高校教學資源云平臺的構建與應用

陳 龍，崔舒寧，薄鈞戈，謝 濤

（西安交通大學 計算機科學與技術學院，陜西 西安 710049）

0 引 言

近年來，社會的信息化速度呈指數級增長，互聯網的應用也已得到普及，以云計算、大數據以及人工智能為代表的新技術得到了迅猛發展，因此使得各行各業充分利用新技術的優勢來促進自身改革和發展成為可能。目前，我國高校的信息化建設經歷了網絡化、數字化、集成化3個階段，以“智慧化”為典型特征迎來了第4 個階段[1]。同時，伴隨著“新工科”[2]概念的提出，如何將前沿技術與高校的信息化建設和基礎教學相結合，實現“智慧化”教育和“新工科”建設的目標，已成為高校信息化建設和教育教學改革的一個熱點話題。

現階段，很多高校通過購置新設備、部署新平臺等手段來提高信息化建設的水平，還有些高校為了滿足學生日常上機實驗的需求建立了相應的計算機教學實驗中心，這些措施不僅消耗了大量的財力和物力，而且這些資源閑置率較高，未能充分利用，造成教學資源的嚴重浪費[3]。同時，隨著時間的推移，日益陳舊的設備也無法滿足實驗教學的新需求，而購置新設備又在一定程度上加重了學校經費開支的壓力。如何利用現有設備，結合前沿信息技術，打造能滿足教學和科研雙重需求的教學資源平臺，已成為當前高校信息化建設急需解決的一道難題。隨著云計算的出現和發展，尤其是開源軟件的免費提供和分布式系統的日漸成熟，使高校利用自身技術解決上述問題成為可能[4-6]。

1 高校教學資源建設現狀分析

目前，很多高校在信息化建設方面取得了很大進展，不僅在軟硬件環境方面有很大的改善，而且在教學和科研方面也能起到一定的支撐作用。然而，隨著時間的推移和設備更新換代的加速，不少問題日益凸顯，以西安交通大學計算機教學實驗中心（下稱“實驗中心”）為例，主要有以下幾個方面的問題。

1.1 運維成本方面

目前，實驗中心的升級維護主要依靠人工來完成，運維人員定期對機器進行檢查，更換不符合要求的軟硬件設備，導致運維人員成本太高；每年高校的擴招必然導致學生人數持續增長，隨之而來的就是實驗中心的擴建和新設備的采購。與此同時，隨著時間的推移，日益陳舊的設備也將面臨更新換代的問題，這將給學校經費開支帶來很大的壓力。此外，實驗中心的這些資源在大多數情況下處于空閑狀態，使用率較低，造成教學資源的嚴重浪費，無形中增加了運維成本。

1.2 實驗中心管理方面

實驗中心運維人員會根據每門課的教學要求預先在一臺機器上裝好所需的上機實驗環境，然后再通過網絡硬盤數據拷貝的方式安裝到其他機器上。通常一臺機器安裝有多個操作系統和軟件環境，需要根據不同的教學需求進行選擇。如果涉及系統或者軟件的升級和配置，則需要對所有機器進行操作，不僅增加了工作量，而且造成管理復雜，提高了管理的成本[7-8]。

1.3 師生教學方面

為了保護機器的安全，目前實驗中心使用硬盤保護卡，因此學生無法將未完成的實驗數據保存到本地以供下次繼續進行實驗，導致實驗過程不連續，無法保證良好的教學效果。而如果使用U 盤進行拷貝，又無法有效保證系統和設備的安全。同時，由于實驗中心開放時間和地點的限制，學生無法自由上機實驗，有悖于現代化自主學習的理念。

1.4 前沿技術方面

隨著“新工科”概念的提出，云計算、大數據和人工智能等前沿技術將陸續引入到計算機教學中，學生在學習理論知識的同時，還需要切身動手體驗這些技術帶來的直觀效果。然而，目前實驗中心無法提供虛擬化和分布式的計算環境，導致實驗教學效果不理想，影響學生的學習興趣和積極性。

