云計算虛擬化實驗室建設探索

姚佳岷 溫 武 丘凱倫 郭旭鳴

廣州大學計算機科學與網絡工程學院 廣東廣州 510006

隨著信息技術的不斷迅猛發展，實踐教學的方式也在不斷發生轉變。為了適應新時代/新技術的要求，實踐教學實驗環境需要不斷改進和發展，這樣才能為社會培養出具有實踐能力、綜合素質強、創新思維的應用型人才。目前，云計算技術發展越來越成熟，在各個領域都有應用，很多高校也在建設云平臺的虛擬實驗室，并開設相關課程與實驗教學[1-3]。在廣州大學的支持下，計算機科學與教育軟件學院建設新的基于云計算的虛擬化實驗室，對設備進行升級改造，并在此基礎上開展建設創新基地，使虛擬化實驗室得到充分利用的同時，也優化了對學生創新實踐教學的管理。

1 云計算虛擬化實驗室的設計

云計算虛擬化實驗室設計的主要方案是通過服務器整合計算、存儲和網絡資源，集中化管理和資源分配，實現硬件設備的虛擬化，使用戶能夠以“輕設備、重應用”的方式獲得所需的資源。實驗室搭建框架主要是采用服務器資源集中部署、平臺虛擬化管理、實驗環境與外界相隔離的方式實施[4]。具體框架設計如圖1所示。

圖1 云計算虛擬化實驗室框架設計

實驗室硬件設備主要是以2臺H3Cloud服務器FlexServer R390(2×8核32線程CPU、16×8g內存、2T硬盤存儲)作為架設云平臺的核心設備，利用3臺千兆以太網的交換機連接54臺終端機，另外預留接口給其他個人用戶使用，再通過路由器連接外部網絡，采用封閉的實驗環境與外網訪問相結合的策略。H3Cloud的云計算解決方案是基于OpenStack的商業化云服務平臺，在繼承原有架構的開放性、靈活性、可擴展性和兼容性強的基礎上，做了相關的定制和優化服務。云平臺融合了計算、網絡、存儲、安全資源的虛擬化，形成彈性的數據中心資源池，實現資源的自動化管理，從而為上層提供更好的服務。利用虛擬化技術使虛擬機形成邏輯隔離，業務獨立，當任意一臺虛擬機出現故障，處于同一物理機的其他虛擬機不會受到影響，不同虛擬機間的操作系統也可以實現異構。

2 云計算虛擬化實驗室的建設

2.1 虛擬化實驗室的整體架構建設

虛擬化實驗室的云平臺構建主要是為教學、實驗、創新實踐和科研提供實驗環境和各種硬件服務器資源，并實現對實驗室的管理、分配和監控的一系列解決方案。通過H3C公司推出的結構云計算基礎架構的管理軟件H3C CAS可以精簡數據中心服務器的數量，整合數據中心IT基礎設施資源，同時也整合了計算及網絡資源，精簡IT操作，提高管理效率，在實驗教學、創新實踐方面都能夠更加高效地利用物理資源和降低整體擁有成本，能夠為實驗室的擴展提供更多元的方向。虛擬化實驗室云平臺及CAS服務的整體架構和功能如圖2所示。

圖2 整體架構介紹

該架構由兩大部分組成，分別為硬件基礎設施和云計算管理平臺集成系統。其中硬件基礎設施為傳統部署的物理網絡結構、服務器和存儲等；虛擬化管理平臺集成系統由3層的組件組成。

運行在最上層的是CIC(云業務管理中心)，由一系列基礎業務模塊組成，通過將基礎架構資源(包括計算、存儲和網絡)及其相關策略整合成虛擬數據中心資源池，并允許用戶按需消費這些資源，從而構建安全的多用戶混合云。其業務范圍包括：組織(虛擬數據中心)、自助服務門戶、云業務電子流、自動化部署與交付、多租戶數據、業務安全和兼容OpenStack的Rest API接口等。

