請求，為完成計算請求作業(yè)，首先將其拆分成若干個任務(wù)，然后分配到分布式數(shù)據(jù)網(wǎng)格的各個節(jié)點去執(zhí)行，經(jīng)過計算處理之后，相關(guān)計算節(jié)點的結(jié)果自動匯總到發(fā)出此計算請求的客戶端并得出最終結(jié)果。當(dāng)計算節(jié)點不充足時，用戶自動添加計算資源滿足高并行計算的壓力負(fù)載，用戶還可根據(jù)自己的計算需求靈活設(shè)置并行計算策略，這大大提高并行計算的機動性，使其分布式擴展得到良好的保證。在跨數(shù)據(jù)中心的分布式計算方面WAN網(wǎng)關(guān)聯(lián)的成員之間(或者相同網(wǎng)絡(luò)的多個集群之間)為了分布數(shù)據(jù)，使用超對等體的網(wǎng)關(guān)特性來提供異步復(fù)制數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程分布式系統(tǒng)。一個網(wǎng)關(guān)進(jìn)程在一個或多個數(shù)據(jù)區(qū)域上監(jiān)聽增，刪，改，查事件，然后以容錯的方式(內(nèi)存或者磁盤)隊列化相關(guān)事件，事件被保存在隊列里，當(dāng)多個更新共同作用于一個鍵，此事件會合并在一起(舊的更新從隊列中刪除，最新的更新留在隊列中)。發(fā)送到遠(yuǎn)程系統(tǒng)的事件是批量的，根據(jù)分布式系統(tǒng)之間網(wǎng)絡(luò)狀況的可以配置消息的大小。在接受端做沖突檢測，網(wǎng)關(guān)配置成單向或者雙向，或多個遠(yuǎn)程站點接受事件，達(dá)到異步網(wǎng)關(guān)分布式數(shù)據(jù)中心協(xié)同計算。異步網(wǎng)關(guān)分布式架構(gòu)如圖4所示。

圖4 異步網(wǎng)關(guān)分布式架構(gòu)

5.實踐教學(xué)云平臺應(yīng)用成效

5.1應(yīng)用服務(wù)器的效率對比

實踐教學(xué)云平臺采用虛擬化技術(shù)后，在原有7臺刀片服務(wù)器組成的虛擬化資源集群中，只要具有整體資源空閑，即可采用模板或服務(wù)器復(fù)制方式快速建立一臺新的虛擬化服務(wù)器，耗時不超過15分鐘。與傳統(tǒng)方式相比，所需部署時間最短可以縮小到1/1440。極大的提高了用戶應(yīng)對各類突發(fā)新的應(yīng)用需求的能力，并且節(jié)約了工作時間，提高工作效率。服務(wù)器準(zhǔn)備耗時對比如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)生成啟動耗時對比

5.2虛擬化前后的教學(xué)成本估算對比

在虛擬化之后，我們?nèi)绻瓷鲜稣媳葹槔晕迥晷陆ā⒏慕?0個通用實訓(xùn)室規(guī)模進(jìn)行計算，虛擬化后需要5臺四路四核CPU服務(wù)器，只需10塊Infiband網(wǎng)卡和10塊HBA卡(每臺服務(wù)器配兩塊HBA卡，形成鏈路冗余)。結(jié)合人工及電力成本，五年共節(jié)省教學(xué)成本449萬。

表1 虛擬化前、后對比分析

6.結(jié)語

通過研究虛擬化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，制定了一套符合高職院校實踐教學(xué)需要的私有云平臺規(guī)劃方案并應(yīng)用。實踐表明通過有效整合分散的軟、硬件資源，搭建統(tǒng)一的實踐教學(xué)云，可以大大提高資源利用率，提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)，同時減少了實訓(xùn)室管理人員瑣碎的管理事務(wù)，提高管理人員的工作效率。

[1]孟凡立．基于云計算的高校數(shù)據(jù)中也設(shè)計與實現(xiàn)[J]．現(xiàn)代教育技術(shù)，2012，(3)：99―103.

[2]王英合．關(guān)于云計算的高校數(shù)據(jù)中也建設(shè)與信息服務(wù)發(fā)展研究[J]．網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用,2014，(11):219.

[3]吳永佑．?dāng)?shù)據(jù)中心機房節(jié)能建設(shè)方式淺析化[J]．廣播電視信息，2014，(12):59―61.

[4]馬飛．云數(shù)據(jù)中心中虛擬機放置和實時遷移研究[D]．北京:北京交通大學(xué)博士論文.2013.

[5]王聰．面向云計算的數(shù)據(jù)中也網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].計算機研究與發(fā)展，2012，(2):286―293.

[6]任昱．基于Vmware revsphere虛擬化資源管理平臺研究[J]．計算機應(yīng)用與軟件，2012，(5):219―223.

(責(zé)任編輯 李志虹)

Research on the Application of Virtual Technology in Practical Teaching in Higher Vocational Colleges

BU Tianran

(AnhuiBusinessCollege,Wuhu, 241002,AnhuiProvince)

The paper, through the analysis of the present situation of the application of virtual technology, strives to put forward a scheme to build a private cloud platform for practical teaching in higher vocational colleges. According to the scheme, both the software and hardware resources are integrated to build the cloud platform, with which the resources distribution, system deployment and management become more flexible. Meanwhile, it is predicted that resource utilization, response speed and working efficiency can be improved dramatically and the goal of a digital and intelligent practical teaching platform based on the cloud computing system can be eventually realized.

Virtual Technology; Practical Teaching; Private Cloud Platform

安徽省高校自然科研一般項目，項目編號：KJSM201601；安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級重點科研項目，項目編號：2017ZDX01。

2017 - 02 - 27

卜天然(1981―)，男，安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，研究方向：數(shù)據(jù)挖掘，虛擬網(wǎng)絡(luò)計算。

TP15

A

1671 - 7406(2017)03 - 0068 - 06