云計算技術是近年來得到快速發展的一種嶄新的計算模式，正成為信息領域研究的熱點，幾乎所有IT 巨頭，包括亞馬遜、IBM 和微軟都將云計算作為未來發展的主要策略之一[9-12]。它的出現和發展為解決上述問題提供了思路。

目前，已有部分高校利用云計算技術在實現資源共享、按需分配、統一管理等方面的優點，探索建立基于云計算的實驗教學平臺[13-15]，這些有意義的探索工作為實驗中心在建設教學資源云平臺的過程中提供了理論支撐和實踐經驗。

2 教學資源云平臺構建

結合云計算的基本特征，可以發現云計算為解決高校教學資源建設過程中存在的問題提供了行之有效的方法，其靈活性、可擴展性、高可靠性、超大計算能力等特征正符合當前高校信息化建設的需求。目前，教學資源云平臺的建設主要有3 種選擇方案，即自主研發解決方案、商業解決方案和開源解決方案。表1 對這3 種方案的特點進行了對比分析[16]。

從表1 中可以看出，在這3 種解決方案中，開源解決方案無需各種軟件的商業授權費用，使用成本遠低于商業解決方案。一般不需要編寫大量代碼，主要工作是規劃、實施和集成等，其技術難度遠小于自行開發方案。此外，開源解決方案的可擴展性強，能有效避免廠家鎖定問題。筆者認為這是目前比較適合我國高校實際情況的構建模式，因此筆者討論的教學資源云平臺的構建與應用采用開源云計算方案。

目前技術上可行的開源云計算主要有ORCA、Nimbus、Eucalyptus、OpenNebula和ClousStack 幾種。相比之下較為成熟且有成功案例的產品有OpenNebula、Eucalyptus、CloudStack 和OpenStack。調查發現，已有很多企業和高校采用OpenStack 搭建私有云，如構建基于OpenStack 的創新實驗室云平臺[17]，構建基于OpenStack 的教學和科研實驗云計算平臺[18]，以及構建基于OpenStack 的高校實驗室云計算管理平臺[19]等。鑒于上述案例以及OpenStack 具有的可控性、兼容性和擴展性等優點，筆者基于OpenStack 搭建教學資源云平臺，為實驗中心提供一個動態可擴展、超強處理能力的平臺，為后續的教學和科研工作提供強有力的支撐。

2.1 OpenStack 簡介

OpenStack 是由Rackspace 公司和美國國家航空航天局（NASA）聯合開發的云計算平臺，旨在幫助服務提供商和企業內部實現基礎設施服務（Infrastructure as a Service，IaaS）[20]，即 類似于Amazon EC2 和S3 的功能。由于OpenStack采用Apache2.0 許可證發布源代碼，因此在發布之后的短短兩年時間內就吸引了IBM、思科、惠普等175 個企業和組織的加入，自2010 年10 月開始，OpenStack 至今已經發布了從Austin 到Rocky 共18 個版本[21]，幾乎是半年一個版本的更新速度。

2.2 教育資源云平臺框架

基于上述對云計算以及OpenStack 的研究分析，筆者構建了教育資源云平臺的體系架構（如圖1 所示）。

（1）基礎設施層包括物理資源層和虛擬資源層兩個方面：物理資源層主要包括計算機資源、存儲器資源和網絡設備資源等構建云平臺所需的所有硬件資源，位于基礎設施的最底層；虛擬資源層是通過虛擬機、虛擬存儲和虛擬網絡等一系列的虛擬化手段，將物理資源層中的硬件資源虛擬化成可以按需調度的虛擬資源池。

圖1 教育資源云平臺體系架構圖

（2）平臺管理層主要包括用戶管理、資源管理、鏡像管理和安全管理，是云計算服務管理體系中最重要的一層。其中用戶管理主要包括計費管理、請求管理以及身份管理；資源管理主要包括故障檢測、監控統計以及負載均衡等；鏡像管理包括鏡像的創建、部署和存儲等操作；安全管理包括綜合防護、安全審計、訪問授權以及身份認證等安全相關的多個方面。

