開放云解決實驗教學管理難題

文/胡騰 李燕紅 宋鳳英

實驗課程教學環境管理的問題

如今信息化和智能化技術在高等教育中的應用越來越普遍，尤其是經管類學校中的實驗課程更加依托于計算機實驗環境。隨之帶來的問題是國內大多數高校的實驗教學計算環境還停留在大量物理計算機階段，它的管理和維護問題越來越突出。

首先，實體計算機所需要的物理空間分布過大而且固定，不利于參與者的使用和維護。對于高校的學生和教師來說，每個人必須要到固定的實驗室進行操作，課程需要大量的教室空間資源。同時，對于高校的管理人員，這樣的實驗課程環境意味著一旦出現問題將很難被定位。更嚴重的情況下，如果物理計算機集群出現了計算機病毒或者部分被植入木馬，都很難被解決。重新部署實驗室的系統環境將是十分繁重的重復勞動，為了降低此類運維工作并控制未知風險，必須引入虛擬化技術進行解決。

同一臺物理實驗環境一次只能運行一個固定的操作系統，系統的硬件資源配置幾乎不可能動態改變，造成了大量計算資源的浪費。隨著實驗課程的深入，不同的課程需要引入不同的實驗軟件環境，使得大量的軟件、數據和文檔需要被存儲在同一臺物理環境之下，造成實驗環境分類更加困難，同時對硬件要求越來越高。系統的冗余垃圾不斷積累，注冊表會存在大量無用的配置信息。隨著時間推移，物理實驗機器整體性能將會嚴重滯后，影響正常的教學活動。

實驗物理集群管理本身是業界的一個大問題。隨著統一管理軟件的出現，自動化運維與無人值守的引入一定程度上解決了部分管理問題。然而，由于高校環境使用的復雜性和高并發性，一方面，定制和維護管理軟件系統的成本極高，另一方面，隨著需求的不斷變化，管理系統將會逐漸滯后于使用的現實情況。

綜上，高校實驗教學環境的管理問題是由于大量物理計算資源的引入造成的。如何降低管理成本以及運維人力是現在高校亟待解決的問題。技術革新使得虛擬化技術大量應用于高校的實驗教學環境，在一定程度上降低了實驗教學環境的管理成本。然而，虛擬化技術本身以及與高等實驗教育相結合的過程中又帶來了新的問題。大量的技術引進和新型概念對于傳統教育行業來說并不是良藥，虛擬化技術如何真正解決高校實驗教學環境所帶來的實際問題，值得我們探討和解決的。

開放云實驗計算平臺概念及特點

開放云實驗計算平臺是對外經濟貿易大學自主研發的一套輔助實驗教學系統，該實驗計算平臺對基于HTML5的WebRDP協議進行了修改和封裝，并結合對外經濟貿易大學實際實驗教學的情況和已有運維管理經驗進行開發，目的是為了更好地輔助教師進行教學，促進學生學習，幫助運維人員進行實驗課程管理。該平臺基于服務器虛擬化技術，將高校實驗課程所需要的服務器硬件資源構成一個大的資源池，對所使用的資源進行動態配置，同時封裝整體計算資源，進行同一IP地址接入，減少了外部交互，使得整個平臺完全被封裝，易于使用和運維。

在過去的一段實際的教學之中，通過在實際實驗教學應用過程中產生的數據，也間接反饋了這種新型教學模式在高校應用中的廣泛性和創新性。

網頁訪問無需客戶端安裝

首先，為了更好地輔助實驗教學，中心虛擬化教學平臺采用了B/S(Browser/Server，瀏覽器/服務器)架構，學生學習、教師教學以及運維人員進行平臺管理都只需要同一IP地址入口進入平臺。這需要操作系統能在主流瀏覽器之中進行顯示與交互，目前只有HTML5技術支持這種解決方案。由于學生學習大部分采用的是Windows系統，在虛擬化技術之中屬于較困難的全虛擬化技術。WebRDP不同于半虛擬化的遠程VNC協議，如何通過此協議傳輸到常用的瀏覽器之中并正確顯示成了最大的問題。基于HTML5的WebRDP技術可以說是此解決方案的核心思想和最重要技術，解決了頁面在瀏覽器傳輸問題之后，本平臺相對于傳統虛擬化解決方案的優勢才能顯示出來。不用受限于物理環境的限制，極大地提高了開放云實驗計算平臺的核心競爭力。目前支持Chrome、Firefox、Safari及IE等主流瀏覽器，并提供自適應瀏覽器大小的功能。帶來的好處有，學生和教師只需要訪問一個固定地址就能訪問到屬于自己的實驗計算資源。虛擬化技術不僅突破了傳統的教學物理空間和學習環境的限制，而且使得教與學的過程可以分布在不同的物理環境之下。由于很少受到機器本身的限制，使得課下繼續實驗成為可能。