中間層是CVM(虛擬化管理平臺)，實現數據中心內的計算、網絡和存儲等硬件資源的軟件虛擬化管理，對上層應用提供自動化服務。其業務主要包括：虛擬化的計算、存儲和網絡、高可用性、動態資源調度、虛擬機容災與備份、虛擬機模板管理、集群文件系統和虛擬交換機策略等。

處于最底層的是CVK(虛擬化內核系統)，實際上是運行于基礎硬件的物理層和上層客戶操作系統之間的虛擬化內核軟件。針對上層客戶操作系統對底層硬件資源的訪問，CVK用于屏蔽底層異構硬件之間的差異性，實現對異構硬件的透明化管理，消除上層客戶操作系統對硬件設備及驅動的依賴性，同時增強了虛擬化運行環境中的硬件兼容性、高可靠性、可擴展性以及性能優化等功能。

2.2 虛擬化實驗室的實驗教學建設

結合學校建設高水平大學的方針目標，培養高素質復合型、創新型的技術人才，通過校企合作的方式，學院與H3C公司合作，建設以云計算為基礎的虛擬化實驗室[5-8]。該實驗室將承擔云計算、大數據、云存儲以及網絡虛擬實驗等相關課程的實驗環境，并提供課程設計、畢業設計等教學任務；除了相關的教學任務，還承擔相關的實驗教學管理業務[9]。具體建設內容有以下4個方面。

2.2.1 基礎實驗課程資源建設

虛擬化實驗室提供了性能強大的服務器資源，在終端機上部署云服務。提供計算機學科相關的基礎學科應用云服務，如數據結構、程序設計、數據庫等基礎學科的實驗應用可以在云平臺實現運行環境，不僅可以獲得性能高效的計算和存儲資源，而且提高了實驗室的復用率。

2.2.2 虛擬技術實驗教學平臺建設

虛擬技術的實驗教學平臺建設是該實驗室建設的核心業務，也是主要目的之一。實驗室以云計算、大數據以及移動互聯網技術作為新設課程建設內容。設計相關課程的實驗教學內容，并通過校企合作的方式邀請H3C公司網絡學院的培訓教師為學生開設相關實驗實踐課程或實戰項目培訓，使學生在進行基礎實驗課程學習的同時，結合實際問題，將“學”與“用”有機地結合為一體。課程的開展主要是在云平臺的基礎之下進行的，包括H3Cloud云計算平臺部署、云平臺基本操作、云服務應用及資源管理、分布式計算及大數據等核心技術，進一步深入學習大數據、移動平臺應用開發等技術。

2.2.3 教學實驗資源虛擬化

利用云平臺的存儲服務，將實驗相關的教學及課程資源整合到云平臺當中，使師生可以隨時隨地的獲取所需的資源，其中涵蓋實驗相關的軟件、實驗手冊、實驗報告等教學文檔資源、學生信息資源、課程內容資源(如PPT、視頻和文檔等)[10]。在云平臺下提供的外部網絡應用接口可以將個人資源同時也整合在其中，便于師生或學生之間的學習交流，教學資源得到最大化的共享和使用。

2.2.4 實驗教學管理整合

實驗室的云服務為實驗教學管理提供了管理接口，并整合原有的教學管理資源實現資源的集中化、虛擬化的管理和支配[11-13]。實驗教學管理資源整合后，不僅是對當前虛擬化實驗室的教學資源管理，更能將其他實驗室的數字資源進行統一管理和分配，實現實驗課程中涉及的教學資源(PPT、視頻、Word和PDF文檔等)、實驗報告以及畢業設計相關文檔內容的集中式管理，從而達到優化配置、靈活分配、快速反饋等目的。

3 結合云計算的創新基地建設與創新實踐教學

創新實踐訓練是大學生創新能力培養的一個重要措施，同時為了響應李克強總理提出的“大眾創業、萬眾創新”口號，廣州大學也大力推進培養學生的創新創業能力，尤其是作為核心競爭力的創新能力的培養。創新基地也一直是作為推動學生進行課外學習以及科技實踐活動的主要場所，因此為了能夠更好地開展創新實踐教學，必須加強創新基地的建設和升級改造[14]。