（3）用戶接口層通過提供圖形化的接口服務來獲得用戶的服務要求，主要包括對服務的注冊、查找、訪問和監控等功能。

基于上述對教育資源云平臺體系架構介紹，筆者所搭建的教育資源云平臺主要由計算服務（Nova）、鏡像服務（Glance）、身份認證服務（Keystone）和Web 界面服務（Horizon）共4 個部分組成（沒有使用存儲服務（Swift）。計算服務主要提供虛擬化實例運行和管理、網絡管理以及訪問控制等功能，它是云平臺的控制器；鏡像服務主要負責管理平臺中的虛擬機鏡像，提供對鏡像的存儲、查詢等服務；身份認證服務主要提供身份認證和管理功能；Web 界面服務為使用云平臺的用戶提供了一個Web 頁面，通過它可以方便快捷的進行業務操作和平臺管理工作。OpenStack 的各個服務的關系如圖2所示。

2.3 教育資源云平臺的構建規劃

OpenStack 可以有多種部署方式。

（1）單節點部署，所有服務運行在一臺服務器上，該服務器既負責虛擬的調度管理、鏡像管理、網絡管理等控制任務，又負責計算任務。

（2）雙節點部署，分為控制節點和計算節點兩個，將計算任務從控制節點中分離出來，運行在計算結點上，控制節點只負責控制任務。

（3）多節點部署，將Glance、Keystone等服務從控制節點分離出來，單獨創建鏡像服務器和認證服務器，同時增加多臺計算節點、增強計算能力，形成多節點部署。

圖2 OpenStack 服務關系

為了便于后期的擴展和維護，也為了適應實際的生產環境，可以采用多節點部署方式（如圖3 所示）。

2.4 教育資源云平臺的構建過程

當前主流的OpenStack 構建方式主要有以下3 種。

（1）軟件包安裝。目前，OpenStack 的相關資源軟件包都已經集成到了各大操作系統里面，因此可以直接通過自動化網絡的安裝方式來完成OpenStack 環境的搭建。

（2）自動化腳本安裝。OpenStack 的自動化安裝腳本有很多種，目前主流的是Devstack 和Fuel，其中Devstack可以通過運行腳本完成OpenStack 的“一鍵安裝”，從而讓開發者可以快速搭建一個環境；Fuel則更為震撼，它將幾乎所有的安裝過程都Web 化，用戶只需在網頁上做一些簡單的配置就可以完成OpenStack 的安裝。

（3）源碼安裝。先從OpenStack 的官網上將源代碼資源包下載到本地，然后再根據自己的實際需求對配置文件進行修改，最后一步一步地執行源碼安裝過程。這種方式比前兩種更為復雜繁瑣，需要具有一定的Linux 操作基礎及計算機專業知識，但是這種方式比前兩種更能滿足用戶的個性化需求。

由于各大高校對教學資源的信息化建設需求各有不同，基于上述分析，源碼安裝的方式毫無疑問能夠更好地滿足不同的教學需求。因此，筆者基于這點考慮，也采用源碼安裝的方式來部署OpenStack，以便能根據本中心的實際需求來進行配置參數的設定和修改。整個部署過程主要分為4 個部分，即Keystone 部署、Glance 部署、Nova 部署和Horizon 部署。

圖3 云平臺的部署

Keystone 的部署，Keystone 是OpenStack 中用于身份驗證的項目，任何服務請求都需要經過它的驗證獲得服務的endpoint（指向服務的訪問鏈接）才能訪問該服務，在部署OpenStack時，首先要安裝Keystone 并在Keystone 中注冊Nova、Glance 等服務，使得各服務可以被授權和使用。Keystone 的具體部署流程如圖4 所示。

Glance 的部署，Glance 主要負責虛擬機鏡像的管理，通過Glance 可以完成鏡像的上傳、存儲、注冊、驗證以及刪除等操作。Glance 的具體部署流程如圖5 所示。

Nova 的部署，Nova 提供虛擬化實例運行和管理、網絡管理以及訪問控制等功能，它是云平臺的控制器，同時也是三個核心OpenStack項目中最復雜的一個項目，它的擴展還包括Quantum 和Melange 等項目。Nova 的具體部署流程如圖6 所示。