B/S結構的提出可以幫助解決大量客戶端安裝的問題，同時也能節省大量的開發成本。而開放云實驗計算平臺應用了此框架結構，不僅僅只是為了解決客戶端所帶來的問題，同時對于高校新型實驗室的創建提出了新的解決方案。省去了客戶端部署，可以利用高校傳統的多媒體教室加上有邊界的無線網絡構建特殊的實驗室環境。

由于現在智能終端的普及，學生可以完全在傳統的多媒體實驗室通過自己的手持設備訪問到開放云實驗計算平臺之中屬于自己的虛擬計算環境內，節省了實驗室創建的成本，解決了機房資源不足的問題，同時將傳統課堂之中知識的傳授變成技能熟練度的訓練行為，成熟以后可以在傳統多媒體教室完成技能訓練的考試等。

高校人力運維成本最小化

開放云實驗計算平臺的需求定位之一是大幅度降低運維與管理成本。平臺投入運行的結果證明平臺系統的安裝零成本、運維零成本、使用零成本。開放云實驗計算平臺的出現降低了對外經濟貿易大學管理人員的運維成本，使得管理和教學集成在一個入口點，通過權限設計分開，簡單和方便。

為了解決成本問題，中心對開源框架Django進行了開發，系統所包含的管理思想對于整體的管理十分重要。因為控制和管理系統直接面向用戶，是教師和學生使用體驗、能否省去運維管理人員的人力成本是重要的一個選項。管理人員通過平臺系統的集中管理就可以操作所有的教室虛擬機器，同時更容易修復虛擬機系統出現的各類問題。

開放云實驗計算平臺通過大量的程序編寫，將主要功能全部通過簡單的鼠標操作進行封裝，系統中集成了大量的操作功能，并盡可能封裝成了簡單的鼠標點擊操作，使得實際使用中能有更好的用戶體驗。

學生使用時間更加合理

開放云實驗計算平臺主要通過面向高校實驗課程預約管理和課程自動化輪循使用來實現。實際教學過程中，課程數的增加必然給服務器帶來更大的負載壓力，如何充分使用服務器的性能成為節省成本的重要因素之一。開放云實驗計算平臺采用課程輪循調度的方式，使得加入的實驗課程在設定好的時間內自動啟動或者關閉，完全成為了自動化的程序。管理人員的一次加入，使得后續課程完全由機器進行托管，整個平臺優先保證課程正常運行。

為服務器資源得到充分使用，學生更好地管理學習實驗時間，平臺上學生身份的可以對自己的虛擬機進行預約使用。在固定的時間段內，學生可以訪問到自己的機器資源，完成課程之后，平臺將自動關閉此機器，并將釋放出來的硬件資源給予其他人進行使用，平臺可以充分調度和使用教學資源，完成優化實驗教學的目的。

開放云實驗計算平臺具體應用

開放云實驗計算平臺從第一步創建起來都是圍繞實驗教學進行，在投入使用的過程中，隨時投入到實際課堂中，可以及時得到師生的反饋。結合開放云實驗計算平臺的原生優勢，平臺系統迅速應用到了對外經濟貿易大學的實驗課程之中，在收到師生好評的同時，也開辟了實驗教學模式新的模式。例如學校金融學院研究生課程，名為“Python在量化交易中的應用”，課程需要配置完整的python環境，包括python2.7的解釋器、IPython環境、Sublime Text編輯器、繪圖軟件Visio、編程教育軟件Scratch等。安裝的軟件較多而且相對比較集中，在服務器中的Windows7系統上直接安裝壓縮模板并直接生成使用，不需要后續的分布安裝。

同時，由于人數增加的原因，此課程由46座教室調整到了64座大教室，開放云實驗計算平臺中的虛擬機器無需像物理環境一樣重新部署。學生和教師的教學環境在物理環境的更換之后無縫平滑地過渡，沒有使實驗教學的過程產生任何影響，同時管理員也沒有任何參與過程，節省重新安裝的人力開支。

