私有云與大數據實訓平臺在計算機實驗中心的建設與應用

蘭州交通大學計算機科學與技術實驗教學示范中心 馮 凱

信息技術中我們經常看到或提到各種“云”，諸如云計算、云平臺、云技術、云閱讀、云搜索等等。在很多拓撲圖中為了表現互聯網，常常用一團云來代表。那么到底什么是“云”哪？云實際上就是我們經常說到的網絡，隨著互聯網的不斷發展，我們接觸到的數據和信息量大量的增多，僅靠單個的計算機進行數據的處理已難以滿足實際的需求，于是dcr人們考慮到利用網絡來進行數據的處理和服務，這就是產生“云”概念的背景。“云”它是一種比喻說法，隨著發展它表示互聯網和底層基礎設施的一種抽象。是分布式計算技術的一種。

1.云計算

（1）互聯網是基礎設施，云計算是公共服務。云計算是一種基于互聯網的計算方式，通過這種服務方式，可以對軟硬件資源集中進行管理，通過共享資源和信息，按用戶需求，以虛擬化的方式為用戶提供服務。云計算由于是動態可擴展的，而且是以虛擬化的形式提供資源，它就能提供無限的存儲和計算能力。

（2）云計算從資源的類別上來看，它分為三種，也就是SaaS，PaaS和IaaS， SaaS(Software as a Service)主要將應用程序作為服務提供給客戶，PaaS(Platform as a Service)主要是將一個開發平臺或者說系統平臺作為服務提供給用戶。IaaS(Infrastructure as a Service)主要是將虛擬機或者其他基礎設施資源(cpu、存儲器、網絡、服務器等)作為服務提供給用戶，這種服務模型也即所謂的SPI模型。是云計算最典型的三種服務模式， 從技術和運維角度來看，“云計算”是指一種技術架構，主要包含了虛擬化技術、自動化部署、分布式計算、分布式存儲等技術，這個技術架構的優點是可以對外表現出非常優秀的并行計算性能、規模伸縮性和健壯性。

（3）云計算的類型：公有云、私有云、混合云。

2.私有云

私有云計算（Private Clouds）也是一種云計算，主要是指企業自身可以完全控制的云計算方式。本文要討論的是關于教育方面的私有云平臺。把它稱為私有云教育平臺。它是由搭載了云平臺服務器端軟件的云服務器、搭載了云平臺客戶端軟件的云電腦以及一系列網絡部件所組成。它的主要特點：

2.1 創新模式。私有云平臺服務于教育領域，來源于傳統的教育模式同時又突破了傳統的教育模式。集教學管理、學習交流、信息共享為一體，使教育主體的各方面元素，如教師、學生、教學管理人員突破原有的時空限制，在一個虛擬的平臺上進行教學活動。實現了一種新的教學模式。

2.2 整合、分配及擴充資源、提高效率。通過按需分配資源和對資源使用情況進行精確監控和量化，能夠節省投資、提高硬件系統的利用率、降低管理和運維成本、節約能耗，對資金節約和計劃的有效性都非常有意義。

2.3 發揮各自優勢。私有云平臺架構的設計與教育資源的緊密結合，實現多種教學開發和應用。

2.4 私有云平臺可以提供集中的網絡管理和運行維護服務。

2.5 搭建私有云平臺可以提高低配置或老舊計算機的綜合性能，使其達到現有流行速度的效果。

3.實驗中心的私有云與大數據實訓平臺是如何構建的？

3.1 現狀

實驗中心現有計算機應用基礎實驗室、軟件技術基礎實驗室、網絡技術實驗室、單片機技術實驗室、虛擬仿真實驗室等。

現有大部分設備是5年前購置，許多設備已處于老化狀態，在綜合布線系統部分、主干網線主要以千兆雙絞線為主。現有一臺華為企業級路由器、一臺華為全千兆高性能核心交換機及數十臺二層千兆交換機。實驗室PC機為聯想啟天M7300,配置較低，網卡為千兆網卡。

教學實驗內容主要面向校內計算機、通訊、電子技術、物聯網、交通、土木、地理信息等相關專業的學生、完成校內百分之80的計算機實驗教學工作量。工作量（包括軟硬件更新、系統維護、網絡安全等）繁重。設備使用的頻率高且個性化要求復雜多樣。

3.2 平臺的構建

這里的平臺指私有云與大數據實訓平臺。“工欲善其事,必先利其器”，經過前期的考察及充分的論證，實驗中心的實驗情況符合采用私有云(云計算的一種)平臺模式進行教學，不需要對原有設備進行大規模的改造。舊有的設備及網絡布線系統馬上就可以啟用。只需對網管、運維人員和教師進行課前培訓。