Horizon 的部署，Horizon 是OpenStack 中基于Web 的管理控制臺，采用Python 和Django 結構開發的。Horizon 的具體部署流程如圖7 所示。

3 平臺的實例應用

圖4 keystone 配置流程

圖5 Glance 配置流程

圖6 Nova 配置流程

圖7 Horizon 配置流程

基于OpenStack 的教學資源云平臺目前已經投入使用，最典型的應用就是云桌面。根據實驗教學的具體應用需求定制符合實驗教學培養方案的云計算系統，向客戶端推送具有針對性的實驗環境（包括Win7、Win10、Win XP、Linux 等多個操作系統，且安裝好實驗所需軟件），一個云桌面可以同時推送到多個不同配置的硬件設備（PC 機、筆記本、瘦客戶端、手機等），同時也可以給一個硬件設備推送多個云桌面。目前，實驗中心主要采用“課程云桌面”和“固定云桌面”兩種方式向教師和學生提供服務[22]。

3.1 課程云桌面

課程云桌面是支持傳統定時上下課的上課場景，學生上課前需對實驗相關環境以及課程等信息進行設置，在每次課程上課前管理系統會為每個學生推送一個課程所需的環境，學生只需輸入正確的用戶名及密碼就能使用，課程結束后對云桌面進行收回。其使用流程如圖8 所示。

目前本中心已有2 門課程以“課程云桌面”的形式使用了這套解決方案，分別是90 人的高級程序設計課以及30 人的可視化程序設計課，這2 門課程由于是嚴格按照具體的上課時間段進行上課，2 個班使用的原實驗中心的老舊計算機作為終端使用，遠程接入云桌面，為學生提供了高性能、高可靠的桌面教學服務。

3.2 固定云桌面

圖8 課程云桌面設置流程圖

固定云桌面不同于課程云桌面，不參與云桌面的自動調度，為教師或者需長時間進行實驗的課程提供類似傳統PC 機的服務。教師可以使用固定云桌面進行辦公、實驗、多媒體教學等多場景應用，從而擺脫了U 盤攜帶、無法通過移動設備進行訪問桌面等問題。目前，實驗中心已為十多位教師建立了二十多個固定云桌面。同時，筆者還在每年進行的小學期實訓中，采用“固定云桌面”的形式，為學生提供一個連續的實驗環境，滿足了游戲開發、單片機開發、HIS 系統開發等多個不同實訓項目的教學實驗要求，順利地完成了小學期實訓的任務。

截至目前，云桌面的使用情況見表2。

從表2 可以看出，使用的軟件從一般程序設計類課程需用的開發工具Visual Studio2015、Sql Server2012 等到一些專業課需用的專有軟件AutoCAD、Rhino、SPSS、Qt 5.3.0 等，說明教育資源云平臺利用云桌面的典型應用已經可以滿足教學實驗的相關要求，對傳統的實驗中心上機模式有了很大的改進，進一步證明了教育資源云平臺建設的可行性和具有的實際應用價值。

4 結 語

云計算是當前“新工科”建設的熱點問題，也是高校信息化建設的主要方向。筆者結合本中心的實際建設需求，在中心現有設備和物理架構的基礎上，構建了基于OpenStack 的教學資源云平臺，并將其用于實際的教學實驗和科研工作中，取得了一定的成果。該平臺的建立不僅實現了實驗室資源的合理利用，也提高了師生教學實驗和研發工作的效率。平臺的成功搭建只是信息化建設的開始，對于一些重點和難點技術問題，還需在后續的研究中繼續探索，并通過與大數據、人工智能以及物聯網等前沿技術的融合，形成新的教學內容和實驗案例，充分發揮其在科研和教學中的作用，實現高校教學的數字化、自動化和網絡化。平臺主要構建過程將制作為視頻教材，加入到中國大學MOOC 的相關課程中，以便學生能更好地了解和使用OpenStack 云平臺，同時也能對高校教學資源的信息化建設提供有益的借鑒。

表2 云桌面使用情況