平臺系統架構及核心技術

開放云實驗計算平臺在硬件方面分為兩大部分，一部分是作為承載大規模虛擬機運行的服務器，目前應用的是Dell的R910，采用開源的虛擬化系統。另一部分作為承載各類核心服務和運行所有程序的控制服務器，應用的是托管的虛擬機。在操作系統方面，控制服務器采用的是Ubuntu 12.04 Server，而在R910之中XenServer 6.2版本。服務器虛擬化方面，由于主要承載教學進行使用，目前支持各類Windows操作系統，同時也支持部分可視化Linux的需求使用。

系統功能及主要流程

圖1 功能視圖

在系統功能方面，虛擬化教學平臺解決方案旨在提供一個通用IP地址，通過權限設計的方式把管理員、教師、學生的三類用戶分別開來。對應的基礎功能模塊主要包括對模板的管理和訪問、虛擬機組的管理和訪問、用戶信息和其他信息等。教師和學生的操作基本已訪問和申請為主，這也反映了開發人員簡潔明確且方便使用的思路。而對于運維管理人員來說，其需要使用的功能更多也更加復雜，在功能方面包括四大類的功能模塊，每類功能模塊又分為更加細致的小型功能模塊。功能視圖如圖1所示：

其中，簡要介紹核心的兩大模塊，模板管理功能模塊和虛擬機組管理模塊。首先是模板管理模塊，模板是學生和教師虛擬機組批量創建的核心，通過對模板的克隆使得運維管理人員可以迅速根據實際課堂需要創建對應的虛擬機，而每臺虛擬機都包含此類課程所需要的全部軟件信息。所以，如何定制化一個模板和管理好已有的模板成為衡量系統是否成功的重要因素。虛擬化教學平臺在此提供了三個子模塊，分別是模板庫列表模塊、制作新模板模塊以及模板申請查看模塊，管理人員通過審核教師的申請課程信息，可以判斷出使用已有模板還是協助教師制作新的模板，制作完畢的模板存儲在模板庫列表之中，最后成為創建課程的原型。包含了教師的申請操作和管理人員的審批和制作操作，教師提出請求，管理員完成請求。

另一方面為虛擬機組管理模塊，虛擬機組是課程通過模板克隆出來的學生和教師虛擬機的統稱，而實際教學之中，學生和教師在各自的虛擬機中進行操作，一個虛擬機組相當于一個虛擬出的課堂。其中包含兩個重要模塊，一個是虛擬機組列表，虛擬機組列表可以顯示不同課程對應的所有虛擬機的實時狀態，管理員可以隨時去操作相關的虛擬機，比如集體的開關機、重啟和刪除等操作。虛擬機組的操作在管理課堂行為的同時，可以節省大量的服務器硬件資源供其他課程使用。

平臺服務器硬件要求

開放云實驗計算平臺系統要求相對于物理環境較低，由于所有的虛擬機都建立中心的服務器之上，所以對于整體的系統來說，服務器水平是虛擬機系統能否成功而有效部署的瓶頸。一般來說，搭建大規模教學環境的服務器所需要的硬件水平市場是基本沒有能夠達到此高要求的。

所以，對于多臺服務器做成的是一個集群系統，共同配合工作。服務器的具體的配置根據虛擬機數量進行變更，由于實現了增量硬盤和內存動態分配的技術，相對的服務器瓶頸在于CPU的工作效率和網絡帶寬的限制。例如一臺Windows7需要至少2G內存和24G硬盤，10臺就會消耗20G內存和240G的硬盤容量。考慮本機服務器虛擬化系統資源占用、硬盤和內存技術優化、冗余備份等增減要求，一般24G內存和300G硬盤容量的服務器就完全能夠滿足。客戶端的機器要求不高，一般能正常運行的均可，因為所有資源都是在服務器上進行運行。所以對于學生的物理設備能顯示、能通信和鼠標鍵盤操作即可，這也是移動設備就能滿足條件的原因。同時對于教學系統來說，集成的低端顯卡就可以滿足需求，對于其他環境可以自行增減設備。網絡方面，由于虛擬機數量不同，服務器端的帶寬要求盡量是萬兆，客戶端百兆接入即可，目前學校的條件完全可以滿足。

現代的教學實驗環境應在物理機器集群的基礎之上，配合桌面虛擬化的系統調度，應用虛擬化推送以及服務器虛擬化的開放云實驗計算之下，才能解決不斷出現新的教學環境問題。現實中，可以采用一部分的虛擬化進行實驗教學，把物理機和虛擬機的使用結合起來，最終實現物理環境和虛擬環境無縫鏈接起來進行教學使用，達到對高校教學信息化建設的最終目的。