中心選用了上海睿亞訓軟件技術服務有限公司的教育云平臺。硬件部分由一臺華三路由器、一臺華三交換機及四臺高性能服務器組成，其中一臺為云博實踐教育平臺，其他三臺為采用分布式存儲技術管理的存儲服務器、在其中一節點上安裝有集中式虛擬桌面管理系統。并發數為150個用戶在線使用。留有擴容空間，在這個基礎上可以增加新的節點。教育平臺與中心原有網絡平臺平行并入校園網。

在軟件部分，系統基礎平臺全部采用Liunix操作系統，管理系統包括兩大系統：YunBo實踐教學管理系統（客戶端），集中式虛擬桌面管理系統。

3.3 平臺實現機制

一個統一的、標準化的技術架構對一項技術的發展是非常重要的，云計算現存的情況是還沒有一個統一的技術架構標準，我們現在看到的比較常見的技術架構可以分為四層：顯示層、中間層、基礎設施層、管理層。

實驗中心的私有云教育平臺技術架構也基本遵從了這一結構。以原有的設備和網絡資源作為基礎設施層，以視頻教學、在線作業及考試等為顯示層，以VDI桌面虛擬化解決方案為基礎，采用開源KVM虛擬機， KVM作為Linux內核中的一個可裝載模塊，它支持的物理設備也即是Linux所支持的物理設備，構建平臺的中間層（虛擬桌面云），以實踐教學系統為管理層，組成教育云平臺。

3.3.1 虛擬桌面云

虛擬桌面云是云計算的一個具體應用實例，虛擬桌面云利用云計算技術在中心內搭建一個服務器集群，通過創建多個虛擬機來提供遠程虛擬桌面；以“虛擬機”和“虛擬桌面”的形式向用戶提供所需的計算、存儲和應用程序等個性化內容，主要管理部分有：系統狀態統計、用戶管理、模板管理、存儲管理、虛擬機管理等。

系統狀態統計負責對資源使用情況進行精確監控和量化，實時反映出資源的運行狀態。

用戶管理負責對用戶進行身份認證、訪問授權。

模板管理就是根據需求來配置一臺虛擬機的硬件參數，在創建建虛擬機的時候，虛擬機的配置要和模板是一樣的，只要選那個模板就可以了。

存儲管理負責對不同類型的存儲設備統一管理，融合，分配、鏡像遷移等。

進行負載均衡存儲。

虛擬機管理負責虛擬機的創建、連接以及向用戶分配虛擬機。之前需要創建模板。在生成虛擬機過程中，以Web方式調用模板。虛擬機管理，屏蔽了硬件層自身的差異和復雜度，呈現為標準化、可靈活擴展和收縮、彈性的虛擬化資源池。

虛擬桌面云平臺的種類：公有池、私有池。

公有池主要指根據對學生學習、實驗的要求，配置建立的虛擬機平臺，這個平臺對每個學生來說是一對一的，同時又是完全虛擬化的。這個公有池不受場地、資金的限制，而是根據用戶實際需求建立。公有池簡單的可以理解為傳統的機房。

私有池是指針對每個教師建立的、虛擬的授課平臺。私有池里可以含有此教師的多門課程平臺。

3.3.2 實踐教學系統

實踐教學平臺，也叫自適應教學平臺（客戶端），它以友好的方式展現教學相關人員所需的教學內容和服務體驗。優化教與學、實現教與學全面互動，充分共享資源池。利用這一平臺，讓學生提前主動學習，提高預習效果；以學定教，教學更顯有效性。

一個教學任務，它包含一些基本的元素，諸如教師、學生、教學資源、虛擬機等，所有的工作都是以課程為主軸，根據教務處下發的教學課程，通過系統平臺將這些元素有機地結合到一起，構成一個完整的教學云平臺。平臺可以實現備課、下發作業、作業提交、檢查、評估、測驗等教學任務。