3.1 云計算下的創新基地建設

基于云計算的創新基地建設是一次創新實踐教學內容的創新嘗試，拓展了學生的學習實踐平臺，并與企業相結合，提供不同專業背景和行業下的項目訓練和實踐。利用虛擬化實驗室提供的云平臺，根據相關的創新項目，構建相應的云實驗環境，如大數據分析專項訓練項目、移動應用APP開發、網絡架構項目實訓等。可以看出，實際上是利用新的技術開展各項創新實踐活動。由于采用了云平臺相結合的方式開展創新基地的建設，因此在建設中也和以往管理模式有所不同，在不同層面上會有一些轉變。

3.1.1 實驗室開放管理方式的轉變

建設虛擬化實驗室的核心架構是云平臺服務，而其所承擔的業務種類繁多，因此架設服務器時，需要提供不間斷電源保障其能夠24小時不間斷運行。在此基礎上，云計算提供的計算、存儲和網絡資源也是不受時間和實驗室的限制，任何時候均可以進行訪問獲取相關資源，但實驗室本身有固定的開放時間，因此在實驗室未開放時，則照樣可以在教學區域或校園其他區域訪問，從而更加有利于創新實踐活動的開展進行。

3.1.2 硬件資源的分配轉變

在采用虛擬化技術將硬件資源整合后，學生在使用時無須進行登記匹配機器型號或機位，而且可以根據項目需要，個性化定制服務或計算、存儲等資源。這大大方便了對創新基地的硬件維護和管理分配，使負責相關創新實踐的指導教師能夠有更多的精力投入到對項目的管控和實施當中。

3.2 云計算下的創新實踐教學

創新基地為創新實踐教學提供了一個很好的開放性平臺，利用云計算提供的各種服務和資源，并對實驗教學環節的不斷改革創新和探索，融合創新實踐的基本理念和要素。展現具有發散性思維和啟發作用的內容，能夠更好地激發學生的內在能動性，發揮應有的潛能，在實踐中獲取更加豐富的創新意識。

開展創新實踐過程中，結合虛擬化實驗提供的平臺資源，可以根據學生的專業、年級、興趣點以及企業相關的項目，具體實施相應的創新實踐訓練。首先，制訂相關的項目計劃。根據企業以及在原有基礎上保留的項目資源劃分不同專業或行業背景的項目種類，從低年級學生開始培養，到高年級時進行實際項目的訓練。其次，培養機制的“聚—散”模式。基礎學科采取集中化、覆蓋式的方式進行實踐教學，使低年級能夠掌握最基本的各項技能，再根據自身興趣和擅長的領域以及制訂的項目計劃進行二次分配，再進行分散式的專項訓練。最后，項目與比賽相結合。在初定項目時，根據實際需求制訂，這樣能夠更好地與現實相結合，充分鍛煉學生的實踐能力。當項目完成度較高時，不僅可以與企業并軌繼續發揮作用，而且還可以作為學生的創新成果參加相關的電子設計大賽、“挑戰杯”等大賽，不僅可以證明自己，更能通過比賽獲取更多靈感和收獲。

通過創新實踐教學的探索和改革，近兩年培養的學生獲得的成果也比較顯著，學生獲取專利多項，參加全國性大賽也獲得較好的名次，其中有一名學生在軟件測試大賽中還獲取參加世界性比賽資格，另外與企業合作并由企業主辦的各項賽事也獲得多項獎項。

4 結語

基于云計算的虛擬化實驗室建設，不僅在課程安排上增加了新的內容，而且讓實驗室實現一體化多元應用的效果，充分利用硬件資源，在建設創新基地和創新實踐教學上都能夠帶來實質性的變化，產生更好的效益。將來還需進一步挖掘虛擬技術，使云計算提供的服務及資源能夠提供更高效的實踐教學和管理，在創新實踐教學方面進一步提升學生的創新實踐能力。