它的具體特點有：

3.3.2.1 教師與學生可以通過教學平臺實現相互互動。

3.3.2.2 通過創建課程，將課程與上課的學生進行綁定，將課程與桌面進行綁定后再將虛擬機分配給學生，實現學生在虛擬的環境下，完成課程內容。

3.3.2.3 實現各種教學資源上傳平臺，支持教師自身資源上傳，滿足學生課前預習、課堂實訓、課后總結的要求。

3.3.2.4 平臺采用任務驅動教學案例模式，以知識點貫穿教學案例的編排。

3.3.2.5 采用“學習導向圖”學習方式，明確學習目標，總體把控學習流程。

3.3.2.6 實現備課、作業布置、作業提交、檢查、評估等全無紙化系統管理。

3.3.2.7 體系化平臺管理，可與項目管理軟件、考試系統、測試工具等專業引擎作無縫鏈接。

3.3.2.8 借助云桌面技術，可根據課程內容向用戶提供不同類型的實踐環境(Windows+Linux），實現單用戶、跨課程、多桌面。

3.3.3 推送桌面

通過云端方式向每個使用者推送桌面，使得每個使用者都有了一臺屬于自己的電腦，數據及環境都在服務器端，便于個人數據存儲和應用。同時結合服務端的安全策略，使得整體使用環境的安全性以及運維便利性大大提高。

3.4 平臺的特色

3.4.1 采用云計算技術平臺后，可以根據用戶的需求，規劃上機實訓的環境。

3.4.2 用VDI技術解決地理信息等專業軟件的教學實驗。實現了大型軟件ArcGis在VDI中的安裝運行。

3.4.3 優化教與學、實現教與學全面互動，充分共享資源池，支持教師自身資源上傳共享。

3.4.4 實現備課、作業布置、作業提交、檢查、考試、評估等全無紙化系統管理。

3.5 平臺的技術架構圖（見圖1）

圖1

3.6 平臺的網絡拓撲結構圖（見圖2）

圖2中虛線部分為教育云平臺網路結構拓撲圖，其他部分為原有的網絡結構

3.7 數據流向

在私有云平臺路由器上劃分兩個子網VLAN202、VLAN1。四個云服務器在子網VLAN202，私有云平臺路由器與私有云平臺交換機、核心交換機相連的端口在子網VLAN1。這樣，在云平臺上的數據的流向是：

虛擬機之間的數據交換通過私有云平臺交換機完成。

虛擬機與公網間數據交換通過私有云平臺交換機、核心交換機、核心路由器與外網交換數據。

虛擬機與校園網用戶數據交換通過子網VLAN202、校園網交換機進行數據交換。

虛擬機與內網用戶（中心用戶）數據交換通過私有云平臺交換機、核心交換機、接入層交換機完成數據交換。

圖2

3.8 大數據實訓平臺的建設

3.8.1 私有云基礎桌面平臺

采用VDI桌面虛擬化解決方案和KVM虛擬機技術相結合，靈活部署計算與分布存儲，實現私有云基礎桌面環境建設，為整個系統平臺提供基礎服務支持。

3.8.2 教學與實訓的私有云平臺（客戶端）

為教學過程提供完整的教學支撐。用戶通過客戶端設備（瘦客戶機或是家用PC）的瘦客戶計算協議與虛擬桌面進行連接。為每個用戶提供完全個性化的，與物理桌面很難區別的虛擬桌面。

3.8.3 數據科學與大數據專業工程實踐教學與實訓資源

建立數據科學與大數據專業工程實踐教學與實訓資源，包括大數據原理與應用，大數據理論與實踐，大數據項目案例等資源。平臺可支撐包括課件、實驗手冊、教學視頻、教師參考答案、學生答案模板、實驗素材下載，多媒體播放等多種教學資源。

4.私有云及大數據實訓平臺的應用

教師可根據教務處下發的教學計劃，提交所授課程內容和學生名單，系統管理員根據以上內容，建立相應的策略。

4.1 借助用戶賬號管理功能建立教師和學生名單。

4.2 將一部分成熟的、已公開的、多年在教學崗位上向學生傳授的教學資源存放到平臺上，進行共享。對于一部分還在不斷進行完善的、需要充實的教學資源可以放到個人的資源目錄下。可公開，可不公開。

4.3 創建實驗課實驗模板。

4.4 通過已創建的模板建立桌面池。

4.5 創建實驗的“課程管理”，教師可根據“課程管理”建立本學期的實驗內容，對與本課程相關的學生進行實驗等。

4.6 教師和學生借助各自的賬號登陸實踐教學平臺（學寶），在平臺上有爭對每個學生實驗的環境（虛擬機），有實驗內容，有課程考試，供學生完成相關的實訓。

實驗中，私有云平臺為授課教師提供了多種技術手段和工具，幫助教師更好的完成實驗內容。

5.結論

私有云與大數據實訓平臺為教師和學生提供了一種新的實驗平臺，相比傳統的實驗模式，這種創新模式，擴充了資源、提高了效率、方便了管理。

需要完善的部分：

5.1 如何讓教師、學生更快地接受這種新的教學模式

5.2 加快資料的更新、建立上傳資料評估、審核制度。

5.3 完善精品課程示范平臺。